赵战友, 杨美荣
(河南省气象灾害防御技术中心，郑州 450003)
冰雹是一种常见的自然灾害，冰雹天气过程作为强对流天气的一种，在天气触发机制和云体结构等方面都表现出独有的特点[1-6]。除了从微物理、环境场等方面研究冰雹天气外，有关专家对于其产生的闪电也进行了研究。研究发现，冰雹天气过程中闪电特征不同于其他强对流过程的闪电特征，其正地闪比例普遍较高。冯桂力等[7]分析了10次冰雹天气过程发现，正地闪比例平均值为45.5%。郑栋等[8]研究一次冰雹过程发现，正地闪占地闪的比例达20.0%，且降雹前正地闪比例较降雹后的高。孙萌宇等[9]对北京一次冰雹过程研究发现，降雹前出现正地闪突增，正地闪占全部地闪的比例最高达58%。在降雹前闪电活动出现跃增现象，一般提前于降雹时间半小时以内[7-10]。冰雹云在降雹前雷达组合反射率和回波顶高呈线性增长，组合反射率增加到65 dBZ以上，同时液态水含量增加到25 kg/m2[10]；
降雹时雷达回波>45 dBZ的面积增大，顶高超过13 km[9]。闪电的空间分布特征在一定程度上可以指示云体的发展和移动。周泓等[11]发现，滇中地区冰雹天气过程闪电密集区的移动可作为冰雹回波移动路径的一个预报指标。苟阿宁等[12]研究发现，通过地闪频次和地闪位置变化可以识别雹暴生命史演变的不同阶段。曾勇等[13]分析发现，闪电的空间分布与冰雹云的移动路径基本一致，对冰雹云的移动发展有指示作用，雹区主要位于闪电发生位置的右侧。
有关专家研究发现不同区域的冰雹天气表现出不同的特点[14-16]。相关专家对河南冰雹天气已有了不少研究[17-19]，但大多使用再分析资料和物理参数等，尚无使用闪电资料和雷达资料对冰雹天气研究的报道。本文将在前人研究的基础上，选取河南省2018-2019年的12次冰雹天气过程，分析过程中地闪和雷达回波的特征，以期为冰雹天气监测预警提供参考。
地闪资料来源于河南省三维闪电探测系统。该系统于2017年投入使用，全省共13个测站。三维闪电探测系统数据处理中心通过接收各个探测站上传的闪电电磁脉冲信号，采用三维时差定位算法，实时计算闪电发生的时间、类型、经纬度、高度及峰值电流强度等闪电活动参数。该探测系统[20]平均水平定位误差小于0.3 km；
探测范围根据闪电强度而定，当闪电强度为5 kA时，探测范围为100 km，当闪电强度为30 kA时，探测范围为600 km；
对于10 kA 以上的闪电，探测效率大于90%。本文使用了河南省三维闪电探测系统2018-2019年的闪电数据，包括闪电位置、发生时间及闪电类型等，并对数据进行了质量控制。
新一代S波段天气雷达是监测中小尺度对流系统最有效的工具，能提供回波的强度、速度和谱宽等信息。本文所用雷达资料类型为雷达体扫基数据，来自河南省内天气雷达站。由于雷达自身观测方式的局限性，本文仅选取距离雷达站点50-100 km范围内的天气过程作为研究对象，以确保过程有较完整的观测。为了方便研究，本文使用径向和方位上的最近邻居法和垂直方向上的线性内插法(NVI)[21]，将极坐标系下的雷达基数据插值到笛卡尔坐标系，网格大小约1 km×1 km×1 km，垂直方向上共24层。经过比对分析发现，该方法不仅能使反射率分析场具有较好的空间连续性，同时也较好地保留雷达体扫数据中原有反射率的结构特征。
本文共选取河南省2018-2019年的12次冰雹天气过程(表1)，其中2019年6次，2018年6次，10次发生在6月份，2次发生在5月份；
降雹均发生在下午至晚上，其中登封2019年6月3日冰雹天气过程(下文统称登封冰雹，其他冰雹天气过程类似)降雹开始时间最早，为16∶00，南召冰雹开始时间最晚，为21∶06；
从降雹持续时间来看，桐柏冰雹持续时间最短，为6 min，长葛冰雹持续时间最长，为54 min。
表1 2018-2019年河南省12次冰雹天气过程情况汇总
3.1 地闪总体特征
为了分析冰雹天气过程地闪特征，本文统计了地闪数量、正地闪数量、最大地闪频次和正地闪比(正地闪数量与地闪数量的比值)，统计结果见表2。总体来看,12次冰雹天气过程地闪数量差异较大，宝丰冰雹地闪数量最少，为12次，南召冰雹地闪数量最多，为496次，地闪数量超过100次的过程有4次，占33.3%。统计12次冰雹天气过程每6 min间隔的地闪频次，并将过程最大地闪频次列入表2。其中，南召冰雹地闪频次最大，为71次/6 min；
其次是西平冰雹地闪频次，为68次/6 min；
宝丰冰雹的最小，为2次/6 min。
表2 2018-2019年河南省12次冰雹天气过程地闪统计
12次冰雹天气过程正地闪数量为5～165次。正地闪比最低的是南召冰雹，为0.16；
最高的是汝阳冰雹，为0.67。12次冰雹天气过程中正地闪数量超过负地闪数量的过程有3次，占到25%，分别为汝阳冰雹、遂平冰雹和长葛冰雹，正地闪比分别为0.67、0.57和0.56。12次降雹天气过程正地闪比平均值为0.41。
3.2 地闪时间演变特征
统计分析发现，在降雹前地闪和正地闪频次均有不同程度的增加。图1-4为伊川冰雹、南召冰雹、宜阳冰雹和汝阳冰雹过程地闪频次随时间演变图。图1中，伊川冰雹在17:48开始降雹，在此之前，地闪频次、正地闪频次在17:42达到一个小高峰，比降雹时间提前6 min。图2中南召冰雹降雹时间为21:06，地闪频次在20:54达到了峰值，比降雹时间提前了12 min。统计12次冰雹天气过程发现，地闪峰值时间提前降雹时间6～18 min。降雹开始后，多数过程(见图1、图3和图4)会出现地闪不活跃期，随后地闪频次增加，甚至超过降雹前最大频次(图4)，而在图2中降雹开始后地闪频次一直处于减少趋势。12次过程在降雹结束后地闪频次均呈现出减少趋势。
图1 2019年6月3日伊川冰雹地闪频次时间演变图
图2 2019年6月3日南召冰雹地闪频次时间演变图
图3 2018年5月15日宜阳冰雹地闪频次时间演变图
12次冰雹天气过程正地闪频次在降雹前和降雹过程中均出现增加现象，但正地闪数量多于负地闪数量的过程仅有3次。由汝阳冰雹(图4)过程可以看出，18:48开始降雹，正地闪频次在18:42达到小高峰(3次/6 min)，降雹开始后的18:48-19:00，正地闪频次很低，随后快速增加,并在19:06达到16次/6 min，降雹结束时降低为3次/6 min。南召冰雹(图2)正地闪所占比例较小，降雹前正地闪最大频次为2次/6 min，远低于地闪频次63次/6 min，降雹过程中正地闪最大频次也仅为5次/6 min。总体而言，冰雹天气过程中地闪活动个体差异较大，特征更为复杂。
图4 2019年6月3日汝阳冰雹地闪频次时间演变图
3.3 2σ阈值法检验地闪跃增
研究发现，在强对流灾害发生前闪电会出现突然增加现象。Schultz[22]和Gatlin[23]等进一步对这一现象进行量化，利用2σ阈值算法来检验闪电的跃增现象。田野等[24]对比分析不同闪电跃增算法在北京地区应用效果，结果发现2σ阈值算法对冰雹天气的预警效果较好。为了进一步分析河南省冰雹天气过程地闪活动与冰雹发生时间的关系，并验证地闪数据对强对流天气的预警能力，本文使用2σ阈值算法对12次冰雹天气过程在降雹前的地闪跃增现象进行检验。以遂平冰雹为例(图5)，遂平冰雹降雹前地闪频次时间变化率在19:58超过跃增阈值，超前降雹时间20 min。统计12次冰雹过程(表3)发现，有11次过程在降雹前地闪的跃增通过了2σ阈值检验，地闪跃增信号超前降雹时间6～22 min，其中汝阳冰雹超前时间最短，巩义冰雹超前时间最长，有10次冰雹过程超前10 min以上，11次过程平均超前15.6 min。因为地闪数量较少，宝丰冰雹降雹前的地闪跃增没有通过2σ阈值检验。
表3 2018-2019年河南省12次冰雹天气过程降雹时间、地闪跃增时刻及跃增超前时间
图5 2019年6月3日遂平冰雹地闪频次时间变化率与跃增阈值时间演变图
40 dBZ雷达回波顶高可以表示对流发展的深度，6 km高度强回波面积(不小于50 dBZ回波面积)能够指示对流发展的广度。本文对12次冰雹天气过程40 dBZ回波顶高和6 km高度强回波面积这两个雷达回波参量随时间演变的特征进行分析，发现这两个雷达回波参量的时间演变特征在变化趋势上较一致。本文以伊川冰雹和汝阳冰雹为例进行说明(图6)。从图6中可以看出，降雹开始时，40 dBZ回波顶高在12 km高度以上，降雹开始后处于下降趋势，但基本维持在10 km之上。相比40 dBZ回波顶高，6 km高度强回波面积变化相对复杂，降雹前经过一段时间的上升达到100 km2，降雹开始后继续上升达到峰值，然后开始下降(图6a)，或者振荡性下降(图6b)。伊川冰雹(图6a)40 dBZ回波顶高在降雹前17:42达到峰值高度(12.8 km)，17:48降雹开始时，在强下沉气流的拖曳下40 dBZ回波顶高已经开始下降，而6 km高度强回波面积仍然处于上升阶段，并在17:54增加到138 km2，此后随着冰雹的不断降落和高层下沉冰粒补给的减少，6 km高度强回波面积不断降低，在降雹结束时降低为54 km2，此时40 dBZ回波顶高降至11 km。
图6 2019年6月3日伊川冰雹(a)和汝阳冰雹(b)40 dBZ回波顶高和6 km高度强回波面积时间演变图
袁铁等[25]研究一次强飑线过程发现，对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频次和对流发展强度，对流单体闪电频次与冰相降水含量的相关系数为0.92。吴学珂等[26]分析山东一次强飑线过程发现，地闪频次与6 km高度45 dBZ强回波面积相关系数为0.89。杨美荣[27]分析的河南省一次普通雷暴过程5 km之上50 dBZ回波体积与地闪频次的相关系数为0.93。刘冬霞等[28]对地闪位置与回波强度分析发现，45～55 dBZ的回波区是最有利于地闪发生的区域。云体-10 ℃之上的区域可以较好地反映水成物粒子与上升气流的共同效应。查看冰雹天气过程当天郑州站和南阳站探空资料发现，-10 ℃层约在6 km高度。本文计算了12次冰雹天气过程中6 km高度强回波面积和6 km高度之上强回波体积(不小于40 dBZ回波体积)这两个雷达回波参量，以遂平冰雹为例进行说明(图7、8)。从图7、8可以看出，随着这两个雷达回波参量的增强和变弱，地闪频次也表现出增大和减小。在20:18降雹开始后，地闪活动出现暂歇期，此时6 km高度强回波面积仍保持增速不变，而强回波体积增速则变缓。20:30地闪频次达到峰值时，6 km高度强回波面积处于相对低值区，强回波体积则与地闪频次同时达到峰值。计算发现，遂平冰雹地闪频次与6 km高度强回波面积的相关系数为0.64，与6 km高度之上强回波体积的相关系数为0.78，地闪频次与6 km高度之上强回波体积的相关性较好。本文分别计算了12次冰雹天气过程6 km高度之上强回波体积与地闪频次的相关系数，发现过程之间差别较大，最高的为西平冰雹，相关系数为0.81，而南召冰雹相关系数仅为0.42。
图7 2019年6月3日遂平冰雹6 km高度强回波面积和地闪频次时间演变图
利用河南省三维闪电探测数据和新一代天气雷达数据，选取河南省2018-2019年12次冰雹天气过程，分析了过程中地闪数量、雷达回波的特征及二者的相关关系，结果表明：
(1)12次冰雹天气过程地闪活动差异较大，地闪数量为12～496次，地闪数量超过100次的过程有4次，占33.3%；
过程最高地闪频次为2～71次/6 min；
正地闪数量为5～165次，正地闪数量超过负地闪的过程有3次，正地闪比(正地闪数量与地闪数量的比值)为0.16～0.67，平均正地闪比为0.41。
图8 2019年6月3日遂平冰雹6 km高度之上强回波体积和地闪频次时间演变图
(2)12次冰雹天气过程地闪频次在降雹之前出现峰值，提前降雹时间6～18 min；
在降雹期间地闪活动比较复杂，大多过程会再次出现地闪频次的增加。有11次过程降雹前的地闪跃增通过了2σ阈值检验，地闪跃增超前降雹时间6～22 min，平均为15.6 min。
(3)12次冰雹天气过程降雹开始时，40 dBZ回波顶高在12 km高度之上，6 km高度不小于50 dBZ的回波面积在100 km2左右；
降雹开始后，40 dBZ回波顶高整体呈下降趋势，6 km高度不小于50 dBZ的回波面积变化相对复杂。
(4)12次冰雹天气过程地闪频次与6 km高度之上不小于40 dBZ回波体积的相关性要优于与6 km高度不小于50 dBZ回波面积的相关性。12次冰雹天气过程地闪频次与6 km高度之上不小于40 dBZ回波体积的相关系数为0.42～0.81。
闪电数据和雷达回波在强对流天气临近预警中具有参考作用，本文仅分析了河南省2018-2019年12次冰雹天气过程，样本选取个例的广度和深度还不够。全面认识河南省冰雹天气过程的闪电和雷达回波变化规律，还需要选取更多个例进行对比分析，这也是我们下一步的工作计划和努力方向。
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