2022, Vol. 48 
2. 福建省气象台，福州 350001；
3. 福建省气象服务中心，福州 350001；
4. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044；
5. 厦门市气象局，厦门 361012
2. Fujian Meteorological Observatory, Fuzhou 350001;
3. Fujian Meteorological Service Center, Fuzhou 350001;
4. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044;
5. Xiamen Meteorological Bureau, Xiamen 361012
冰雹等灾害性天气常常伴有强闪电发生，放电过程中形成的强大电流及其辐射的电磁场，对大量使用微电子器件的现代社会造成巨大影响。近年来，国内外利用闪电定位系统和多种雷达对中尺度对流天气过程进行了大量的观测，取得了很多有意义的研究成果。美国国家强风暴预报中心(NSS-FC)在1988—1990年间，组织了相应的“闪电资料应用于强对流天气预报业务”评估研究，并肯定了闪电资料可以有效地改进强对流的诊断和预报(张义军等，2006)。冯桂力等(2008)、陈哲彰(1995)对不同地区冰雹过程闪电特征进行了研究，发现雹暴发展演变过程中具有较高的正地闪比例。周筠君等(1999)、李国昌等(2005)对不同地区冰雹云发展演变过程中闪电特征开展研究，发现在降雹前闪电频次出现“跃增”现象并伴随一定的闪电频次峰值出现。
在地闪活动规律与雷达回波的关系方面，国内外有诸多研究成果，尹丽云等(2012)发现在飑线整个发展阶段，-10℃和-20℃层高度上雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频次的跃增，且其回波强度跃变总在地闪频次变化之前6~30 min发生。支树林等(2012)统计分析2003—2010年江西境内的地闪与回波强度的相关性，发现0℃层以上最大回波强度介于45~55 dBz时，对应地闪活动最强。李南等(2006)对安徽省3次天气过程的闪电与雷达资料的相关性进行了分析，发现闪电发生的数目和变化与回波顶高(ET)有较好的对应关系。国外一些研究者(Ge et al，1992；Yan et al，1992；Qie et al，1993)发现雷达回波强度和地闪频数有很好的对应关系，随着风暴的生消演变，正、负闪电频数呈现不同的变化特征。
新一代天气雷达在监测预警冰雹等强对流方面已经取得很多研究成果(冯晋勤等，2010；郑媛媛等，2004；陈秋萍等，2015)，近年双偏振雷达由于其识别降水粒子相态方面的能力，在冰雹识别预警及人工防雹指挥等方面得到了很好的应用(曹俊武和刘黎平，2006；刘黎平等，1996；刘黎平，2002；潘佳文等，2020a; 2020b；冯晋勤等，2018；高丽等，2021)。
上述研究大多数都是探讨地闪分布特征及针对个例的三维闪电特征分析，少见结合双偏振雷达资料的分析。本研究利用VLF/LF闪电定位系统及S波段双偏振雷达资料，基于雷达观测到的雹暴单体，动态追踪整个雹暴生命史中闪电频数的演变，分析地闪、云闪随高度分布及闪电与回波伸展高度的相关性，归纳对冰雹云识别预警有重要指示意义的参数指标，以期为冰雹云的识别预警及雷电预警提供参考。
1 资料与说明 1.1 冰雹资料普查2017—2020年福建省内的冰雹事件, 来源主要包括: ①由县市(区)级气象部门核实并通过中国气象局气象灾害管理系统上报的冰雹灾情直报信息；②根据官方媒体的灾情报道新闻以及微博等新媒体手段发布的目击报告，从中筛选出具有确切照片记录和实时定位信息的冰雹发生记录，剔除冰雹尺寸模糊，时间、地点信息不明确的报告，同时具有完整闪电资料; ③为了闪电数据不受其他雷暴系统干扰，冰雹样本挑选雷达回波中雹暴周围15 km范围无其他风暴存在的个例。据此选取31个冰雹个例。
1.2 闪电资料本项目采用中国科学院电工研究所研制的VLF /LF(ADTD_2C)闪电监测定位系统数据，该探测仪采用数字波形鉴别技术，鉴别速度快，可提供闪电发生时间、云闪、地闪、经度、纬度、强度、极性等参数的实时自动连续监测信息。闪电定位系统由福州、平潭、厦门、福鼎、德化、崇武、东山、平和、武平、龙岩、泰宁、宁化、永安、政和、南平、武夷山16个探测站组成，站距为150 km左右，探测范围覆盖福建全省及与福建相邻的广东、江西、浙江部分地区和台湾海峡，探测效率高于85%，站网内定位精度平面小于300 m、高度小于500 m。探测站的具体分布情况如图 1所示。
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图 1 福建省三维闪电监测网站址分布 Fig. 1 Distribution of 3D lightning monitoring websites in Fujian |
本文根据福建全省雷达系统中提供的风暴高度、强度等信息将雹暴分为三个阶段: 发展、成熟、消亡阶段。规定雷达回波处于强度增强、40 dBz以上强回波面积增大、风暴顶高处于增加中为发展阶段；强度、50 dBz以上强回波面积及风暴顶高处于维持(或变化不大)为成熟阶段；处于强度减弱、50 dBz以上强回波面积减小、风暴顶高降低中为消亡阶段。文中所用闪电资料是以产生降雹的风暴为中心，组合反射率因子20 dBz以上区域范围内探测到的所有闪电数据，主要分析云闪和地闪频数、云闪比率、正负闪比率、云闪高度等参量及其演变特征。同时详细分析了2个雹云单体闪电与S波段双偏振雷达回波特征。
2 冰雹闪电频数及其演变 2.1 闪电频数分布及其演变文中对闪电频数的计算是指闪电发生时刻后6 min闪电频数的累加值。统计发现闪电频数越大，可能产生的冰雹直径越大。从收集到的样本记录看，降雹前闪电频数约有2/3在50次以上，其中1/3达200~500次(图 2)，最高达416次·(6 min)-1。本文31个样本中较大冰雹(直径≥1 cm)共20个，其中16个总闪电频数达50次·(6 min)-1以上，占80%；较小冰雹(直径＜1 cm)共11个，其中只有3个总闪电频数达50次·(6 min)-1以上，仅占27.3%。
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图 2 总闪电频数分布 Fig. 2 Distribution of total lightning frequency |
统计有闪电发生的31个冰雹云闪电演变情况，发现降雹前总闪电频数出现跃增，70%以上雹暴总闪电频数递增率达4次·min-1以上。
冰雹云中云闪活动强烈，云闪与总闪比值≤25%的有9个，占29.0%；比值＞30%以上的共20个，占64.5%。闪电监测数据表明3个阶段中成熟阶段云闪最多、云闪与总闪的比值最大，最大达61.0%，平均为30.4%；消亡阶段比值次之，发展阶段云闪最少、比值也最小。
2.2 闪电频数峰值和快速跃增超前于地面降雹的时间通过对冰雹云闪电变化特征和降雹时间分析，85%降雹发生在闪电频数的峰值(简称闪电峰值)后，其中3次闪电峰值出现在地面降雹前，80%降雹发生在闪电峰值后的3~25 min内(图 3)，滞后时间最长超过30 min。统计闪电跃增开始时间，发现绝大多数雹云在降雹前闪电快速跃增，提前的时间大多在6~40 min，占总数的74.2%(图 3)，峰后降雹28个个例均在此范围内，其中3个雹暴降雹发生在闪电峰值出现前，其快速跃增提前于降雹时间均不多，仅在3~5 min左右。闪电峰值和快速跃增可以作为冰雹云的识别预警指标。
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图 3 闪电频数的峰值和快速跃增超前于地面降雹的时间 Fig. 3 The time ahead of the ground hail of peak value and rapid jump of lightning frequency |
积雨云中正负电荷的分布非常复杂，总体而言，云体的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，而雹胚常存在于积雨云的上部，即与正电荷密切相关。依据冰雹的成长理论，积雨云发展得越高，云上部形成冰雹的可能性及其直径就越大，生成的正电荷就越多。
为了减小少量闪电对正负闪比率统计结果的影响，对于地闪数≤4次·(6 min)-1的闪电不进行统计，据此分别得到发展、成熟、消亡阶段样本20、27、22个，正地闪与总地闪比率分布结果见图 4，31个冰雹云中，成熟阶段正地闪与总地闪比率＞0.15以上的达74.0%，其中0.15~0.3个数较多，达48.1%；消亡阶段则是比率＞0.15以上的为58.1%，其中0.3~0.4个数最多，达36.4%；发展阶段低值最多，比率＞0.15以上的为50.0%，且近1/3比率为0。
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图 4 正地闪与总地闪比率分布 Fig. 4 Distribution ratio of positive ground lightning to total ground lightning |
同上原因对于云闪数≤2次·(6 min)-1不进行统计，据此分别得到发展、成熟、消亡阶段统计样本15、26、22个，正云闪与总云闪比率分布结果见图 5，冰雹云成熟和消亡阶段正云闪与总云闪比率＞0.15以上的分别为61.5%和63.6%；发展阶段低值最多，比率＞0.15以上的为40.0%，且近1/3比率为0附近。
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图 5 正云闪与总云闪比率分布 Fig. 5 Distribution ratio of positive cloud flash to total cloud flash |
冰雹云是强烈的对流系统，发展高度高，除了地闪外，还会发生强烈的云闪。图 6是31个雹暴单体三个阶段云闪在各个高度层上的频数分布，可见三个阶段总云闪集中分布在2~6 km高度层。成熟阶段云闪是三阶段中最多的，主要分布在2~6 km高度层上，中位数在25次·(6 min)-1左右，3~4 km高度层上75%分位数达100~200次·(6 min)-1；减弱阶段主要分布在2~4 km高度层，中位数为10次·(6 min)-1左右；发展阶段云闪最少，中位数仅为1次·(6 min)-1，即约50%样本发展阶段云闪为零，且6 km以上高度层基本无云闪。
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图 6 (a) 发展阶段, (b)成熟阶段和(c)消亡阶段各高度层云闪频数分布(箱体上限为第75%分位数，下限为第25%分位数，红线为中位数，+代表异常值) Fig. 6 Distribution of cloud flash frequency at different altitudes in (a) developing stage, (b) mature stage, (c) dissipating stage (Upper limit of the box is 75% quantile, lower limit is 25% quantile, red line is median, + represents abnormal value) |
为了更详细地了解冰雹云体演变过程的闪电特征，下面结合厦门双偏振雷达资料分析两个冰雹云个例。为了保证文中分析个例雷达偏振参量的可靠性，本文利用低反射率因子区域订正差分反射率因子(Zdr)的方法对文中两次降雹过程(2018年5月23日、2020年5月6日)的系统偏差进行了分析、订正。分析思路是基于: 均匀的弱降水粒子(微雨滴)的形状接近球形，Zdr趋近于0且相关系数(CC)大，因此偏振量的平均值可以作为偏振量的系统偏差。选取分析资料规则如下: 选取冰雹过程减弱消亡阶段的10个体扫的0.5°仰角，沿径向选取水平反射率因子(Zh)为15~20 dBz、且CC＞0.98对应距离库的Zdr数据，当Zh≥20 dBz，舍弃该距离库及后面的Zdr数据，重新开始另一个径向Zdr数据的读取，据此两个过程分别选取了32 791个、80 869个Zdr样本。统计结果表明两个过程Zdr均呈正态分布(图略)，2018年5月23日过程Zdr平均数为0.52 dB，存在系统性偏差，需往小订正0.52 dB，2020年5月6日Zdr平均数为0.11 dB，在Zdr偏差允许范围，无需订正。下文2018年5月23日个例分析采用经过了偏差订正后Zdr的数据。
3.1 2020年5月6日冰雹过程厦门S波段双偏振雷达资料显示，5月6日冰雹云是超级单体风暴，强度强、高度高，在成熟阶段中除了1个体扫外，最强强度均在69~76 dBz，55 dBz、60 dBz强回波区最高伸展高度分别达11.0 km、10.0 km。雹云15时(北京时，下同)左右初生发展至15:41进入成熟阶段，此时强度为71 dBz，出现了三体散射(TBSS)特征，TBSS长度较短仅为8 km左右，此后在移动中快速加强，15:58 TBSS长度约40 km，达到生命史中最大，并出现了钩状、中气旋、回波悬垂等超级单体特征(图 8a，8b)，此时地面已经降雹。图 7a是该雹云单体生命史期间6 min累加闪电频数演变，双峰结构对应了两次降雹过程，15:35时闪电频数第一次跃升达75次·(6 min)-1左右，此时地面仅在雹云后部有弱降水，至15:47闪电骤增，11 min内由50次·(6 min)-1跃增到275次·(6 min)-1，递增率约为20次·min-1，云闪频数较大，占总闪比率约为0.3。对应的强回波高度上升为7.2 km，15:58闪电频数达到峰值时，地面降雹，没有收集到冰雹直径数据，并伴有13.5 mm·(10 min)-1的短时强降水，此次降雹与闪电频数峰值时间同步，滞后于闪电频数跃增约为11 min。之后随着强回波高度由16:09的5.2 km上升至16:15的7.2 km，闪电再次加强，至16:21前后达到峰顶为360次·(6 min)-1左右，之后频数维持了约5 min后开始减小。16:32强回波高度陡降为2.1 km，地面在16:30—16:35降下直径为1~2 cm的冰雹，同时伴有13.1 mm·(10 min)-1的短时强降水。该超级单体第二次降雹滞后于闪电峰值约为9 min，滞后于闪电频数跃增约为20 min，频数递增率为9次·min-1，云闪频数较大，占总闪比率约为0.29。
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图 7 (a) 2020年5月6日，(b)2018年5月23日冰雹云闪电频数时序图 Fig. 7 Time series of hail cloud lightning frequency on (a) 6 May 2020 and (b) 23 May 2018 |
Zdr表示水平极化和垂直极化回波的反射率因子之比的对数，与粒子总数在不同尺寸上的分布有关，一般來说，冰雹由于在下落过程中不断翻转、摆动，其Zdr值趋于零，尺寸较大的冰雹在其下落过程中保持自由降落状态，Zdr＜0(曹俊武和刘黎平，2006)。厦门双偏振雷达观测到第一次降雹前6 min左右在0.5°仰角(高度约为1.7 km)强度大于62 dBz的强回波区(图 8中实线椭圆内)外围Zdr为3.0~4.0 dB，强中心区包裹着0.6 dB的区域，另外在强中心西北侧的钩状回波中段处(次强中心)的Zdr也为0.6 dB，该区域差分传播相移率(Kdp)达3.7°·km-1，两个强回波中心区域CC存在明显的低值中心，为0.85(图 8e，8f)，外围增大为0.90~0.96，可以判断为融化层以下采样体积里混有大中雨滴以及外包水膜的雹粒，此时地面已开始出现强降水，10 min最强降水量达13.5 mm；2.4°仰角(高度约为4.8 km)，强度达69 dBz的强中心区外围Zdr为0.5~1.5 dB，中心区包裹着-2~-1 dB的低值区(图 8d)，强回波中心区的CC为0.8(图 8f)，判断由冰雹和霰组成，当天湿球温度0℃层高度(WBZ)(俞小鼎，2014)、-20℃层高度分别为4.6 km、7.9 km(图 9a)。该雹云单体强度强，TBSS长度长，这是大冰雹发生TBSS时由地面反射水平偏振波与垂直偏振波的差异造成的(Picca and Pyzhkov, 2012)。图 8可见TBSS回波强度为15~25 dBz，对应区域Zdr出现由负极值到正极值的突变，其根部Zdr达7.7 dB(图 8d中蓝色虚线椭圆内)，CC低至0.3~0.7，且数值分布无规律，呈现明显的非气象回波特征。通过粒子相态识别(HCL)对上述分析结果给出结论: 在0.5°仰角对应高度主要为大中降水粒子和冰雹粒子相伴；2.4°仰角对应高度由冰雹和霰组成(图 8g, 8h)。
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图 8 2020年5月6日15: 52(a, c, e, g)0.5°和(b, d, f, h)2.4°仰角的(a, b)Zh、(c, d)Zdr、(e, f)CC、(g, h)粒子相态识别(椭圆内为强回波分析区，图 8d中虚线椭圆内Zdr>7.7 dB) Fig. 8 (a, b) Zh, (c, d) Zdr, (e, f) CC, (g, h) HCL taken at (a, c, e, g) 0.5° elevationand (b, d, f, h) 2.4° elevation at 15:52 BT 6 May 2020 (Ellipse is the strong echo analysis area, dash line ellipse in Fig. 8d Zdr> 0.77 dB) |
16:21该冰雹云第二次降雹前TBSS长度仍有20 km，0.5°仰角(高度约为2.3 km)68 dBz强回波中心处Zdr为-1.0 dB，外围为3.0~4.0 dB，该区域差分传播相移率Kdp达3°·km-1，CC为0.85~0.96，判断为大中雨滴和下降到融化层下的外包水膜冰雹的混合水凝物，2.4°仰角(高度约为6.2 km)强度达73 dBz的强中心区Zdr为-1.5~0.5 dB，CC为0.8左右，判断以冰雹为主(图略)。
图 9a是本次降雹过程三个阶段云闪频数、雷达回波强度和强回波高度时序图，由图可见，三个阶段云闪主要分布在2~6 km高度层，成熟阶段频数是三个阶段中最高的，达715次，该阶段3~4 km高度层频数为最高的，达346次，6~8 km高度层频数低至25次；消亡阶段频数次之，发展阶段频数最低。三个阶段地闪频数分别为102、2 037、396次，成熟阶段地闪频数也是三个阶段中最高的(图略)。距离雹暴约100 km的厦门雷达探测到的强回波高度时序图上，发展、消亡阶段强回波高度均较低，成熟阶段除了两次降雹前高度分别由前一个体扫陡降为4.4 km、2.1 km外，大部分高度维持在5.2~7.2 km，居于WBZ与-20℃层高度之间，60 dBz强回波区伸展到-30~-20℃高度层，可见在有利冰雹增长的高度(-30~-10℃)是冰相粒子尺度最大或密度最大的区域，而其余两个阶段强回波中心高度更低，对比各时段闪电频数与高度对应关系，相关性较大。
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图 9 (a) 2020年5月6日，(b)2018年5月23日云闪各高度层频数分布和回波强度及强回波伸展高度时序图(柱状为各高度层云闪频数，实线为最强回波高度，实线上圆点为对应体扫最强回波强度，虚线为60 dBz强回波伸展高度，横线分别是湿球温度0℃层高度和-20℃层高度) Fig. 9 Frequency distribution of cloud flashes at different altitudes and time sequence diagram of echo intensity and strong echo extension height on (a) 6 May 2020, (b) 23 May 2018 (Column is the number of cloud flashes at each height layer; solid line is the strongest echo height; dot on the solid line is the strongest echo intensity of the corresponding volume scan; dotted line is the extension height of 60 dBz; horizontal line is the height of wet bulb temperature 0℃ layer and -20℃ layer, respectively) |
厦门S波段双偏振雷达资料显示，5月23日冰雹云从16:51初生发展至18:21消亡，生命史约为90 min，该冰雹云强度相对弱，在一个多小时的成熟阶段中除了一个体扫最大回波强度达到66 dBz外，其余均在65 dBz以下，55 dBz、60 dBz强回波区最高伸展高度分别为9.1 km、7.6 km，生命史中未出现中气旋、钩状、回波悬垂等超级单体特征，仅有较弱的、短暂的强回波倾斜结构和旁瓣，以及约十几分钟的TBSS特征，在2.4°仰角(高度约为7.5 km)TBSS长度最长，也仅为8 km左右(图 10b)。图 7b是该雹云单体生命史期间6 min累加闪电频数演变图，在17:20闪电频数开始跃升，至17:31由26次·(6 min)-1跃增到峰顶为122次·(6 min)-1，递增率为8.7次·min-1，之后开始减小。17:45强回波高度降为3.5 km，地面在17:50—17:55降下直径为8 mm的冰雹，并伴有短时强降水。该单体降雹滞后于闪电峰值时间约为19 min，滞后于闪电频数跃增时间约为30 min，云闪频数较大，云闪与总闪比率约为0.4。
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图 10 同图 8，但为2018年5月23日17: 41(a, c, e, g)0.5°和(b, d, f, h)1.5°仰角 Fig. 10 Same as Fig. 8, but at (a, c, e, g) 0.5° elevation and (b, d, f, h) 1.5° elevation at 17:41 BT 23 May 2018 |
雷达观测到降雹前9 min在0.5°仰角(高度约为2.8 km)，51 dBz强回波中心区(图 10中实线椭圆圈内)Zdr为-0.3 dB，周围为0~1.5 dB区域，夹杂着小块2.8 dB的大值区(图 10c)，该区域差分传播相移率(Kdp)达4°·km-1，CC为0.85~0.97(图 10e)，可以判断为冰雹粒子下降到融化层下形成外包水膜的小冰雹和大雨滴相伴，并且以大雨滴为主，此时地面已出现强降水，5 min降水量为6 mm，此后10 min大田本站降水量达17.8 mm；1.5°仰角(高度约为5.2 km)，64 dBz强回波中心区Zdr为-0.5 dB，周围夹杂着0~1.5 dB的区域，CC为0.85~0.97(图 10f)，判断为固态中小冰雹及雨滴组成，当天WBZ为4.7 km，-20℃层高度为8.1 km(图 9b)。与5月6日雹云单体相比，该单体强度更弱，TBSS长度仅为约8 km，对应的Zdr由负极值到正极值的突变也没有前例明显，CC值也更大，其根部Zdr仅为2.8 dB(图 8d中蓝色虚线椭圆内)。上述分析结果由粒子相态识别(HCL)给出结论: 在低层0.5°仰角主要为大雨滴和干、湿冰雹粒子相伴；1.5°仰角(高度约为5.2 km)以冰雹为主。
图 9b是本次降雹过程三个阶段云闪频数、雷达强回波高度时序图，从图上可见，三个阶段云闪主要分布在2~6 km高度层，成熟阶段云闪频数是三个阶段中最高的为244次，该阶段3~4 km高度层云闪频数为最高的，达158次；6~8 km高度层频数仅4次；消亡阶段云闪最少为12次。三个阶段地闪频数分别为45、293、27次，成熟阶段地闪频数也是三个阶段中最高的(图略)。雷达强回波高度时序图上，成熟阶段除了降雹前高度由前一个体扫陡降为3.5 km外，高度维持在3.8~6.4 km，居于WBZ上下与-20℃层高度之间，60 dBz强回波区伸展高度在-20℃层以下。
3.3 两个冰雹云对比上述两个个例中: 第一个雹暴闪电频数次峰为275次·(6 min)-1、主峰为395次·(6 min)-1，次峰对应的降雹直径不详，主峰对应的冰雹直径为1~2 cm；第二个雹暴闪电峰值为123次·(6 min)-1，对应的冰雹直径为8 mm；降雹前闪电频数普遍有跃增现象，第一个冰雹云在峰值降雹后出现开始第二轮降雹前，仍有闪电跃增达到峰值现象；两个冰雹云降雹期间总闪、地闪、云闪的变化趋势一致，第一个冰雹云正地闪、正云闪与总闪、地闪、云闪的变化趋势一致，第二个冰雹云正地闪、正云闪整个过程均处于低值区，即第二个冰雹云正闪无明显增大。通常而言，闪电频数与云顶伸展高度有较好的正相关性，闪电活动多依赖于对流的发展(张义军等，2009)。为了了解冰雹云闪电与雷达回波强度、对流发展高度之间关系，计算了两个冰雹云各阶段闪电频数和雷达回波平均最强强度及强回波高度(表 1)。
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表 1 2020年5月6日和2018年5月23日两个冰雹云各阶段闪电频数、比值和雷达回波强度及强回波高度 Table 1 Lightning frequency and radar echo intensity and strong echo height of two hails in different stages on 6 May 2020 and 23 May 2018 |
比较图 9和表 1可见，2020年5月6日个例平均强度各阶段均大于2018年5月23日个例，前者成熟阶段最强回波强度基本上均在70~75 dBz，60 dBz的强回波垂直扩展超过-20℃等温线高度，有几个体扫已超过-30℃层高度(当天H-30为9.3 km)，后者强度维持在60~65 dBz，60 dBz的强回波垂直扩展在-20℃等温线以下。这些特征与俞小鼎等(2020)总结得出的强冰雹的多普勒天气雷达回波特征包括高悬的强回波(55 dBz的强回波垂直扩展超过-20℃等温线对应的高度以上)及出现65 dBz以上的强回波的结论相符合。前者成熟阶段H60比后者高2.3 km，HT也高1.5 km，表明两个冰雹云对流发展高度存在明显的差异，与之对应的前者闪电频数是后者的5倍多，正地闪比率前者是后者的两倍多，正云闪比率则是近6倍，前者冰雹直径为1~2 cm，后者直径为8 mm。统计前述31个雹暴单体，发现25个(占总数80.6%)单体有此相似特征，即H60越高，闪电频数、正地闪或正云闪比值越大，H60越低，闪电频数、正地闪或正云闪比率越小。
4 结论与讨论(1) 降雹前总闪电频数峰值约有2/3在50次·(6 min)-1以上，闪电峰值越大，可能产生的冰雹直径越大；大多数冰雹单体地面降雹时间为闪电峰值出现后3~25 min内；
(2) 降雹前闪电频数跃增，闪电跃增提前于降雹时间为6~40 min；
(3) 成熟阶段云闪是三个阶段中最多的，发展阶段最小，云闪与总闪比值也相同；
(4) 冰雹单体三个阶段云闪集中分布在2~6 km高度层，前两个阶段3~4 km高度层的云闪频数最高；
(5) Zdr、CC等参数及粒子相态识别分析表明雹云降雹前融化层以上由冰雹和霰组成，融化层下由干、湿冰雹和雨滴组成，低层则主要由湿冰雹和中大雨滴组成；
(6) 闪电频数、正地闪或正云闪占比率与回波强度、最强回波高度、强回波伸展高度呈正相关；
(7) 本文闪电频数的计算是基于雷达观测到的单体，且动态追踪整个生命史，剔除了其他风暴单体的数据干扰，相较于对固定区域进行闪电频数统计，能较好地追踪并反映雹暴整个生命史中闪电频数的演变。由于VLF/LF三维闪电监测仪器是采用数字波形鉴别技术识别闪电，识别效率还可以进一步提高，配合双偏振雷达各参量，上述预警指标可以有效地识别预警冰雹。
曹俊武, 刘黎平, 2006. 双线偏振多普勒天气雷达识别冰雹区方法研究[J]. 气象, 32(6): 13-19. Cao J W, Liu L P, 2006. Hail identification with dual-linear polarimetric radar observations[J]. Meteor Mon, 32(6): 13-19 (in Chinese).
|
陈秋萍, 陈齐川, 冯晋勤, 等, 2015. "2012.4.11"两个强降雹超级单体特征分析[J]. 气象, 41(1): 25-33. Chen Q P, Chen Q C, Feng J Q, et al, 2015. Analysis of two severe hail supercell storms on 11 April 2012[J]. Meteor Mon, 41(1): 25-33 (in Chinese).
|
陈哲彰, 1995. 冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征[J]. 气象学报, 53(3): 367-374. Chen Z Z, 1995. The characteristics of lightning from clouds to ground accompanying with hailstones, thunderstorms and gusts[J]. Acta Meteor Sin, 53(3): 367-374 (in Chinese). DOI:10.3321/j.issn:0577-6619.1995.03.003
|
冯桂力, 郄秀书, 吴书君, 2008. 山东地区冰雹云的闪电活动特征[J]. 大气科学, 32(2): 289-299. Feng G L, Qie X S, Wu S J, 2008. Cloud-to-ground lightning characteristics of hail clouds in Shandong Province[J]. Chin J Atmos Sci, 32(2): 289-299 (in Chinese).
|
冯晋勤, 汤达章, 俞小鼎, 等, 2010. 新一代天气雷达中气旋识别产品的统计分析[J]. 气象, 36(8): 47-52. Feng J Q, Tang D Z, Yu X D, et al, 2010. The accuracy statistics of mesocyclone identification products from CINRAD/SA[J]. Meteor Mon, 36(8): 47-52 (in Chinese).
|
冯晋勤, 张深寿, 吴陈锋, 等, 2018. 双偏振雷达产品在福建强对流天气过程中的应用分析[J]. 气象, 44(12): 1565-1574. Feng J Q, Zhang S S, Wu C F, et al, 2018. Application of dual polarization weather radar products to severe convective weather in Fujian[J]. Meteor Mon, 44(12): 1565-1574 (in Chinese). DOI:10.7519/j.issn.10000526.2018.12.006
|
高丽, 潘佳文, 蒋璐璐, 等, 2021. 一次长生命史超级单体降雹演化机制及双偏振雷达回波分析[J]. 气象, 47(2): 170-182. Gao L, Pan J W, Jiang L L, et al, 2021. Analysis of evolution mechanism and characteristics of dual polarization radar echo of a hail caused by long-life supercell[J]. Meteor Mon, 47(2): 170-182 (in Chinese).
|
李国昌, 李照荣, 李宝梓, 2005. 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, 23(3): 26-33. Li G C, Li Z R, Li B Z, 2005. Analysis between lightning evolution and radar echo feature in hailstorm process[J]. Arid Meteor, 23(3): 26-33 (in Chinese).
|
李南, 魏鸣, 姚叶青, 2006. 安徽闪电与雷达资料的相关分析以及机理初探[J]. 热带气象学报, 22(3): 265-272. Li N, Wei M, Yao Y Q, 2006. Analysis and mechanism study on the correlation between lightning and radar data in severe weather[J]. J Trop Meteor, 22(3): 265-272 (in Chinese).
|
刘黎平, 2002. 双线偏振多普勒天气雷达估测混合区降雨和降雹方法的理论研究[J]. 大气科学, 26(6): 761-772. Liu L P, 2002. A theoretical study of estimations of rain and hail rates in mixed-phase areas with dual linear polarization radar[J]. Chin J Atmos Sci, 26(6): 761-772 (in Chinese).
|
刘黎平, 钱永甫, 王致君, 1996. 用双线偏振雷达研究云内粒子相态及尺度的空间分布[J]. 气象学报, 54(5): 590-599. Liu L P, Qian Y F, Wang Z J, 1996. The study of spacial distribution of phase and size of hydrometeors in cloud by dual linear polarization radar[J]. Acta Meteor Sin, 54(5): 590-599 (in Chinese).
|
潘佳文, 蒋璐璐, 魏鸣, 等, 2020a. 一次强降水超级单体的双偏振雷达观测分析[J]. 气象学报, 78(1): 86-100. Pan J W, Jiang L L, Wei M, et al, 2020a. Analysis of a high precipitation supercell based on dual polarization radar observations[J]. Acta Meteor Sin, 78(1): 86-100 (in Chinese).
|
潘佳文, 魏鸣, 郭丽君, 等, 2020b. 闽南地区大冰雹超级单体演变的双偏振特征分析[J]. 气象, 46(12): 1608-1620. Pan J W, Wei M, Guo L J, et al, 2020b. Dual-polarization radar characteristic analysis of the evolution of heavy hail supercell in southern Fujian[J]. Meteor Mon, 46(12): 1608-1620 (in Chinese).
|
尹丽云, 张杰, 张腾飞, 等, 2012. 低纬高原一次飑线过程的地闪演变特征分析[J]. 高原气象, 31(4): 1100-1109. Yin L Y, Zhang J, Zhang T F, et al, 2012. Analysis on lightning activity characteristic of a squall line system in low-latitude plateau[J]. Plateau Meteor, 31(4): 1100-1109 (in Chinese).
|
俞小鼎, 2014. 关于冰雹的融化层高度[J]. 气象, 40(6): 649-654. Yu X D, 2014. A note on the melting level of hail[J]. Meteor Mon, 40(6): 649-654 (in Chinese).
|
俞小鼎, 王秀明, 李万莉, 等, 2020. 雷暴与强对流临近预报[M]. 北京: 气象出版社: 416. Yu X D, Wang X M, Li W L, et al, 2020. Thunderstorm and Severe Convection Approach Forecast[M].
Beijing: China Meteorological Press: 416 (in Chinese).
|
张义军, 孟青, 马明, 等, 2006. 闪电探测技术发展和资料应用[J]. 应用气象学报, 17(5): 611-620. Zhang Y J, Meng Q, Ma M, et al, 2006. Development of lightning detection technique with application of lightning data[J]. J Appl Meteor Sci, 17(5): 611-620 (in Chinese).
|
张义军, 言穆弘, 孙安平, 等, 2009. 雷暴电学[M]. 北京: 气象出版社: 246. Zhang Y J, Yan M H, Sun A P, et al, 2009. Thunderstorm Electricity[M].
Beijing: China Meteorological Press: 246 (in Chinese).
|
郑媛媛, 俞小鼎, 方翀, 等, 2004. 一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析[J]. 气象学报, 62(3): 317-328. Zheng Y Y, Yu X D, Fang C, et al, 2004. Analysis of a strong classic supercell storm with Doppler weather radar data[J]. Acta Meteor Sin, 62(3): 317-328 (in Chinese).
|
支树林, 许爱华, 李俊, 等, 2012. 江西省地闪气候特征及其活动强弱评价方法探讨[J]. 气象与减灾研究, 35(2): 37-44. Zhi S L, Xu A H, Li J, et al, 2012. Climatic feature of cloud-to-ground lightning in Jiangxi and the preliminary study of evaluation methods of its activity[J]. Meteor Disaster Reduct Res, 35(2): 37-44 (in Chinese).
|
周筠君, 张义军, 郄秀书, 等, 1999. 陇东地区冰雹云系发展演变与其地闪的关系[J]. 高原气象, 18(2): 236-244. Zhou Y J, Zhang Y J, Qie X S, et al, 1999. The relationship between the variation of hail cloud system and its cloud to ground lightning in the east part of Gansu Province[J]. Plateau Meteor, 18(2): 236-244 (in Chinese).
|
Ge Z M, Yan M H, Guo C M, et al, 1992. Analysis of cloud-to-ground lightning characteristics in mesoscale storm in Beijing Area[J]. Acta Meteor Sin, 6(4): 491-500.
|
Picca J, Ryzhkov A, 2012. A dual-wavelength polarimetric analysis of the 16 May 2010 Oklahoma City extreme hailstorm[J]. Mon Wea Rev, 140(4): 1385-1403.
|
Qie X S, Yan M H, Guo C M, et al, 1993. Lightning data and study of thunderstorm nowcasting[J]. Acta Meteor Sin, 7(2): 244-256.
|
Yan M H, Guo C M, Qie X S, et al, 1992. Observation and model analyses of positive cloud-to-ground lightning in mesoscale convective system[J]. Acta Meteor Sin, 6(4): 501-510.
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