貴州中西部冰雹云閃電活動(dòng)特征及對(duì)降雹指示作用研究

曾 勇，張淑霞，羅 雄，鄒書平，黃 鈺，周麗娜

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550082；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽 550082)

0 引言

冰雹是貴州春季主要的氣象災(zāi)害之一，常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，具有局地性強(qiáng)、發(fā)展速度快、災(zāi)害強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。閃電是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展過程中伴隨的放電現(xiàn)象，在冰雹天氣過程中尤為突出。閃電資料在時(shí)間上較雷達(dá)資料更為實(shí)時(shí)，在探測(cè)范圍內(nèi)不受高山或建筑物的干擾，可以作為天氣雷達(dá)進(jìn)入探測(cè)盲區(qū)后有效資料補(bǔ)充。因此，針對(duì)冰雹天氣過程閃電資料進(jìn)行分析研究，獲得閃電信息對(duì)降雹的指示作用對(duì)冰雹的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要意義。

早期關(guān)于閃電與對(duì)流降水的研究是分開的，閃電研究人員關(guān)注的是閃電，對(duì)流降水研究人員只關(guān)心降水。隨著關(guān)于雷暴起電的非感應(yīng)起電機(jī)制的深入研究，霰、雹粒等大冰相粒子群的存在為非感應(yīng)起電提供物質(zhì)基礎(chǔ)得到證實(shí)，因此閃電與對(duì)流降水關(guān)系的研究得到廣泛開展[2]。國(guó)外研究者針對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴過程閃電特征進(jìn)行觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生較大冰雹的雷暴正地閃發(fā)生頻次較高，正地閃主要集中發(fā)生在降雹階段，當(dāng)閃電從負(fù)極性地閃轉(zhuǎn)為正極性地閃時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大冰雹、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，正地閃信息可作為指示強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的“指示器”[3-6]。然而，國(guó)外也有研究表明冰雹云地閃頻數(shù)遠(yuǎn)低于那些僅產(chǎn)生降水的風(fēng)暴，冰雹云地閃頻數(shù)一般不超過2次/min，而暴雨過程卻可以達(dá)到12次/min[7]。所以，單純使用正地閃發(fā)生頻次高低來識(shí)別冰雹云具有很大程度不確定性。鑒于此，研究者利用完整地閃躍增信息對(duì)冰雹事件的提前識(shí)別進(jìn)行了檢驗(yàn)，主要基于2σ閃電躍增法得到了地閃躍增相對(duì)于降雹的超前時(shí)間，能夠有效識(shí)別降雹[8]。

我國(guó)在上世紀(jì)60年代便研制了閃電計(jì)數(shù)器并用于冰雹云與雷雨云的觀測(cè)試驗(yàn)，得到了冰雹云與雷雨云閃電頻數(shù)的差別并應(yīng)用于人工防雹作業(yè)[9]。針對(duì)中國(guó)西北與內(nèi)陸高原地區(qū)冰雹云閃電特征研究表明，冰雹云發(fā)展演變過程伴隨較高的正地閃比例，閃電每5 min變化在降雹前出現(xiàn)躍增并伴隨閃電頻數(shù)峰值[10-15]。曾勇等[16]、黃鈺等[17]對(duì)貴州地區(qū)閃電發(fā)生對(duì)冰雹、暴雨指示作用初步研究表明：閃電可以作為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生指示器。國(guó)內(nèi)研究主要基于對(duì)降雹前閃電峰值時(shí)間的統(tǒng)計(jì)進(jìn)而獲得峰值時(shí)間提前量，然而峰值時(shí)間提前量是閃電經(jīng)歷躍增后的結(jié)果，對(duì)閃電初始躍增信號(hào)沒有進(jìn)行深度挖掘，得到相對(duì)于峰值時(shí)間提前量更長(zhǎng)的閃電跳躍預(yù)警信號(hào)。

本文研究切入點(diǎn)為基于VLF/LF全閃資料對(duì)發(fā)生在云貴高原臺(tái)地威寧及斜坡過渡帶冰雹過程閃電特征進(jìn)行詳細(xì)分析，挖掘總閃跳躍信號(hào)與峰值信號(hào)并分析閃電躍增事件與降雹的響應(yīng)時(shí)間定量關(guān)系，為冰雹云降雹識(shí)別和人工防雹作業(yè)提供支撐。

1 資料來源與分析方法

1.1 資料來源

研究過程資料主要涉及冰雹過程閃電探測(cè)資料、雷達(dá)資料及降雹觀測(cè)資料。閃電探測(cè)資料主要采用貴州省VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)自2016—2019年探測(cè)資料。VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與多站TOA時(shí)間差定位算法，實(shí)現(xiàn)閃電 VLF/LF 輻射源的時(shí)間、位置、高度、強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)的三維定位，提高了定位精度與探測(cè)效率，能夠全面探測(cè)云閃、地閃及閃電高度[18-19]，主要特征參數(shù)見表1。雷達(dá)資料采用貴陽、畢節(jié)、都勻、六盤水和昭通新一代天氣雷達(dá)探測(cè)資料，降雹觀測(cè)資料來自地面天氣報(bào)文及市縣人影作業(yè)站點(diǎn)觀測(cè)記錄?？紤]閃電資料、雷達(dá)資料及地面觀測(cè)資料完整性，對(duì)云貴高原臺(tái)地威寧篩選冰雹個(gè)例21個(gè)，云貴高原斜坡過渡帶篩選冰雹個(gè)例13個(gè)。

表1 VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要特征參數(shù)Tab.1 Main characteristic parameters of VLF/LF 3D lightning monitoring system

1.2 分析方法

本研究主要采用統(tǒng)計(jì)方法和2σ閃電躍增法，對(duì)降雹區(qū)域冰雹云閃電頻次時(shí)間變化與閃電躍增信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。在對(duì)降雹區(qū)域閃電活動(dòng)特征進(jìn)行分析之前，對(duì)區(qū)域內(nèi)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，閃電資料的取值范圍為降雹區(qū)域整個(gè)冰雹云區(qū)，剔除不屬于降雹區(qū)域內(nèi)閃電數(shù)據(jù)，保證分析數(shù)據(jù)的可靠性。閃電數(shù)據(jù)篩選原則為：綜合冰雹發(fā)生時(shí)間地點(diǎn)信息和冰雹過程雷達(dá)回波資料，根據(jù)雷達(dá)回波發(fā)生發(fā)展過程對(duì)流云團(tuán)區(qū)域范圍篩選閃電數(shù)據(jù)，主要利用云降水精細(xì)化分析系統(tǒng)(CPAS)，剔除不屬于降雹區(qū)域閃電數(shù)據(jù)。為了便于分析，將總閃、地閃、云閃分別記為TL、CG、IC。正閃比記為POP，POP=(+CG/CG)×100%，+CG表示正地閃；負(fù)閃比記為NOP，NOP=(-CG/CG)×100%，-CG表示負(fù)地閃；云閃比記為IOP，IOP=(IC/TL)×100%；云閃與地閃的值定義為Z值，Z=IC/CG。

基于Schultz等[20]提出的2σ閃電躍增法對(duì)閃電跳躍信號(hào)進(jìn)行提取分析，2σ閃電躍增法計(jì)算如下：

①首先對(duì)降雹區(qū)域范圍內(nèi)相鄰時(shí)次閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，消除個(gè)別噪聲數(shù)據(jù)的干擾。

(1)

式中LFavg(Lightning Frequency)為閃電頻次滑動(dòng)平均值，單位為次·min-1，LFt1和LFt2分別為t1和t2時(shí)次內(nèi)對(duì)應(yīng)的閃電總頻次，LFavg單位為次·min-1。

②對(duì)LFavg進(jìn)行微分處理，求解獲得各時(shí)次的閃電頻次變化率LFCR(Lightning Frequency Change Rate)，單位為次·min-2。

(2)

③建立閃電跳躍預(yù)警信號(hào)識(shí)別機(jī)制?；?1)式與(2)式計(jì)算結(jié)果，求解總體LFCR的標(biāo)準(zhǔn)偏差σLFCR，利用各時(shí)次的LFCR值與2σLFCR值進(jìn)行比對(duì)，大于2σLFCR的點(diǎn)被記錄為閃電跳躍預(yù)警信號(hào)，結(jié)合降雹觀測(cè)記錄時(shí)間，得到閃電跳躍信號(hào)的提前量，這就是2σ判別機(jī)制。

2 冰雹云閃電活動(dòng)特征分析

2.1 冰雹云閃電統(tǒng)計(jì)特征分析

冰雹云閃電特征具有典型的地域特性，因此本文對(duì)高原臺(tái)地威寧與斜坡過渡帶區(qū)域冰雹過程閃電特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表2給出了2018年3月13日發(fā)生在云貴高原斜坡過渡帶一次大范圍致災(zāi)冰雹過程閃電統(tǒng)計(jì)特征。從表2可以得出：①12個(gè)降雹區(qū)域內(nèi)總閃頻次在35～473次之間，地閃頻次在19～343次之間，冰雹過程總閃和地閃頻次變化范圍大，同時(shí)注意到冰雹直徑大小不能以閃電發(fā)生頻數(shù)來衡量，閃電頻數(shù)低也能產(chǎn)生10 mm以上降雹，因此不能用總閃頻數(shù)多少來識(shí)別和判別冰雹云。②12個(gè)降雹區(qū)域平均POP、NOP和IOP值分別為19.58%，80.42%，30%，而正地閃占總地閃平均值為19.58%，高于貴州省2006—2015年正地閃占總地閃比例平均值4.02%[21](該統(tǒng)計(jì)值由ADTD-1二維閃電定位系統(tǒng)提供)，是其4.87倍，說明冰雹天氣過程較其它類型雷暴天氣具有較高的正地閃比例，但此正閃比例遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)馮桂力等[22]、陳哲彰等[23]研究給出的山東地區(qū)和京津冀地區(qū)冰雹過程正閃比例。③從表2中Z值分布看，Z值在0.13～0.91之間，平均值為0.51，低于0.5的占67%，說明整個(gè)冰雹過程地閃發(fā)生總體占優(yōu)，但個(gè)別降雹區(qū)域(晴隆)的Z值大于1，云閃頻數(shù)超過地閃頻數(shù)，而且產(chǎn)生15 mm的大冰雹，因此將云閃和地閃數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析冰雹云中閃電特征更能反映閃電信息對(duì)冰雹的指示作用。

表2 斜坡過渡帶區(qū)域12個(gè)冰雹過程閃電統(tǒng)計(jì)特征Tab.2 Lightning statistical characteristics of 12 hail processes in the transition zone of slope

按照同樣統(tǒng)計(jì)方法，表3給出了高原臺(tái)地威寧21次冰雹過程閃電統(tǒng)計(jì)特征。閃電平均POP為37.32%，Z值平均為0.76，均高于斜坡過渡帶區(qū)域范圍平均POP和Z值，Z值大于0.5的個(gè)例為11個(gè)，占總個(gè)例的52.4%，且冰雹最大直徑均為8 mm以上，說明冰雹過程云閃頻數(shù)與冰雹大小存在一定聯(lián)系，其機(jī)理在后續(xù)將開展研究。

表3 威寧2016—2019年21次冰雹過程閃電統(tǒng)計(jì)特征Tab.3 Lightning statistical characteristics of 21 hailstorms in Weining from 2016 to 2019

2.2 冰雹云躍增事件分析

基于斜坡過渡帶降雹區(qū)域篩選閃電(地閃和云閃)數(shù)據(jù)，對(duì)12次冰雹過程閃電發(fā)生按照每5 min間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到閃電發(fā)生的時(shí)序變化，見圖1。因篇幅所限，圖1僅給出4次過程閃電時(shí)序變化。從圖1可以明顯觀察到降雹區(qū)域在降雹之前總閃均發(fā)生躍增，無論閃電頻次發(fā)生高與低，總閃變化趨勢(shì)從緩慢增加到躍增出現(xiàn)一個(gè)峰值，且峰值均提前于降雹時(shí)間，在出現(xiàn)總閃峰值之后一段時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)降雹，降雹后閃電發(fā)生急劇較少。12次冰雹個(gè)例總閃每5 min閃電頻次平均為22次。大方縣、清鎮(zhèn)市、興仁縣、織金縣、貴陽城區(qū)5個(gè)降雹區(qū)域總閃頻次變化出現(xiàn)二次躍增現(xiàn)象，其中大方縣和興仁縣在二次躍增后產(chǎn)生二次降雹。

2.3 冰雹云閃電跳躍信號(hào)分析

上述對(duì)冰雹云躍增特性及閃電頻次峰值提前量進(jìn)行了分析，閃電頻次峰值是閃電經(jīng)歷“躍增”事件后的結(jié)果，為了獲取閃電的初始躍增信號(hào)，基于2σ閃電躍增法，對(duì)斜坡過渡帶區(qū)域12次冰雹過程閃電的跳躍信號(hào)進(jìn)行提取分析，提取結(jié)果見圖2(僅給出4例)。

從圖2可以觀察到，閃電LFCR信號(hào)均呈現(xiàn)出脈沖波動(dòng)形式起伏振蕩變化，結(jié)合2σ閃電跳躍信號(hào)判別機(jī)制，12次冰雹過程閃電均出現(xiàn)跳躍信號(hào)，基于閃電跳躍信號(hào)提取結(jié)果，對(duì)12個(gè)降雹區(qū)域LFCR跳躍信號(hào)提前量和閃電每5 min變化峰值時(shí)間提前量進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：2σLFCR跳躍信號(hào)時(shí)間提前量均大于閃電頻次峰值時(shí)間提前量，兩者之差最大值達(dá)28 min，也就是說利用2σLFCR跳躍信號(hào)能夠超前于用閃電峰值時(shí)間提前28 min預(yù)警降雹。12個(gè)降雹區(qū)域2σLFCR跳躍信號(hào)時(shí)間提前量平均值為20 min，而閃電頻次峰值時(shí)間提前量平均值為13 min，所以利用2σLFCR跳躍信號(hào)提前預(yù)警降雹優(yōu)于閃電峰值時(shí)間。

同樣利用統(tǒng)計(jì)和2σ閃電躍增法對(duì)威寧2016—2019年21次冰雹過程閃電時(shí)序變化和LFCR信號(hào)進(jìn)行提取，提取結(jié)果見圖3，因篇幅限制，文中僅給出2次冰雹過程閃電時(shí)序變化與閃電LFCR信號(hào)提取結(jié)果，圖中左圖為冰雹過程閃電時(shí)序變化，降雹日期及地點(diǎn)在圖中給出，右圖為對(duì)應(yīng)冰雹過程的LFCR提取結(jié)果。

圖1 斜坡過渡帶區(qū)域冰雹過程總閃每5 min時(shí)序變化(箭頭線標(biāo)識(shí)降雹時(shí)間)Fig.1 Time series change of total lightning per 5 min in hailstorm process in slope transition zone (Arrow line indicates hailfall time)

圖2 降雹區(qū)域閃電LFCR跳躍信號(hào)提取結(jié)果(箭頭指示LFCR跳躍信號(hào))Fig.2 The extraction result lightning LFCR jump signal in hail area (The arrow indicates LFCR jump signal)

圖3 降雹過程閃電時(shí)序變化(左)與LFCR信號(hào)(右)提取結(jié)果(豎線箭頭指示降雹時(shí)間，箭頭指示LFCR跳躍信號(hào))Fig.3 The extraction result of lightning time series change (left) and LFCR signal (right) in Hail Process (Vertical arrow indicates hail time, arrow indicates LFCR jump signal)

通過對(duì)威寧21次冰雹過程閃電時(shí)序變化與LFCR信號(hào)提取結(jié)果可知，在降雹前閃電均呈現(xiàn)出躍增現(xiàn)象，不同冰雹過程閃電的躍增幅度不等，且在躍增前期閃電頻次表現(xiàn)出波動(dòng)發(fā)生現(xiàn)象，閃電頻次峰值范圍在3～45次/(5 min)之間，平均為13次/(5 min)。閃電峰值提前量變化范圍為4～79 min，平均為29 min，LFCR提前量變化范圍為5～86 min，平均為33.7 min，LFCR提前量超前于峰值提前量為4.7 min，說明利用LFCR信號(hào)能夠提前于峰值信號(hào)對(duì)降雹進(jìn)行識(shí)別，在實(shí)際冰雹云監(jiān)測(cè)預(yù)警和人工防雹作業(yè)中可以綜合利用兩者信息進(jìn)行降雹識(shí)別。與前述對(duì)斜坡過渡帶區(qū)域范圍內(nèi)冰雹過程閃電峰值提前量和LFCR提前量相比，威寧峰值時(shí)間提前量超前斜坡過渡帶16 min，LFCR超前斜坡過渡帶13.7 min，即高原臺(tái)地與斜坡過渡帶區(qū)域閃電峰值與LFCR信號(hào)存在差異性，這可能與不同區(qū)域范圍內(nèi)閃電活動(dòng)特征存在差異相關(guān)，在下一步研究中將從動(dòng)力—微物理—電過程對(duì)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)閃電特征進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示不同區(qū)域內(nèi)冰雹云閃電特征的差異性形成機(jī)理。

3 結(jié)論與討論

①云貴高原斜坡過渡帶與高原臺(tái)地威寧冰雹過程閃電特征存在一定異同，威寧平均POP和Z值均高于斜坡過渡帶區(qū)域，但兩個(gè)區(qū)域平均POP值均高于貴州10 a(2006—2015年)平均正地閃氣候特征值4.02%，說明冰雹過程較其它冰雹過程具有較高正地閃比例。

②云貴高原斜坡過渡帶和高原臺(tái)地冰雹過程閃電頻次在降雹之前均經(jīng)歷閃電躍增事件，在降雹后閃電頻次陡降或出現(xiàn)二次增長(zhǎng)并出現(xiàn)二次降雹，間接表明電對(duì)冰相粒子的依賴性。

③斜坡過渡帶區(qū)域12個(gè)降雹個(gè)例2σLFCR跳躍信號(hào)提前量平均值為20 min，閃電頻次峰值時(shí)間提前量平均值為13 min，高原臺(tái)地2σLFCR跳躍信號(hào)平均為33.7 min，閃電峰值時(shí)間提前平均為29 min，高原臺(tái)地威寧閃電峰值提前量與2σLFCR跳躍信號(hào)均超前于斜坡過渡帶區(qū)域，在實(shí)際中可以綜合利用兩者信息對(duì)降雹進(jìn)行檢測(cè)。

本文雖然對(duì)貴州中西部地區(qū)冰雹云閃電特征進(jìn)行了初步研究，但分析個(gè)例和閃電信息挖掘還不夠，需要在今后研究中不斷深入分析，提取對(duì)貴州冰雹云識(shí)別及降雹具有指示意義的閃電參量，為冰雹云識(shí)別和人工防雹作業(yè)提供技術(shù)支撐。