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害之一，常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失，具有局地性強、發(fā)展速度快、災害強的特點[1]。閃電是強對流天氣發(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。閃電資料在時間上較雷達資料更為實時，在探測范圍內(nèi)不受高山或建筑物的干擾，可以作為天氣雷達進入探測盲區(qū)后有效資料補充。因此，針對冰雹天氣過程閃電資料進行分析研究，獲得閃電信息對降雹的指示作用對冰雹的監(jiān)測預警預報具有重要意義。

早期關(guān)于閃電與對流降水的研究是分開的，閃電研究人員關(guān)注的是閃電，對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，因此閃電與對流降水關(guān)系的研究得到廣泛開展[2]。國外研究者針對強風暴過程閃電特征進行觀測研究，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，當閃電從負極性地閃轉(zhuǎn)為正極性地閃時，將會產(chǎn)生大冰雹、大風等災害性天氣，正地閃信息可作為指示強對流天氣發(fā)生的“指示器”[3-6]。然而，國外也有研究表明冰雹云地閃頻數(shù)遠低于那些僅產(chǎn)生降水的風暴，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到12次/min[7]。所以，單純使用正地閃發(fā)生頻次高低來識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冰雹事件的提前識別進行了檢驗，主要基于2σ閃電躍增法得到了地閃躍增相對于降雹的超前時間，能夠有效識別降雹[8]。

我國在上世紀60年代便研制了閃電計數(shù)器并用于冰雹云與雷雨云的觀測試驗，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]。針對中國西北與內(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]對貴州地區(qū)閃電發(fā)生對冰雹、暴雨指示作用初步研究表明：閃電可以作為強對流發(fā)生指示器。國內(nèi)研究主要基于對降雹前閃電峰值時間的統(tǒng)計進而獲得峰值時間提前量，然而峰值時間提前量是閃電經(jīng)歷躍增后的結(jié)果，對閃電初始躍增信號沒有進行深度挖掘，得到相對于峰值時間提前量更長的閃電跳躍預警信號。

本文研究切入點為基于VLF/LF全閃資料對發(fā)生在云貴高原臺地威寧及斜坡過渡帶冰雹過程閃電特征進行詳細分析，挖掘總閃跳躍信號與峰值信號并分析閃電躍增事件與降雹的響應(yīng)時間定量關(guān)系，為冰雹云降雹識別和人工防雹作業(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資料、雷達資料及降雹觀測資料。閃電探測資料主要采用貴州省VLF/LF三維閃電監(jiān)測網(wǎng)自2016—2019年探測資料。VLF/LF三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)采用基于寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與多站TOA時間差定位算法，實現(xiàn)閃電 VLF/LF 輻射源的時間、位置、高度、強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效率，能夠全面探測云閃、地閃及閃電高度[18-19]，主要特征參數(shù)見表1。雷達資料采用貴陽、畢節(jié)、都勻、六盤水和昭通新一代天氣雷達探測資料，降雹觀測資料來自地面天氣報文及市縣人影作業(yè)站點觀測記錄。考慮閃電資料、雷達資料及地面觀測資料完整性，對云貴高原臺地威寧篩選冰雹個例21個，云貴高原斜坡過渡帶篩選冰雹個例13個。

表1 VLF/LF三維閃電監(jiān)測系統(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)計方法和2σ閃電躍增法，對降雹區(qū)域冰雹云閃電頻次時間變化與閃電躍增信息進行統(tǒng)計和計算。在對降雹區(qū)域閃電活動特征進行分析之前，對區(qū)域內(nèi)閃電數(shù)據(jù)進行篩選，閃電資料的取值范圍為降雹區(qū)域整個冰雹云區(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)生時間地點信息和冰雹過程雷達回波資料，根據(jù)雷達回波發(fā)生發(fā)展過程對流云團區(qū)域范圍篩選閃電數(shù)據(jù)，主要利用云降水精細化分析系統(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；負閃比記為NOP，NOP=(-CG/CG)×100%，-CG表示負地閃；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閃電躍增法對閃電跳躍信號進行提取分析，2σ閃電躍增法計算如下：

①首先對降雹區(qū)域范圍內(nèi)相鄰時次閃電數(shù)據(jù)進行滑動平均處理，消除個別噪聲數(shù)據(jù)的干擾。

(1)

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

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

(2)

③建立閃電跳躍預警信號識別機制?；?1)式與(2)式計算結(jié)果，求解總體LFCR的標準偏差σLFCR，利用各時次的LFCR值與2σLFCR值進行比對，大于2σLFCR的點被記錄為閃電跳躍預警信號，結(jié)合降雹觀測記錄時間，得到閃電跳躍信號的提前量，這就是2σ判別機制。

2 冰雹云閃電活動特征分析

2.1 冰雹云閃電統(tǒng)計特征分析

冰雹云閃電特征具有典型的地域特性，因此本文對高原臺地威寧與斜坡過渡帶區(qū)域冰雹過程閃電特征進行統(tǒng)計分析，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冰雹過程閃電統(tǒng)計特征。從表2可以得出：①12個降雹區(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)多少來識別和判別冰雹云。②12個降雹區(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，但此正閃比例遠低于國內(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%，說明整個冰雹過程地閃發(fā)生總體占優(yōu)，但個別降雹區(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冰雹的指示作用。

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

按照同樣統(tǒng)計方法，表3給出了高原臺地威寧21次冰雹過程閃電統(tǒng)計特征。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的個例為11個，占總個例的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12次冰雹過程閃電發(fā)生按照每5 min間隔進行統(tǒng)計，得到閃電發(fā)生的時序變化，見圖1。因篇幅所限，圖1僅給出4次過程閃電時序變化。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，總閃變化趨勢從緩慢增加到躍增出現(xiàn)一個峰值，且峰值均提前于降雹時間，在出現(xiàn)總閃峰值之后一段時間范圍內(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分析

上述對冰雹云躍增特性及閃電頻次峰值提前量進行了分析，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，基于2σ閃電躍增法，對斜坡過渡帶區(qū)域12次冰雹過程閃電的跳躍信號進行提取分析，提取結(jié)果見圖2(僅給出4例)。

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

同樣利用統(tǒng)計和2σ閃電躍增法對威寧2016—2019年21次冰雹過程閃電時序變化和LFCR信號進行提取，提取結(jié)果見圖3，因篇幅限制，文中僅給出2次冰雹過程閃電時序變化與閃電LFCR信號提取結(jié)果，圖中左圖為冰雹過程閃電時序變化，降雹日期及地點在圖中給出，右圖為對應(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時序變化(箭頭線標識降雹時間)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跳躍信號提取結(jié)果(箭頭指示LFCR跳躍信號)Fig.2 The extraction result lightning LFCR jump signal in hail area (The arrow indicates LFCR jump signal)

圖3 降雹過程閃電時序變化(左)與LFCR信號(右)提取結(jié)果(豎線箭頭指示降雹時間，箭頭指示LFCR跳躍信號)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)

通過對威寧21次冰雹過程閃電時序變化與LFCR信號提取結(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信號能夠提前于峰值信號對降雹進行識別，在實際冰雹云監(jiān)測預警和人工防雹作業(yè)中可以綜合利用兩者信息進行降雹識別。與前述對斜坡過渡帶區(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，即高原臺地與斜坡過渡帶區(qū)域閃電峰值與LFCR信號存在差異性，這可能與不同區(qū)域范圍內(nèi)閃電活動特征存在差異相關(guān)，在下一步研究中將從動力—微物理—電過程對兩個區(qū)域內(nèi)閃電特征進行分析，進而揭示不同區(qū)域內(nèi)冰雹云閃電特征的差異性形成機理。

3 結(jié)論與討論

①云貴高原斜坡過渡帶與高原臺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)二次增長并出現(xiàn)二次降雹，間接表明電對冰相粒子的依賴性。

③斜坡過渡帶區(qū)域12個降雹個例2σLFCR跳躍信號提前量平均值為20 min，閃電頻次峰值時間提前量平均值為13 min，高原臺地2σLFCR跳躍信號平均為33.7 min，閃電峰值時間提前平均為29 min，高原臺地威寧閃電峰值提前量與2σLFCR跳躍信號均超前于斜坡過渡帶區(qū)域，在實際中可以綜合利用兩者信息對降雹進行檢測。

本文雖然對貴州中西部地區(qū)冰雹云閃電特征進行了初步研究，但分析個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，提取對貴州冰雹云識別及降雹具有指示意義的閃電參量，為冰雹云識別和人工防雹作業(yè)提供技術(shù)支撐。