冰雹云的闪电活动特征的研究.docx
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冰雹云的闪电活动特征的研究
冰雹云的闪电活动特征的研究
通过2012年山东地区的11个降雹日的地闪资料分析了冰雹云的地闪活动的时空分布特征，结果表明：
闪电频数一般在降雹结束前有“跃增”现象；降雹区域与地闪密度中心并不重合，但与正闪的活动中心有很好的对应，若24小时总地闪电数大于800次时，其负闪总数与总闪电数的比值大于90%；但在降雹期间正闪活跃，降雹前20min内开始有正闪活动，且正闪频数峰值在这段时间内达到；由此反映的正地闪活动的时空分布的特征规律，可用来预警冰雹。
第一章引言、资料来源与处理
1.1引言
冰雹是一种严重的自然灾害，是由强对流天气系统引起的一种局地性强、季节性明显、具有突发性和阵性特征的气象灾害。
一次范围较大、强度较强的降雹，往往伴随着各种阵发性极端灾害性天气过程，如狂风、暴雨、急剧降温等等[1]，对人民的生活、安全造成极大的影响。
而人们对产生冰雹的物理机制还没有充分的认识，这也直接关系到人工防雹工作的实施。
20世纪60年代中期,苏联宣称防雹能减少雹灾损失70%-80%，而提出的著名的冰雹形成的“累积带”理论也并不普遍适用[2]。
在产生冰雹的冰雹云的发展演变过程中,常伴随有大量地闪的发生。
冰雹云中既存在强盛的上升气流,又有冰相粒子参与的复杂的微物理过程,因此冰雹云中的起电过程非常剧烈,放电现象也非常活跃[3]。
70年代我国在防雹作业中曾广泛利用闪电计数仪作为监测冰雹发生与否的工具,并总结出每5分钟多于100次即有80%的降雹概率[4]。
雷电作为强对流天气过程的“指示器”,已被用于识别发展中的对流云[5]。
因此研究冰雹云的闪电特征对冰雹天气过程的预警有重要的意义，而采用测量闪电的声、光、电特性的测雹仪对冰雹等强雷暴天气的进行预警预报，更是冰雹监测的一种简便、经济实用方法[1]。
目前国内外关于冰雹云闪电特征的研究主要集中在冰雹云的正地闪特征，以及闪电频数变化。
Reap和MacGorman发现[6],大冰雹出现的可能性随着正地闪频数的增加而增大。
MacGorman[7]等通过对15次大冰雹和龙卷过程的地闪分析发现,其中4个风暴整个生命史中正地闪占多数,另外11个风暴在成熟阶段正地闪占多数。
同时，研究发现地闪与风暴单体降水的相关较高。
冯桂力等[5]的研究表明正地闪居多的风暴多数属于弱降水的经典超级单体,而负地闪居多的风暴则多数为强降水的超级单体;大冰雹出现在正地闪频繁的时候,一旦转为负地闪,降雹的大小和频率都将减小;并发现冰雹云的云闪与地闪的比值远高于一般的雷雨过程,其云闪密度也远高于雷雨过程。
周筠珺等[8]观测发现地闪频数在降雹前30min陡然上升。
因此，可以通过观测闪电频数来监测对流天气的变化。
陈哲彰[9]的研究也反映了上述结论，分析了20个冰雹大风实例发现地闪开始发生时间与雷雨同步比冰雹平均提前25min左右。
冯桂力等[3]利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次强雹暴的闪电分布和演变特征,得到了如下研究结果：
降雹天气过程的正地闪比例较高,在雹云快速发展阶段,地闪频数存在明显的“跃增”，且具有很高的云闪/地闪比例；根据地面降雹和对应的地闪资料进行分析发现,地面降雹区基本出现在正地闪密集（活跃）区域或邻近区域,与正地闪的空间分布对应较好；从云、地闪的空间分布可以发现地闪活动中心和云闪活动中心并非完全重合。
而本文利用最新的观测资料，选择山东地区2012年全年的闪电资料和台站地面降雹的资料，从闪电频数变化、闪电密度、极性等方面研究冰雹云闪电分布特征,并分析了降雹前后的闪电活动特征，初步获得了冰雹云的闪电分布特征，探讨了闪电活动对降雹的指示意义。
1.2资料来源与数据处理
本文所用的地闪资料由山东雷电监测定位系统（ShandongLightningDetectionNetwork,简称SLDN）提供。
该系统由13个探测站（包括聊城、济宁、莱芜、临沂、潍坊、青岛、威海、龙口、滨州、德州等地，如图1所示）和一个中心数据处理总站（设在山东省电力调度中心）组成,覆盖山东全省。
该系统采用多站方位汇交和到达时间差综合算法定位，定位精度高，误差小。
根据山东气象局提供的近十年的地面降雹资料，整理出2012年全年的降雹信息，从地闪资料中筛选出降雹日的闪电信息。
而根据叶宗秀等[]的研究表明5min内闪电频数可以很好的识别冰雹云，李照荣等[11]的观测结果表明5min闪电频数对降雹具有很好的指示作用，可用作判别冰雹的指标,一是每次降雹对应闪电频次的峰值；二是在距降雹前4-97min内出现5min频次峰值[11]。
本文故将5min内一定范围内云对地的闪电总数称为闪电频数（下同），即对闪电频数的计算是指以降雹点为中心东西南北各距一定半径，一次地闪发生时刻前后2.5min的地闪总数。
根据以往的文献和经验，结合冰雹云的一般尺度，本文将半径选定为75km，并以此来统计闪电频数及其随时间的分布特征，而对正负闪比例的分析也是基于以上标准。
而冰雹云闪电的空间分布特征从闪电密度分布和正闪分布两方面进行。
将山东地区进行网格化，取34—38°N和114—122°E的区域并分成100×80的正方形网格，及以0.1经度乘以0.1纬度的正方形格点内发生的所有云对地闪电的总数称为闪电密度，以闪电密度来代表格点的值，从而画出等值线，找出闪电密度中心。
图1.1山东闪电监测定位系统单站布局[14]
第二章山东地区冰雹云的地闪活动特征
2.1冰雹云的地电活动特征
冰雹云是发展强盛的积雨云，顾名思义，可以将只要产生冰雹的积雨云称为冰雹云，在一天内只要监测到冰雹降落就算做一个冰雹日或降雹日，故研究降雹日的地闪活动特征即对应冰雹云的地闪活动特征。
而根据降雹资料显示2012年山东地区共有11个降雹日，其中单日只有一次降雹的有7天，有4个在1天时间里在不同地区观测到有降雹的情况发生。
如表1所示,在这18次降雹过程中，除去3月21日这一天地闪的极性都为负外，其他17次过程负闪比例均小于99%，小于山东地区年总负闪比例[14]，并且有几次过程的负闪比例在50%以下，故能得出降雹日的正地闪比例比平常高，正闪活动也比非降雹日活跃。
由统计数据还能得出，当降雹区域24小时总闪电数大于800次时，其负闪总数与总闪电数的比值都大于90%，可能的原因也许是强降水单体风暴过程引起的，强降水单体雷暴闪电发生频繁，且有研究表明负地闪比例高的风暴属于强降水单体，正地闪比例高的风暴属于弱降水风暴。
在5月24日，6月14日，及6月21日，及9月19日这4天里每日发生了至少两次降雹过程，而这其中可以看成是冰雹云移动而造成的连续降雹要根据降雹的时间和地点来定，可以认为空间上距离离得近、时间跨度足够短的两次降雹过程认为是一次过程。
5月24日的四个冰雹降落的区域之间的距离均在75km以内，而一般中尺度强风暴的典型水平尺度在25至250km，而对冰雹云的识别可以从闪电频次来入手，黄彦彬[16]等的研究表明弱冰雹云的闪电频数一般为30～70次/（5min）;，而强冰雹云的闪电频数基本上都大于50次/（5min）[16],参考这个标准初步判断这几次的降雹过程应都为弱冰雹云，故距离上取75km是合适的，那从空间上看6月14日，6月21日及9月19日都不可看做只有一次降雹；而时间上若以10分钟为标准，那么5月24日在茌平和禹城的降雹可以看做是一次天气过程。
纵观2012年每次降雹过程的地闪总数，发现3月21日和9月19日这两天的地闪活动较少，而除去6月21日栖霞站外6、7月降雹日的闪电活动较为频繁，这也与山东地区闪电的季节分布规律大致相同：
夏季闪电最多,占全年的92.79%,秋季闪电比例不超过1%，冬季闪电最少,仅占全年总闪电的0.17%[14]有可能是冬季山东地区受冷高压控制，寒冷干燥使得闪电活动降低。
表2.12012年山东地区冰雹过程的地闪活动特征
日期
降雹点
降雹时间
持续时间min
总闪电数
-CG:
CG%
2012/3/21
泗水
13:
48
7
45
100
2012/5/15
诸城
13:
04
5
59
74.6
2012/5/24
夏津
12:
39
12
85
70.6
2012/5/24
平原
13:
24
3
183
81.2
2012/5/24
茌平
13:
51
4
93
79.6
2012/5/24
禹城
13:
58
2
236
84.3
2012/5/26
福山
16:
32
11
465
64.7
2012/6/2
寿光
17:
16
4
1228
92.2
2012/6/10
邹平
09:
25
3
5370
97.5
2012/6/12
蓬莱
15:
17
25
354
76.8
2012/6/14
蓬莱
10:
49
15
3385
93.8
2012/6/14
安邱
18:
21
4
2385
94.5
2012/6/21
栖霞
16:
01
6
25
68
2012/6/21
寿光
16:
43
3
863
91.2
2012/7/12
垦利
8:
42
6
3282
98.7
2012/9/19
加祥
15:
28
12
34
44.1
2012/9/19
平阴
18:
20
17
12
66.7
2012/9/19
朝城
16:
53
4
36
47.2
2.2冰雹云的闪电时空分布特征
2.2.1地闪频数的时间分布特征
云对地的闪电频数变化一直是识别、预警冰雹云的重要方法，叶宗秀等在甘肃永登等地针对冰雹云的闪电平数特征进行了观测，周筠君等[3]研究陇东地区冰雹云系发展演变发现每5分钟地闪频数的最大值一般是出现在降雹前6～16分钟之间，冯桂力等[13]对河南地区的冰雹云的闪电特征研究表明：
在冰雹云发展的阶段，闪电频数存在明显的“跃增”，现象，且正闪活动增加。
b
a
图2.23月21日和5月15日冰雹落区附近地闪频数随时间的变化
图2.1（a）是3月21日泗水，降雹时间13:
48至14:
05，该时间之前在以降雹点为中心、半径为75km范围内未检测到地闪发生，当日的地闪总数为45次，极性全为负。
图2.1（b）5月15日在诸城13:
04至13：
09降雹，降雹过程中闪电频数上升，并在降雹后达到峰值。
这两次的降雹过程并未出现降雹前闪电频数“跃增”的现象，相反在5月15日闪电频数在降雹过程中持续增加，在降雹后6min达到峰值9次/5min。
而3月21日地闪频数低，正闪频数为0。
图3反映的是正闪频数和总闪频数的分布，来研究正负闪频数情况，发现在降雹前正闪频数增闪电多为正闪，而降雹后闪电频数达到峰值时，闪电极性以正极性为主。
图2.35月15日闪电频数分布直方图（黑色箭头标注的是降雹时刻）
5月26日福山发生冰雹天气，降雹时间为16:
32到16:
43（如图2.4中黑色箭头对应的是降雹时刻），闪电活动在降雹前2个小时内频繁，闪电频数达到峰值后开始振荡；在降雹过程中闪电频数较低，降雹后反弹，总体趋势呈“v”字型，图形以降雹的时刻为中心，较为对称。
正闪活动在降雹前较为频繁，并随总闪电频数同时达到峰值而振荡，到降雹时开始减少，在降雹过程中保持较低水平，降雹后反弹明显，降雹时为正闪频数的谷底。
b
a
图2.45月26日闪电频数随时间分布图
a
b
d
c
a
图2.55月24日各降雹点的闪电频数分布直方图
图2.5（a）是5月24日以夏津为中心，半径75km的范围内观测到的闪电频数随时间的变化的直方图，正闪频数在降雹过程的尾部突然“跃增”达到峰值。
图2.5（b）表示的是平原降雹过程，降雹前一小时闪电频数开始跃增，到13:
00至13:
05达到峰值11次/5min，，正闪频数于12:
50至12:
55达到峰值为6次/5min。
图2.5（c）是5月24日禹城，闪电频数达到峰值时有短暂的降雹过程；在禹城观测到冰雹8min后，茌平开始降雹，在降雹持续时间内未检测到地闪发生（图2.5（d）所示），降雹后闪电频数迅速达到峰值。
b
a
图2.66月2日
6月2日17:
16至17:
19寿光有短暂的冰雹天气发生，持续时间只有3分钟，降雹前两小时闪电活动开始增加，并在降雹前70分钟达到峰值86次/5min，尔后闪电活动减弱，频数下降，在降雹的时间段发生一些波动，闪电频数总体趋势为减少，并在降雹后两个小时递减为0。
闪电活动一直以负闪为主，在降雹前100分钟时才有正闪发生，在降雹前30分钟时正闪频数增加，活动开始频繁，一直持续到降雹后才逐渐递减。
图76月10邹平
6月10日在邹平发生短暂降雹过程，闪电活动频繁，一天的总闪电频数达到了5000多次，而正闪比例低，只有132次，地闪极性主要为负。
闪电频数在04:
48到06:
18处于低谷后“跃增”，于07:
10达到峰值，并在降雹前20分钟再次“跃增”达到峰值160次/5min。
而通过统计其正闪频数发现降雹前有少量正闪发生。
b
a
图86月12日与14日蓬莱地区闪电频数分布
图8（a）所示6月12日在蓬莱发生了一次持续时间为25分钟的冰雹天气过程，而闪电频数的峰值出现在降雹过程中。
图8（b）显示闪电频数从降雹前一个小时的0“跃增”至44次/5min，蓬莱地区在48小时内遭受了两次冰雹天气的袭击，而14日这次地闪活动明显强于12日，并且降雹前闪电频数“跃增”明显。
b
a
图96月14日安邱和6月21日栖霞地区闪电频数直方图
图9（a）表明安邱降雹后25min达到峰值99次/5min后，闪电活动减弱，在19:
45闪电频数开始增加，并于20min后达到103次/5min,而正闪频数在降雹前达到峰值，降雹后维持较低水平。
图9（b）是6月21日栖霞站闪电频数统计直方图，降雹前25min达到峰值，正闪活动开始出现并持续到降雹。
图106月21日寿光闪电频数分布直方图
6月21日寿光在栖霞检测到有冰雹后40min开始降雹，而在开始降雹前50min分钟闪电频数达到28次/5min，然后开始波动，到开始降雹的时刻恰好处于波峰，降雹后闪电频数振荡减少，而正闪活动从降雹前20min开始活跃，正闪频数并随总闪电频数波动，在17:
50至17:
55分这段时间内闪电频数为0，之后闪电次数开始增多，闪电频数于降雹两小时后达到峰值——38次/5min，此时闪电极性基本上为负值，正闪活动结束。
图117月12日垦利闪电频数折线图和正闪频数分布直方图
7月12日，08:
42至08:
48分在垦利降雹，根据统计闪电频数在08:
45至08:
50这一区间达到峰值，为213次/5min。
正闪活动较少，但基本都发生在降雹前后一个小时内，降雹后20min正闪频数达到峰值。
图129月19日朝城、加祥
朝城在16:
53分降雹，降雹前两小时达到峰值，且以正闪为主，降雹前一小时闪电频数达到次峰，极性都为正，降雹是偶有闪电发生。
加祥的闪电频数在降雹过程中达到峰值，降雹后闪电活动沉寂。
而根据统计资料知：
这两次过程正闪占主要比重，而平原的闪电总数只有12次，且在该范围内检测到的当天最后一次闪电是在16:
02分，也就是在降雹前2个小时内未发生云对地闪电。
综上所诉可以看出，山东地区的冰雹过程大致遵循闪电频数在降雹前达到峰值的定律，但也存在着在降雹过程中闪电频数还在增加，以致在降雹后跃增至最大值，降雹前后地闪频数较低或无地闪发生的现象也有发生，如3月21日的降雹，持续时间长，可能是云闪活动剧烈，而导致地闪活动少，冯桂力[3]研究表明雹暴的闪电活动强具有很高的云地闪比例，William[12]也提出云闪活动频繁，地闪活动就会减少的现象，可能是两种闪电在争夺电荷。
同时CHRISTOPHERJ的研究[17]也提出来云地闪电总频数比地闪频数能更好的反映出冰雹云的活动特征，在降雹前的“跃增”更明显，对冰雹的预警结果更优。
结合这些结论，可以得出：
地闪频数较大的降雹日中在降雹结束前有明显的“跃增”现象，也就是闪电频数会在降雹前或降雹中达到峰值（本论文给出的界定是大于200次），且随频数的增加，正地闪活动减弱；对于那些频数较小的且地闪频数峰值出现在降雹后的，在降雹期间正地闪活动比例会上升；总的来讲，降雹期间及前后20min内都会有正闪活动，且正闪频数会达到峰值。
2.2.2地闪的空间分布特征
根据文献资料[16]显示，云地闪密集区域，预示不稳定能量在该地聚集，冰雹天气发生可能性大。
由于地面观测站对地闪的观测精度高，尤其是山东闪电定位系统在2006年后发展成13个探测仪来对地闪进行观测，定位误差小，资料便于获得，冯桂力[3]等对雹暴过程中地面降雹与地闪资料进行研究发现：
地面降雹区基本出现在正地闪密集（活跃）区域或邻近区域,与正地闪的空间分布对应较好。
对山东地区闪电活动特征分析后得出闪电主要集中在鲁中山区（淄博南部、莱芜、临沂西北部）,张文煜[14]等的研究也表明夏季闪电密度高，且高值区域主要分布在在鲁中与鲁南的交界处，这是闪电活动最频繁的地区；李照荣[11]研究地闪的空间分布和闪电密度的分布，获得正负闪电的密集程度和高值中心位置，发现降雹出现在闪电密度最大中心的下风方，且密度最强中心在位置上先于降雹区域。
以上说明结合降雹区域与地闪的空间分布的对应关系，可对冰雹天气进行短时预报与预警。
选取了5月24日、6月14日、6月21日、9月19日这四个降雹日为典型个例，分析了闪电密度分布、正闪分布与降雹区域的关系。
图135月24日地闪密度等值线图
图13中蓝色“+”表示降雹区域，从左至右，从上至下分别为夏津、茌平、平原、禹城。
发现闪电密度最大值在鲁中地区（济南、淄博闪电密度的值都大于10）,而降雹区域集中在聊城和德州的交界处，距离鲁北地区的密度中心有一定的距离。
若将禹城和茌平两地的降雹看成一次过程，那么这三次降雹过程的中心位置与闪电密度中心位置并不重合。
而夏津、茌平的闪电密度值小于2，在图上为空白，为了进一步分析闪电的分布特征，故做了散点图来反映正、负闪的分布特征，如图14所示，图a是以夏津为中心，半径75km探测到的正负闪的散点图：
可见降雹点都有正闪分布，夏津地区闪电活动以正闪为主；由图b得平原附近正闪集中，夏津、禹城附近有正闪发生，茌平偶有正闪活动，平原处于正闪密度中心。
图145月24日降雹区域正、负闪的分布图
（红色“+”为正闪，黑色上三角形表示为负闪）
图156月14日闪电密度等值线图
6月14日地闪活动明显，在烟台市蓬莱和潍坊市安邱地区降雹，闪电活动主要集中在鲁东地区，而闪电密度最大值出现在两降雹点的连线中点，达到100次，蓬莱的西南方向上出现了一个闪电密度高值区，局部地区的闪电次数超过了90次，安邱地区的南面距离大概75km处也有一闪电密度中心，但降雹地点的频次都在20以下，不与闪电密度中心重合。
由下图（图16）正闪分布图可以看出降雹点附近正闪频次比较多，陆上正闪密度中心与蓬莱降雹中心重合，安邱附近也伴随正闪发生。
图166月14日降雹点正闪分布散点图
图176月21日闪电密度等值线图
6月21日的闪电活动情况和14日的大致相同，两降雹点空间跨度大，闪电密度中心也没有出现在降雹点附近，栖霞站的闪电密度的值小于20，寿光站的闪电密度值小于40，闪电密度中心出现在鲁中地区，中心密度值大于90。
根据表1的统计资料显示栖霞地区的总闪频数只有25次，且寿光与栖霞的降雹时间差在1小时内，故可认为是不同单体的冰雹云造成地闪频数的差异，而根据地面降雹资料发现在栖霞站监测到有降水发生，也许是因为处于强降水单体风暴控制下，但这些推测有待于结合云闪数据和卫星数据进一步考证。
图186月21日地闪分布散点图
由图18（c）地闪分布的散点图（红色“”表示地闪）栖霞站处于该冰雹云的闪电密度中心，寿光站不处于中心，但周围一定范围内，尤其鲁中地区闪电密度大。
对6月21日栖霞站（图18（b）所示）的闪电分布进行进一步分析发现：
正闪较为集中在降雹点附近，而负闪较为分散。
对寿光站的观测数据分析后发现由于负闪：
总闪的值太大，故只画出正闪的分布（图18（a）），由上图得出降雹点处于正闪的密度中心，故降雹点附近正闪活动较为活跃。
图199月19日地闪分布散点图
图19（a）中的蓝色加号从上至下从左至右分别为朝城、平阴、加祥，其中平阴的闪电总数只有12次，且在该范围内检测到的当天最后一次闪电是在16:
02分，也就是在降雹前2个小时内未发生云对地闪电，其他两地有少量闪电活动发生。
将图19（a）放大一定的比列并选择闪电极性为正便得到了图19（b）——正闪的分布散点图，加祥附近正闪较为集中，朝城和平阴降雹点没有正闪分布。
综合这四个降雹日的闪电分布情况，可以发现地面降雹中心与地闪密度高值中心不重合，而在地闪频数较少的情况下，降雹区域可能会与闪电集中区重合，如6月21日栖霞地区的降雹；对于正闪活动，基本上以上每个降雹点周围都会有正闪活动出现，5月24日的夏津、6月13日的蓬莱、6月21日的寿光以及9月19日的平阴这些地区都对应于正闪活动的中心，可见正闪活动在时间和空间上都对降雹有关系。
5．结论与讨论
5.1主要结论
对2012年山东地区11个降雹日的17次降雹过程进行了初步的分析，分别从闪电频数随时间的分布特征、正负比例特征、闪电密度和正闪随空间的分布特征得出了山东地区冰雹云的闪电活动的基本特征，主要结论如下：
（1）降雹日的正闪活动比非降雹日活跃；当降雹区域24小时总地闪电数大于800次时，其负闪总数与总闪电数的比值一般大于90%。
（2）闪电频数一般在降雹结束前有“跃增”现象，而降雹前20min内监测到正闪活动，降雹期间正闪活跃，且正闪频数峰值在这段时间内达到。
（3）降雹区域与地闪密度中心并不重合，但与正闪的活动中心有很好的对应。
5.2讨论
本文研究的闪电活动特征仅仅研究了云对地闪电，由于缺少云闪的卫星资料，未能全面的研究冰雹云的闪电活动特征，得出的结论也不够全面，只能描述一般性的现象，对个别个例的分析还有待于进一步考证，如3月21日的闪电全为负、6月14日安邱地区闪电频数峰值在降雹后出现的问题，还有对9月降雹点附近没有地闪分布的问题做出了自己的一些猜想，需要继续深入研究。
从上文得出的结论来看，根据最新的观测资料发现，山东地区冰雹云的地闪频数对预警冰雹的结果并不是太好，有几次是在降雹期间频数达到最大值，目前最新的研究表明，总闪电频数比地闪频数更具代表性；但本文对正地闪活动研究可以得出：
冰雹降落前，正地闪活动增加，有大概20min的提前量，且正地闪活动中心很有可能是冰雹的落区。
这对冰雹的预警与冰雹灾害的预防有一定的帮助。
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