貴陽4月5日冰雹天氣過程閃電頻次變化特征分析

曾　勇，黃　鈺，李麗麗，楊　哲，曹　水

(1.貴州省冰雹防控技術(shù)工程中心，貴州 貴陽　550081；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽　550081；3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽　550002；4.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽　550081)

1　引言

冰雹是貴州省主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)和人民生命財(cái)產(chǎn)均具有重大影響[1]。在冰雹云發(fā)展演變過程中，常伴隨著大量的閃電發(fā)生[2]。我國在70年代防雹作業(yè)過程中，由于探測技術(shù)發(fā)展程度不高，閃電計(jì)數(shù)儀被廣泛用于判別冰雹發(fā)生與否的有效工具。隨著探測技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代多普勒天氣雷達(dá)、雙偏振天氣雷達(dá)廣泛運(yùn)用到冰雹云的監(jiān)測預(yù)警和防雹作業(yè)指揮中[3-4]。貴州屬于云貴高原東部，具有典型的山地環(huán)境特征。天氣雷達(dá)波束遮擋嚴(yán)重，小雷達(dá)受探測距離的限制，對偏遠(yuǎn)山區(qū)也無法探測。馮桂力等國內(nèi)專家和氣象工作者對雹云中的閃電特征做了很多研究，但冰雹云發(fā)展演變與地閃的變化仍須作較深入的研究，且冰雹云及其地閃特征具有明顯的區(qū)域性[5]。鄒書平等專家對貴州山地冰雹云生命演變史各個階段回波參數(shù)進(jìn)行了研究，但針對貴州山地冰雹云演變過程中地閃特征的變化仍然處于空白[6]。本文對貴陽4月5日冰雹天氣過程閃電頻次變化特征進(jìn)行分析研究，旨在得到對冰雹具有指示意義的閃電頻次變化指標(biāo)。

2　天氣實(shí)況

4月5日18時—6日08時，貴州省中西部地區(qū)出現(xiàn)雷雨、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣，貴陽市城區(qū)、烏當(dāng)區(qū)水田鎮(zhèn)出現(xiàn)降雹。烏當(dāng)區(qū)水田鎮(zhèn)19時51—58分發(fā)生降雹，冰雹一般直徑10 mm，最大直徑15 mm，降雹密度100粒/m2左右。貴陽市南明區(qū)部分老城區(qū)21時10分開始降雹，降雹密度在1 000粒/m2以上。根據(jù)貴州省三維閃電探測網(wǎng)監(jiān)測結(jié)果，4月5日17—23時59分59秒貴陽市共發(fā)生閃電996次，云閃259次,云地閃737次,其中正閃42次，負(fù)閃，695次，閃電密度圖見圖1。

圖1　4月5日17—23時59分59秒貴陽市閃電密度分布Fig.1　The distribution of lightning density in Guiyang in April 5th during 17∶00∶00-23∶59∶59

3　數(shù)據(jù)和分析方法

閃電數(shù)據(jù)來源于貴州省三維閃電探測網(wǎng)，雷達(dá)資料來源于4月5日貴陽和都勻新一代天氣雷達(dá)資料。冰雹云發(fā)展演變過程回波分析主要利用云降水精細(xì)分析系統(tǒng)(CPAS)分析回波從移入降雹區(qū)域到移出降雹區(qū)域整個過程，并對實(shí)際降雹時間進(jìn)行核準(zhǔn)。閃電數(shù)據(jù)分析主要分析降雹時間點(diǎn)前后每5min和每10min時間段內(nèi)總閃和地閃的頻次變化，分析方法主要采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。總閃頻次是指一段時間內(nèi)某區(qū)域內(nèi)云閃和地閃次數(shù)的總和；地閃頻次是指一段時間內(nèi)某區(qū)域內(nèi)正、負(fù)地閃頻次的總和。

4　雷達(dá)回波演變與閃電頻次變化

4.1　烏當(dāng)區(qū)水田鎮(zhèn)

4.1.1雷達(dá)回波演變?yōu)醍?dāng)水田冰雹落區(qū)處于本次強(qiáng)對流天氣發(fā)展過程中一條路徑線上。強(qiáng)回波單體在移經(jīng)修文于19時29分到達(dá)白云區(qū)牛場一帶，并在牛場降雹，此時回波強(qiáng)度45～60 dBz所占的比例77.1%。自19時35分—20時01分，回波從白云牛場向東南烏當(dāng)水田鎮(zhèn)方向移動，并于19時51分—19時58分在水田鎮(zhèn)降雹，之后回波于20時06分向水田鎮(zhèn)東南方向移出。

4.1.2閃電頻次變化特征貴陽市烏當(dāng)區(qū)4月5日18時17分—23時18分共發(fā)生閃電681次，其中云閃(IC)167次，云地閃(CG)514次，正地閃28次，正閃比4.1%，負(fù)地閃486次，負(fù)閃比71.4%。圖2為烏當(dāng)區(qū)降雹時間點(diǎn)前后每5 min時間間隔地閃和總閃頻次變化，紅色三角標(biāo)記為降雹時間點(diǎn)。

圖2　4月5日烏當(dāng)水田降雹時間點(diǎn)前后每5 min地閃頻次(a)、總閃頻次(b)變化Fig.2　The ground flashes chang(a)and the total flash change(b) of every 5 minutes before and after the hail time point in the Wudang paddy field in April 5th

從地閃每5 min頻次變化可見，在降雹時間19時51分之前，地閃出現(xiàn)一個極值28次，到降雹期間(19時51分—19時58分)，地閃出現(xiàn)一個最大峰值31次，這是冰雹云發(fā)展成熟階段，之后地閃頻次陡降到8次。地閃最大值出現(xiàn)時間滯后于開始降雹5 min。地閃和總閃頻次變化出現(xiàn)兩次躍增，分別對應(yīng)極大值和做大值。

總閃每5 min頻次變化趨勢與地閃大致相同，在降雹之前都呈現(xiàn)上升趨勢。總閃頻次最大值和極大值由地閃最大值和極大值28和31增加到37和47，增加的是云閃，也說明冰雹云發(fā)展成熟階段云閃發(fā)生頻次增加，這可能與云體內(nèi)帶電粒子間相互作用增強(qiáng)有關(guān)。馮桂力對山東地區(qū)冰雹云的的閃電活動特征進(jìn)行分析，得出較高的正地閃比例雹云過程的降水量并不高，相反，正地閃比例較低的冰雹過程降水量卻很高。陳哲彰給出的個例分析也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象[7-9]。烏當(dāng)水田降雹過程出現(xiàn)大雨，降雨量為39.6 mm，正閃比例4.1%，與上述研究結(jié)果具有一致性。

4.2　貴陽市南明區(qū)

4.1.1雷達(dá)回波演變貴陽市南明區(qū)冰雹落區(qū)處于本次強(qiáng)對流天氣發(fā)展過程中另一條路徑上。單體發(fā)展移動過程中進(jìn)入貴陽雷達(dá)靜錐區(qū)范圍內(nèi)，在靜錐區(qū)內(nèi)利用都勻雷達(dá)站數(shù)據(jù)分析。強(qiáng)回波單體經(jīng)西部發(fā)展于清鎮(zhèn)東北方向，20時51分單體區(qū)域28 km2內(nèi)組合反射率45～50 dBz面積占26%，移動方向上垂直剖面切割強(qiáng)回波頂高(大于45 dBz)已達(dá)到7.0 km。20時56分—21時07分，單體向東移動靠近貴陽，于21時13分抵達(dá)貴陽市，此時單體區(qū)域45 km2內(nèi)組合反射率45～55 dBz面積占35%，強(qiáng)回波頂高(大于45 dBz)已達(dá)到8.0 km以上，貴陽市南明區(qū)在21時10分—21時15分左右降雹。

4.1.2閃電頻次變化特征南明區(qū)19時29分—22時47分共發(fā)生閃電130次，其中云閃21次，云閃比16%。云地閃109次，其中正地閃6次，正閃比4.6%。負(fù)地閃103次，負(fù)閃比79%。圖3為南明區(qū)降雹時間點(diǎn)前后5 min時間間隔地閃和總閃每5 min頻次變化。

圖3　4月5日南明區(qū)降雹時間點(diǎn)前后每5 min地閃頻次(a)、總閃頻次(b)變化Fig.3　The ground flashes frequency change(a)、the change of total flash frequency(b) every 5 minutes before and after hail time point in Nanming area in April 5th

從南明區(qū)地閃每5 min頻次變化頻次可以得出，降雹前發(fā)生地閃次數(shù)少，頻次較低。地閃每5 min頻次變化也出現(xiàn)一個最大值和一個極大值，分別為21次和24次(出現(xiàn)在21時20)，滯后于降雹時間5～10 min。同時，在最大值后閃電頻次出現(xiàn)陡降，最低降到1次。總閃頻次變化與地閃頻次變化走勢一致，極大值和最大值值分別為24次和26次，主要增加了云閃。與烏當(dāng)水田類似，南明區(qū)正閃比例為4.6%，貴陽42.5 mm，與前述較低比例正地閃的冰雹過程降水量卻很高相一致。地閃和總閃頻次變化出現(xiàn)兩次躍增，分別對應(yīng)極大值和最大值，但躍增數(shù)量烏當(dāng)水田大于南明區(qū)。

5　結(jié)論

①兩個降雹個例對應(yīng)兩條不同單體發(fā)展演變路徑上的兩個不同降雹點(diǎn)，但是在降雹時間點(diǎn)前后每5 min閃電頻次變化趨勢一致，在降雹時間點(diǎn)之前閃電頻次都出現(xiàn)躍增，烏當(dāng)水田躍增數(shù)量大于南明區(qū)。

②兩個降雹個例每5 min閃電頻次變化在降雹過程出現(xiàn)一個極大值和一個最大值。每5 min閃電頻次變化最大值均滯后于降雹時間點(diǎn)，烏當(dāng)區(qū)水田鎮(zhèn)滯后于降雹時間5 min，南明區(qū)滯后于降雹時間5～10 min。

③兩個降雹個例降雹過程均出現(xiàn)較少比例的正地閃，卻伴隨大雨。