地闪特征在冰雹天气识别中应用分析

曾金全，朱 彪，王颖波，冯真祯，施宗强

(1. 福建省防雷中心 福州 350001；2. 海峡气象科学研究所 福州 350001；3. 南靖县气象局 南靖 363600)

地闪特征在冰雹天气识别中应用分析

曾金全1,2，朱 彪1,2，王颖波1，冯真祯1，施宗强3

(1. 福建省防雷中心 福州 350001；2. 海峡气象科学研究所 福州 350001；3. 南靖县气象局 南靖 363600)

利用福建省闪电定位和地面观测资料，对福建2013—2015年14次冰雹过程的地闪活动特征和变化机制进行了研究．通过分析发现，冰雹天气过程中正地闪占总地闪的比例平均为14.2%，远高于2004—2015年福建地区正地闪比例的气候特征值3.4%.14次降雹过程中，地闪过程平均提前28.9min被观测到，正闪提前18.2min被观测到，正闪次数峰值一般出现在降雹之后．降雹之前，闪电的最大强度(陡度)绝对值呈变大趋势，降雹过程中，闪电最大强度(陡度)绝对值呈无明显规律变化，在降雹结束阶段，闪电最大强度峰值的绝对值呈减小趋势．以上这些特征揭示了冰雹天气过程中的地闪演变规律，可以作为福建地区冰雹天气过程监测和识别的参考指标．

冰雹； 地闪特征； 识别； 参考指标

由于冰雹天气系统的局地性和突发性强，云体发展非常迅速、生命史较短、且上升气流剧烈，云内微物理结构的数据资料相对匮乏,相关学者[1- 6]对不同雹云过程以及雹云不同发展阶段、部位冰雹谱具有不同的分布演变规律进行了深入研究．冰雹天气作为典型的强对流性天气，发生发展与雷暴云联系在一起，从雷暴云的出现到消失，具有很强的关联性．随着闪电监测网络的布设，全国各地积累了大量的闪电监测资料．但闪电资料在我国强天气预报业务中的应用研究较为欠缺，对于地闪定位资料的价值有待进一步挖掘．冰雹天气过程中既存在强盛的上升气流,又有冰相粒子参与的复杂微物理过程，因此起电过程非常剧烈,放电现象也非常活跃．近年来，国内外利用闪电定位资料对冰雹进行了大量分析，发现雷电资料可以有效改进冰雹诊断和预报，国内外利用闪电监测系统和雷达对强对流天气过程中的闪电过程进行了大量的综合观测研究和分析，并取得了很多有意义的结果．Reap和MacGorman[7- 9]发现，大冰雹出现的可能性随着正地闪频数的增加而增大，以正地闪为主的雷暴常常在正地闪发生阶段产生大冰雹．Seity等[10]认为正地闪的发生与冰雹的产生和降落密切相关，闪电均发生在含有冰相粒子的区域．姚雯等[11]利用ADTD和SAFIR两种闪电资料对北京-天津-河北地区的冰雹个例分析得到，闪电活动的跃增现象可以作为冰雹灾害发生的有效预警指标，且正地闪比例较高时，冰雹直径较大且过程持续较长，反之，负地闪比例相对较高时，冰雹过程较弱．张义军等[12]对甘肃平凉地区正地闪特性的如冰雹大风过程的正地闪高于普通雷暴、冰雹发生前对应着闪电频数“跃增”现象、冰雹发生的可能性随着正地闪密度的增大而快速增大等等．

也有分析表明，一些强对流的过程产生非常低的地闪频数[13- 14]，而并非通常认为的对流越强，雷暴云中的地闪活动也越强，可见冰雹过程中的雷电活动与动力和云物理及降水等过程之间关系的复杂性．本文拟选取福建地区2013—2015年的强对流天气中的冰雹过程，阐述冰雹天气过程中的闪电分布与演变机理，为福建地区冰雹天气过程的监测和识别应用提供参考指标．

1 资料与方法

研究中收集整理冰雹天气过程14次，其中2013年3次，2014年5次，2015年6次．福建地区67个地面观测站数据，数据包括强对流天气发生时间、结束时间，雷暴发生时间、结束时间．福建省雷电监测网(ADTD)： 能提供全省范围的地闪定位资料，定位信息包括经纬度、时间、强度与陡度．冰雹天气过程属于中小尺度，根据福建强对流天气过程的特点，为了确保强对流天气系统与雷暴属于同一系统，根据降雹时间，选取对应时间段内观测站30km以内的闪电数据作为研究对象．

2 冰雹天气中的闪电特征

2.1闪电特征

考虑到地闪、地面观测等资料的完整性，对收集到的2013—2015年发生在福建的14次降雹实例的地闪特征进行了统计分析，统计结果列于表1．从表1中可以发现： 在14次降雹过程中，有12次伴随着正地闪发生，有两次降雹过程中没有发生正闪，说明不是所有的冰雹中都有正闪发生．通过对14次降雹过程的地闪资料统计表明，冰雹中正地闪占总地闪的平均比例为14.2%，高于本地正地闪比例的气候特征值(2004—2015年，3.4%)，冰雹过程中的正闪比为2004—2015年福建地区气候特征值的4.2倍，说明正闪在冰雹过程占有较高比例．不同冰雹过程正闪/总闪的比例会有较大差别，其中一些个例的正闪比达到77.8%，但一些伴有强降水的冰暴个例中的正闪比往往很低．平均正闪比(14.2%)低于陈哲彰[15]给出的京津冀地区冰雹过程中的正闪比值(65.8%)和冯桂力[16]给出山东地区的冰雹过程中的正闪比值(57.4%),这种差异可能由于纬度的变化引起，还需要作进一步研究和探索．需要说明的是，在冯桂力的研究中，山东地区正地闪比例的气候特征值13.5%，冰雹过程中正闪比例是其4.3倍，山东地区冰雹过程的正地闪比例与当地气候特征值的比值与本研究中的4.2倍比较接近.14次降雹过程中，雷暴过程平均提前28.9min被观测到，正闪提前18.2min被观测到，正闪发生的时间以及正闪比的变化可以作为冰雹预警识别的参考指标．

表1 2013—2015年冰雹中的地闪特征统计表

2.2典型个例

为了更详细地了解冰雹过程前后的闪电发生情况，我们将表1个例中地闪位置和降雹区域叠加在一起,探讨冰雹落区和地闪的时空分布之间的关系,以期利用地闪的时空分布特性来预测降雹的发生区域．

(1) 2015年6月18日过程

受东北冷涡加强南压、副高减弱东退和低层低涡切变南压等影响，福州城区五四北地区出现冰雹天气，这次强对流过程在16:00～17:00出现冰雹现象，而闪电则在15:54则被监测到，闪电过程一直持续到18时以后．

图1中hail的横坐标位置即为冰雹发生的时段．在冰雹发生前后，总体而言，闪电表现出了以下特征： 负地闪提前于冰雹过程发生，降雹过程中闪电频数处于较高值，正地闪频数峰值出现时间滞后降雹发生时间，本次过程正闪频数在冰雹的后期阶段开始急剧上升，在17:30～17:36达到峰值；在雹云快速发展阶段，地闪频数存在明显的跃增.16:18之前，地闪数量有明显增加，出现个小峰值，随后地闪总数逐渐减少，地闪数量在16： 36～16:42出现明显的跃增；在降雹结束后，地闪发生数量继续增多并在17:00～17:06之间达到峰值．冰雹发生初期阶段，负地闪频数快速增加，出现个小峰值；冰雹发展阶段，负地闪频数开始减少，正地闪频数有小幅上升；冰雹减弱消散阶段；地闪频数开始减少，正地闪频数快速增加，正地闪所占比例对应增加．

图1 2015年6月18日福州冰雹过程闪电特征Fig.1 The characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

闪电强度是闪电定位系统通过电磁信号反演求出，闪电强度绝对值越大，代表着雷暴云内带电粒子多、起电剧烈．从图2可以看到，在冰雹开始之前，负闪的最大强度不断变大，达到了个小峰值，降雹开始，负闪最大强度的绝对值开始变小，随后缓慢变大，在降雹的后期阶段，其绝对值达到了48.8kA，在此之后降雹过程结束．正闪强度最大值在降雹过程中也在不断增大，在16:54～17:00出现了个峰值．在降雹结束前，闪电正闪最大峰值和负闪最大峰值均出现了个峰值，闪电过程释放了云内的能量，与冰雹结束可能存在一定的关系．

图2 2015年6月18日福州冰雹过程闪电强度特征Fig.2 The ntensity characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

闪电陡度表征了闪电强度在单位时间内的变化程度，表征闪电的放电特征的变化．通过图3(见第120页)可以看出在降雹开始阶段负闪最大陡度和正闪最大陡度没有明显变化特征，但是在降雹的结束阶段负闪最大陡度和正闪最大陡度的绝对值均出现一个峰值，与图2中的有一个对应关系．

图3 2015年6月18日福州冰雹过程闪电陡度特征Fig.3 The steepness characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

(2) 2014年3月29日过程

受强对流天气过程影响，2014年3月29日莆田地区16:20～16:30出现了冰雹过程，持续了约10min．

图4中hail的横坐标位置即为冰雹发生的时段．整个降雹过程中正地闪占较高的比例，达到77.8%，在冰雹发生前，正地闪和负地闪均提前于冰雹过程发生，负地闪在降雹开始时停止发生，正地闪数量急剧增加，在16:24～16:30达到峰值，正闪比急剧增加达到100%；在冰雹快速发展阶段，正地闪频数不断增多．在降雹过程后，正地闪数量在16:24～16:30达到峰值，正地闪峰值出现在降雹之后．

图4 2014年3月29日莆田冰雹过程闪电特征Fig.4 The characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

从图5可以看到，在冰雹过程之前，负闪的最大强度绝对值不断变大，达到了1个峰值，随后变小，降雹开始，由于负闪发生，其最大强度的绝对值没有变化特征．正闪强度最大值和正闪平均强度绝对值在降雹过程中也在不断增大，这两个变化值的意义对于冰雹的预测和指示具有重要意义，在16:24～16:30出现了个峰值．在降雹结束后，正闪最大峰值的绝对值急剧减小，降雹导致云内能量减少，导致闪电强度绝对值变小，两者之间存在较好的对应关系．

图5 2014年3月29日莆田冰雹过程闪电强度特征Fig.5 The ntensity characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

图6可以看出在降雹开始阶段正闪最大陡度和正闪平均陡度绝对值在变大，正闪最大陡度和正闪平均陡度表现出来的特征对冰雹过程的发展是有一定指示作用的．

图6 2014年3月29日莆田冰雹过程闪电陡度特征Fig.6 The steepness characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

3 小结与讨论

通过对福建地区2013—2015年14次冰雹过程的闪电统计特征进行研究，分析了冰雹天气过程中的闪电发生时间、闪电数量、闪电极性变化、闪电强度和陡度等特征，这些特征揭示了冰雹天气过程中的地闪演变规律，可以作为福建地区冰雹天气过程监测和识别的参考指标，冰雹天气过程与地闪变化特征存在如下对应关系：

(1) 在14次降雹过程中，有12次伴随着正地闪发生，有两次降雹过程中没有发生正闪，说明不是所有的冰雹中都有正闪发生．通过对14次降雹过程的地闪资料统计表明，冰雹中正地闪占总地闪的平均比例为14.2%，高于本地正地闪比例的气候特征值(2004—2015年，3.4%)，说明正闪在冰雹过程占有较高比例．不同冰雹过程正闪/总闪的比例会有较大差别，其中一些个例的正闪比达到77.8%，但一些伴有强降水的冰雹个例中的正闪比往往很低．本研究统计到的平均正闪比(14.2%)低于陈哲彰[15]给出的京津冀地区冰雹过程中的正闪比值(65.8%)和冯桂力[16]给出山东地区的正闪比值(57.4%)，这种差异可能由于纬度的变化引起，还需要作进一步研究和探索．

(2) 在冰雹发展阶段，地闪次数增加明显；降雹发生时段，负地闪次数快速下降，而正地闪次数开始增加；在冰雹结束阶段，地闪次数减少，对应的正闪比有所增加，正地闪次数一般出现在降雹发生后．

(3) 14次降雹过程中，雷暴过程平均提前28.9min被观测到，正闪提前18.2min被观测到，正闪峰值一般出现在降雹之后．

(4) 在冰雹开始之前，闪电的最大强度(陡度)绝对值呈变大趋势，降雹过程中，闪电强度(陡度)最大绝对值无明显规律变化．在降雹结束前，闪电强度最大峰值的绝对值一般减小，降雹导致云内粒子数量减少，进而导致闪电强度变小，两者之间存在一定的对应关系．

本文针对福建地区14次冰雹天气过程中的闪电特征进行了详细分析，得到了冰雹天气过程中的一些闪电活动特征，这些特征揭示了福建地区冰雹天气和闪电活动特征的相互关系，可以作为冰雹天气监测和识别的参考指标．但是在冰雹个例分析工作中对综合监测资料挖掘还不够深入，未来工作中将分析和统计更多个例，进一步验证冰雹天气过程中的正地闪比例差异是否由于纬度的差异性引起，继续加深对冰雹天气过程中的云闪电活动(云闪和地闪)的监测和分析，提取更多的特征参数．综合其他的观测数据进行研究和分析，如大气电场数据、雷达数据等，分析冰雹云中的粒子变化特征和地面放电特征，加深对冰雹天气的闪电活动与云物理过程关系的研究，为冰雹天气监测预警及识别应用提供更有意义的参考指标．

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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

海峡气象协同科技创新项目(2015hxqx003)；福建省气象局青年科技专项项目(2015q08)；灾害天气国家重点实验室开放课题(2013LASW- B01)

曾金全(1964—)，男，高级工程师，E- mail: 58803572@qq.com．