趙戰(zhàn)友, 楊美榮

(河南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，鄭州 450003)

引 言

冰雹是一種常見的自然災(zāi)害，冰雹天氣過程作為強(qiáng)對(duì)流天氣的一種，在天氣觸發(fā)機(jī)制和云體結(jié)構(gòu)等方面都表現(xiàn)出獨(dú)有的特點(diǎn)[1-6]。除了從微物理、環(huán)境場等方面研究冰雹天氣外，有關(guān)專家對(duì)于其產(chǎn)生的閃電也進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，冰雹天氣過程中閃電特征不同于其他強(qiáng)對(duì)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(fā)現(xiàn)，正地閃比例平均值為45.5%。鄭棟等[8]研究一次冰雹過程發(fā)現(xiàn)，正地閃占地閃的比例達(dá)20.0%，且降雹前正地閃比例較降雹后的高。孫萌宇等[9]對(duì)北京一次冰雹過程研究發(fā)現(xiàn)，降雹前出現(xiàn)正地閃突增，正地閃占全部地閃的比例最高達(dá)58%。在降雹前閃電活動(dòng)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，一般提前于降雹時(shí)間半小時(shí)以內(nèi)[7-10]。冰雹云在降雹前雷達(dá)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(shí)液態(tài)水含量增加到25 kg/m2[10]；降雹時(shí)雷達(dá)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(fā)展和移動(dòng)。周泓等[11]發(fā)現(xiàn)，滇中地區(qū)冰雹天氣過程閃電密集區(qū)的移動(dòng)可作為冰雹回波移動(dòng)路徑的一個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)。茍阿寧等[12]研究發(fā)現(xiàn)，通過地閃頻次和地閃位置變化可以識(shí)別雹暴生命史演變的不同階段。曾勇等[13]分析發(fā)現(xiàn)，閃電的空間分布與冰雹云的移動(dòng)路徑基本一致，對(duì)冰雹云的移動(dòng)發(fā)展有指示作用，雹區(qū)主要位于閃電發(fā)生位置的右側(cè)。

有關(guān)專家研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的冰雹天氣表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)[14-16]。相關(guān)專家對(duì)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(shù)等，尚無使用閃電資料和雷達(dá)資料對(duì)冰雹天氣研究的報(bào)道。本文將在前人研究的基礎(chǔ)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(dá)回波的特征，以期為冰雹天氣監(jiān)測預(yù)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(tǒng)。該系統(tǒng)于2017年投入使用，全省共13個(gè)測站。三維閃電探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心通過接收各個(gè)探測站上傳的閃電電磁脈沖信號(hào)，采用三維時(shí)差定位算法，實(shí)時(shí)計(jì)算閃電發(fā)生的時(shí)間、類型、經(jīng)緯度、高度及峰值電流強(qiáng)度等閃電活動(dòng)參數(shù)。該探測系統(tǒng)[20]平均水平定位誤差小于0.3 km；探測范圍根據(jù)閃電強(qiáng)度而定，當(dāng)閃電強(qiáng)度為5 kA時(shí)，探測范圍為100 km，當(dāng)閃電強(qiáng)度為30 kA時(shí)，探測范圍為600 km；對(duì)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(tǒng)2018-2019年的閃電數(shù)據(jù)，包括閃電位置、發(fā)生時(shí)間及閃電類型等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制。

新一代S波段天氣雷達(dá)是監(jiān)測中小尺度對(duì)流系統(tǒng)最有效的工具，能提供回波的強(qiáng)度、速度和譜寬等信息。本文所用雷達(dá)資料類型為雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)，來自河南省內(nèi)天氣雷達(dá)站。由于雷達(dá)自身觀測方式的局限性，本文僅選取距離雷達(dá)站點(diǎn)50-100 km范圍內(nèi)的天氣過程作為研究對(duì)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(nèi)插法(NVI)[21]，將極坐標(biāo)系下的雷達(dá)基數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系，網(wǎng)格大小約1 km×1 km×1 km，垂直方向上共24層。經(jīng)過比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，該方法不僅能使反射率分析場具有較好的空間連續(xù)性，同時(shí)也較好地保留雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)中原有反射率的結(jié)構(gòu)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(fā)生在6月份，2次發(fā)生在5月份；降雹均發(fā)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(tǒng)稱登封冰雹，其他冰雹天氣過程類似)降雹開始時(shí)間最早，為16∶00，南召冰雹開始時(shí)間最晚，為21∶06；從降雹持續(xù)時(shí)間來看，桐柏冰雹持續(xù)時(shí)間最短，為6 min，長葛冰雹持續(xù)時(shí)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(tǒng)計(jì)了地閃數(shù)量、正地閃數(shù)量、最大地閃頻次和正地閃比(正地閃數(shù)量與地閃數(shù)量的比值)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2?？傮w來看,12次冰雹天氣過程地閃數(shù)量差異較大，寶豐冰雹地閃數(shù)量最少，為12次，南召冰雹地閃數(shù)量最多，為496次，地閃數(shù)量超過100次的過程有4次，占33.3%。統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)

12次冰雹天氣過程正地閃數(shù)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(shù)量超過負(fù)地閃數(shù)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(shí)間演變特征

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，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(shí)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(dá)到一個(gè)小高峰，比降雹時(shí)間提前6 min。圖2中南召冰雹降雹時(shí)間為21:06，地閃頻次在20:54達(dá)到了峰值，比降雹時(shí)間提前了12 min。統(tǒng)計(jì)12次冰雹天氣過程發(fā)現(xiàn)，地閃峰值時(shí)間提前降雹時(shí)間6～18 min。降雹開始后，多數(shù)過程(見圖1、圖3和圖4)會(huì)出現(xiàn)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(jié)束后地閃頻次均呈現(xiàn)出減少趨勢。

圖1 2019年6月3日伊川冰雹地閃頻次時(shí)間演變圖

圖2 2019年6月3日南召冰雹地閃頻次時(shí)間演變圖

圖3 2018年5月15日宜陽冰雹地閃頻次時(shí)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(xiàn)增加現(xiàn)象，但正地閃數(shù)量多于負(fù)地閃數(shù)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(dá)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(dá)到16次/6 min，降雹結(jié)束時(shí)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(yuǎn)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(dòng)個(gè)體差異較大，特征更為復(fù)雜。

圖4 2019年6月3日汝陽冰雹地閃頻次時(shí)間演變圖

3.3 2σ閾值法檢驗(yàn)地閃躍增

研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害發(fā)生前閃電會(huì)出現(xiàn)突然增加現(xiàn)象。Schultz[22]和Gatlin[23]等進(jìn)一步對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行量化，利用2σ閾值算法來檢驗(yàn)閃電的躍增現(xiàn)象。田野等[24]對(duì)比分析不同閃電躍增算法在北京地區(qū)應(yīng)用效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2σ閾值算法對(duì)冰雹天氣的預(yù)警效果較好。為了進(jìn)一步分析河南省冰雹天氣過程地閃活動(dòng)與冰雹發(fā)生時(shí)間的關(guān)系，并驗(yàn)證地閃數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警能力，本文使用2σ閾值算法對(duì)12次冰雹天氣過程在降雹前的地閃躍增現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)。以遂平冰雹為例(圖5)，遂平冰雹降雹前地閃頻次時(shí)間變化率在19:58超過躍增閾值，超前降雹時(shí)間20 min。統(tǒng)計(jì)12次冰雹過程(表3)發(fā)現(xiàn)，有11次過程在降雹前地閃的躍增通過了2σ閾值檢驗(yàn)，地閃躍增信號(hào)超前降雹時(shí)間6～22 min，其中汝陽冰雹超前時(shí)間最短，鞏義冰雹超前時(shí)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?yàn)榈亻W數(shù)量較少，寶豐冰雹降雹前的地閃躍增沒有通過2σ閾值檢驗(yàn)。

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

圖5 2019年6月3日遂平冰雹地閃頻次時(shí)間變化率與躍增閾值時(shí)間演變圖

4 雷達(dá)回波特征分析

40 dBZ雷達(dá)回波頂高可以表示對(duì)流發(fā)展的深度，6 km高度強(qiáng)回波面積(不小于50 dBZ回波面積)能夠指示對(duì)流發(fā)展的廣度。本文對(duì)12次冰雹天氣過程40 dBZ回波頂高和6 km高度強(qiáng)回波面積這兩個(gè)雷達(dá)回波參量隨時(shí)間演變的特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)雷達(dá)回波參量的時(shí)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(jìn)行說明(圖6)。從圖6中可以看出，降雹開始時(shí)，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(qiáng)回波面積變化相對(duì)復(fù)雜，降雹前經(jīng)過一段時(shí)間的上升達(dá)到100 km2，降雹開始后繼續(xù)上升達(dá)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(dá)到峰值高度(12.8 km)，17:48降雹開始時(shí)，在強(qiáng)下沉氣流的拖曳下40 dBZ回波頂高已經(jīng)開始下降，而6 km高度強(qiáng)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(bǔ)給的減少，6 km高度強(qiáng)回波面積不斷降低，在降雹結(jié)束時(shí)降低為54 km2，此時(shí)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(qiáng)回波面積時(shí)間演變圖

5 地閃與雷達(dá)回波關(guān)系分析

袁鐵等[25]研究一次強(qiáng)颮線過程發(fā)現(xiàn)，對(duì)流單體的最大雷達(dá)反射率垂直廓線可以很好地指示單體的閃電頻次和對(duì)流發(fā)展強(qiáng)度，對(duì)流單體閃電頻次與冰相降水含量的相關(guān)系數(shù)為0.92。吳學(xué)珂等[26]分析山東一次強(qiáng)颮線過程發(fā)現(xiàn)，地閃頻次與6 km高度45 dBZ強(qiáng)回波面積相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)為0.93。劉冬霞等[28]對(duì)地閃位置與回波強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，45～55 dBZ的回波區(qū)是最有利于地閃發(fā)生的區(qū)域。云體-10 ℃之上的區(qū)域可以較好地反映水成物粒子與上升氣流的共同效應(yīng)。查看冰雹天氣過程當(dāng)天鄭州站和南陽站探空資料發(fā)現(xiàn)，-10 ℃層約在6 km高度。本文計(jì)算了12次冰雹天氣過程中6 km高度強(qiáng)回波面積和6 km高度之上強(qiáng)回波體積(不小于40 dBZ回波體積)這兩個(gè)雷達(dá)回波參量，以遂平冰雹為例進(jìn)行說明(圖7、8)。從圖7、8可以看出，隨著這兩個(gè)雷達(dá)回波參量的增強(qiáng)和變?nèi)?，地閃頻次也表現(xiàn)出增大和減小。在20:18降雹開始后，地閃活動(dòng)出現(xiàn)暫歇期，此時(shí)6 km高度強(qiáng)回波面積仍保持增速不變，而強(qiáng)回波體積增速則變緩。20:30地閃頻次達(dá)到峰值時(shí)，6 km高度強(qiáng)回波面積處于相對(duì)低值區(qū)，強(qiáng)回波體積則與地閃頻次同時(shí)達(dá)到峰值。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，遂平冰雹地閃頻次與6 km高度強(qiáng)回波面積的相關(guān)系數(shù)為0.64，與6 km高度之上強(qiáng)回波體積的相關(guān)系數(shù)為0.78，地閃頻次與6 km高度之上強(qiáng)回波體積的相關(guān)性較好。本文分別計(jì)算了12次冰雹天氣過程6 km高度之上強(qiáng)回波體積與地閃頻次的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)過程之間差別較大，最高的為西平冰雹，相關(guān)系數(shù)為0.81，而南召冰雹相關(guān)系數(shù)僅為0.42。

圖7 2019年6月3日遂平冰雹6 km高度強(qiáng)回波面積和地閃頻次時(shí)間演變圖

6 結(jié) 論

利用河南省三維閃電探測數(shù)據(jù)和新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，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(shù)量、雷達(dá)回波的特征及二者的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明：

(1)12次冰雹天氣過程地閃活動(dòng)差異較大，地閃數(shù)量為12～496次，地閃數(shù)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(shù)量為5～165次，正地閃數(shù)量超過負(fù)地閃的過程有3次，正地閃比(正地閃數(shù)量與地閃數(shù)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(qiáng)回波體積和地閃頻次時(shí)間演變圖

(2)12次冰雹天氣過程地閃頻次在降雹之前出現(xiàn)峰值，提前降雹時(shí)間6～18 min；在降雹期間地閃活動(dòng)比較復(fù)雜，大多過程會(huì)再次出現(xiàn)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(yàn)，地閃躍增超前降雹時(shí)間6～22 min，平均為15.6 min。

(3)12次冰雹天氣過程降雹開始時(shí)，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(duì)復(fù)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(guān)性要優(yōu)于與6 km高度不小于50 dBZ回波面積的相關(guān)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(guān)系數(shù)為0.42～0.81。

閃電數(shù)據(jù)和雷達(dá)回波在強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)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(gè)例的廣度和深度還不夠。全面認(rèn)識(shí)河南省冰雹天氣過程的閃電和雷達(dá)回波變化規(guī)律，還需要選取更多個(gè)例進(jìn)行對(duì)比分析，這也是我們下一步的工作計(jì)劃和努力方向。