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廣西冰雹云閃電變化特征分析及其防雹應用

2015-11-10 03:16韋增岸何飛鄒光源張正國程鵬劉麗君
氣象研究與應用 2015年4期
關鍵詞:降雹防雹冰雹

韋增岸,何飛,鄒光源,張正國,程鵬,劉麗君

(廣西人工影響天氣辦公室,南寧 530022)

廣西冰雹云閃電變化特征分析及其防雹應用

韋增岸,何飛,鄒光源,張正國,程鵬,劉麗君

(廣西人工影響天氣辦公室,南寧 530022)

利用廣西2006―2011年4-6月17個降雹樣本資料和以降雹點為中心半徑50km范圍內閃電監(jiān)測定位網探測到的所有閃電數據對廣西冰雹云閃電變化特征進行分析,結果顯示:廣西地區(qū)冰雹發(fā)生前的短時間內負閃頻數遠大于正閃頻數,正負閃強度的比值大多都在1.5以上,而正負閃陡度的比值相差不大,5min閃電頻次峰值都在5次以上,降雹前峰值出現明顯躍增,降雹出現在閃電密度最大中心的下風方右側,閃電變化分析結果在廣西地區(qū)人工防雹作業(yè)中有一定的指導作用。

閃電;閃電變化特征;冰雹云;人工防雹;廣西

1 引言

冰雹天氣過程由于其強烈的對流必然產生大量的大氣放電現象,因此對強對流天氣過程尤其是冰雹天氣閃電活動的研究已越來越受到國內外的關注,尤其是近年來隨著國內閃電探測技術和設備的進一步應用和推廣,國內利用閃電定位系統結合天氣資料、雷達探測資料對冰雹天氣過程進行了大量的研究分析[1]-[9],閃電資料在冰雹預測識別方面得到了較好的應用,如馮桂力[1]-[2]、李照榮[3]、李國昌[4]、李永果[5]和黃彥彬[7]等等分別對我國山東、甘肅和青海高原地區(qū)冰雹云的閃電活動發(fā)展演變特征進行了分析研究,發(fā)現閃電頻數、閃電強度及其時間序列分布特征和閃電空間分布特征在冰雹降雹時間、冰雹云移動路線和降雹落區(qū)等方面都能起到一定的預報預警作用,如較為普遍的是在降雹前出現閃電頻數“躍增”和峰值,可作為判別冰雹云和預測降雹時間的指標等等。

冰雹災害是廣西地區(qū)高發(fā)的氣象災害之一,尤其是在廣西的西北山區(qū),冰雹給當地的農業(yè)生產和人民生命財產造成了巨大損失。因此提前預報識別冰雹云,及時開展人工消雹防雹作業(yè),最大限度的減小冰雹災害造成的損失十分重要。隨著廣西閃電定位監(jiān)測網的布設,為廣西冰雹云的預報識別提供了一項新的有利的技術條件,但由于氣候條件、地域差異等原因,各地的冰雹云閃電變化特征并不完全相同,預測判別指標不一。本文主要利用本地閃電監(jiān)測資料,分析總結廣西冰雹云的閃電時空變化特征和統計特征,找出適合本地使用的冰雹云預測識別指標,供災害天氣預報預警和人工消雹防雹作業(yè)指揮參考和指導。

2 資料和方法

2.1 閃電定位資料

廣西閃電監(jiān)測定位網由南方電網超高壓局出資與廣西電力調度中心合作共同建設,廣西全網共計12個探測站,站址為:桂林、賀州、河池、柳州、百色、大化、貴港、南寧、玉林、梧州、北海、崇左,可以用于探廣西范圍內云地閃電的經緯度、強度、陡度、電荷、能量和誤差,定位方式有二站振幅、三站混合、四站算法。本文選取2006年-2011年5月的閃電定位探測數據主要來源于廣西境內的探測站,部分利用了周邊貴州、湖南等省的探測站,

表1 首次閃電時間及正負閃比例

文中所用閃電資料為以降雹點為中心半徑50km范圍內探測到的所有閃電數據,由于部分資料缺失,本文主要分析正負閃、強度、陡度等物理量。

正負閃:由地向云釋放正電荷的閃電為正閃,反之為負閃。

強度:指閃電回擊電流波形的峰值,單位:kA。

陡度:指閃電回擊放電過程中單位時間內電流變化的最大值,它反映了閃電回擊放電最劇烈時的狀況,單位:kA/s。

2.2 冰雹樣本資料

一個中尺度強風暴的典型水平尺度約為25~250 km,冰雹的發(fā)生一般是區(qū)域性的,文中選取2006年至2011年4-6月廣西范圍之內冰雹云樣本,在以降雹點為中心半徑50km范圍內有可用閃電資料的前提下,共篩選到17個產生地面降雹的對流單體資料樣本 (每一次降雹過程為一個樣本),其中4月份7個,5月份9個,6月份1個,所有降雹以氣象站記錄為準,災情報告為參考。

表2 閃電強度與陡度&首次正閃、正閃強度最大值與降雹時間差

2.3 分析方法

利用統計分析方法找出冰雹云在閃電定位資料上的變化特征和判別指標,參考災害性天氣落區(qū)預報檢驗方法對判別指標進行TS評分。

式中NA為預報正確次數,NB為空報次數,NC為漏報次數,由于本文只選取了冰雹云樣本,未選取非冰雹對流云樣本進行對比,因此缺少空報次數。

3 冰雹云閃電變化特征

3.1 正負閃比例的變化

Beasley[10]曾經對不同作者在不同地區(qū)利用各種方法對正閃電的發(fā)生比例進行總結和比較,發(fā)現閃電正負極性比例具有明顯的地域變化,且差異很大,從0~100不等。表1給出了2006年至2011年廣西地區(qū)的17次降雹前正負閃電的百分比情況。從表1可以看出,除去負閃數據為零的1個樣本,在剩余16個樣本中,降雹前的負閃占總閃的比例最小為都安12.3%,其余樣本的負閃比均在76%以上,有5個樣本的負閃比達到了100%。17個樣本中有15個樣本在冰雹發(fā)生前的短時間內負閃頻數遠大于正閃頻數,正負閃頻數比值>1的只有2個樣本(包括負閃數為零的樣本)。大多數樣本的閃電都發(fā)生在降雹前幾個小時內,由表1,首次閃電發(fā)生在降雹前3h內的有12個樣本,這說明,發(fā)生閃電后的3個小時內降雹的可能性比較大。

3.2 閃電強度和陡度的變化

統計分析17個樣本的閃電強度資料發(fā)現,負閃強度(指絕對值,下同)的平均值最大為靖西的56.0 kA,最小為隆安的3.2kA,17個樣本若排除一個負閃數為零的樣本,剩余16個樣本負閃平均強度為27.2kA。正閃強度平均值最大為巴馬的76.8kA,最小為賀州的10.5kA,17個樣本中若排除5個正閃數為零的樣本,則剩余12個樣本正閃平均強度為43.1kA。正負閃平均強度的比值約為1.58,即占總閃數極少的正閃卻有很高的電流強度。從單個樣本來看,除去正閃或負閃數為零的6個樣本,剩余11個樣本的正負閃強度比值絕大多數在1.0以上,最大比值達到5.58,如表2。

由表2,大多數情況下,冰雹直徑增加或者說冰雹成長時,正負閃平均強度比不是同步增大,而是呈現不規(guī)律分布。這可能與正負閃數及其變化有關[11]。由正負閃比例分布特征可以看到,降雹過程中絕大多數是負閃,正閃數相對較少,而且冰雹成長期間負閃數的增加超過正閃數的增加;盡管正閃強度普遍強于負閃強度,但由于正閃數偏少,因此不足以抵消負閃數偏多的影響,從而造成大多數時正負閃強度比的變化不能和冰雹直徑的變化同步。

積雨云中正負電荷的分布非常復雜[11],但總體而言,云體的上部以正電荷為主,下部以負電荷為主,而雹粒常附著在積雨云的上部,也即與正電荷密切相關。依據冰雹的成長理論,積雨云發(fā)展得越高時,云上部形成冰雹的可能性及其直徑就越大,生成的正電荷就越多。當云內對流增強,閃電活動增多,尤其是正閃的出現及其電流強度的增強,對冰雹的出現有一定的指示作用。

除去5個正閃為零的樣本,表2給出了其余12個樣本正閃及其強度最大值與降雹的出現時間差,其中t為首次出現正閃的時刻,tm為正閃強度最大值的出現時刻,T為降雹時刻。由表2,冰雹云出現首次正閃后,最早為宜山在2min內出現降雹,絕大多數都在正閃后2h內出現降雹。整體上正閃后平均在32min內出現正閃強度最大值,出現正閃強度最大值后平均在46分鐘內出現降雹。倘若再剔除特例樣本天等,其余11個樣本中,降雹落后于首次正閃平均時間、正閃強度最大值落后于首次正閃平均時間、降雹落后于正閃強度最大值平均時間分別為54min、20min、34min。不是每個樣本都有正閃數,故正閃強度最大值的出現時間也就不能應用于所有冰雹云,也就無法因此判斷所有樣本總體降雹時間。

分析閃電陡度發(fā)現,閃電陡度與閃電強度有一定的弱相關性,總體上電流強度越大,其放電過程中單位時間內電流變化值就越大,即陡度越大,也就是閃電回擊放電越劇烈,釋放能量越多。如表2中,17個樣本中,負閃陡度(指絕對值,下同)的平均值最大為鳳山的15.5kA/μs,最小為都安的6.7kA/μs,17個樣本排除一個負閃數為零的樣本,其余16個樣本的負閃平均陡度為10.0kA/μs。正閃陡度平均值最大為金秀的11.9kA/μs,最小為賀州的4.5kA/μs,17個樣本若排除5個正閃數為零的樣本,則剩余12個樣本的正閃平均陡度為9.9kA/μs。正負閃平均陡度的比值約為0.99,可見,冰雹云正負閃的平均陡度非常接近。從單個樣本來看,除去正閃或負閃數為零的6個樣本,剩余11個樣本的正負陡度比值分布在0.65至1.57之間,差幅不大。從正負閃的陡度分布可以看出,正閃的陡度變化幅度較大,造成陡度分布時高時低,而負閃陡度變化幅度較小,因而分布較正閃更均勻,從而造成正負閃的平均陡度非常接近。

3.3 閃電頻次的變化

文中對閃電頻次的計算是指一次閃電發(fā)生時刻的前后2.5min內所有閃電總數,即5min閃電頻次。范廣平[12]曾研究得出閃電發(fā)生的頻數與降雹關系密切的結論。

由于天氣類型和地理條件的限制,廣西地區(qū)冰雹云閃電頻次普遍較低。從收集到的樣本記錄看,降雹前5 min閃電頻次峰值全部都在5次以上,有14個樣本5 min閃電頻次峰值都在10次以上,最高為5月9日的天等達到了61次/5min。絕大多數樣本的5 min閃電頻次分布在峰值前80分鐘之內。除天等之外,其余樣本均在5 min閃電頻次達到峰值后的78分鐘之內出現降雹,有10個樣本在5 min閃電頻次達到峰值后的30分鐘左右出現降雹。倘若剔除特例樣本天等,其余16個樣本,降雹落后于5 min閃電頻次峰值的平均時間為30min,這與降雹落后于正閃強度最大值平均時間34min非常接近。

故每個樣本取峰值前60分鐘及峰值后30分鐘的5 min閃電頻次制作成時間序列,對17個樣本對應的5min閃電頻次時間序列求平均值,得到冰雹云5 min閃電頻次平均值時間序列,繪制成5 min閃電頻次時間序列變化曲線圖(圖1)。

圖1 平均5min閃電頻次變化

圖2 忻城5min閃電頻次變化

由圖1,廣西冰雹云5 min閃電頻次的發(fā)展總體上可分成三個階段:第一,距5 min閃電頻次峰值50分鐘之前,這是初步發(fā)展階段,閃電活動較弱,5 min閃電頻次基本都在5次以下;第二,距5 min閃電頻次峰值50分鐘至10分鐘之間,這是平穩(wěn)發(fā)展階段,閃電活動進入低谷后期略有加強,5 min閃電頻次從1-6次不等;第三,距5 min閃電頻次峰值10分鐘之內,這是躍增發(fā)展階段,閃電活動呈現爆發(fā)式增長,5 min閃電頻次最大值達到了19.8,該階段5 min閃電頻次的增長主要是冰雹云對流活動增加直接導致的云地閃電活動增強的結果,這一躍增特征是識別冰雹云的重要指示;第四,5 min閃電頻次峰值之后的30分鐘之內,這是衰減階段,閃電活動急劇減弱并維持在較低水平,絕大多數降雹發(fā)生在這一階段,圖中向下箭頭為平均降雹時刻。

由于冰雹云生成發(fā)展的天氣背景和地理環(huán)境不盡相同,從樣本的單獨變化來看,多數樣本在上述整體變化特征的基礎上,還具有多樣性和獨特性特點。其中比較有代表性的兩種類型:①雙峰型,如圖2中忻城的閃電頻次變化,閃電活動在初步發(fā)展后進入沉睡期,之后陡然進入躍增階段,閃電頻次達到峰值迅速回落之后出現降雹,整個過程非??欤虎诙喾逍?,如圖3德保的閃電頻次變化,閃電頻次先分別達到兩個或以上的次大峰值,然后閃電頻次躍增達到最大峰值,閃電頻次在回落過程中又出現一個或多個次大峰值,閃電活動趨于平穩(wěn)才出現降雹。

分析還發(fā)現,降雹直徑與5 min閃電頻次峰值有一定的正相關關系,如圖4,總體上來說,閃電頻次峰值的增大,意味著冰雹直徑的同步增大。弱雹云冰雹直徑d<10mm的,5 min閃電頻次峰值平均為13.4次;中等強度雹云冰雹直徑為10≤d≤40mm的,5 min閃電頻次峰值平均為20.6次;強雹云冰雹直徑為d>40mm的,5 min閃電頻次峰值平均為35.5次??梢?,5 min閃電頻次峰值的大小,在一定程度上可預示雹云的強弱和降雹直徑的大小。

圖3 德保5min閃電頻次變化

3.4 閃電密度的變化

文中閃電密度指一次冰雹過程1°×1°范圍內所有閃電次數之和。從17個樣本的閃電分布圖來看,整體上閃電成帶狀分布,且呈現自西北向東南發(fā)展的大趨勢,閃電的發(fā)展路徑可反映廣西地區(qū)冰雹云的發(fā)展移動路徑。閃電密度最大的達到了566次,最小的也有29次,絕大多數在50~200次之間。在冰雹云發(fā)展移動路徑上(圖5、6中箭頭指示),閃電密度最大的地方并不是降雹位置,降雹出現在閃電密度最大中心的下風方右側,按照圖示的冰雹云發(fā)展移動路徑,密度最強中心在位置上先于降雹區(qū)域,兩者相差平均約25km。

4 在防雹作業(yè)中的應用

4.1 冰雹云閃電識別指標

根據廣西冰雹云閃電變化特征分析結果,選取當5min閃電頻次≥5次且在此后的10分鐘內出現增長趨勢并有閃電頻次峰值≥10次,作為廣西地區(qū)識別冰雹云的指標。

圖4 降雹直徑與5min閃電頻次峰值

用該指標對收集到的樣本進行檢驗,利用準確率 (TS)和漏報率 (PO)進行統計分析,TS值為82.4%,PO值為17.6%,如果閾值偏高,漏報率升高,TS值降低;閾值選擇偏低,則造成空報率升高,雖然本文未收集無冰雹強對流降水樣本對空報率進行檢驗,但實際中必然也會導致TS降低。因此在實際業(yè)務應用中,為了降低上述識別指標在實際防雹作業(yè)應用中的漏報率和空報率,應結合廣西冰雹發(fā)生的環(huán)境背景和特點[12-18],靈活應用冰雹云識別指標。

圖5 巴馬閃電分布圖

4.2 降雹預警時間和作業(yè)方位

通過對廣西地區(qū)冰雹云閃電變化特征和降雹時間分析,發(fā)現降雹時間平均落后于5 min閃電頻次峰值30min,在實際應用中,5 min閃電頻次峰值需要與下一個5 min閃電頻次作比較才可得出結論,這就導致確定 5 min閃電頻次峰值已滯后了3.5min,故實際降雹預警時間提前約26.5min。

根據廣西冰雹云閃電密度變化特征分析結果,在冰雹云發(fā)展移動路徑上,降雹出現在閃電密度最大中心的下風方右側相距約20km處,這可為廣西地區(qū)防雹作業(yè)提供參考依據,實際工作中還應結合雷達回波強度、VIL含量等資料作出判斷[19-20]。

4.3 作業(yè)用彈量

由文中對廣西地區(qū)冰雹云5 min閃電頻次的分析可知,5 min閃電頻次≥5次意味著閃電開始發(fā)展,頻次達到10次雹云已經開始生長。廣西地區(qū)冰雹云5 min閃電頻次的峰值一般都在10次以上。一般來說,強雹云對流活動旺盛回波強VIL值高,相對作業(yè)用彈量也多些。張正國[22]對廣西地區(qū)冰雹云的VIL變化特征作了分析,認為廣西冰雹生長區(qū)對應的VIL值在30~35 kg/m2之間。王艷蘭[21]認為如果一塊VIL≥35 kg/m強對流單體回波為1個象素,該象素對應的風暴頂高度為8.0 km,回波頂高度為10 km,一5℃層高度為5.5 km,則計算得出火箭用彈量為6.3枚。應用王艷蘭[21]張正國[22]的研究結論進行估算,5 min閃電頻次峰值≥10次的雹云用彈量約為6枚或以上,5 min閃電頻次峰值<10次的,可根據實際情況考慮用彈量。

圖6 德保閃電分布圖

5 結論與討論

(1)廣西地區(qū)冰雹發(fā)生前的短時間內負閃頻數遠大于正閃頻數,正閃大多出現在降雹前的兩個2h內,正閃強度最大值出現時間平均比降雹時間提前約34min。

(2)為數不多的正閃卻具有比負閃高得多的電流強度,正負閃強度的比值大多都在1.5以上,而正負閃陡度的比值相差不大。

(3)5min閃電頻次峰值都在5次以上,峰值的大小可反映雹云的強弱及降雹直徑的大小。

(4)5min閃電頻次≥5次且在此后的10分鐘內出現增長趨勢并有閃電頻次峰值≥10次,可作為廣西地區(qū)識別冰雹云的閃電指標。利用該指標判別降雹時間具備一定的時間提前量,平均可提前約26.5min,為人工防雹作業(yè)提前預警。

(5)閃電密度絕大多數在50~200次/1°×1°之間,閃電的發(fā)展路徑可反映廣西地區(qū)冰雹云的發(fā)展移動路徑,降雹出現在閃電密度最大中心的下風方右側相距約25km.

(6)5min閃電頻次峰值≥10次的典型冰雹云,防雹作業(yè)在6枚可取得較好效果。

文中僅統計分析了閃電頻數、強度和陡度等特征物理量的分布及演變特征,但對雷暴成長的天氣學環(huán)境、CAPE等物理量和地形對冰雹和閃電生命史的影響作用沒有被深入探討和分析,而這些因素對冰雹和閃電的生消演變有密切的影響。因此,今后需加強相關研究。

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Characteristic analysis on lightning variation of hail cloud and its application in artificial hail suppression in Guangxi

Wei zeng-an,He fei,Zou guang-yuan,Zhang Zheng-guo,Cheng peng,Liu li-jun
(Guangxi Weather Modification Office,Nanning Guangxi,530022)

Based on 17 hail samples gathered in Guangxi in 2006-2011 between April and June and all the lighting data,which were detected by lightning monitoring network with hail dropping points centered within a 50 km radius,the characteristics of lighting variation of cloud hail were analyzed.The results show that:before the hail occurring,the negative lightning frequency is much higher than the positive one in a short time.The most intensity ratios of positive to negative lightning are above 1.5,while the difference in the steepness ratios are not significant.The peak values of lightning frequency are all more than 5 times within 5-minute,and increase suddenly before the hail falling.Hail appears on the right side of downwind of the strongest lightning center.The above findings of the lightning characteristics are meaningful for artificial hail suppression in Guangxi.

lightning; lightning variation characteristics; hail cloud; artificial hail suppression;Guangxi

P458.1+21.2

A

1673-8411(2015)04-0038-07

2014-10-18

韋增岸(1986-),本科,工程師,從事人工暴響天氣業(yè)務工作。

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