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第36卷第3期 2008年6月 气 象 科 技 METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 36 No 3 Jun 2008 冰雹云系发展演变与其地闪的相关性分析 李永果 马丽 刘强 赵京峰 山东省济宁市气象局 济宁272037 摘要 对山东地区6次冰雹过程闪电定位仪资料和雷达回波资料的分析结果表明 降雹区域内10 min闪电频数分 布呈规律变化 在降雹前32 220 min闪电出现10次以上的峰值 冰雹发生前2 h正闪电迅速增加 雹后又迅速减 弱 雹前正闪电基本占总闪电的50 以上 闪电基本分布在雷达回波内 但闪电密集区与强回波区并不完全对 应 闪电密集区移动可以标识出冰雹云的发展移动路径 10 min降雹区域闪电频数 正闪电所占的比值和闪电时 间序列分布 可能起到预警冰雹的作用 关键词 闪电频数 冰雹云系 闪电 作者简介 李永果 男 1983年生 助理工程师 主要从事天气预报工作 Email zaihebian2008 收稿日期 2007年1月24日 定稿日期 2007年12月1日 引言 冰雹是一种严重的自然灾害 据WMO统计 每年冰雹给全球带来的经济损失约20亿美元 1 宋晓辉等 2 应用常规观测资料并结合雷达回波资 料 从天气形势 物理量场和雷达回波演变特征等分 析表明 多普勒雷达回波强度和回波顶高度的变化 速度对和逆风区的出现 1 h降水累积值和垂直积 分液态水含量的急剧增加等都对冰雹的出现具有指 示意义 郄秀书等 3 7 重点研究了闪电活动与强对 流天气的关系并提供了一些重要参考依据 周筠君 等 8 对青藏高原那曲地区的冰雹天气系统中的大气 电场的定量观测和研究表明 随着降雹时间的临近 每5 min闪电频数不断增强 在开始降雹时每5 min 闪电频数平均达到43次 峰值出现的时刻略滞后于 开始降雹时刻 这一滞后时间一般平均在3 min左 右 Tao等 9 研究指出 冰雹大风天气 云中闪电频 数很高 多于闪电 周筠君 10 等利用1997年设在 陇东地区的闪电定位系统及双线偏振雷达资料 对 该地区冰雹云系发展演变及其与闪电关系的研究结 果表明 在降雹前30 min左右时 每5 min闪电频 数陡然上升 降雹前18 min 每5 min闪电频数平均 上升为3 5次 每5 min闪电频数的最大值一般出 现在开始降雹前16 6 min之间 本文旨在研究山 东地区冰雹云系的发生发展与其闪电特征的联系 试图找出一些相关性 为山东冰雹的临近预报提供 预警指标 1 资料 笔者利用闪电资料分析了2006年6次降雹过 程闪电的演变特征 提出了山东地区冰雹天气的几 个闪电特征 闪电数据为山东省17个地市的地闪 电定位仪资料 冰雹资料来自于降雹测站地面天气 报文或当地实况记录 一个中尺度强风暴的典型水 平尺度约为25 250 km 冰雹的发生一般是区域性 的 文中对闪电的频数计算是指降雹点所在区域10 min所有闪电的总和 雷达资料来源于滨州多普勒 雷达资料 2 山东省闪电与冰雹的时空特征 2 1 闪电的时空特征 根据1950 1980年资料 山东地区闪电最早出 现在1月10日 1966年 临沭 最晚出现在12月 17日 1957年 临沂等7站 但闪电的平均初日在 4月中 下旬 平均终日在9月中 下旬 闪电主要 集中在6 8月 从图1闪电密度看出 闪电主要集中在鲁中山 区 淄博南部 莱芜 临沂西北部 闪电密度在500 次 km2 a 以上 最大值为535次 莱芜东南部 此外的4个大值中心分别位于济宁市附近 聊城东 南部 莒县附近以及黄河入海口的东营附近 从图 2闪电发生日数分布也可以看出 全省绝大部分地 区每年发生雷电日数大于20天 鲁中山区出现闪电 的日数较多 2 2 冰雹的时空特征 据1950 1980年降雹资料统计 山东地区31 年共出现降雹日849天 平均每年降雹27 4天 其 中 局地和小范围降雹占91 降雹天气最早见于2 月中旬 1976年2月15日 石岛 最晚出现在12月 上旬 1955年12月7日 成山头 降雹过程集中在 6 8月 统计山东省123个站1971 1994年的年 平均降雹日数显示 德州地区东北部 济南北部 滨 州地区经淄博至莱芜 潍坊 日照 泰安东部 临沂北 部 烟台 青岛的西部为主要的多冰雹带 菏泽 济 宁和聊城 枣庄南部为主要少冰雹带 以上分析不难看出降雹与闪电具有较好的时空 相关性 两者均主要集中在6 8月的鲁中山区 主 要集中在淄博 莱芜 临沂北部地区 3 用闪电特征识别冰雹云的判断指标 Macgorman等 11 对15个大冰雹和龙卷过程闪 电分析认为 大冰雹出现在正闪电频繁的时候 一旦 转为负闪电 降雹的大小和频率都减小 薛秋芳等 5 在研究夏季北京地区的闪电活动中发现 闪电频数的 日变化与强对流天气发生有一定对应关系 不同类型 的天气过程 如冰雹 暴雨发生时 地闪和云闪的比例 有明显的差异 其中闪电中正 负闪比例呈现一定的 规律性 闪电的强度和频数变化比雷达回波强度的变 化超前0 5 1 h 蔡晓云等 6 研究也认为 闪电资料 比雷达资料在降雹 雷雨过程中至少有1 3 h的提 前量 这些从不同方面的分析研究表明 闪电对强对 流天气的发生有指示作用 但并没有给出用闪电特征 识别和判断冰雹云的具体指标 3 1 冰雹过程闪电频数的变化 图3给出了6次冰雹天气过程中4次过程的降 雹地点和10 min闪电频数的时间变化 图3 2006年4次冰雹闪电的频数变化和降雹开始时刻 图中括号内时间 对应关系 233气 象 科 技 第36卷 图3表明降雹区域内10 min闪电频数对降雹 具有很好的指示作用 每次降雹都对应着闪电频 数的峰值 最接近降雹时刻出现的峰值全部大于10 次 每次降雹过程的频数都有大于14次的极值 在距降雹前32 220 min内 出现10 min频数的峰 值 例如鱼台县4月28日17 42开始降冰雹 冰雹 最大直径5 mm 在鱼台600 km范围内 闪电频数 出现2个主峰 14 38 24闪电定位仪记录到第1个 闪电 17 10闪电频数达到第1个高峰有17次 随 后回落 17 40再次出现闪电频数高峰为14次 2 min后即17 42当地开始降雹 冯桂力等 12 对冰雹过程个例研究认为 在雹云 的发展和减弱阶段 闪电频数低 而在成熟阶段闪电 频数明显增大 这与我们统计分析结果接近 陈哲 彰 13 发现闪电开始发生时间与雷雨同步 比冰雹平 均提前25 min左右 综合这些研究成果和这4次 过程分析发现 或许可以将区域内10 min闪电频数 作为判别对流云发展成冰雹云的判据 3 2 正负闪比例的变化 Beasley 14 曾经对不同作者在不同地区利用各 种方法对正闪电的发生比例进行总结和比较 发现 闪电正负极性比例具有明显的地域变化 且差异很 大 从0 100 不等 比例最高的是日本冬季雷暴 最高可达100 冯桂力等 12 发现 山东正闪电所 占比例基本为5 15 表1给出了2006年山 东地区的6次冰雹过程的600 km范围正负闪电的 时间分布情况 从表1可以看出 冰雹云发生发展前6 h的负 闪最小占到总闪的68 7 最大占92 2 绝大多 表1 2006年山东省6次冰雹过程冰雹前6 h和前2 h的闪电特征 时间地点前6 h总闪次数前6 h负闪百分比 前2 h总闪次数前2 h正闪百分比 2006204207无棣 滨州 156192 2040884 30 2006204228惠民 滨州 195768 7026447 40 2006204219大王庄 莱芜 226187 6046187 30 2006206207冠县 聊城 164289 9019482 80 2006206230博兴 滨州 157190 7036517 90 2006207205沾化 滨州 243281 50 32941 80 数闪电是负闪 冰雹发生前2 h正闪电迅速增加 雹 前正闪电基本占总闪电的50 以上 除6月30日 博兴外 最高为87 3 雹后正闪电迅速减弱 4 雷达回波特征与地闪演变的相关分析 罗树如等 15 发现雷电密集区的位置和雷达回 波位置基本吻合 为更清楚地看到雷达回波与雷电 演变情况 本文对其作了对比分析 4 1 雷达回波演变 图 4 见图版 为2006年7月5日滨洲市沾化 县冰雹天气雷达回波演变 由图4可见 17 30左 右在滨海附近观测到有对流单体不断发展南压 南 压过程中对流单体相互碰撞并增长 促进超级单体 风暴形成 18 11多普勒雷达监测资料表明其已经 发展成一个典型超级单体雹云 具有有界弱回波区 悬垂云和从底层到云相当高度上始终有一个强反射 率因子核等回波特征 随后继续东移南压 18 41 到达沾化县 其中心强度达到55 dBz 并造成沾化 县雷雨大风 冰雹等严重灾害性天气 4 2 地闪演变 将7月5日沾化冰雹过程分为4个时段 图5 见图版 16 00 17 00闪电开始于滨州西北部 以负闪为主 17 24正闪开始显著增多 18 00 19 00闪电的范围迅速扩大 次数明显增多 呈增长 加强态 由图5可见 云体移动的前部 正闪集中且 次数多 负闪较为分散 闪电集中区向东南移动 19 00左右在沾化附近开始降雹 19 00 20 00沾 化附近的闪电大多为负闪 整个闪电的演变展示了 冰雹云发生 发展 成熟的过程 冰雹云的发展和成 熟阶段是闪电频繁发生 频数最高的时候 闪电逐 时时间序列位置分布表明 闪电伴随冰雹发生和发 展而产生和加强 分布在冰雹云移动路径上 地面产 生降雹过程中 产生较多的正闪且分布集中 雷达回波与地闪演变的对比表明 地闪基本分 布在雷达回波区 但地闪密集区并不与强雷达回波 区完全对应 地闪位置超前近1 h 闪电密集区的 333第3期 李永果等 冰雹云系发展演变与其地闪的相关性分析 移动趋势可以准确地反映对流系统移动趋势 5 结论 1 降雹区域闪电10 min频数在冰雹云发展移 动过程中呈现规律变化 降雹前32 220 min出现 频数大于10次的峰值 10次以上的10 min闪电频 数可以作为山东地区闪电判别冰雹云参考指标 2 冰雹发生前2 h正闪电迅速增加 雹后又迅 速减弱 雹前正闪电基本占总闪电的50 以上 3 地闪基本分布在雷达回波区 但地闪密集区 并不与强雷达回波区完全对应 地闪位置超前近1 h 闪电密集区的移动趋势可以准确地反映对流系 统的移动趋势 因此可将雷电监测资料引入冰雹天 气的跟踪监测 参考文献 1 宋显荣 防雹科研工作的现状和前言 J 江西气象科技 1988 增刊 21 26 2 宋晓辉 柴东红 蔡守新 等 冰雹天气过程的综合分析 J 气 象科技 2007 35 3 3034 3 郄秀书 Toumi R 周筠 青藏高原中部地区闪电活动特征 及其对对流最大不稳定能量的响应 J 科学通报 2003 48 1 8790 4 顾雷 陈露 陶祖钰 等 影响首都机场的一次雷暴过程的红外 云图和闪电分析 J 高原气象 1995 25 11 198203 5 薛秋芳 孟青 葛润生 等 北京地区闪电活动及其与强对流天 气的关系 J 气象 1991 17 2 1519 6 蔡晓云 宛霞 郭虎 等 北京地区闪电定位资料的应用分析 J 气象科技 2001 29 4 3338 7 黄彦彬 王振会 利用SD型闪电频数识别高原雷雨云和冰雹 云 J 南京气象学院学报 2001 24 2 276280 8 周筠君 陈成品 刘黎平 等 青藏高原那曲地区冰雹天气系统 中的大气电场研究 J 高原气象 2000 19 3 339347 9 Tao Shangchan MengQing Lin Binggan Remote sensing of thun2derstorm cloud flashes with MLDARS C Preprints the Workshop on Mesoscale Meteor and Heavy Rain in East Asia Fuzhou 1995 127128 10 周筠君 张义军 郄秀书 陇东地区冰雹云系发展演变与其闪 电的关系 J 高原气象 1999 18 2 236244 11 Macgorman D R Burgess D W Positive cloud2to2ground light2 ning in tornadic storms and hailstorms J Monthly Weather Review 1994 122 8 16711697 12 冯桂力 边道相 刘洪鹏 冰雹云形成发展与闪电演变特征分 析 J 气象 2002 27 3 3337 13 陈哲彰 冰雹与雷电大风的云对地闪电特征 J 气象学报 1995 53 3 365374 14 Beasley W Positive cloud2to2ground lightning observations J Journal of Geophysical Research 1985 90 D4 61316138 15 罗树如 支树林 俞炳 强对流天气雷电参数和雷达回波特征 个例分析 J 气象科技 2005 33 6 1418 Correlation Analysis between Evolution of H ail Cloud System and Cloud2to2Ground Lightning Li Yongguo Ma Li Liu Qiang Zhao Jingfeng Jining Meteorological Bureau Shandong Province Jining 272037 Abstract An analysis is made of the data from lightning position finders and radar echo data in 6 hail processes in Shandong Province The results indicate that there was a regular variation in the 102min frequency distribution of lightning with the peak 10 times appearing 32 to 220 minutes before hailing the posit