黔中地区一次雹暴过程闪电特征分析

曾勇 文继芬 张淑霞 李迪 李丽丽

摘  要：利用VLF/LF三维闪电探测资料和地面降雹观测资料，对黔中地区一次雹暴过程闪电特征进行分析。结果表明：雹暴过程以地闪发生为主，地闪和云闪主要在降雹阶段发生，正地闪比例高于贵州省正地闪气候特征值。总闪频次与地闪频次在降雹之前均出现“跃增”现象，在降雹后一段时间内减少。第一阶段降雹总闪频次峰值时间提前量为10min，第二降雹阶段总闪频次峰值时间提前量为15mim。以上特征可以为利用VLF/LF闪电监测资料开展贵州冰雹监测预警和降雹识别提供参考。

关键词：雹暴;地闪;云闪;闪电频次

中图分类号：P427.32 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）36-0060-03

Abstract： Using VLF/LF three-dimensional lightning detection data and ground hail observation data， the lightning characteristics of a hailstorm process in central Guizhou were analyzed. The results show that the main occurrence of hailstorm was ground lightning， while ground lightning and cloud lightning mainly occured in hailfall stage， and the proportion of positive lightning was higher than that of positive lightning in Guizhou Province. The total lightning frequency and ground lightning frequency "increased" before hailfall， and decreased in a period of time after hail. In the first stage， the advance of the total lightning peak time was 10 minutes， and in the second stage， the advance of the total lightning peak time was 15 minutes. The above characteristics can provide reference for hail monitoring and early warning and hail identification in Guizhou by using VLF/LF lightning monitoring data.

Keywords： hail storm; ground lightning; cloud lightning; lightning frequency

引言

閃电是强对流天气过程中产生的强烈的放电现象，伴随着强对流天气过程的发生、发展和消亡。闪电的形成是云内不同电荷区之间放电或云内不同电荷区与下垫面之间的放电，而不同电荷区的形成是云内不同极性粒子在动力作用下产生电荷分离形成。冰雹云是发展更为剧烈的雷雨云，冰雹云内动力与微物理过程较雷雨云更加复杂，因此，冰雹云与雷雨云的闪电活动特征存在差异。鉴于冰雹云与雷雨云闪电活动特征的差异，国内外专家学者围绕冰雹云与雷雨云闪电活动特征、起电机制及雷暴电荷结构开展了相关研究。

MacGorman等[1]对15次雷暴过程闪电特征观测分析，结果表明产生较大冰雹的雷暴产生较高的正地闪，即强冰雹天气过程正极性地闪占据主要地位。Reap等[2]、Branick等[3]通过对冰雹、暴雨和龙卷天气过程闪电特征进行观测研究，结果表明闪电发生对强对流天气具有一定指示作用，可以将闪电变化特征作为强对流天气发生的指示因子。Seity等[4]利用雷达观测资料观测降水过程，分析发现闪电发生频数、上升气流和雹粒或霰粒回波体积之间存在较好的相关性，尤其云闪频数对霰粒子在垂直方向上的发展具有较好指示作用。在国内，冯桂力等[5]对山东地区10次冰雹过程中闪电特征进行系统分析，结果表明雹暴中正地闪占总地闪的比例平均值为57.39%，远高于山东地区正地闪比例的气候特征值，地闪频次在冰雹云快速发展阶段出现“跃增”现象。李国昌、郭鸿鸣等[6-7]对不同地区冰雹云发展演变过程中闪电特征进行研究，得到不同地区冰雹云闪电特征与雷暴电活动对降雹的指示作用。

贵州地处云贵高原东侧，地形西高东低，云贵高原斜坡过渡带特殊地形使得区域内强对流天气频发，冰雹灾害尤为严重，在贵州高原山区未开展雹暴过程闪电活动特征与雹暴电荷结构研究。本文利用VIF/LF三维闪电监测全闪资料，对2017年4月5日发生在贵州中部一次典型雹暴过程闪电活动特征进行分析，对雹暴发展过程中电荷结构进行探讨，以促进VIF/LF三维闪电监测资料在雹暴天气中的分析与应用，为强对流天气监测预警预报提供支撑。

1 资料与方法

闪电数据采用贵州省VLF/LF三维闪电监测系统观测到2017年4月5日雹暴过程闪电资料。降雹信息及降雨量来自天气报文、防雹作业点及地面雨量站点数据。首先对雹暴发展演变过程闪电数据进行筛选，筛选原则为：根据雹暴雷达回波参量宏观演变特征，结合降雹地点信息，确定研究个例区域范围，剔除个例发展区域外的闪电数据，避免闪电数据受其它附近雷雨云的干扰。闪电频次的统计以5min为时间间隔，对雹暴发生时段内总闪（Total lighting）、地闪（CG）、云闪（IG）进行统计分析。

2 天气实况

图1给出了2017年4月5日17：00-22：00（北京时，下同）强对流实况分布。2017年4月5日17：00-22：00贵阳市清镇出现了冰雹、大风等强对流天气过程。清镇新店镇、王庄乡、卫城镇、站街、暗流乡、流长乡、犁倭及城区在雷雨中夹降冰雹，最大冰雹直径15mm，并在20：37出现27m·s-1的瞬时大风（图1中椭圆区域）。根据地面降雹观测记录，降雹时间分为两个阶段，第一阶段降雹时段为19：15-19：20，在新店镇、暗流镇、卫城镇和王庄乡降下10mm冰雹，第二降雹阶段为19：55-20：10，在站街、流长乡、犁倭及清镇城区降雹，最大冰雹直径15mm。从图1（a）可见，研究区域内降雹呈现两条线状分布，与图1（b）闪电发生对照，闪电的发生也呈现与降雹分布相对应的线状分布，冰雹与闪电的发生在空间上具有共性特征。

3 雹暴过程闪电特征分析

3.1 闪电统计特征

图2给出了雹暴过程闪电统计特征。从图2统计结果表明：雹暴过程以地闪为主，地闪占总闪69%，云闪占31%，地闪中负地闪发生占优，占总闪58%。雹暴过程正地闪占11%，正地闪比例远高于贵州省正地闪比例的气候特征值（2006-2015年，4.02%），说明冰雹天气过程较其它天气过程具有较高正闪比例。陈哲彰[8]、冯桂力等[9]研究冰雹天气过程具有较高的正地闪比例，本次雹暴个例正地闪比例总体偏低，还需要统计更多冰雹个例得到正地闪特征值。从云闪发生比例看，雹暴过程云闪比例不是很高，Soula等[10]研究给出产生冰雹的雷暴表现较低的地闪频次和较高的云闪频次，贵州地区冰雹过程通常伴随较强液态降水，有别于只产生固态降水的冰雹过程。

3.2 闪电频次变化特征

图3给出了雹暴过程总闪频次与地闪频次随时间演变，黑色竖线箭头表示降雹起始时刻。根据雷达观测，此次雹暴单体属于移动单体，雹云单体移入降雹区域范围内闪电开始阶段（17：15-18：50）闪电活动不活跃，总闪和地闪频次低且发生不连续。闪电的发生需要电荷的累积，当不同极性的电荷区电荷累积达到空气击穿电场时才会发生放电。在降雹之前一段时间内，云体内动力条件还不如冰雹云成熟阶段，所以云体内水成物粒子的累积需要一定时间，同时粒子之间的碰撞不如成熟阶段，电荷累积到足以空气击穿空气放电的条件尚未达到，因而出现闪电的间歇式发生，出现闪电发生不连续现象。在经历17：15-18：50闪电间歇发生之后，总闪和地闪发生跃增，总闪频次从18：50分1次（统计时段为18：45-18：50，下同）跃增为19：05的9次，之后回落并在19：15降雹，说明在降雹前一段时间内闪电活动有所减弱。首次降雹总闪峰值时间提前量为10min。

在经历一次降雹后一段时间（19：20-19：45）内，总闪频次维持在3～7次之间，云闪频次有所增加，在19：55总闪频次突然跃增为27次，并产生第二次降雹。二次降雹开始后一段时间总闪频次与地闪频次继续增加，到20：10总闪和地闪频次达到峰值分别为27次和32次，之后总闪和地闪发生频次开始减小。经历两次降雹后，总闪和地闪变化整体呈现波动变化趋势，在21：35分总闪和地闪频次达到一个峰值分别为16次和12次，但未产生降雹，在00：00后探测到无闪电发生。在第二降雹阶段总闪频次首次峰值时间超前与地闪峰值时间15min，刚好指示二次降雹开始时间。

以上分析表明，在雹暴发展演变过程中闪电的发生呈规律变化，在降雹之前对应总闪和地闪的跃增，在降雹结束后闪电发生减少，闪电的“跃增”特性可以作为判别降雹的指标，但需要通过大量个例进行统计分析，提取总闪与地闪峰值信号对降雹的指示作用。同时，总闪和地闪在降雹前后所表现出来的“跃增”和“陡降”现象也间接表明冰雹云起电主要以非感应起电机制为主，对冰相粒子具有一定依赖性。

4 结束语

本文利用VLF/LF三维闪电探测全闪数据，对贵州地区一次典型雹暴过程闪电特征进行分析，主要结论如下：

（1）雹暴过程正地闪主要集中发生在降雹阶段，整个过程正闪比例高于贵州地区10年正地闪气候特征值。在降雹阶段，地闪和云闪发生较为活跃，尤其是云闪和正地闪更为突出。

（2）总闪和地闪频次在降雹之前均出现“跃增”现象，降雹后减少，对冰雹监测预警起到一定指示作用。

（3）两个降雹阶段总闪频次峰值均提前于降雹时间，第一阶段降雹总闪频次峰值时间提前量为10min，第二降雹阶段总闪频次峰值时间提前量为15mim。

参考文献：

[1]MacGorman D R， Burgess D W. Positive cloud-to-ground lighting in tormadic storms and hailstorms [J]. Monthly Weather Review，1994，122：1671-1697.

[2]Reap R M，MacGorman D M. Cloud-to-ground lighting： Climatological characteristics and relationships to model fieds，dadar  observations and severe local storms[J]. Monhthly Weather Review，1989，117：518-535.

[3]Branick M L，Doswell III C A. An observation of the relationship between supercell structure and lighting ground strkike polarity[J]. Weather Forecasting，1992，7：143-149.

[4]Seity Y， Soula S， Tabary P，et al. The convective storm systemduring IOP 2a of  MAP： Cloud-to-ground lighting flash production in relation to dynamics and microphysics.Q J R Meteorol Soc[J]，2003，129：523-542.

[5]馮桂力，边道相，刘洪鹏，等.冰雹云形成发展与闪电演变特征分析[J].气象，2001（03）：33-37.

[6]李国昌，李照荣，李宝梓.冰雹过程中闪电演变和雷达回波特征的综合分析[J].干旱气象，2005（03）：26-33.

[7]郭鸿鸣，李江波，李飏等.一次多单体风暴的传播特征及其预警研究[J].气象与环境学报，2017，33（04）：1-10.

[8]陈哲彰.冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征[J].气象学报，1995（03）：367-374.

[9]冯桂力，郄秀书，吴书君.山东地区冰雹云的闪电活动特征[J].大气科学，2008（02）：289-299.

[10]Soula S，Seity Y， Feral L，et al.Cloud-to-ground lighting activity in hail-bearing storms[J]. Journal of Geophysical Research： Atmospheres，2004，109（D2），DOI：10.1029/2003jd003669.