云贵高原斜坡过渡带一次大范围冰雹过程的闪电活动特征

2020-11-09邹书平周筠珺李丽丽

干旱气象 2020年5期

曾勇，丁旻，罗雄，邹书平，周筠珺，李丽丽，黄钰

（1.贵州省人工影响天气办公室，贵州贵阳 550001；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州贵阳 550001；3.贵州省山地环境气候研究所，贵州贵阳 550001；4.成都信息工程大学大气科学学院，高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都 610225）

引言

冰雹是贵州春季主要的气象灾害之一，常给农业生产和人民生命安全带来严重损失，具有局地性强、突发快、灾害重的特点［1］，预报预警难度大。闪电是强对流天气发展过程中伴随的放电现象，在冰雹天气过程中尤为突出。闪电资料在时间上较雷达资料更为实时，且在探测范围内不受高山或建筑物的干扰，可作为天气雷达探测盲区资料的有效补充。因此，开展冰雹天气过程中闪电演变特征研究，寻求闪电对降雹的指示信息，这对冰雹的监测预警具有重要意义。

早期，闪电与对流降水的研究是分开的。随着雷暴非感应起电机制的研究深入，霰、雹粒等大冰相粒子群为非感应起电提供了物质基础［2］，闪电与对流降水关系的研究得到广泛开展。研究发现，在强风暴过程中产生较大冰雹的雷暴正地闪发生频次较高，正地闪主要集中发生在降雹阶段，当地闪从负极性转为正极性时，将产生大冰雹、大风等灾害性天气，正地闪可作为强对流天气发生的指示器［3－6］。然而，冰雹云的地闪频数远低于那些仅产生降水的风暴，一般不超过2次，而暴雨过程的地闪频数可达12次［7］。所以，单纯使用正地闪频数来识别冰雹云具有很大的不确定性。鉴于此，SCHULTZ等［8］基于2σ闪电跃增法对冰雹事件进行识别，发现地闪跃增相对于降雹超前，2σ地闪跃增能够有效识别降雹。

我国在20世纪60年代研制了闪电计数器并应用于冰雹云与雷雨云的观测试验，发现了冰雹云与雷雨云闪电频数的差别并应用于人工防雹作业［9］。中国西北与内陆高原地区冰雹云发展演变过程伴随较高的正地闪比例，闪电在降雹前出现跃增和峰值［10－15］。然而，多数研究关注降雹前闪电峰值的提前量，却忽略了峰值是闪电经历跃增后的结果，对闪电初始跃增信号未深度挖掘，使得降雹预警信号的提前量较短。实际上，强对流天气事件云闪发生频繁，总闪（云闪和地闪）频数跃增对冰雹事件的指示作用更为有效。YAO等［16］利用2σ闪电跃增法对北京地区冰雹过程中总闪和地闪进行对比分析，发现总闪预警信号提前量大于地闪。然而，受闪电探测系统限制，冰雹预警研究多基于地闪资料。随着闪电探测技术的发展，我国多地架设了能够探测云闪和地闪的VLF／LF闪电定位系统，这为全闪资料在冰雹预警应用中提供了新的手段。

我国幅员辽阔，地形地貌复杂，不同地理位置、海拔高度与气象条件下冰雹云的闪电活动特征存在一定差异，有必要深入开展不同区域冰雹云闪电活动特征及其两者的关系研究，尤其是复杂地形条件下。地处云贵高原东部的斜坡过渡带，从高原台地逐渐过渡到平原或丘陵地区，海拔落差最大可达2000 m以上，地形地貌极为独特，是云贵准静止锋、西南低涡、冷锋等天气系统的活动区域，冰雹、暴雨天气多发。为此，本文基于VLF／LF定位系统全闪资料，针对云贵高原斜坡过渡带一次大范围致灾冰雹天气的闪电活动特征进行分析，挖掘对降雹有指示意义的总闪跳跃信号与峰值信号，为当地冰雹云监测预警和人工防雹作业提供一定参考。

1 资料和方法

1.1 资料

选用2018年3月13日贵州省VLF／LF三维闪电监测定位系统观测的全闪（地闪和云闪）数据。贵州省自2013年开始布设VLF／LF三维闪电监测网，于2017年全部完成布设，布设站点位置见图1。该系统由VLF／LF三维闪电探测站、数据处理中心、数据库和三维图形显示与产品制作系统三部分组成，主要结合了欧洲LINET网（德国慕尼黑大学天电研究小组研制的 VLF／LF闪电监测网）和美国IMPACT－ESC（美国VLF／LF时差测向混合云地闪和云闪探测系统）的优点，利用GPS精确测量雷暴放电产生的VLF／LF电磁脉冲信号到达时间，采用多站到达时间（time of arrival，TOA）定位算法，实现闪电VLF／LF辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位，提高了定位精度与探测效率，能够全面探测云闪、地闪及闪电高度［17－18］，其主要特征参数见表1。对贵州省VLF／LF三维闪电监测网建成以来（2017年1月至2019年7月）探测的云闪和地闪频次统计发现，云闪与地闪频次比值为0.52，该系统对地闪的探测效率高于云闪。

VLF／LF三维闪电监测定位系统探测的云闪资料记录了云闪辐射点放电的时间和位置，地闪资料则记录所有回击信息。定义：空间距离在10 km以内、时间差在0.5 s以内，且正、负极性相同的所有辐射点属于同一次云闪；空间距离在5 km以内、时间差在1 s以内，且正、负极性相同的所有回击属于同一次地闪。

另外，使用了2018年3月13日08：00和20：00（北京时，下同）贵阳探空站L波段探空雷达探测数据，以及当日地面天气报文和市县人工影响天气作业站点降雹观测记录。

图1 贵州省VLF／LF三维闪电监测定位系统的探测站点分布Fig.1 Distribution of detection sites of VLF／LF three－dimensional lightning monitoring and positioning system in Guizhou Province

表1 VLF／LF三维闪电监测定位系统主要特征参数Tab.1 Main characteristic parameters of VLF／LF three－dimensional lightning monitoring and positioning system

1.2 方法

采用统计方法，对降雹区域冰雹云的闪电频次时间变化与跃增信息进行统计。其中，降雹区冰雹云闪电数据的筛选原则为：综合冰雹发生时地点信息和冰雹过程雷达回波资料，根据雷达回波发生发展过程对流云团区域范围筛选闪电，剔除不属于冰雹过程区域的闪电数据。

为便于分析表述，采用以下指数来描述闪电活动特征，其表达式如下：

式中：POP（%）、NOP（%）分别表示正、负地闪占总地闪频数的比例；IOP（%）表示云闪在总闪中所占的比例；CG（次）为地闪频数；CGp、CGn（次）分别为正、负地闪频数；IC（次）为云闪频数；TL（次）为总闪频数；Z为云闪频数与地闪频数的比值。

采用2σ闪电跃增法［19］对闪电跳跃信号进行提取分析，其过程如下：

（1）首先对降雹区域范围内相邻时次闪电频次进行滑动平均处理，消除个别噪声数据的干扰。

式中：FRavg（ti＋1）（次）为闪电频次滑动平均；FR（ti）和 FR（ti＋1）（次）分别为 ti和 ti＋1时次内对应的闪电频次。

（2）对FRavg进行微分处理，求解获得各时次的闪电频次变化率DFRDT（次·min－1），其表达式为：

（3）建立闪电跳跃预警信号识别机制。求解总体DFRDT的标准偏差σDFRDT，利用各时次的DFRDT与2σDFRDT进行比对，大于2σDFRDT的点被记录为闪电跳跃预警信号，结合降雹记录时间，得到闪电跳跃信号的提前量，即2σ判别机制。

2 过程概述

2018年3月13 日14：00至14日00：00，贵州中西部地区出现强对流天气，贵阳南部、安顺北部、毕节、六盘水北部、黔西南、黔南北部等多地先后发生降雹，共有58个乡镇出现冰雹，冰雹最大直径为16 mm，分别出现在贵阳、水城阿嘎、蟠龙（图2）。结合雷达回波演变特征发现，此次大范围冰雹天气过程主要有3条冰雹云移动路径：1号路径是冰雹云在贵州西北部毕节地区生成，之后向东南方向移动，途经大方县、黔西县，最后到达清镇市和贵阳市，呈西北—东南向，造成沿途降雹；2号路径是冰雹云形成于贵州西部的六盘水地区，自西向东移动，途经纳雍县、织金县、普定县和平坝县，造成沿途降雹；3号路径是黔西南州北部生成的对流单体向东南方向移动，并在黔西南州中部造成多地降雹。冰雹云在移动降雹过程中都伴有短时强降水。

根据灾情直报系统资料，此次大范围冰雹天气过程造成直接经济损失约1267.65万元人民币，共20 551人受灾，受灾农作物面积1413.67 hm2，成灾面积884.33 hm2，主要造成蔬菜、经果林大面积受灾。

图2 2018年3月13日14：00至14日00：00贵州省冰雹直径分布（单位：mm）（黑色虚线箭头为冰雹云移动方向）Fig.2 The distribution of hail diameter in Guizhou from 14：00 BST 13 to 00：00 BST 14 March 2018（Unit：mm）（Black dotted lines with arrow indicate the moving direction of hail cloud）

3 环流背景特征

3.1 环流形势

2018年3月13 日14：00，500 hPa中高纬地区呈“一槽一脊”的环流形势，贝加尔湖地区为宽广的低槽，槽后偏北气流引导冷空气南下，中低纬青藏高原区有南支槽建立，贵州受南支槽槽前西南气流影响［图3（a）］；700 hPa低涡切变线位于四川、贵州和重庆交界地带，贵州南部受西南低空急流影响［图3（b）］，而 850 hPa切变线位于贵州西北部［图3（c）］，地面辐合线处于贵州中部偏西一线（图略），且中低空700 hPa、850 hPa存在暖平流，上冷下暖的环流配置具备强对流产生的热力和动力条件。此外，13—14日贵州中西部500 hPa位势高度距平场一直维持负距平，500 hPa持续受低值系统控制，且控制范围不断向南扩展、强度加强［图3（d）］。综上所述，高空南支槽的稳定维持与中低层切变线、暖平流、急流和地面辐合线配合，共同触发了此次大范围冰雹天气过程。

3.2 探空廓线

图4是2018年3月13日08：00与20：00贵阳站探空图。可以看出，08：00［图4（a）］，低层湿度较大，500 hPa以上为干层，具有不稳定层结条件，对流有效位能（CAPE）为269.3 J·kg－1，0℃、－20℃层高度分别为3.5、6.4 km，K指数为29℃，SI指数为－5.3℃，0～6 km具有22 m·s－1的垂直风切变，强对流威胁指数为 194.4。20：00［图4（b）］，850～400 hPa整层为湿层，对流有效位能值增加到294.0 J·kg－1，K指数增大为 38℃，SI指数为－3.22℃，0℃和－20℃层高度分别为3.2、6.5 km；500 hPa高度风速约16 m·s－1，且随高度升高风速增大，风向随高度由南风顺时针旋转为西风，有暖平流发展；0～6 km垂直风切变为12 m·s－1，属中等强度垂直风切变，强对流威胁指数增至265.0。综上可见，大气存在不稳定层结，环境场条件有利于雷暴、冰雹大风等强对流天气的发生。

图3 2018年3月13日14：00 500 hPa位势高度场（蓝色线，单位：dagpm）、温度场（红色线，单位：℃）及风场（箭头，单位：m·s－1）（a）和700 hPa（b）与850 hPa（c）温度场（阴影，单位：℃）及风场（箭头，单位：m·s－1）以及10—14日106°E的500 hPa位势高度距平场（与75°E—110°E的距平值，单位：dagpm）演变（d）Fig.3 The 500 hPa geopotential height field（blue isolines，Unit：dagpm），temperature field（red isolines，Unit：℃）and wind field（arrows，Unit：m·s－1）（a）and 700 hPa（b），850 hPa（c）temperature field（shadows，Unit：℃）and wind field（arrows，Unit：m·s－1）at 14：00 BST on 13 March 2018，and the evolution of 500 hPa geopotential height anomaly（compared with the average value from 75°E to 110°E，Unit：dagpm）over 106°E from 10 to 14 March 2018（d）

图4 2018年3月13日08：00（a）与20：00（b）贵阳探空站 T－ln P图Fig.4 The T－ln P diagrams at Guiyang radiosonde station at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）on 13 March 2018

4 闪电活动特征

4.1 闪电活动特征统计

考虑到闪电、雷达资料和地面降雹观测资料的完整性，对此次大范围降雹过程的12个降雹区域（县、市）闪电进行统计。从表2看出，12个降雹区域内总闪频次为35～473次，地闪频次为19～343次，总闪和地闪频次变化幅度大；冰雹直径与闪电频数无明显相关关系，闪电频数低的地区也能产生10 mm以上的冰雹，因此不能仅凭总闪频数来识别冰雹云；12个降雹区域POP、NOP和IOP值平均分别为19.58%、80.42%、30%，其中 POP值高于贵州省 2015—2017年平均值（14.45%）［20］，说明冰雹天气过程较其他类型雷暴天气具有更高的正地闪比例。言穆弘等［21］通过三维强风暴动力耦合模式分析得出，我国南方地区大气层结很不稳定，且CAPE值较大，雷暴电荷以上正下负的偶极性结构为主体。所以，我国南方地区冰雹过程主要以负地闪为主，这与内陆高原和北方地区雹暴过程通常具有较高的正地闪比例存在显著差别。FU等［22］研究发现，云闪频次、上升气流和雹／霰回波体积存在较好的相关性，云闪活跃指示着云体内雹／霰的含量极为丰富，产生冰雹的可能性大。从表2看出，Z值在0.13～1.46之间，平均为0.51，低于0.5的占67%，远低于马明［23］给出的冰雹云平均值（6.6），造成这种差异的原因是VLF／LF三维闪电监测定位系统对云闪的探测效率低于地闪。需要注意的是，个别降雹区域（晴隆县）的Z值大于1，云闪频数超过地闪，且产生15 mm的大冰雹，因此结合云闪和地闪分析冰雹云的闪电活动特征对冰雹的指示作用更为有效。

4.2 闪电活动的时间演变特征

对12个降雹区域内总闪发生频次每隔5 min进行统计（图5），发现12个区域在降雹之前总闪频次均发生跃增，从缓慢增加到跃增至极值或峰值，且极值或峰值均提前于降雹时间，即总闪频次在出现极值或峰值之后一段时间内出现降雹，降雹后总闪频次急剧下降。另外发现，大方县、清镇市、兴仁县、织金县、贵阳城区总闪频次出现二次跃增现象，其中大方县和兴仁县在二次跃增后产生二次降雹。从雷达回波演变可知，冰雹过程期间有较强的辐合上升运动，对流单体在移动过程中合并为组织化的对流系统，冰雹云在降雹后二次发展。可见，总闪频次的二次跃增与冰雹云的二次发展有关联，但冰雹云在降雹后减弱为雷雨云后闪电频次也可能出现二次跃增现象，但増幅较前一次偏小。

冰雹云的生命史经历发生、跃增、孕育、降雹和消亡五个阶段［24］，云体内混合相态区雹／霰粒子的数浓度经历由少变多，并在降雹过程中雹／霰粒子逐渐消耗，这可从冰雹云发展演变过程的雷达回波特征予以证实。TAKAHASHI［25］提出非感应起电机制，认为云体内粒子，特别是混合相态区粒子，是电荷的载体，不同重量的雹粒、霰粒和冰晶在强上升气流作用下不断碰并分离而带上不同极性的电荷分布于不同高度，从而形成不同极性的电荷区，继而产生云内闪电和云地闪电。因此，闪电和降雹之间存在较好的关联性，这可以较好地解释总闪在降雹前后呈现的跃增、陡降现象。总闪频次的二次跃增主要是冰雹云在第一次降雹后能量未完全消耗，在有利的天气系统和地形条件配合下单体合并，使得冰雹云获得能量补充，出现闪电二次跃增现象，并在达到降雹条件下产生二次降雹。

表2 2018年3月13日贵州12个降雹区域闪电活动特征统计Tab.2 Statistics of lightning activity characteristics in twelve hail areas of Guizhou on 13 March 2018

4.3 闪电跳跃信号预警

闪电的跃增与峰值提前量为降雹识别提供有效信号，但还不足以完全揭示闪电的初始跃增特征，因此采用2σ闪电跃增法对12个降雹区域闪电频次跳跃信号出现时间、提前量和每5 min变化峰值出现时间、提前量进行计算和统计。从表3看出，2σ闪电频次跳跃信号的时间提前量均大于峰值时间提前量，两者之差最大达28 min，表明2σ跳跃信号能够超前于峰值信号28 min预警降雹；12个降雹区域2σ闪电跳跃信号平均时间提前量为20 min，而峰值平均时间提前量为13 min，故基于2σ跳跃信号提前预警降雹优于峰值信号。

以黔西县冰雹过程为例，分析总闪频次和2σ闪电跳跃信号的演变特征（图6）。从图6（a）看出，13日15：15—16：00，总闪间歇发生且频次不高，最大频次为 2次；16：00—16：20，总闪较前一阶段活跃，分别在16：03和16：09出现5次的高值，之后无闪电发生；16：29—17：00，总闪再次活跃，闪电频次在2次上下波动；17：00以后，总闪增加明显，在17：05出现首峰（7次），之后脉冲式波动跃增，在17：35出现16次的最大峰值，随后开始逐渐波动减少，并在17：43地面观测到12 mm的冰雹，在降雹后一段时间内总闪明显减少，降雹阶段总闪变化与跃增阶段基本对称，降雹前后闪电的“跃增”和“陡降”现象与冰雹云内冰相粒子由少变多、再由多变少相关联，同时对流云体内经历了电荷累积－放电－间歇的过程。降雹后，总闪波动减少且间歇发生，在18：31后无闪电发生。

表3 2018年3月13日贵州12个降雹区域冰雹预警指标统计Tab.3 Statistics of early warning indexes of hail in twelve hail areas of Guizhou on 13 March 2018

图5 2018年3月13日贵州省12个降雹区域总闪频次的逐5 min演变（虚线箭头标识降雹时间）Fig.5 The 5－minute evolution of total lightning frequency in twelve hail areas of Guizhou on 13 March 2018（Dash line with arrow marks the time of hail occurrence）

图6 2018年3月13日黔西县冰雹过程期间总闪频次（a）与2σ闪电跳跃信号（b）的逐分钟变化（灰色箭头标识首次闪电跳跃信号出现时刻，黑色箭头标识降雹时间）Fig.6 The minutely change of total lightning frequency（a）and 2σlightning jump signal（b）during the hail process in Qianxi County on 13 March 2018（Gray and black lines with arrow indicate the time of the first jump signal of lightning frequency and hail occurrence，respectively）

从图6（b）来看，闪电频次变化率总体呈现振荡变化，其活跃期与降雹前后总闪频次变化相对应。经计算，闪电频次变化率总体标准偏差为1.54次·min－1，按照 2σ跳跃信号判断机制，在17：17首次出现大于 3.08次·min－1（2σDFRDT）的跳跃信号，之后又出现了5次跳跃信号，随后于17：43地面观测到降雹，2σDFRDT首次跳跃信号的时间提前量为26 min。

综上分析可知，利用闪电2σ跳跃信号和峰值信号提前预警降雹是可行的，且前者对降雹提前预警优于后者，可以综合闪电这两种信号为冰雹云临近预警预报和人工防雹作业提供参考。

4.4 冰雹过程闪电空间分布特征

冰雹云发展过程中伴随着不同极性的放电，为了认识不同极性闪电与冰雹云发展移动的空间对应关系，对此次大范围冰雹天气过程逐时总闪、云闪及正、负地闪进行统计，计算1 km×1 km网格的闪电密度，采用自然断点分级法（Jenks优化方法）对闪电密度进行分级，得到各类闪电密度分布（图7）。可以看到，此次大范围冰雹过程伴有的闪电主要发生在贵州中西部，即云贵高原斜坡过渡带区域，总闪、云闪和地闪的密度分布与3块冰雹云单体移动方向基本一致，其中总闪的密度分布最能表征冰雹云系的主要移动方向。可见，闪电的密度分布在一定程度上对冰雹云移动具有指示作用。

图8是2018年3月13日偏北冰雹云移动路径（1号路径）附近闪电与冰雹出现位置。此条路径上总闪发生1173次，其中地闪960次，云闪213次，且主要为负地闪。从图8（a）看出，总闪发生位置与冰雹云移动路径基本一致，呈西北—东南向，且降雹位置与闪电位置对应较好，雹区位于总闪发生区的右侧（相对于冰雹云移动方向，下同）。CHANGNON［26］对典型冷锋天气系统引起的雹暴天气的地闪与冰雹落区分析发现，雹区主要偏向于地闪发生区的右侧，认为雷暴在发展过程中存在对峙的上升、下沉气流区，这在雹暴中更为明显，上升气流区通常位于雷暴发展的右前方，降雹主要发生在上升气流区邻近的下沉气流区域内，而闪电则对应发生于冰相降水粒子较为丰富的区域内，故而雹区与闪电位置略有差异，不是严格意义上的一一对应关系。

负地闪和正地闪的位置均能标识冰雹云的移动路径，两者主要发生在雹点左前方［图8（b）和图8（c）］。与地闪相比，云闪的空间分布与降雹位置对应关系更好［图8（d）］，云闪作为云体内冰相粒子活跃的标志之一，加入到冰雹云移动的判断中将丰富对冰雹云空间发展的指示作用，而云闪的高度、极性等信息还需在今后研究中不断挖掘，这对于深入研究冰雹云电荷结构及闪电活动特征具有重要意义。另外两条冰雹云移动路径上闪电空间分布（图略）也具有相同的结论，即总闪位置与冰雹云移动方向基本一致，雹区主要在闪电集中发生的右侧。可见，闪电的空间分布对冰雹云移动方向有一定指示作用。

图7 2018年3月13日15：00至14日00：00贵州总闪（a）、云闪（b）、负地闪（c）和正地闪（d）密度分布（单位：fl·km－2）（黑色箭头线标识冰雹云移动方向）Fig.7 Density distribution of total lightning（a），cloud lightning（b），negative ground lightning（c）and positive ground lightning（d）in Guizhou from 15：00 BST 13 to 00：00 BST 14 March 2018（Unit：fl·km－2）（Black lines with arrow indicate the moving direction of hail cloud）

图8 2018年3月13日偏北冰雹云移动路径上总闪（a）、负地闪（b）、正地闪（c）和云闪（d）分布（绿色箭头线标识冰雹云移动方向）Fig.8 Distribution of total lightning（a），negative ground lightning（b），positive ground lightning（c）and cloud lightning（d）along the northerly moving path of hail cloud on 13 March 2018（Green arrow lines indicate the moving direction of hail cloud）