顏海前，張玉欣，康曉燕，王啟花，張博越

(青海省人工影響天氣辦公室，青海 西寧 810000)

近年來，探測技術(shù)的發(fā)展，多普勒雷達是強對流天氣監(jiān)測預(yù)警不可缺少的工具，閃電定位儀能連續(xù)實時記錄探測范圍內(nèi)地閃的位置、強度等，在冰雹云發(fā)展、成熟、消亡各個階段都會產(chǎn)生地閃，在強單體回波出現(xiàn)或出行前，地閃已經(jīng)出現(xiàn)，移動過程的強回波帶，少量地閃出現(xiàn)在強回波移動方向的前方，地閃能很好地預(yù)示強回波未來的移動方向，地閃發(fā)生的數(shù)目和變化與雷達回波有較好的對應(yīng)關(guān)系。因此二者數(shù)據(jù)相結(jié)合進行對比研究得出的特征參數(shù)值，可以對冰雹云的提前識別預(yù)警提供相關(guān)的數(shù)據(jù)。

冰雹云即存在強盛的上升氣流，又有冰相粒子參與的復(fù)雜的物理過程，因此冰雹云中的起電過程非常劇烈，放電現(xiàn)象也非?；钴S。近年來閃電作為強對流過程的“指示器”已被用于識別發(fā)展中的對流云[1-2]。青海省地處青藏高原東北部，境內(nèi)地形、地貌復(fù)雜，高山、谷地、盆地交錯，多年積雪、冰川、戈壁、沙漠、草原等廣有分布，由于青藏高原強烈的隆升和復(fù)雜的地形作用，使青海具有獨特的氣候條件和頻繁發(fā)生的氣象災(zāi)害。青藏高原是我國雹日最多、范圍最廣的地區(qū)，青海省冰雹頻繁、雹災(zāi)嚴重，是影響經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一[3]，因此，利用雷達和閃電定位儀分析冰雹云發(fā)生前后各參量的變化，可為人工防雹消雹提供有價值的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

青海省西寧市南山多普勒天氣雷達站，海拔2447m，最大可測距離150km，其所探測范圍基本覆蓋了西寧及海東地區(qū)，閃電定位儀是由ADTD閃電定位儀系統(tǒng)及閃電定位中心站組成，對每次閃電回擊過程時間、強度、位置、極性進行監(jiān)測和定位。本研究選取2016-2017年青海省西寧市及海東地區(qū)30次降雹過程中雷達和閃電定位儀所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對冰雹天氣的雷達回波演變和閃電特征進行分析，以西寧雷達站位中心在150km范圍內(nèi)對發(fā)生的地閃進行統(tǒng)計，重點分析正、負地閃的數(shù)量、頻次、極性和強度的變化規(guī)律，對閃電發(fā)生前后冰雹云雷達參數(shù)變化進行分析。

1.2 冰雹等級劃分

一般情況下，冰雹強度分為強冰雹云、中等強度和弱冰雹云，根據(jù)趙仕雄[4]等在青海高原冰雹研究中提出回波強度與降雹的這一關(guān)系，(Z為雹云反射率因子)判斷時可以分為如下幾檔來考慮：

30dBz≤Z<35dBz 弱冰雹云

35dBz≤Z<40dBz 中等強度冰雹云

40dBz≤Z<45dBz 強冰雹云

陳渭民[5]編著《雷電學(xué)原理》中提到地閃分為正地閃和負地閃，正地閃：閃電電流為正(向下)的稱正地電；通常云底電荷為正電荷，地面為負電荷。負地閃：閃電電流為負(向上)的為負地閃；通常云底電荷負電荷，地面為正電荷。

2 結(jié)果與討論

2.1 冰雹過程地閃統(tǒng)計特征分析

強對流云系尺度較小，移動速度較快，強對流云的強回波區(qū)水平尺度一般不超過50km，因此取冰雹發(fā)生時前后120min，以回波中心為中心，半徑50-100km范圍內(nèi)發(fā)生的地閃進行統(tǒng)計，重點分析正、負地閃的變化規(guī)律。根據(jù)冰雹特征篩選出6次強冰雹天氣個例。強冰雹天氣過程的地閃特征見表1。

表1 強冰雹天氣過程的地閃特征

從表1中可以看出，降雹地點附近在降雹前120min有地閃發(fā)生；6個個例中在降雹前正地閃數(shù)全部小于15次，所占比例均未達到30%，正地閃強度均未達到100kA,降雹后正地閃變化不大。而負地閃數(shù)則是正地閃數(shù)的數(shù)倍，負地閃所占比例均達到85%以上，最大強度也略有增加。

分析表明西寧及海東地區(qū)強冰雹天氣發(fā)生時，無論降雹前后正地閃數(shù)都很少且頻次很低，沒有發(fā)現(xiàn)冰雹發(fā)生前后正地閃頻次明顯增大現(xiàn)象，正地閃占比均未達到30%強度也較弱，負地閃數(shù)及出現(xiàn)的頻次均高于正地閃，負地閃占比不低于70%，強度要高于正地閃。這與北方地區(qū)強冰雹天氣過程中正地閃比例平均為57%存在明顯的不同[6]。

30次冰雹天氣過程中，根據(jù)冰雹特征篩選出19次中等強度冰雹天氣個例，中等強度冰雹天氣地閃特征見表2。

表2 中等強度冰雹天氣地閃特征

由表2可知2016年7月7日19:10、2016年7月26日16:40、2016年7月27日17:00、2016年8月9日18:00、2017年6月4日19:35、2017年9月20日21：00六個個例在降雹前后沒有地閃發(fā)生。13個個例在降雹前后均有地閃發(fā)生，2016年6月20日在第二次降雹時正地閃為39次外，其余個例正地閃均未超過15次，正地閃占有比例沒有超過30%的，頻次、強度也較弱。負地閃數(shù)出現(xiàn)的頻次、數(shù)次、強度均高于正地閃，負地閃占有比例不低于80%，這與青海省西寧及海東地區(qū)強冰雹天氣過程負地閃占主導(dǎo)地位相符合。

30個個例中篩選出5個弱冰雹云個例，弱冰雹云天氣過程的地閃特征見表3。

表3 弱冰雹云天氣過程的地閃特征

由表3分析表明，2016年6月14日17:40、2017年6月4日19:35在降雹前后均沒有地閃發(fā)生，其余個例中的正地閃無論在數(shù)次、頻次、強度均低于負地閃，負地閃在地閃總數(shù)中占主導(dǎo)地位。

2.2 個例分析

以往的分析往往是統(tǒng)計冰雹云天氣過程發(fā)生區(qū)域內(nèi)很大范圍的閃電數(shù)據(jù)，而實際情況是降雹只發(fā)生在某個小區(qū)域，因此分析結(jié)果往往與實際情況存在一定程度的誤差，為了避免這種不足，以降雹中心為參考點，統(tǒng)計其周圍半徑50km區(qū)域內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)，另外考慮降雹時間通常很短，多發(fā)生在20min甚至10min以內(nèi)，因此選取5min間隔的閃電頻數(shù)來討論降雹前后的閃電變化特征及空間分布。

2016年8月3日16:39，其發(fā)源于海北門源地區(qū)的對流云系形成，云系初生強度并不強，組合反射率強度為30-35dBz之間(圖1a)。云體沿大阪山南麓向大通縣和互助縣一帶移動，期間在云體移動的路線上并沒有閃電發(fā)生，16:50第一次負地閃出現(xiàn)在互助縣，隨后負地閃緩慢的增加。至17:20最強組合反射率出現(xiàn)高度在8km左右，強度在45-50dBz之間，負地閃集中出現(xiàn)在強回波中心的后方。17:25回波范圍有所擴大，17:31第一次正地閃出現(xiàn)強回波中心的前側(cè)方。從17:20-17:50的30min地閃分布疊加圖可以看出(圖1b)負地閃以明顯的方式增加，負地閃密集區(qū)域并未完全和強回波中心重合。18:02組合反射率強度最大處開始降雹，18:09回波仍具有明顯冰雹回波特征(圖1c)，負地閃密集區(qū)域在雹云的后方出現(xiàn)，18:30基本反射率因子減弱，負地閃頻數(shù)略有減少，18:51雹云已移出大通、互助一線，負地閃隨著雹云的消退逐漸減少或轉(zhuǎn)移。雖然閃電密集區(qū)位于雷達組合反射率強度較大的區(qū)域附近，但閃電密集區(qū)域并未與強回波中心完全重疊，反射率強度較大的區(qū)域是固態(tài)粒子(冰晶、雹粒)和過冷水滴大量聚集區(qū)域，固態(tài)粒子之間的碰撞感應(yīng)起電、冰晶與雹粒碰撞摩擦的溫差起電該區(qū)域形成明顯的閃電源區(qū)，雹云隨著風(fēng)向或山的走勢移動，因此就會出現(xiàn)負地閃密集區(qū)域在雹云的后方，正地閃出現(xiàn)在雹云的側(cè)前方。

圖1 雹云初始階段和降雹開始時雷達回波 強度垂直剖面與負地閃疊加圖

從5min的閃電頻數(shù)時間分布圖上(圖2)可以看出17:10開始負地閃在逐漸增加，17:30至17:55略有擺浮在小幅下降后再次增加，18:05達到峰值62次，峰值較降雹時間(18:02)晚了3min，而后負地閃數(shù)逐漸減少，18:20開始負地閃數(shù)急劇減少由前一時段34次減少為7次隨后逐漸或轉(zhuǎn)移。正地閃僅出現(xiàn)過一次，正地閃出現(xiàn)時間是在降雹前32min，地點在雹云的前側(cè)方與降雹地點無明顯的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合雷達組合反射率強度演變和地閃分布圖來看，閃電出現(xiàn)連續(xù)增幅的時間較降雹時間提前了5-8min,在一定程度上可以作為冰雹的預(yù)警指標。

圖2 2016年8月3日閃電頻數(shù)時間分布圖

2017年7月9日14:04雷達回波演變圖顯示對流回波至湟源縣初生，由西北向西南方向移動，移動過程中不斷生消，期間回波強度低于30dbz，此時閃電活動不明顯(圖3a)。14:38進入湟中回波強度有所加強，在云體的前方出現(xiàn)正地閃4次，但同時回波中心也在逐漸減弱。15:14回波強度有所加強，負地閃出現(xiàn)但并不活躍，15:37回波中心分裂成多個小單體，負地閃在此次過程中并不活躍，未出現(xiàn)負地閃密集區(qū)域(圖3b)。此次過程從云體發(fā)展到消亡時間較短，在前期出現(xiàn)4次正地閃，均處于云體減弱階段。

圖3 14:04與15:37雷達回波與閃電疊加圖

2017年8月8日14:43在湟中縣與化隆縣之間生成超級單體，同時負地閃也已出現(xiàn)在強回波中心附近但是量級不大，單體移動迅速。14:56單體強回波中心開始分裂(圖4a)，強中心分裂為兩個，左方強中心高度在7.5km左右，強度為50dbz，右方強中心高度在7.4km左右，強度為50dbz。閃電活動并不活躍，正地閃未出現(xiàn)，負地閃出現(xiàn)在側(cè)后方的平安縣境內(nèi)。15:08負地閃突然活躍，呈繼續(xù)增加趨勢(圖4b)。

圖4 14:56與15:08雷達回波與閃電疊加圖

15:15隨著地面降雹的開始，強中心開始消退，閃電以負地閃占絕大多數(shù)。總的來看，初期負地閃為緩慢增加，明顯“躍增”從15:08開始，峰值時間為15:10-15:15達到27次(圖5)，比地面提前了大約5min，降雹開始后地閃活動進入減弱階段，15:21再次進入負地閃增加階段，說明這段時間對流活動表現(xiàn)活躍，仍有降雹的可能，15:21從單體分裂出去另一強回波也在逐漸減弱，向南尖扎縣方向移動。15:40強回波中心消散，此時閃電活動也趨于平靜。因此，閃電頻次的躍增可以作為冰雹發(fā)生的參考指標。

圖5 2017年8月8日閃電頻數(shù)時間分布圖

3 結(jié)論

在冰雹云形成、消亡的過程中，負地閃占絕對優(yōu)勢，正地閃出現(xiàn)頻率很少，且分布不集中，這與北方地區(qū)冰雹出現(xiàn)時高正地閃頻次特征不同。正地閃出現(xiàn)的位置和時間與降雹位置和時間沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。

從時間和位置上分析，對流發(fā)展初期，負地閃在空間上稀疏出現(xiàn)，隨著對流的發(fā)展，負地閃分布趨向集中，負地閃集中區(qū)域主要集中在組合反射率強度較大的區(qū)域且頻次存在明顯增加，總體來看負地閃在對流發(fā)展旺盛階段會出現(xiàn)一次小峰值，但峰值和強對流中心未完全重合。

閃電頻數(shù)的變化和空間分布特征，在強對流天氣監(jiān)測和臨近預(yù)警中有一定的參考作用，在實際分析應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合雷達、衛(wèi)星云圖、天空資料的高時空密度的監(jiān)測資料，進行綜合分析，才能得出對實際強對流監(jiān)測和預(yù)報有指示意義的綜合指標。