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    地閃特征在冰雹天氣識(shí)別中應(yīng)用分析

    2017-10-13 02:42:44曾金全王穎波馮真禎施宗強(qiáng)
    關(guān)鍵詞:降雹雷暴頻數(shù)

    曾金全,朱 彪,王穎波,馮真禎,施宗強(qiáng)

    (1. 福建省防雷中心 福州 350001;2. 海峽氣象科學(xué)研究所 福州 350001;3. 南靖縣氣象局 南靖 363600)

    地閃特征在冰雹天氣識(shí)別中應(yīng)用分析

    曾金全1,2,朱 彪1,2,王穎波1,馮真禎1,施宗強(qiáng)3

    (1. 福建省防雷中心 福州 350001;2. 海峽氣象科學(xué)研究所 福州 350001;3. 南靖縣氣象局 南靖 363600)

    利用福建省閃電定位和地面觀(guān)測(cè)資料,對(duì)福建2013—2015年14次冰雹過(guò)程的地閃活動(dòng)特征和變化機(jī)制進(jìn)行了研究.通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),冰雹天氣過(guò)程中正地閃占總地閃的比例平均為14.2%,遠(yuǎn)高于2004—2015年福建地區(qū)正地閃比例的氣候特征值3.4%.14次降雹過(guò)程中,地閃過(guò)程平均提前28.9min被觀(guān)測(cè)到,正閃提前18.2min被觀(guān)測(cè)到,正閃次數(shù)峰值一般出現(xiàn)在降雹之后.降雹之前,閃電的最大強(qiáng)度(陡度)絕對(duì)值呈變大趨勢(shì),降雹過(guò)程中,閃電最大強(qiáng)度(陡度)絕對(duì)值呈無(wú)明顯規(guī)律變化,在降雹結(jié)束階段,閃電最大強(qiáng)度峰值的絕對(duì)值呈減小趨勢(shì).以上這些特征揭示了冰雹天氣過(guò)程中的地閃演變規(guī)律,可以作為福建地區(qū)冰雹天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)和識(shí)別的參考指標(biāo).

    冰雹; 地閃特征; 識(shí)別; 參考指標(biāo)

    由于冰雹天氣系統(tǒng)的局地性和突發(fā)性強(qiáng),云體發(fā)展非常迅速、生命史較短、且上升氣流劇烈,云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料相對(duì)匱乏,相關(guān)學(xué)者[1- 6]對(duì)不同雹云過(guò)程以及雹云不同發(fā)展階段、部位冰雹譜具有不同的分布演變規(guī)律進(jìn)行了深入研究.冰雹天氣作為典型的強(qiáng)對(duì)流性天氣,發(fā)生發(fā)展與雷暴云聯(lián)系在一起,從雷暴云的出現(xiàn)到消失,具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性.隨著閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的布設(shè),全國(guó)各地積累了大量的閃電監(jiān)測(cè)資料.但閃電資料在我國(guó)強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究較為欠缺,對(duì)于地閃定位資料的價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘.冰雹天氣過(guò)程中既存在強(qiáng)盛的上升氣流,又有冰相粒子參與的復(fù)雜微物理過(guò)程,因此起電過(guò)程非常劇烈,放電現(xiàn)象也非常活躍.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外利用閃電定位資料對(duì)冰雹進(jìn)行了大量分析,發(fā)現(xiàn)雷電資料可以有效改進(jìn)冰雹診斷和預(yù)報(bào),國(guó)內(nèi)外利用閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和雷達(dá)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中的閃電過(guò)程進(jìn)行了大量的綜合觀(guān)測(cè)研究和分析,并取得了很多有意義的結(jié)果.Reap和MacGorman[7- 9]發(fā)現(xiàn),大冰雹出現(xiàn)的可能性隨著正地閃頻數(shù)的增加而增大,以正地閃為主的雷暴常常在正地閃發(fā)生階段產(chǎn)生大冰雹.Seity等[10]認(rèn)為正地閃的發(fā)生與冰雹的產(chǎn)生和降落密切相關(guān),閃電均發(fā)生在含有冰相粒子的區(qū)域.姚雯等[11]利用ADTD和SAFIR兩種閃電資料對(duì)北京-天津-河北地區(qū)的冰雹個(gè)例分析得到,閃電活動(dòng)的躍增現(xiàn)象可以作為冰雹災(zāi)害發(fā)生的有效預(yù)警指標(biāo),且正地閃比例較高時(shí),冰雹直徑較大且過(guò)程持續(xù)較長(zhǎng),反之,負(fù)地閃比例相對(duì)較高時(shí),冰雹過(guò)程較弱.張義軍等[12]對(duì)甘肅平?jīng)龅貐^(qū)正地閃特性的如冰雹大風(fēng)過(guò)程的正地閃高于普通雷暴、冰雹發(fā)生前對(duì)應(yīng)著閃電頻數(shù)“躍增”現(xiàn)象、冰雹發(fā)生的可能性隨著正地閃密度的增大而快速增大等等.

    也有分析表明,一些強(qiáng)對(duì)流的過(guò)程產(chǎn)生非常低的地閃頻數(shù)[13- 14],而并非通常認(rèn)為的對(duì)流越強(qiáng),雷暴云中的地閃活動(dòng)也越強(qiáng),可見(jiàn)冰雹過(guò)程中的雷電活動(dòng)與動(dòng)力和云物理及降水等過(guò)程之間關(guān)系的復(fù)雜性.本文擬選取福建地區(qū)2013—2015年的強(qiáng)對(duì)流天氣中的冰雹過(guò)程,闡述冰雹天氣過(guò)程中的閃電分布與演變機(jī)理,為福建地區(qū)冰雹天氣過(guò)程的監(jiān)測(cè)和識(shí)別應(yīng)用提供參考指標(biāo).

    1 資料與方法

    研究中收集整理冰雹天氣過(guò)程14次,其中2013年3次,2014年5次,2015年6次.福建地區(qū)67個(gè)地面觀(guān)測(cè)站數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包括強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間,雷暴發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間.福建省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)(ADTD): 能提供全省范圍的地閃定位資料,定位信息包括經(jīng)緯度、時(shí)間、強(qiáng)度與陡度.冰雹天氣過(guò)程屬于中小尺度,根據(jù)福建強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的特點(diǎn),為了確保強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)與雷暴屬于同一系統(tǒng),根據(jù)降雹時(shí)間,選取對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)觀(guān)測(cè)站30km以?xún)?nèi)的閃電數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象.

    2 冰雹天氣中的閃電特征

    2.1閃電特征

    考慮到地閃、地面觀(guān)測(cè)等資料的完整性,對(duì)收集到的2013—2015年發(fā)生在福建的14次降雹實(shí)例的地閃特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1.從表1中可以發(fā)現(xiàn): 在14次降雹過(guò)程中,有12次伴隨著正地閃發(fā)生,有兩次降雹過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生正閃,說(shuō)明不是所有的冰雹中都有正閃發(fā)生.通過(guò)對(duì)14次降雹過(guò)程的地閃資料統(tǒng)計(jì)表明,冰雹中正地閃占總地閃的平均比例為14.2%,高于本地正地閃比例的氣候特征值(2004—2015年,3.4%),冰雹過(guò)程中的正閃比為2004—2015年福建地區(qū)氣候特征值的4.2倍,說(shuō)明正閃在冰雹過(guò)程占有較高比例.不同冰雹過(guò)程正閃/總閃的比例會(huì)有較大差別,其中一些個(gè)例的正閃比達(dá)到77.8%,但一些伴有強(qiáng)降水的冰暴個(gè)例中的正閃比往往很低.平均正閃比(14.2%)低于陳哲彰[15]給出的京津冀地區(qū)冰雹過(guò)程中的正閃比值(65.8%)和馮桂力[16]給出山東地區(qū)的冰雹過(guò)程中的正閃比值(57.4%),這種差異可能由于緯度的變化引起,還需要作進(jìn)一步研究和探索.需要說(shuō)明的是,在馮桂力的研究中,山東地區(qū)正地閃比例的氣候特征值13.5%,冰雹過(guò)程中正閃比例是其4.3倍,山東地區(qū)冰雹過(guò)程的正地閃比例與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣髦档谋戎蹬c本研究中的4.2倍比較接近.14次降雹過(guò)程中,雷暴過(guò)程平均提前28.9min被觀(guān)測(cè)到,正閃提前18.2min被觀(guān)測(cè)到,正閃發(fā)生的時(shí)間以及正閃比的變化可以作為冰雹預(yù)警識(shí)別的參考指標(biāo).

    表1 2013—2015年冰雹中的地閃特征統(tǒng)計(jì)表

    2.2典型個(gè)例

    為了更詳細(xì)地了解冰雹過(guò)程前后的閃電發(fā)生情況,我們將表1個(gè)例中地閃位置和降雹區(qū)域疊加在一起,探討冰雹落區(qū)和地閃的時(shí)空分布之間的關(guān)系,以期利用地閃的時(shí)空分布特性來(lái)預(yù)測(cè)降雹的發(fā)生區(qū)域.

    (1) 2015年6月18日過(guò)程

    受東北冷渦加強(qiáng)南壓、副高減弱東退和低層低渦切變南壓等影響,福州城區(qū)五四北地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣,這次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程在16:00~17:00出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象,而閃電則在15:54則被監(jiān)測(cè)到,閃電過(guò)程一直持續(xù)到18時(shí)以后.

    圖1中hail的橫坐標(biāo)位置即為冰雹發(fā)生的時(shí)段.在冰雹發(fā)生前后,總體而言,閃電表現(xiàn)出了以下特征: 負(fù)地閃提前于冰雹過(guò)程發(fā)生,降雹過(guò)程中閃電頻數(shù)處于較高值,正地閃頻數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后降雹發(fā)生時(shí)間,本次過(guò)程正閃頻數(shù)在冰雹的后期階段開(kāi)始急劇上升,在17:30~17:36達(dá)到峰值;在雹云快速發(fā)展階段,地閃頻數(shù)存在明顯的躍增.16:18之前,地閃數(shù)量有明顯增加,出現(xiàn)個(gè)小峰值,隨后地閃總數(shù)逐漸減少,地閃數(shù)量在16: 36~16:42出現(xiàn)明顯的躍增;在降雹結(jié)束后,地閃發(fā)生數(shù)量繼續(xù)增多并在17:00~17:06之間達(dá)到峰值.冰雹發(fā)生初期階段,負(fù)地閃頻數(shù)快速增加,出現(xiàn)個(gè)小峰值;冰雹發(fā)展階段,負(fù)地閃頻數(shù)開(kāi)始減少,正地閃頻數(shù)有小幅上升;冰雹減弱消散階段;地閃頻數(shù)開(kāi)始減少,正地閃頻數(shù)快速增加,正地閃所占比例對(duì)應(yīng)增加.

    圖1 2015年6月18日福州冰雹過(guò)程閃電特征Fig.1 The characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

    閃電強(qiáng)度是閃電定位系統(tǒng)通過(guò)電磁信號(hào)反演求出,閃電強(qiáng)度絕對(duì)值越大,代表著雷暴云內(nèi)帶電粒子多、起電劇烈.從圖2可以看到,在冰雹開(kāi)始之前,負(fù)閃的最大強(qiáng)度不斷變大,達(dá)到了個(gè)小峰值,降雹開(kāi)始,負(fù)閃最大強(qiáng)度的絕對(duì)值開(kāi)始變小,隨后緩慢變大,在降雹的后期階段,其絕對(duì)值達(dá)到了48.8kA,在此之后降雹過(guò)程結(jié)束.正閃強(qiáng)度最大值在降雹過(guò)程中也在不斷增大,在16:54~17:00出現(xiàn)了個(gè)峰值.在降雹結(jié)束前,閃電正閃最大峰值和負(fù)閃最大峰值均出現(xiàn)了個(gè)峰值,閃電過(guò)程釋放了云內(nèi)的能量,與冰雹結(jié)束可能存在一定的關(guān)系.

    圖2 2015年6月18日福州冰雹過(guò)程閃電強(qiáng)度特征Fig.2 The ntensity characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

    閃電陡度表征了閃電強(qiáng)度在單位時(shí)間內(nèi)的變化程度,表征閃電的放電特征的變化.通過(guò)圖3(見(jiàn)第120頁(yè))可以看出在降雹開(kāi)始階段負(fù)閃最大陡度和正閃最大陡度沒(méi)有明顯變化特征,但是在降雹的結(jié)束階段負(fù)閃最大陡度和正閃最大陡度的絕對(duì)值均出現(xiàn)一個(gè)峰值,與圖2中的有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系.

    圖3 2015年6月18日福州冰雹過(guò)程閃電陡度特征Fig.3 The steepness characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

    (2) 2014年3月29日過(guò)程

    受強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程影響,2014年3月29日莆田地區(qū)16:20~16:30出現(xiàn)了冰雹過(guò)程,持續(xù)了約10min.

    圖4中hail的橫坐標(biāo)位置即為冰雹發(fā)生的時(shí)段.整個(gè)降雹過(guò)程中正地閃占較高的比例,達(dá)到77.8%,在冰雹發(fā)生前,正地閃和負(fù)地閃均提前于冰雹過(guò)程發(fā)生,負(fù)地閃在降雹開(kāi)始時(shí)停止發(fā)生,正地閃數(shù)量急劇增加,在16:24~16:30達(dá)到峰值,正閃比急劇增加達(dá)到100%;在冰雹快速發(fā)展階段,正地閃頻數(shù)不斷增多.在降雹過(guò)程后,正地閃數(shù)量在16:24~16:30達(dá)到峰值,正地閃峰值出現(xiàn)在降雹之后.

    圖4 2014年3月29日莆田冰雹過(guò)程閃電特征Fig.4 The characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

    從圖5可以看到,在冰雹過(guò)程之前,負(fù)閃的最大強(qiáng)度絕對(duì)值不斷變大,達(dá)到了1個(gè)峰值,隨后變小,降雹開(kāi)始,由于負(fù)閃發(fā)生,其最大強(qiáng)度的絕對(duì)值沒(méi)有變化特征.正閃強(qiáng)度最大值和正閃平均強(qiáng)度絕對(duì)值在降雹過(guò)程中也在不斷增大,這兩個(gè)變化值的意義對(duì)于冰雹的預(yù)測(cè)和指示具有重要意義,在16:24~16:30出現(xiàn)了個(gè)峰值.在降雹結(jié)束后,正閃最大峰值的絕對(duì)值急劇減小,降雹導(dǎo)致云內(nèi)能量減少,導(dǎo)致閃電強(qiáng)度絕對(duì)值變小,兩者之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

    圖5 2014年3月29日莆田冰雹過(guò)程閃電強(qiáng)度特征Fig.5 The ntensity characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

    圖6可以看出在降雹開(kāi)始階段正閃最大陡度和正閃平均陡度絕對(duì)值在變大,正閃最大陡度和正閃平均陡度表現(xiàn)出來(lái)的特征對(duì)冰雹過(guò)程的發(fā)展是有一定指示作用的.

    圖6 2014年3月29日莆田冰雹過(guò)程閃電陡度特征Fig.6 The steepness characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

    3 小結(jié)與討論

    通過(guò)對(duì)福建地區(qū)2013—2015年14次冰雹過(guò)程的閃電統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行研究,分析了冰雹天氣過(guò)程中的閃電發(fā)生時(shí)間、閃電數(shù)量、閃電極性變化、閃電強(qiáng)度和陡度等特征,這些特征揭示了冰雹天氣過(guò)程中的地閃演變規(guī)律,可以作為福建地區(qū)冰雹天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)和識(shí)別的參考指標(biāo),冰雹天氣過(guò)程與地閃變化特征存在如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:

    (1) 在14次降雹過(guò)程中,有12次伴隨著正地閃發(fā)生,有兩次降雹過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生正閃,說(shuō)明不是所有的冰雹中都有正閃發(fā)生.通過(guò)對(duì)14次降雹過(guò)程的地閃資料統(tǒng)計(jì)表明,冰雹中正地閃占總地閃的平均比例為14.2%,高于本地正地閃比例的氣候特征值(2004—2015年,3.4%),說(shuō)明正閃在冰雹過(guò)程占有較高比例.不同冰雹過(guò)程正閃/總閃的比例會(huì)有較大差別,其中一些個(gè)例的正閃比達(dá)到77.8%,但一些伴有強(qiáng)降水的冰雹個(gè)例中的正閃比往往很低.本研究統(tǒng)計(jì)到的平均正閃比(14.2%)低于陳哲彰[15]給出的京津冀地區(qū)冰雹過(guò)程中的正閃比值(65.8%)和馮桂力[16]給出山東地區(qū)的正閃比值(57.4%),這種差異可能由于緯度的變化引起,還需要作進(jìn)一步研究和探索.

    (2) 在冰雹發(fā)展階段,地閃次數(shù)增加明顯;降雹發(fā)生時(shí)段,負(fù)地閃次數(shù)快速下降,而正地閃次數(shù)開(kāi)始增加;在冰雹結(jié)束階段,地閃次數(shù)減少,對(duì)應(yīng)的正閃比有所增加,正地閃次數(shù)一般出現(xiàn)在降雹發(fā)生后.

    (3) 14次降雹過(guò)程中,雷暴過(guò)程平均提前28.9min被觀(guān)測(cè)到,正閃提前18.2min被觀(guān)測(cè)到,正閃峰值一般出現(xiàn)在降雹之后.

    (4) 在冰雹開(kāi)始之前,閃電的最大強(qiáng)度(陡度)絕對(duì)值呈變大趨勢(shì),降雹過(guò)程中,閃電強(qiáng)度(陡度)最大絕對(duì)值無(wú)明顯規(guī)律變化.在降雹結(jié)束前,閃電強(qiáng)度最大峰值的絕對(duì)值一般減小,降雹導(dǎo)致云內(nèi)粒子數(shù)量減少,進(jìn)而導(dǎo)致閃電強(qiáng)度變小,兩者之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

    本文針對(duì)福建地區(qū)14次冰雹天氣過(guò)程中的閃電特征進(jìn)行了詳細(xì)分析,得到了冰雹天氣過(guò)程中的一些閃電活動(dòng)特征,這些特征揭示了福建地區(qū)冰雹天氣和閃電活動(dòng)特征的相互關(guān)系,可以作為冰雹天氣監(jiān)測(cè)和識(shí)別的參考指標(biāo).但是在冰雹個(gè)例分析工作中對(duì)綜合監(jiān)測(cè)資料挖掘還不夠深入,未來(lái)工作中將分析和統(tǒng)計(jì)更多個(gè)例,進(jìn)一步驗(yàn)證冰雹天氣過(guò)程中的正地閃比例差異是否由于緯度的差異性引起,繼續(xù)加深對(duì)冰雹天氣過(guò)程中的云閃電活動(dòng)(云閃和地閃)的監(jiān)測(cè)和分析,提取更多的特征參數(shù).綜合其他的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析,如大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等,分析冰雹云中的粒子變化特征和地面放電特征,加深對(duì)冰雹天氣的閃電活動(dòng)與云物理過(guò)程關(guān)系的研究,為冰雹天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警及識(shí)別應(yīng)用提供更有意義的參考指標(biāo).

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    Abstract: Using the data of lightning locating system and field observation in Fujian province, the characteristics and variation mechanisms of cloud- to- ground(CG) lightning be studied in Fujian province of 14 hail weather from 2013—2015. Although a lot of researchers have analyzed, and the results show that the mean proportion of positive CG lightning accounting for total CG lightning is 14.2%, which is much higher than the Fujian province climatic normal rate by 3.4% from 2004—2015. In the 14 hail- failing, the CG lightning is monitored 28.9 min earlier the hail- failing, the positive CG lightning is monitored 18.2 min earlier the hail- failing, and the peak positive CG lightning is occurred after the occurrence of hailstones usually. The absolute value of intensity and steepness of CG lightning are lager before the hail- failing, The absolute value of intensity and steepness of CG lightning do not significantly laws in the hail- failing process, the absolute value of intensity a of CG lightning is smaller before the hail- failing. These features have revealed some evolvement rule of CG lightning in the hail weather, these features can be the indicator of hailstorms forecasting and identification in Fujian province.

    Keywords: hailstorm; the characteristics of CG; identification; indicator

    TheAppliedAnalysisofCloud-to-GroundLightningCharacteristicsintheHailWeatherIdentification

    ZENG Jinquan1,2, ZHU Biao1,2, WANG Yingbo1, FENG Zhenzhen1, SHI Zongqiang3

    (1.LightningProtectionCentreofFujianProvince,Fuzhou350001,China; 2.SoundInstituteofMeteorologicalSciences,Fuzhou350001,China; 3.MeteorologicalAdministrationofNanjingCounty,Nanjing363600,China)

    TU4

    A

    0427- 7104(2017)01- 0117- 07

    2016- 05- 19

    海峽氣象協(xié)同科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015hxqx003);福建省氣象局青年科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2015q08);災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2013LASW- B01)

    曾金全(1964—),男,高級(jí)工程師,E- mail: 58803572@qq.com.

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