基于閃電數據和雷達數據的河南省冰雹天氣過程研究

趙戰友, 楊美榮

(河南省氣象災害防御技術中心，鄭州 450003)

引 言

冰雹是一種常見的自然災害，冰雹天氣過程作為強對流天氣的一種，在天氣觸發機制和云體結構等方面都表現出獨有的特點[1-6]。除了從微物理、環境場等方面研究冰雹天氣外，有關專家對于其產生的閃電也進行了研究。研究發現，冰雹天氣過程中閃電特征不同于其他強對流過程的閃電特征，其正地閃比例普遍較高。馮桂力等[7]分析了10次冰雹天氣過程發現，正地閃比例平均值為45.5%。鄭棟等[8]研究一次冰雹過程發現，正地閃占地閃的比例達20.0%，且降雹前正地閃比例較降雹后的高。孫萌宇等[9]對北京一次冰雹過程研究發現，降雹前出現正地閃突增，正地閃占全部地閃的比例最高達58%。在降雹前閃電活動出現躍增現象，一般提前于降雹時間半小時以內[7-10]。冰雹云在降雹前雷達組合反射率和回波頂高呈線性增長，組合反射率增加到65 dBZ以上，同時液態水含量增加到25 kg/m2[10]；降雹時雷達回波>45 dBZ的面積增大，頂高超過13 km[9]。閃電的空間分布特征在一定程度上可以指示云體的發展和移動。周泓等[11]發現，滇中地區冰雹天氣過程閃電密集區的移動可作為冰雹回波移動路徑的一個預報指標。茍阿寧等[12]研究發現，通過地閃頻次和地閃位置變化可以識別雹暴生命史演變的不同階段。曾勇等[13]分析發現，閃電的空間分布與冰雹云的移動路徑基本一致，對冰雹云的移動發展有指示作用，雹區主要位于閃電發生位置的右側。

有關專家研究發現不同區域的冰雹天氣表現出不同的特點[14-16]。相關專家對河南冰雹天氣已有了不少研究[17-19]，但大多使用再分析資料和物理參數等，尚無使用閃電資料和雷達資料對冰雹天氣研究的報道。本文將在前人研究的基礎上，選取河南省2018-2019年的12次冰雹天氣過程，分析過程中地閃和雷達回波的特征，以期為冰雹天氣監測預警提供參考。

1 資料來源及處理

地閃資料來源于河南省三維閃電探測系統。該系統于2017年投入使用，全省共13個測站。三維閃電探測系統數據處理中心通過接收各個探測站上傳的閃電電磁脈沖信號，采用三維時差定位算法，實時計算閃電發生的時間、類型、經緯度、高度及峰值電流強度等閃電活動參數。該探測系統[20]平均水平定位誤差小于0.3 km；探測范圍根據閃電強度而定，當閃電強度為5 kA時，探測范圍為100 km，當閃電強度為30 kA時，探測范圍為600 km；對于10 kA 以上的閃電，探測效率大于90%。本文使用了河南省三維閃電探測系統2018-2019年的閃電數據，包括閃電位置、發生時間及閃電類型等，并對數據進行了質量控制。

新一代S波段天氣雷達是監測中小尺度對流系統最有效的工具，能提供回波的強度、速度和譜寬等信息。本文所用雷達資料類型為雷達體掃基數據，來自河南省內天氣雷達站。由于雷達自身觀測方式的局限性，本文僅選取距離雷達站點50-100 km范圍內的天氣過程作為研究對象，以確保過程有較完整的觀測。為了方便研究，本文使用徑向和方位上的最近鄰居法和垂直方向上的線性內插法(NVI)[21]，將極坐標系下的雷達基數據插值到笛卡爾坐標系，網格大小約1 km×1 km×1 km，垂直方向上共24層。經過比對分析發現，該方法不僅能使反射率分析場具有較好的空間連續性，同時也較好地保留雷達體掃數據中原有反射率的結構特征。

2 冰雹天氣過程選例情況

本文共選取河南省2018-2019年的12次冰雹天氣過程(表1)，其中2019年6次，2018年6次，10次發生在6月份，2次發生在5月份；降雹均發生在下午至晚上，其中登封2019年6月3日冰雹天氣過程(下文統稱登封冰雹，其他冰雹天氣過程類似)降雹開始時間最早，為16∶00，南召冰雹開始時間最晚，為21∶06；從降雹持續時間來看，桐柏冰雹持續時間最短，為6 min，長葛冰雹持續時間最長，為54 min。

表1 2018-2019年河南省12次冰雹天氣過程情況匯總

3 地閃特征分析

3.1 地閃總體特征

為了分析冰雹天氣過程地閃特征，本文統計了地閃數量、正地閃數量、最大地閃頻次和正地閃比(正地閃數量與地閃數量的比值)，統計結果見表2。總體來看,12次冰雹天氣過程地閃數量差異較大，寶豐冰雹地閃數量最少，為12次，南召冰雹地閃數量最多，為496次，地閃數量超過100次的過程有4次，占33.3%。統計12次冰雹天氣過程每6 min間隔的地閃頻次，并將過程最大地閃頻次列入表2。其中，南召冰雹地閃頻次最大，為71次/6 min；其次是西平冰雹地閃頻次，為68次/6 min；寶豐冰雹的最小，為2次/6 min。

表2 2018-2019年河南省12次冰雹天氣過程地閃統計

12次冰雹天氣過程正地閃數量為5～165次。正地閃比最低的是南召冰雹，為0.16；最高的是汝陽冰雹，為0.67。12次冰雹天氣過程中正地閃數量超過負地閃數量的過程有3次，占到25%，分別為汝陽冰雹、遂平冰雹和長葛冰雹，正地閃比分別為0.67、0.57和0.56。12次降雹天氣過程正地閃比平均值為0.41。

3.2 地閃時間演變特征

統計分析發現，在降雹前地閃和正地閃頻次均有不同程度的增加。圖1-4為伊川冰雹、南召冰雹、宜陽冰雹和汝陽冰雹過程地閃頻次隨時間演變圖。圖1中，伊川冰雹在17:48開始降雹，在此之前，地閃頻次、正地閃頻次在17:42達到一個小高峰，比降雹時間提前6 min。圖2中南召冰雹降雹時間為21:06，地閃頻次在20:54達到了峰值，比降雹時間提前了12 min。統計12次冰雹天氣過程發現，地閃峰值時間提前降雹時間6～18 min。降雹開始后，多數過程(見圖1、圖3和圖4)會出現地閃不活躍期，隨后地閃頻次增加，甚至超過降雹前最大頻次(圖4)，而在圖2中降雹開始后地閃頻次一直處于減少趨勢。12次過程在降雹結束后地閃頻次均呈現出減少趨勢。

圖1 2019年6月3日伊川冰雹地閃頻次時間演變圖

圖2 2019年6月3日南召冰雹地閃頻次時間演變圖

圖3 2018年5月15日宜陽冰雹地閃頻次時間演變圖

12次冰雹天氣過程正地閃頻次在降雹前和降雹過程中均出現增加現象，但正地閃數量多于負地閃數量的過程僅有3次。由汝陽冰雹(圖4)過程可以看出，18:48開始降雹，正地閃頻次在18:42達到小高峰(3次/6 min)，降雹開始后的18:48-19:00，正地閃頻次很低，隨后快速增加,并在19:06達到16次/6 min，降雹結束時降低為3次/6 min。南召冰雹(圖2)正地閃所占比例較小，降雹前正地閃最大頻次為2次/6 min，遠低于地閃頻次63次/6 min，降雹過程中正地閃最大頻次也僅為5次/6 min?？傮w而言，冰雹天氣過程中地閃活動個體差異較大，特征更為復雜。

圖4 2019年6月3日汝陽冰雹地閃頻次時間演變圖

3.3 2σ閾值法檢驗地閃躍增

研究發現，在強對流災害發生前閃電會出現突然增加現象。Schultz[22]和Gatlin[23]等進一步對這一現象進行量化，利用2σ閾值算法來檢驗閃電的躍增現象。田野等[24]對比分析不同閃電躍增算法在北京地區應用效果，結果發現2σ閾值算法對冰雹天氣的預警效果較好。為了進一步分析河南省冰雹天氣過程地閃活動與冰雹發生時間的關系，并驗證地閃數據對強對流天氣的預警能力，本文使用2σ閾值算法對12次冰雹天氣過程在降雹前的地閃躍增現象進行檢驗。以遂平冰雹為例(圖5)，遂平冰雹降雹前地閃頻次時間變化率在19:58超過躍增閾值，超前降雹時間20 min。統計12次冰雹過程(表3)發現，有11次過程在降雹前地閃的躍增通過了2σ閾值檢驗，地閃躍增信號超前降雹時間6～22 min，其中汝陽冰雹超前時間最短，鞏義冰雹超前時間最長，有10次冰雹過程超前10 min以上，11次過程平均超前15.6 min。因為地閃數量較少，寶豐冰雹降雹前的地閃躍增沒有通過2σ閾值檢驗。

表3 2018-2019年河南省12次冰雹天氣過程降雹時間、地閃躍增時刻及躍增超前時間

圖5 2019年6月3日遂平冰雹地閃頻次時間變化率與躍增閾值時間演變圖

4 雷達回波特征分析

40 dBZ雷達回波頂高可以表示對流發展的深度，6 km高度強回波面積(不小于50 dBZ回波面積)能夠指示對流發展的廣度。本文對12次冰雹天氣過程40 dBZ回波頂高和6 km高度強回波面積這兩個雷達回波參量隨時間演變的特征進行分析，發現這兩個雷達回波參量的時間演變特征在變化趨勢上較一致。本文以伊川冰雹和汝陽冰雹為例進行說明(圖6)。從圖6中可以看出，降雹開始時，40 dBZ回波頂高在12 km高度以上，降雹開始后處于下降趨勢，但基本維持在10 km之上。相比40 dBZ回波頂高，6 km高度強回波面積變化相對復雜，降雹前經過一段時間的上升達到100 km2，降雹開始后繼續上升達到峰值，然后開始下降(圖6a)，或者振蕩性下降(圖6b)。伊川冰雹(圖6a)40 dBZ回波頂高在降雹前17:42達到峰值高度(12.8 km)，17:48降雹開始時，在強下沉氣流的拖曳下40 dBZ回波頂高已經開始下降，而6 km高度強回波面積仍然處于上升階段，并在17:54增加到138 km2，此后隨著冰雹的不斷降落和高層下沉冰粒補給的減少，6 km高度強回波面積不斷降低，在降雹結束時降低為54 km2，此時40 dBZ回波頂高降至11 km。

圖6 2019年6月3日伊川冰雹(a)和汝陽冰雹(b)40 dBZ回波頂高和6 km高度強回波面積時間演變圖

5 地閃與雷達回波關系分析

袁鐵等[25]研究一次強颮線過程發現，對流單體的最大雷達反射率垂直廓線可以很好地指示單體的閃電頻次和對流發展強度，對流單體閃電頻次與冰相降水含量的相關系數為0.92。吳學珂等[26]分析山東一次強颮線過程發現，地閃頻次與6 km高度45 dBZ強回波面積相關系數為0.89。楊美榮[27]分析的河南省一次普通雷暴過程5 km之上50 dBZ回波體積與地閃頻次的相關系數為0.93。劉冬霞等[28]對地閃位置與回波強度分析發現，45～55 dBZ的回波區是最有利于地閃發生的區域。云體-10 ℃之上的區域可以較好地反映水成物粒子與上升氣流的共同效應。查看冰雹天氣過程當天鄭州站和南陽站探空資料發現，-10 ℃層約在6 km高度。本文計算了12次冰雹天氣過程中6 km高度強回波面積和6 km高度之上強回波體積(不小于40 dBZ回波體積)這兩個雷達回波參量，以遂平冰雹為例進行說明(圖7、8)。從圖7、8可以看出，隨著這兩個雷達回波參量的增強和變弱，地閃頻次也表現出增大和減小。在20:18降雹開始后，地閃活動出現暫歇期，此時6 km高度強回波面積仍保持增速不變，而強回波體積增速則變緩。20:30地閃頻次達到峰值時，6 km高度強回波面積處于相對低值區，強回波體積則與地閃頻次同時達到峰值。計算發現，遂平冰雹地閃頻次與6 km高度強回波面積的相關系數為0.64，與6 km高度之上強回波體積的相關系數為0.78，地閃頻次與6 km高度之上強回波體積的相關性較好。本文分別計算了12次冰雹天氣過程6 km高度之上強回波體積與地閃頻次的相關系數，發現過程之間差別較大，最高的為西平冰雹，相關系數為0.81，而南召冰雹相關系數僅為0.42。

圖7 2019年6月3日遂平冰雹6 km高度強回波面積和地閃頻次時間演變圖

6 結 論

利用河南省三維閃電探測數據和新一代天氣雷達數據，選取河南省2018-2019年12次冰雹天氣過程，分析了過程中地閃數量、雷達回波的特征及二者的相關關系，結果表明：

(1)12次冰雹天氣過程地閃活動差異較大，地閃數量為12～496次，地閃數量超過100次的過程有4次，占33.3%；過程最高地閃頻次為2～71次/6 min；正地閃數量為5～165次，正地閃數量超過負地閃的過程有3次，正地閃比(正地閃數量與地閃數量的比值)為0.16～0.67，平均正地閃比為0.41。

圖8 2019年6月3日遂平冰雹6 km高度之上強回波體積和地閃頻次時間演變圖

(2)12次冰雹天氣過程地閃頻次在降雹之前出現峰值，提前降雹時間6～18 min；在降雹期間地閃活動比較復雜，大多過程會再次出現地閃頻次的增加。有11次過程降雹前的地閃躍增通過了2σ閾值檢驗，地閃躍增超前降雹時間6～22 min，平均為15.6 min。

(3)12次冰雹天氣過程降雹開始時，40 dBZ回波頂高在12 km高度之上，6 km高度不小于50 dBZ的回波面積在100 km2左右；降雹開始后，40 dBZ回波頂高整體呈下降趨勢，6 km高度不小于50 dBZ的回波面積變化相對復雜。

(4)12次冰雹天氣過程地閃頻次與6 km高度之上不小于40 dBZ回波體積的相關性要優于與6 km高度不小于50 dBZ回波面積的相關性。12次冰雹天氣過程地閃頻次與6 km高度之上不小于40 dBZ回波體積的相關系數為0.42～0.81。

閃電數據和雷達回波在強對流天氣臨近預警中具有參考作用，本文僅分析了河南省2018-2019年12次冰雹天氣過程，樣本選取個例的廣度和深度還不夠。全面認識河南省冰雹天氣過程的閃電和雷達回波變化規律，還需要選取更多個例進行對比分析，這也是我們下一步的工作計劃和努力方向。