阮 悅 黃慧琳 魏 鳴 潘佳文 陳秋萍

1 福建省災(zāi)害性天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350001 2 福建省氣象臺(tái)，福州 350001 3 福建省氣象服務(wù)中心，福州 350001 4 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044 5 廈門市氣象局，廈門 361012

提 要： 為了深入認(rèn)識冰雹云中閃電的演變特征及云物理機(jī)制，利用VLF/LF三維閃電監(jiān)測資料，結(jié)合S波段雙偏振雷達(dá)、地面觀測等資料，采用統(tǒng)計(jì)、對比方法，對福建2017—2020年31個(gè)冰雹單體閃電特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：降雹前閃電頻數(shù)峰值約有2/3在50次·(6 min)-1以上，80%冰雹云地面降雹出現(xiàn)在閃電峰值后的3～25 min；降雹前總閃電頻數(shù)出現(xiàn)躍增，70%雹暴單體頻數(shù)平均遞增率達(dá)4 次·min-1以上，閃電快速躍增提前于降雹前6～40 min；云閃頻數(shù)在成熟階段最多，發(fā)展階段最少；冰雹單體三個(gè)階段云閃集中分布在2～6 km高度層；差分反射率因子(Zdr)、相關(guān)系數(shù)(CC)等參數(shù)及粒子相態(tài)識別分析表明雹云降雹前融化層以上由冰雹和霰組成，融化層下由干、濕冰雹和雨粒子組成，低層則主要由濕冰雹和中大雨粒子組成；閃電頻數(shù)、正地閃或正云閃占比率與回波強(qiáng)度、最強(qiáng)回波高度、強(qiáng)回波伸展高度呈正相關(guān)。結(jié)合了閃電資料與雙偏振雷達(dá)參量，為識別冰雹云體演變及雷電預(yù)警提供參考。

引 言

冰雹等災(zāi)害性天氣常常伴有強(qiáng)閃電發(fā)生，放電過程中形成的強(qiáng)大電流及其輻射的電磁場，對大量使用微電子器件的現(xiàn)代社會(huì)造成巨大影響。近年來，國內(nèi)外利用閃電定位系統(tǒng)和多種雷達(dá)對中尺度對流天氣過程進(jìn)行了大量的觀測，取得了很多有意義的研究成果。美國國家強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)報(bào)中心(NSS-FC)在1988—1990年間，組織了相應(yīng)的“閃電資料應(yīng)用于強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)”評估研究，并肯定了閃電資料可以有效地改進(jìn)強(qiáng)對流的診斷和預(yù)報(bào)(張義軍等，2006)。馮桂力等(2008)、陳哲彰(1995)對不同地區(qū)冰雹過程閃電特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雹暴發(fā)展演變過程中具有較高的正地閃比例。周筠君等(1999)、李國昌等(2005)對不同地區(qū)冰雹云發(fā)展演變過程中閃電特征開展研究，發(fā)現(xiàn)在降雹前閃電頻次出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象并伴隨一定的閃電頻次峰值出現(xiàn)。

在地閃活動(dòng)規(guī)律與雷達(dá)回波的關(guān)系方面，國內(nèi)外有諸多研究成果，尹麗云等(2012)發(fā)現(xiàn)在颮線整個(gè)發(fā)展階段，-10℃和-20℃層高度上雷達(dá)回波強(qiáng)度的每一次跳躍變化都對應(yīng)著地閃頻次的躍增，且其回波強(qiáng)度躍變總在地閃頻次變化之前6～30 min發(fā)生。支樹林等(2012)統(tǒng)計(jì)分析2003—2010年江西境內(nèi)的地閃與回波強(qiáng)度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)0℃層以上最大回波強(qiáng)度介于45～55 dBz時(shí)，對應(yīng)地閃活動(dòng)最強(qiáng)。李南等(2006)對安徽省3次天氣過程的閃電與雷達(dá)資料的相關(guān)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)閃電發(fā)生的數(shù)目和變化與回波頂高(ET)有較好的對應(yīng)關(guān)系。國外一些研究者(Ge et al，1992；Yan et al，1992；Qie et al，1993)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)回波強(qiáng)度和地閃頻數(shù)有很好的對應(yīng)關(guān)系，隨著風(fēng)暴的生消演變，正、負(fù)閃電頻數(shù)呈現(xiàn)不同的變化特征。

新一代天氣雷達(dá)在監(jiān)測預(yù)警冰雹等強(qiáng)對流方面已經(jīng)取得很多研究成果(馮晉勤等，2010；鄭媛媛等，2004；陳秋萍等，2015)，近年雙偏振雷達(dá)由于其識別降水粒子相態(tài)方面的能力，在冰雹識別預(yù)警及人工防雹指揮等方面得到了很好的應(yīng)用(曹俊武和劉黎平，2006；劉黎平等，1996；劉黎平，2002；潘佳文等，2020a;2020b；馮晉勤等，2018；高麗等，2021)。

上述研究大多數(shù)都是探討地閃分布特征及針對個(gè)例的三維閃電特征分析，少見結(jié)合雙偏振雷達(dá)資料的分析。本研究利用VLF/LF閃電定位系統(tǒng)及S波段雙偏振雷達(dá)資料，基于雷達(dá)觀測到的雹暴單體，動(dòng)態(tài)追蹤整個(gè)雹暴生命史中閃電頻數(shù)的演變，分析地閃、云閃隨高度分布及閃電與回波伸展高度的相關(guān)性，歸納對冰雹云識別預(yù)警有重要指示意義的參數(shù)指標(biāo)，以期為冰雹云的識別預(yù)警及雷電預(yù)警提供參考。

1 資料與說明

1.1 冰雹資料

普查2017—2020年福建省內(nèi)的冰雹事件,來源主要包括：①由縣市(區(qū))級氣象部門核實(shí)并通過中國氣象局氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)上報(bào)的冰雹災(zāi)情直報(bào)信息；②根據(jù)官方媒體的災(zāi)情報(bào)道新聞以及微博等新媒體手段發(fā)布的目擊報(bào)告，從中篩選出具有確切照片記錄和實(shí)時(shí)定位信息的冰雹發(fā)生記錄，剔除冰雹尺寸模糊，時(shí)間、地點(diǎn)信息不明確的報(bào)告，同時(shí)具有完整閃電資料;③為了閃電數(shù)據(jù)不受其他雷暴系統(tǒng)干擾，冰雹樣本挑選雷達(dá)回波中雹暴周圍15 km范圍無其他風(fēng)暴存在的個(gè)例。據(jù)此選取31個(gè)冰雹個(gè)例。

1.2 閃電資料

本項(xiàng)目采用中國科學(xué)院電工研究所研制的VLF/LF(ADTD_2C)閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該探測儀采用數(shù)字波形鑒別技術(shù)，鑒別速度快，可提供閃電發(fā)生時(shí)間、云閃、地閃、經(jīng)度、緯度、強(qiáng)度、極性等參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測信息。閃電定位系統(tǒng)由福州、平潭、廈門、福鼎、德化、崇武、東山、平和、武平、龍巖、泰寧、寧化、永安、政和、南平、武夷山16個(gè)探測站組成，站距為150 km左右，探測范圍覆蓋福建全省及與福建相鄰的廣東、江西、浙江部分地區(qū)和臺(tái)灣海峽，探測效率高于85% ，站網(wǎng)內(nèi)定位精度平面小于300 m、高度小于500 m。探測站的具體分布情況如圖1所示。

圖1 福建省三維閃電監(jiān)測網(wǎng)站址分布Fig.1 Distribution of 3D lightning monitoring websites in Fujian

本文根據(jù)福建全省雷達(dá)系統(tǒng)中提供的風(fēng)暴高度、強(qiáng)度等信息將雹暴分為三個(gè)階段：發(fā)展、成熟、消亡階段。規(guī)定雷達(dá)回波處于強(qiáng)度增強(qiáng)、40 dBz以上強(qiáng)回波面積增大、風(fēng)暴頂高處于增加中為發(fā)展階段；強(qiáng)度、50 dBz以上強(qiáng)回波面積及風(fēng)暴頂高處于維持(或變化不大)為成熟階段；處于強(qiáng)度減弱、50 dBz以上強(qiáng)回波面積減小、風(fēng)暴頂高降低中為消亡階段。文中所用閃電資料是以產(chǎn)生降雹的風(fēng)暴為中心，組合反射率因子20 dBz以上區(qū)域范圍內(nèi)探測到的所有閃電數(shù)據(jù)，主要分析云閃和地閃頻數(shù)、云閃比率、正負(fù)閃比率、云閃高度等參量及其演變特征。同時(shí)詳細(xì)分析了2個(gè)雹云單體閃電與S波段雙偏振雷達(dá)回波特征。

2 冰雹閃電頻數(shù)及其演變

2.1 閃電頻數(shù)分布及其演變

文中對閃電頻數(shù)的計(jì)算是指閃電發(fā)生時(shí)刻后6 min閃電頻數(shù)的累加值。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)閃電頻數(shù)越大，可能產(chǎn)生的冰雹直徑越大。從收集到的樣本記錄看，降雹前閃電頻數(shù)約有2/3在50次以上，其中1/3 達(dá)200～500次(圖2)，最高達(dá)416次·(6 min)-1。本文31個(gè)樣本中較大冰雹(直徑≥1 cm)共20個(gè)，其中16個(gè)總閃電頻數(shù)達(dá)50次·(6 min)-1以上，占80%；較小冰雹(直徑<1 cm)共11個(gè)，其中只有3個(gè)總閃電頻數(shù)達(dá)50次·(6 min)-1以上，僅占27.3%。

圖2 總閃電頻數(shù)分布Fig.2 Distribution of total lightning frequency

統(tǒng)計(jì)有閃電發(fā)生的31個(gè)冰雹云閃電演變情況，發(fā)現(xiàn)降雹前總閃電頻數(shù)出現(xiàn)躍增，70%以上雹暴總閃電頻數(shù)遞增率達(dá)4次·min-1以上。

冰雹云中云閃活動(dòng)強(qiáng)烈，云閃與總閃比值≤25%的有9個(gè)，占29.0%；比值>30%以上的共20個(gè)，占64.5%。閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)表明3個(gè)階段中成熟階段云閃最多、云閃與總閃的比值最大，最大達(dá)61.0%，平均為30.4%；消亡階段比值次之，發(fā)展階段云閃最少、比值也最小。

2.2 閃電頻數(shù)峰值和快速躍增超前于地面降雹的時(shí)間

通過對冰雹云閃電變化特征和降雹時(shí)間分析，85%降雹發(fā)生在閃電頻數(shù)的峰值(簡稱閃電峰值)后，其中3次閃電峰值出現(xiàn)在地面降雹前，80%降雹發(fā)生在閃電峰值后的3～25 min內(nèi)(圖3)，滯后時(shí)間最長超過30 min。統(tǒng)計(jì)閃電躍增開始時(shí)間，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)雹云在降雹前閃電快速躍增，提前的時(shí)間大多在6～40 min，占總數(shù)的74.2%(圖3)，峰后降雹28個(gè)個(gè)例均在此范圍內(nèi)，其中3個(gè)雹暴降雹發(fā)生在閃電峰值出現(xiàn)前，其快速躍增提前于降雹時(shí)間均不多，僅在3～5 min左右。閃電峰值和快速躍增可以作為冰雹云的識別預(yù)警指標(biāo)。

圖3 閃電頻數(shù)的峰值和快速躍增超前于地面降雹的時(shí)間Fig.3 The time ahead of the ground hail of peak value and rapid jump of lightning frequency

2.3 冰雹云正閃比率分布特征

積雨云中正負(fù)電荷的分布非常復(fù)雜，總體而言，云體的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主，而雹胚常存在于積雨云的上部，即與正電荷密切相關(guān)。依據(jù)冰雹的成長理論，積雨云發(fā)展得越高，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。

為了減小少量閃電對正負(fù)閃比率統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，對于地閃數(shù)≤4次·(6 min)-1的閃電不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，據(jù)此分別得到發(fā)展、成熟、消亡階段樣本20、27、22個(gè)，正地閃與總地閃比率分布結(jié)果見圖4，31個(gè)冰雹云中，成熟階段正地閃與總地閃比率>0.15以上的達(dá) 74.0%，其中0.15～0.3個(gè)數(shù)較多，達(dá)48.1%；消亡階段則是比率>0.15以上的為58.1%，其中0.3～0.4 個(gè)數(shù)最多，達(dá)36.4%；發(fā)展階段低值最多，比率>0.15以上的為50.0%，且近1/3比率為0。

圖4 正地閃與總地閃比率分布Fig.4 Distribution ratio of positive ground lightning to total ground lightning

同上原因?qū)τ谠崎W數(shù)≤2次·(6 min)-1不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，據(jù)此分別得到發(fā)展、成熟、消亡階段統(tǒng)計(jì)樣本15、26、22個(gè)，正云閃與總云閃比率分布結(jié)果見圖5，冰雹云成熟和消亡階段正云閃與總云閃比率>0.15以上的分別為61.5%和63.6%；發(fā)展階段低值最多，比率>0.15以上的為40.0%，且近1/3比率為0附近。

圖5 正云閃與總云閃比率分布Fig.5 Distribution ratio of positive cloud flash to total cloud flash

2.4 冰雹云閃電高度分布特征

冰雹云是強(qiáng)烈的對流系統(tǒng)，發(fā)展高度高，除了地閃外，還會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的云閃。圖6是31個(gè)雹暴單體三個(gè)階段云閃在各個(gè)高度層上的頻數(shù)分布，可見三個(gè)階段總云閃集中分布在2～6 km高度層。成熟階段云閃是三階段中最多的，主要分布在2～6 km高度層上，中位數(shù)在25次·(6 min)-1左右，3～4 km 高度層上75%分位數(shù)達(dá)100～200次·(6 min)-1；減弱階段主要分布在2～4 km高度層，中位數(shù)為10次·(6 min)-1左右；發(fā)展階段云閃最少，中位數(shù)僅為1次·(6 min)-1，即約50%樣本發(fā)展階段云閃為零，且6 km以上高度層基本無云閃。

圖6 (a)發(fā)展階段,(b)成熟階段和(c)消亡階段各高度層云閃頻數(shù)分布(箱體上限為第75%分位數(shù)，下限為第25%分位數(shù)，紅線為中位數(shù)，+代表異常值)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)

3 個(gè)例分析

為了更詳細(xì)地了解冰雹云體演變過程的閃電特征，下面結(jié)合廈門雙偏振雷達(dá)資料分析兩個(gè)冰雹云個(gè)例。為了保證文中分析個(gè)例雷達(dá)偏振參量的可靠性，本文利用低反射率因子區(qū)域訂正差分反射率因子(Zdr)的方法對文中兩次降雹過程(2018年5月23日、2020年5月6日)的系統(tǒng)偏差進(jìn)行了分析、訂正。分析思路是基于：均勻的弱降水粒子(微雨滴)的形狀接近球形，Zdr趨近于0且相關(guān)系數(shù)(CC)大，因此偏振量的平均值可以作為偏振量的系統(tǒng)偏差。選取分析資料規(guī)則如下：選取冰雹過程減弱消亡階段的10個(gè)體掃的0.5°仰角，沿徑向選取水平反射率因子(Zh)為15～20 dBz、且CC>0.98對應(yīng)距離庫的Zdr數(shù)據(jù)，當(dāng)Zh≥20 dBz，舍棄該距離庫及后面的Zdr數(shù)據(jù)，重新開始另一個(gè)徑向Zdr數(shù)據(jù)的讀取，據(jù)此兩個(gè)過程分別選取了32 791個(gè)、80 869個(gè)Zdr樣本。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明兩個(gè)過程Zdr均呈正態(tài)分布(圖略)，2018年5月23日過程Zdr平均數(shù)為0.52 dB，存在系統(tǒng)性偏差，需往小訂正0.52 dB，2020年5月6日Zdr平均數(shù)為0.11 dB，在Zdr偏差允許范圍，無需訂正。下文2018年5月23日個(gè)例分析采用經(jīng)過了偏差訂正后Zdr的數(shù)據(jù)。

3.1 2020年5月6日冰雹過程

廈門S波段雙偏振雷達(dá)資料顯示，5月6日冰雹云是超級單體風(fēng)暴，強(qiáng)度強(qiáng)、高度高，在成熟階段中除了1個(gè)體掃外，最強(qiáng)強(qiáng)度均在69～76 dBz，55 dBz、60 dBz強(qiáng)回波區(qū)最高伸展高度分別達(dá)11.0 km、10.0 km。雹云15時(shí)(北京時(shí)，下同)左右初生發(fā)展至15:41進(jìn)入成熟階段，此時(shí)強(qiáng)度為71 dBz，出現(xiàn)了三體散射(TBSS)特征，TBSS長度較短僅為8 km左右，此后在移動(dòng)中快速加強(qiáng)，15:58 TBSS長度約40 km，達(dá)到生命史中最大，并出現(xiàn)了鉤狀、中氣旋、回波懸垂等超級單體特征(圖8a，8b)，此時(shí)地面已經(jīng)降雹。圖7a是該雹云單體生命史期間6 min累加閃電頻數(shù)演變，雙峰結(jié)構(gòu)對應(yīng)了兩次降雹過程，15:35時(shí)閃電頻數(shù)第一次躍升達(dá)75次·(6 min)-1左右，此時(shí)地面僅在雹云后部有弱降水，至15:47閃電驟增，11 min內(nèi)由50次·(6 min)-1躍增到275次·(6 min)-1，遞增率約為20次·min-1，云閃頻數(shù)較大，占總閃比率約為0.3。對應(yīng)的強(qiáng)回波高度上升為7.2 km，15:58閃電頻數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，地面降雹，沒有收集到冰雹直徑數(shù)據(jù)，并伴有13.5 mm·(10 min)-1的短時(shí)強(qiáng)降水，此次降雹與閃電頻數(shù)峰值時(shí)間同步，滯后于閃電頻數(shù)躍增約為11 min。之后隨著強(qiáng)回波高度由16:09的5.2 km上升至16:15的7.2 km，閃電再次加強(qiáng)，至16:21前后達(dá)到峰頂為360次·(6 min)-1左右，之后頻數(shù)維持了約5 min后開始減小。16:32強(qiáng)回波高度陡降為2.1 km，地面在16:30—16:35降下直徑為1～2 cm的冰雹，同時(shí)伴有13.1 mm·(10 min)-1的短時(shí)強(qiáng)降水。該超級單體第二次降雹滯后于閃電峰值約為9 min，滯后于閃電頻數(shù)躍增約為20 min，頻數(shù)遞增率為9次·min-1，云閃頻數(shù)較大，占總閃比率約為0.29。

圖7 (a)2020年5月6日，(b)2018年5月23日冰雹云閃電頻數(shù)時(shí)序圖Fig.7 Time series of hail cloud lightning frequency on (a) 6 May 2020 and (b) 23 May 2018

圖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)粒子相態(tài)識別(橢圓內(nèi)為強(qiáng)回波分析區(qū)，圖8d中虛線橢圓內(nèi)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)

Zdr表示水平極化和垂直極化回波的反射率因子之比的對數(shù)，與粒子總數(shù)在不同尺寸上的分布有關(guān)，一般來說，冰雹由于在下落過程中不斷翻轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，其Zdr值趨于零，尺寸較大的冰雹在其下落過程中保持自由降落狀態(tài)，Zdr<0(曹俊武和劉黎平，2006)。廈門雙偏振雷達(dá)觀測到第一次降雹前 6 min 左右在0.5°仰角(高度約為1.7 km)強(qiáng)度大于62 dBz的強(qiáng)回波區(qū)(圖8中實(shí)線橢圓內(nèi))外圍Zdr為3.0～4.0 dB，強(qiáng)中心區(qū)包裹著0.6 dB的區(qū)域，另外在強(qiáng)中心西北側(cè)的鉤狀回波中段處(次強(qiáng)中心)的Zdr也為0.6 dB，該區(qū)域差分傳播相移率(Kdp)達(dá)3.7°·km-1，兩個(gè)強(qiáng)回波中心區(qū)域CC存在明顯的低值中心，為0.85(圖8e，8f)，外圍增大為0.90～0.96，可以判斷為融化層以下采樣體積里混有大中雨滴以及外包水膜的雹粒，此時(shí)地面已開始出現(xiàn)強(qiáng)降水，10 min 最強(qiáng)降水量達(dá)13.5 mm；2.4°仰角(高度約為4.8 km)，強(qiáng)度達(dá)69 dBz的強(qiáng)中心區(qū)外圍Zdr為0.5～1.5 dB，中心區(qū)包裹著-2～-1 dB的低值區(qū)(圖8d)，強(qiáng)回波中心區(qū)的CC為0.8(圖8f)，判斷由冰雹和霰組成，當(dāng)天濕球溫度0℃層高度(WBZ)(俞小鼎，2014)、-20℃層高度分別為4.6 km、7.9 km(圖9a)。該雹云單體強(qiáng)度強(qiáng)，TBSS長度長，這是大冰雹發(fā)生TBSS時(shí)由地面反射水平偏振波與垂直偏振波的差異造成的(Picca and Pyzhkov，2012)。圖8可見TBSS回波強(qiáng)度為15～25 dBz，對應(yīng)區(qū)域Zdr出現(xiàn)由負(fù)極值到正極值的突變，其根部Zdr達(dá)7.7 dB(圖8d中藍(lán)色虛線橢圓內(nèi))，CC低至0.3～0.7，且數(shù)值分布無規(guī)律，呈現(xiàn)明顯的非氣象回波特征。通過粒子相態(tài)識別(HCL)對上述分析結(jié)果給出結(jié)論：在0.5°仰角對應(yīng)高度主要為大中降水粒子和冰雹粒子相伴；2.4°仰角對應(yīng)高度由冰雹和霰組成(圖8g,8h)。

16:21該冰雹云第二次降雹前TBSS長度仍有20 km，0.5°仰角(高度約為2.3 km)68 dBz強(qiáng)回波中心處Zdr為-1.0 dB，外圍為3.0～4.0 dB，該區(qū)域差分傳播相移率Kdp達(dá)3°·km-1，CC為0.85～0.96，判斷為大中雨滴和下降到融化層下的外包水膜冰雹的混合水凝物，2.4°仰角(高度約為6.2 km)強(qiáng)度達(dá)73 dBz的強(qiáng)中心區(qū)Zdr為-1.5～0.5 dB，CC為0.8左右，判斷以冰雹為主(圖略)。

圖9a是本次降雹過程三個(gè)階段云閃頻數(shù)、雷達(dá)回波強(qiáng)度和強(qiáng)回波高度時(shí)序圖，由圖可見，三個(gè)階段云閃主要分布在2～6 km高度層，成熟階段頻數(shù)是三個(gè)階段中最高的，達(dá)715次，該階段3～4 km高度層頻數(shù)為最高的，達(dá)346次，6～8 km高度層頻數(shù)低至25次；消亡階段頻數(shù)次之，發(fā)展階段頻數(shù)最低。三個(gè)階段地閃頻數(shù)分別為102、2 037、396次，成熟階段地閃頻數(shù)也是三個(gè)階段中最高的(圖略)。距離雹暴約100 km的廈門雷達(dá)探測到的強(qiáng)回波高度時(shí)序圖上，發(fā)展、消亡階段強(qiáng)回波高度均較低，成熟階段除了兩次降雹前高度分別由前一個(gè)體掃陡降為4.4 km、2.1 km外，大部分高度維持在5.2～7.2 km，居于WBZ與-20℃層高度之間，60 dBz強(qiáng)回波區(qū)伸展到-30～-20℃高度層，可見在有利冰雹增長的高度(-30～-10℃)是冰相粒子尺度最大或密度最大的區(qū)域，而其余兩個(gè)階段強(qiáng)回波中心高度更低，對比各時(shí)段閃電頻數(shù)與高度對應(yīng)關(guān)系，相關(guān)性較大。

圖9 (a)2020年5月6日，(b)2018年5月23日云閃各高度層頻數(shù)分布和回波強(qiáng)度及強(qiáng)回波伸展高度時(shí)序圖(柱狀為各高度層云閃頻數(shù)，實(shí)線為最強(qiáng)回波高度，實(shí)線上圓點(diǎn)為對應(yīng)體掃最強(qiáng)回波強(qiáng)度，虛線為60 dBz強(qiáng)回波伸展高度，橫線分別是濕球溫度0℃層高度和-20℃層高度)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)

3.2 2018年5月23日冰雹過程

廈門S波段雙偏振雷達(dá)資料顯示，5月23日冰雹云從16:51初生發(fā)展至18:21消亡，生命史約為90 min，該冰雹云強(qiáng)度相對弱，在一個(gè)多小時(shí)的成熟階段中除了一個(gè)體掃最大回波強(qiáng)度達(dá)到66 dBz外，其余均在65 dBz以下，55 dBz、60 dBz強(qiáng)回波區(qū)最高伸展高度分別為9.1 km、7.6 km，生命史中未出現(xiàn)中氣旋、鉤狀、回波懸垂等超級單體特征，僅有較弱的、短暫的強(qiáng)回波傾斜結(jié)構(gòu)和旁瓣，以及約十幾分鐘的TBSS特征，在2.4°仰角(高度約為7.5 km)TBSS長度最長，也僅為8 km左右(圖10b)。圖7b是該雹云單體生命史期間6 min累加閃電頻數(shù)演變圖，在17:20閃電頻數(shù)開始躍升，至17:31由26次·(6 min)-1躍增到峰頂為122次·(6 min)-1，遞增率為8.7次·min-1，之后開始減小。17:45強(qiáng)回波高度降為3.5 km，地面在17:50—17:55降下直徑為8 mm的冰雹，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水。該單體降雹滯后于閃電峰值時(shí)間約為19 min，滯后于閃電頻數(shù)躍增時(shí)間約為30 min，云閃頻數(shù)較大，云閃與總閃比率約為0.4。

圖10 同圖8，但為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

雷達(dá)觀測到降雹前9 min在0.5°仰角(高度約為2.8 km)，51 dBz強(qiáng)回波中心區(qū)(圖10中實(shí)線橢圓圈內(nèi))Zdr為-0.3 dB，周圍為0～1.5 dB區(qū)域，夾雜著小塊2.8 dB的大值區(qū)(圖10c)，該區(qū)域差分傳播相移率(Kdp)達(dá)4°·km-1，CC為0.85～0.97(圖10e)，可以判斷為冰雹粒子下降到融化層下形成外包水膜的小冰雹和大雨滴相伴，并且以大雨滴為主，此時(shí)地面已出現(xiàn)強(qiáng)降水，5 min降水量為6 mm，此后10 min大田本站降水量達(dá)17.8 mm；1.5°仰角(高度約為5.2 km)，64 dBz強(qiáng)回波中心區(qū)Zdr為-0.5 dB，周圍夾雜著0～1.5 dB的區(qū)域，CC為0.85～0.97(圖10f)，判斷為固態(tài)中小冰雹及雨滴組成，當(dāng)天WBZ為4.7 km，-20℃層高度為8.1 km(圖9b)。與5月6日雹云單體相比，該單體強(qiáng)度更弱，TBSS長度僅為約8 km，對應(yīng)的Zdr由負(fù)極值到正極值的突變也沒有前例明顯，CC值也更大，其根部Zdr僅為2.8 dB(圖8d中藍(lán)色虛線橢圓內(nèi))。上述分析結(jié)果由粒子相態(tài)識別(HCL)給出結(jié)論：在低層0.5°仰角主要為大雨滴和干、濕冰雹粒子相伴；1.5°仰角(高度約為5.2 km)以冰雹為主。

圖9b是本次降雹過程三個(gè)階段云閃頻數(shù)、雷達(dá)強(qiáng)回波高度時(shí)序圖，從圖上可見，三個(gè)階段云閃主要分布在2～6 km高度層，成熟階段云閃頻數(shù)是三個(gè)階段中最高的為244次，該階段3～4 km高度層云閃頻數(shù)為最高的，達(dá)158次；6～8 km高度層頻數(shù)僅4次；消亡階段云閃最少為12次。三個(gè)階段地閃頻數(shù)分別為45、293、27次，成熟階段地閃頻數(shù)也是三個(gè)階段中最高的(圖略)。雷達(dá)強(qiáng)回波高度時(shí)序圖上，成熟階段除了降雹前高度由前一個(gè)體掃陡降為3.5 km外，高度維持在3.8～6.4 km，居于WBZ上下與-20℃層高度之間，60 dBz強(qiáng)回波區(qū)伸展高度在-20℃層以下。

3.3 兩個(gè)冰雹云對比

上述兩個(gè)個(gè)例中：第一個(gè)雹暴閃電頻數(shù)次峰為275次·(6 min)-1、主峰為395次·(6 min)-1，次峰對應(yīng)的降雹直徑不詳，主峰對應(yīng)的冰雹直徑為1～2 cm；第二個(gè)雹暴閃電峰值為123次·(6 min)-1，對應(yīng)的冰雹直徑為8 mm；降雹前閃電頻數(shù)普遍有躍增現(xiàn)象，第一個(gè)冰雹云在峰值降雹后出現(xiàn)開始第二輪降雹前，仍有閃電躍增達(dá)到峰值現(xiàn)象；兩個(gè)冰雹云降雹期間總閃、地閃、云閃的變化趨勢一致，第一個(gè)冰雹云正地閃、正云閃與總閃、地閃、云閃的變化趨勢一致，第二個(gè)冰雹云正地閃、正云閃整個(gè)過程均處于低值區(qū)，即第二個(gè)冰雹云正閃無明顯增大。通常而言，閃電頻數(shù)與云頂伸展高度有較好的正相關(guān)性，閃電活動(dòng)多依賴于對流的發(fā)展(張義軍等，2009)。為了了解冰雹云閃電與雷達(dá)回波強(qiáng)度、對流發(fā)展高度之間關(guān)系，計(jì)算了兩個(gè)冰雹云各階段閃電頻數(shù)和雷達(dá)回波平均最強(qiáng)強(qiáng)度及強(qiáng)回波高度(表1)。

表1 2020年5月6日和2018年5月23日兩個(gè)冰雹云各階段閃電頻數(shù)、比值和雷達(dá)回波強(qiáng)度及強(qiáng)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

比較圖9和表1可見，2020年5月6日個(gè)例平均強(qiáng)度各階段均大于2018年5月23日個(gè)例，前者成熟階段最強(qiáng)回波強(qiáng)度基本上均在70～75 dBz， 60 dBz的強(qiáng)回波垂直擴(kuò)展超過-20℃等溫線高度，有幾個(gè)體掃已超過-30℃層高度(當(dāng)天H-30為9.3 km)，后者強(qiáng)度維持在60～65 dBz，60 dBz的強(qiáng)回波垂直擴(kuò)展在-20℃等溫線以下。這些特征與俞小鼎等(2020)總結(jié)得出的強(qiáng)冰雹的多普勒天氣雷達(dá)回波特征包括高懸的強(qiáng)回波(55 dBz的強(qiáng)回波垂直擴(kuò)展超過-20℃等溫線對應(yīng)的高度以上)及出現(xiàn)65 dBz以上的強(qiáng)回波的結(jié)論相符合。前者成熟階段H60比后者高2.3 km，HT也高1.5 km，表明兩個(gè)冰雹云對流發(fā)展高度存在明顯的差異，與之對應(yīng)的前者閃電頻數(shù)是后者的5倍多，正地閃比率前者是后者的兩倍多，正云閃比率則是近6倍，前者冰雹直徑為1～2 cm，后者直徑為8 mm。統(tǒng)計(jì)前述31個(gè)雹暴單體，發(fā)現(xiàn)25個(gè)(占總數(shù)80.6%)單體有此相似特征，即H60越高，閃電頻數(shù)、正地閃或正云閃比值越大，H60越低，閃電頻數(shù)、正地閃或正云閃比率越小。

4 結(jié)論與討論

(1)降雹前總閃電頻數(shù)峰值約有2/3在50次·(6 min)-1以上，閃電峰值越大，可能產(chǎn)生的冰雹直徑越大；大多數(shù)冰雹單體地面降雹時(shí)間為閃電峰值出現(xiàn)后3～25 min內(nèi)；

(2)降雹前閃電頻數(shù)躍增，閃電躍增提前于降雹時(shí)間為6～40 min；

(3)成熟階段云閃是三個(gè)階段中最多的，發(fā)展階段最小，云閃與總閃比值也相同；

(4)冰雹單體三個(gè)階段云閃集中分布在2～6 km 高度層，前兩個(gè)階段3～4 km高度層的云閃頻數(shù)最高；

(5)Zdr、CC等參數(shù)及粒子相態(tài)識別分析表明雹云降雹前融化層以上由冰雹和霰組成，融化層下由干、濕冰雹和雨滴組成，低層則主要由濕冰雹和中大雨滴組成；

(6)閃電頻數(shù)、正地閃或正云閃占比率與回波強(qiáng)度、最強(qiáng)回波高度、強(qiáng)回波伸展高度呈正相關(guān)；

(7)本文閃電頻數(shù)的計(jì)算是基于雷達(dá)觀測到的單體，且動(dòng)態(tài)追蹤整個(gè)生命史，剔除了其他風(fēng)暴單體的數(shù)據(jù)干擾，相較于對固定區(qū)域進(jìn)行閃電頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，能較好地追蹤并反映雹暴整個(gè)生命史中閃電頻數(shù)的演變。由于VLF/LF三維閃電監(jiān)測儀器是采用數(shù)字波形鑒別技術(shù)識別閃電，識別效率還可以進(jìn)一步提高，配合雙偏振雷達(dá)各參量，上述預(yù)警指標(biāo)可以有效地識別預(yù)警冰雹。