引言

冰雹天气的发生具有局地性、突发性和短时性特点，常伴随大风、闪电和短时强降水，易造成农作物受灾，甚至人畜伤亡，是贵州主要气象灾害之一。冰雹的监测预警一直成为研究的重点和难点，特别是冰雹云的提前识别及预警极为困难。如何进一步提前识别冰雹云和尽早发布灾害预警信息是防灾减灾迫切需要解决的问题。天气雷达可以对强对流天气进行有效探测，而闪电定位能够监测强对流天气发生和发展，因此国内外专家和学者基于雷达与闪电资料对冰雹云监测和识别开展了相关研究工作，取得了一定成果。强冰雹最基本的雷达回波特征是具有高悬的强回波(Johns et al., 1992；俞小鼎等，2006)，即50 dBz以上的强回波扩展到-20 ℃层等温线高度以上，且0 ℃层高度小于5 km。基于冰雹云所呈现的雷达回波特征，国内研究人员基于雷达回波形态结构、回波强度、回波高度以及垂直累积液态含水量(VIL)等雷达产品，对不同区域冰雹个例雷达参量进行统计分析，进而构建了本地化冰雹云雷达识别指标概念模型(覃靖等，2017；李冬梅等，2018；严红梅等，2019；张崇莉等，2019)。通常，雷暴云发展过程中负地闪大于正地闪的发生频次，但对冰雹云的闪电统计发现正地闪发生的比例较高(Carey et al., 1988；Liu et al., 2009)。MacGorman等(1994)观测研究了15次雷暴过程闪电特征，指出产生较大冰雹的雷暴正地闪频率较高。Branick等(1992)、Soula等(2004)对降水过程和降雹过程闪电特征进行了观测研究，指出降雹过程中地闪的频次低于降水过程雷暴，但降雹过程正地闪比例却高于降水过程。国内研究发现冰雹云发展演变过程中闪电频次呈现规律变化，闪电频次的峰值提前量对降雹具有一定的指示作用(黄彦彬和王振会，2001；李照荣等, 2005, 王红和张永军，2014)。同时，冰雹云演变过程中闪电极性的反转和闪电空间分布特征也得到了系统研究(冯桂力等，2001；李永果等，2008)，进一步提升了闪电资料在强对流天气中的应用潜力。

我国冰雹的分布具有明显的季节性，沿山系伸展，整体上呈“一区两带”分布(符琳等，2011；赵金涛等，2015)。青藏高原是最大的一片多雹区，高原以东，大致可分为南北两个多雹带。南方多雹带主要分布在海拔1 000~2 000 m的云贵高原，云贵高原冰雹带又集中分布在云贵高原台地和斜坡过渡带区域，主要位于云南东部和贵州中西部(段玮等，2017)。云贵高原斜坡过渡带区域总体上具有相似的地形地貌特征，从高海拔的高原台地(或山区)逐渐过渡到低海拔的平原丘陵地区，有别于高原和平原地区，在地形地貌上具有独特性。另一方面，云贵高原台地及斜坡过渡带区域是云贵准静止锋、西南低涡、冷锋等主要天气系统的摆动区域，复杂地形与天气系统的结合使得中短期预报难度比较大。

综上，雷达资料与闪电资料在强对流天气监测和预警具有重要意义和价值。关于冰雹云雷达回波特征研究主要基于雷达回波参量的统计分析，而对冰雹云完整生命史回波特征参量时序变化特征分析尚少。同时，在云贵高原及斜坡过渡带目前尚未开展有关冰雹云闪电特征的研究。本文研究的切入点为对云贵高原斜坡过渡带一次典型多单体冰雹天气过程雷达回波演变与闪电特征进行综合分析，以期促进雷达、闪电资料在冰雹天气监测预警和人工防雹作业指挥中的应用。

1 资料与方法 1.1 资料说明

雷达资料来源于2017年4月5日贵州贵阳和都匀新一代天气雷达(CINRAD/CD)观测资料，都匀雷达资料作为贵阳雷达静锥区的补充。闪电数据来源于贵州省三维闪电探测网，目前贵州省共建设有16台VLF/ LF闪电探测站，组网实现全省范围内全闪(云闪与地闪)数据实时观测。VLF/LF闪电探测站通过接收闪电回击辐射的VLF/LF脉冲信号，采用时间到达定位(TOA)方法，实现闪电VLF/LF辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位。地面降雹资料来源于人影作业站点上报和灾情调查收集数据。

1.2 研究方法

利用新一代天气雷达(CNIRAD/CD)回波强度特征参数提取技术，提取冰雹云单体雷达回波最大强度值与回波顶高。冰雹云雷达回波特征参数提取技术处理方法为：第一，根据冰雹云雷达回波平面显示(PPI)或组合反射率(CR)分布情况，确定冰雹云雷达回波强中心检索区间，检索区间以距离和方位确定；第二，循环读取雷达立体扫描(VOL)数据中每层PPI回波强度值进而获得每层PPI扫描回波强度最大值及出现的方位和距离。第三，通过最大回波强度值所在的方位角生成径向垂直距离高度显示产品(RHI)；第四，采取边界轮廓提取技术实现分层阈值0 dBz、5 dBz、10 dBz等不同回波强度对应高度值的提取。闪电数据采用数理统计方法对冰雹过程每5 min时段内地闪(正闪和负闪)的频次变化进行统计分析，根据雷达回波宏观演变特征并结合降雹地点区域信息，筛选出属于研究冰雹过程区域范围内的闪电数据，避免闪电数据受其它附近雷暴闪电数据的干扰，保证闪电数据的质量。

2 冰雹天气过程概况

图 1给出2017年4月5日16:00—23:59 (北京时，下同)降雹与闪电分布。从图 1可见，此次强对流天气过程降雹主要集中在贵州中部地区，闪电主要发生在中部一线，以负地闪发生为主。冰雹天气过程主要为三个脉冲单体自贵州西部织金、纳雍相继生成并向东部移动，18:09首次在清镇辛店镇降下直径10 mm的冰雹，随后冰雹云自西向东横扫贵阳市南部地区，贵阳市南部市县共14乡镇出现冰雹，最大冰雹直径为贵阳市花溪区周家寨村20 mm，清镇市20:38出现27 m·s^-1的雷暴大风。降雹发生呈“雹打一条线”特征，闪电发生与降雹区域相对应，因此本研究以脉冲单体雷达回波演变特征和闪电发生特征为研究切入点，旨在揭示此次冰雹天气过程雷达回波演变与闪电特征。

3 环流背景与条件 3.1 环流背景

图 2给出2017年4月5日高低空天气分析图。2017年4月5日08—20时，500 hPa四川东部到云南西部有高空槽东移影响贵州，槽后有温度槽配合，使得高空槽东移加强，最大涡度达到50×10^-3 s^-1，有利于槽前正涡度的形成和发展(图 2a)。700 hPa和850 hPa贵州中南部西南风分别达到14~18 m·s^-1和10~12 m·s^-1，有低空急流建立，沿着850 hPa急流有温度脊向贵州伸展(图 2b、c)，有利于850 hPa切变南侧贵州区域不稳定能量和水汽的快速累积增加。200 hPa贵州西部处于高空急流入口区，贵州上空为大范围的辐散区，散度值大于20×10^-3 s^-1，有利于上升运动的加强，从而增强对流的发展。海平面气压场上西南热低压和西北低压持续增强，08—23时贵州中部威宁、织金、贵阳、三穗、铜仁一带辐合线维持并加强，有利于对流云沿辐合线生成东移，同时地面热低压发展，近地面气温快速上升也使层结向不稳定发展，有利于对流的生成。

3.2 环境条件

图 3为2017年4月5日08时和20时贵阳站T-Lnp图。5日白天因近地面辐射加热升温，K指数从18 ℃增加到39 ℃，SI指数从0.5 ℃减小到-1.51 ℃，大气层结向不稳定层结发展。贵州中部对流有效位能(CAPE)从0 J·kg^-1增加至518 J·kg^-1，而下沉对流有效位能(DCAPE)累积到246.73 J·kg^-1，存在对流天气产生的环境潜在能量和降水拖曳形成地面大风的潜在能量。0—6 km风的垂直切变从15.38 m·s^-1增加至22.42 m·s^-1，垂直风切变较强，利于对流云团移到贵州中部后组织发展，形成深厚湿对流。大气对流温度T_g从16.7 ℃增加至24.5 ℃，当日贵州中部最高气温在25~26 ℃之间，超过对流温度，700 hPa与500 hPa温度差贵州大部均在16 ℃以上，为层结不稳定，表明当日的热力条件有利于对流云的生成。强对流天气发生前，贵州中部湿层厚度从87 hPa增加至211 hPa，预示水汽在贵州中部累积，水汽条件对短时强降水的发生有利。强对流天气发生前(20时) 0 ℃层高度在4 405 m，-20 ℃层高度在7 450 m，均处于发生冰雹的有利高度。

4 冰雹云雷达回波特征分析 4.1 雷达回波演变

多普勒天气雷达产品具有较高的时空分辨率，对强对流天气过程的监测和分析具有重要作用。此次冰雹天气过程雹云回波单体主要生成于贵州织金、纳雍一带，是贵州省主要冰雹源地之一，雹云单体在自西向东移动过程中不断发展加强，其中两个单体移动方向偏北(记为A、B单体)，另一单体移动方向偏南(记为C单体)。图 4为该强对流天气过程贵阳雷达(图 4a—f)与都匀雷达(图 4g—i)不同时次的组合反射率。从图 4a—f可见，三个单体移动方向均为自西向东，移动方向几乎平行，回波强度在移动过程中加强，回波结构密实且回波中心体边缘强度梯度大。A、B、C三个对流单体生成时间分别为16:37、17:08和17:13，A单体平均移动速度约为36 km·h^-1，于19:07—19:51先后造成修文县城、白云牛场乡和乌当区水田镇降雹，最大回波强度达72 dBz (图 4c、d)，之后回波减弱并在20:27开始逐渐消散转为降水回波(图 4e、f)。B单体平均移动速度约为30 km·h^-1，在18:09—19:22沿途造成清镇北部的王庄乡、卫城镇、暗流镇降雹，最大回波强度达70.5 dBz (图 4b、c)，随后单体开始慢慢减弱并于22:00后消散。C单体移速约为39 km·h^-1，于19:45左右从清镇市西南方向过境向贵阳方向移动并在沿途造成清镇市城区强风雹和贵阳城区的降雹(图 4d—h)，最大回波强度达72.5 dBz，C单体在22:00以后逐渐减弱消散(图 4i)。

4.2 冰雹云单体回波强度与高度时序变化特征

冰雹云是一种发展较为旺盛的对流云，其发展过程经历积云阶段、成熟阶段和消散阶段。黄美元和王昂升(1980)通过观测分析研究，将冰雹云演变过程细分为发生、跃增、孕育、降雹和消散五个阶段。邹书平等(2017)对贵州山区冰雹云跃增特性开展研究，提出了基于雷达回波强度梯度的分类方法，对冰雹云“跃增”阶段的特征分为波动型、递增型、跃增型三类。梯度主要用来表征物理量在一定时间内变化的最大值，文中回波强度梯度计算主要基于以下方法

$ \nabla Z=\Delta Z / \triangle T $

(1)

其中，△Z为回波强度最大变化差值(dBz)，△T为回波强度最大变化差值持续时间(min)，▽Z为回波强度梯度(dBz·min^-1)。三种增长类型判别标准分别为：0 dBz·min^-1＜▽Z＜0.3 dBz·min^-1为波动型增长，0.3 dBz·min^-1≤▽Z＜0.6 dBz·min^-1为递增型增长，▽Z≥0.6 dBz·min^-1为跃增型增长。

图 5给出A冰雹云单体最大回波强度与18 dBz回波顶高时序变化。A冰雹云单体生成于织金东北部(105.92°E，26.79°N)，16:37—17:44为发生期，初始回波最大强度为37.5 dBz，回波顶高为5.6 km，17:44回波强度增加至50.5 dBz，回波顶高达到7.5 km左右。17:44—18:11为跃增期，云体尺度迅速展宽，回波强度和高度迅速增加，回波强度增加梯度为0.72 dBz·min^-1，18:11回波最大强度增至70 dBz，回波顶高增至8.7 km，跃增期单体属“跃增型”增长。18:11—19:03为孕育期，最大回波强度达到70.5 dBz，回波顶高达到10.2 km，19:07—19:51为降雹期，冰雹云单体移动发展相继引起修文城区(19:07)、白云牛场(19:30)、乌当水田镇(19:51)降雹，前两次降雹冰雹直径为5 mm，单体回波强度和顶高呈现波动减小趋势但减幅不大，在乌当水田降下15 mm冰雹后雹云单体进入消散阶段，20:00以后回波强度和高度急速减小，转为降水回波。

图 6给出B冰雹云单体最大回波强度与18 dBz回波顶高时序变化。分析可知，B冰雹云单体生成于织金北部(105.74°E，26.76°N)。17:08—17:18为发生阶段，该阶段回波发展迅速，10 min左右回波中心强度由27.5 dBz增至42.5 dBz，回波顶高很快达到8.3 km左右。17:24—17:50为跃增阶段，回波强度增加梯度为0.69 dBz·min^-1，回波中心强度由42.5 dBz增至62.5 dBz，回波顶高增加到10.1 km，属于“跃增型”增长。之后18 min为孕育期，回波强度增至68 dBz，回波顶高维持在9.0 km以上。18:09—19:22为降雹期，相继引起清镇新店镇(18:09)、清镇暗流乡(18:37)、清镇卫城镇(19:22)降雹。B冰雹云单体在前两次降下10 mm冰雹后回波强度减弱不明显，回波顶高波动剧烈呈总体减少趋势，在最后一次降下10 mm冰雹后，雹云单体进入消亡阶段，回波强度和高度开始波动减小。

图 7给出C冰雹云单体最大回波强度与18 dBz回波顶高时序变化。C冰雹云单体生成于纳雍中部(105.26°E，26.74°N)。17:13—18:00为发生期，单体形成初期最大回波强度为39.5 dBz，回波顶高为4.2 km，18:00回波强度达到50 dBz，回波顶高为8.2 km。18:00—18:32为跃增期，回波强度增加梯度为0.48 dBz·min^-1，回波中心强度跃增至64.5 dBz，回波顶高伸展至12.5 km，属于“递增型”增长。18:37—20:21为孕育期，回波强度增至72.5 dBz，回波顶高一直维持在10.0 km左右。20:21—21:34为降雹期，冰雹云单体移经清镇(20:38)城区产生26 m·s^-1雷暴大风，之后单体向贵阳城区靠近并于21:21降下6 mm冰雹，密度达到100粒·m^-2，最后移至花溪区降下20 mm大冰雹。21:40后冰雹云进入消散阶段，回波强度和顶高迅速减小，转为降水回波而逐渐消散。

综上分析，A、B冰雹云单体属“跃增型”增长，C单体属“递增型”增长，增长方式有所区别，但均造成多站次降雹，呈现出雹云单体在一次降雹后继续获得能量补充继续发展现象。从冰雹云孕育时间看，C单体最长，A单体次之，B单体最短。结合降雹实况，C单体产生高密度和最大冰雹直径，并产生26 m·s^-1雷暴大风，A单体降雹最大直径大于B单体。因此，雹云在达到成雹条件后，孕育阶段时间长短对冰雹的生长大小及数量有一定贡献，这有待今后使用更多完整生命史冰雹个例给予详细分析。

5 冰雹云闪电特征分析

天气雷达作为探测强对流天气的有效手段，能够直观观察强对流天气的发生和发展，但雷达在低仰角或天气过顶时存在探测盲区，这在贵州高原山区表现尤为突出，闪电资料可以作为天气雷达进入探测盲区后的资料补充。以下对此次冰雹天气过程闪电特征进行分析。

5.1 闪电统计特征

考虑地闪、云闪、雷达和地面观测资料的完整性，对VLF/LF三维闪电监测系统观测到2017年4月5日发生在贵州中部六个降雹区域内的总闪、地闪和云闪数据进行了统计分析，统计结果如表 1所示。为了便于分析，总闪、地闪和云闪分别记为TL、CG和IC。正闪比、负闪比、云闪比和云闪比率分别记为POP、NOP、IOP、Z，分别按以下公式计算

$ POP=(+CG/TL)×100\% $

(2)

$ NOP=(-CG/TL)×100\% $

(3)

$ IOP=(IC/TL)×100\% $

(4)

$ Z=IC/CG $

(5)

其中，+CG、-CG分别表示正地闪和负地闪。

从表 1可知，在六个降雹区域中清镇没有发生云闪，其余降雹点均有云闪发生，说明并不是所有的降雹过程都伴随着云闪发生。通常，雷雨云与冰雹云发展过程中均会伴有云闪发生，云闪的发生是建立在云体内不同荷电中心已经基本形成，达到放电条件才会触发。地闪发生提前于降雹的平均时间为66 min，云闪提前降雹的平均时间为52 min。言穆弘等(1996a, 1996b)、张义军等(1999)利用模式研究雷暴电活动指出，闪电活动与强上升气流之间存在较好相关性，同时需要一定浓度和大小的水成物粒子作为荷电基础。Zipser (1994)、Petersen等(1996)研究热带海洋雷暴指出，在-10 ℃层上升气流速度至少要达到6~7 m·s^-1才会有闪电发生。因此，闪电的发生只意味着云体内含有大量的雹胚(毫米级冰粒子)水成物粒子以及上升气流速度超过7 m·s^-1，只是具备冰雹形成的条件。所以地闪、云闪发生的时间提前量不能作为冰雹预警识别的参考指标，还需结合闪电频次变化特征。

从表 1不同类型闪电发生比例可知，6个降雹区域平均POP、NOP、IOP分别为12.17%、61.5%、26.33%，闪电发生主要以负地闪为主，正地闪发生较少。平均正闪比12.17%高于2006—2015年贵州省正地闪比例的气候特征值4.02% (吴安坤等，2017)，为正地闪气候特征值的3.03倍，说明冰雹天气过程较其它雷雨天气过程具有较高正闪比例。平均正闪比12.17%远低于京津冀地区和山东地区冰雹天气过程中的正闪比值(陈哲彰，1995；冯桂力等，2008)。本文仅针对一次多单体冰雹过程进行分析，后续需要统计更多个例来给出平均正地闪特征值。从Z值分布看，剔除1次无云闪发生(降雹区域清镇)，Z值在0.18~0.82之间，平均Z值为0.498，说明此次多单体冰雹天气过程主要是地闪发生占优，云闪发生低于地闪发生。

结合降雹过程降水量可知，较高正地闪比例的降雹区域(如修文和清镇)的降水量偏低，相反，正地闪比例较低的其它4个降雹区域却伴随较高的降水量，这个结论与国内外关于弱降水的超级风暴中容易发生较高正地闪比例的观测结论一致，其产生机制还有待于继续研究和探讨。

5.2 闪电频次变化特征

为更好认识冰雹云发展过程中闪电的时间变化特征，对此次过程中偏北路径和偏南路径六个降雹区域降雹时间前后闪电频次变化进行统计分析。图 8给出六个降雹区域地闪(正地闪和负地闪)频次每5 min时间变化。分析可知，六个降雹区域在降雹时刻之前地闪频次(5 min时段内地闪频次，下同)出现跃增现象并伴随地闪频次峰值。图 8a—c中降雹区域在降雹后出现地闪频次二次增长，之后闪电频次波动减少至无闪电发生，而图 8d—f中降雹区域在降雹后闪电频次陡降至无闪电发生。结合地闪频次峰值时间，5个降雹区域(图 8a、c—f)地闪频次峰值提前时间量分别为2 min、5 min、1 min、10 min、1 min、25 min，平均提前7.3 min，即在地闪频次跃增至峰值后平均约在7.3 min后开始出现降雹。以上分析说明，地闪频次在冰雹天气过程中表现出跃增特性，地闪频次的峰值时间对降雹具有一定的指示作用，这对适时开展人工防雹作业具有很好的应用参考价值。

冰雹云演变过程主要分为发生、跃增、孕育、降雹和消亡五个阶段，在冰雹云发生、跃增、孕育阶段中，云体中冰相粒子(冻滴、冰晶、霰、冰雹)由少变多，不同冰相粒子在强烈上升气流作用下碰撞引起电荷极性与电荷量的转移，不断建立不同极性荷电中心，达到放电条件产生云闪或地闪。因此，闪电的发生也经历发生、跃增阶段。而在降雹、消亡阶段，对流云体内冰相粒子显著减少，参与放电的冰相粒子减少，闪电的发生也随之减少，这能够解释降雹之前闪电频数的跃增和降雹后闪电频次的陡降。降雹区域地闪频次出现二次增长主要因雹云单体空间尺度大，在前一个降雹区域降雹后，雹云单体继续获得能量补充，在上升气流的支撑下继续发展，在单体移入下一个降雹区域之前，闪电频次在前一个降雹区域出现二次增长。闪电频次没有出现二次增长可能是冰雹云在一次降雹后冰相粒子大量消耗所致。以上分析间接表明，冰雹云中粒子起电机制主要以非感应起电机制为主，闪电的发生对冰相粒子具有一定的依赖性。

5.3 闪电空间分布特征

为了获得闪电的空间分布特征，提取脉冲单体强回波核移动路径(图 9a，A、B、C分别为三个脉冲单体)并与冰雹过程逐时地闪分布(图 9b)进行比对，可以看出地闪发生呈带状分布，地闪主要集中分布在冰雹源地和脉冲单体移动路径上，在雹云发生发展和降雹过程中，主要以负地闪发生为主，且负闪发生较为密集。地闪发生移动路径与脉冲单体移动路径基本一致，故闪电逐时空间分布在一定程度上对冰雹云移动发展具有一定指示意义。

对不同路径上降雹点的闪电特征进行分析发现，A、B脉冲单体属于“跃增型”增长，在降雹区域产生的闪电平均NOP、POP和Z值分别为51%、12%和0.62，C脉冲单体属于“递增型”增长，在降雹区域平均NOP、POP和Z值分别为72%、12%和0.21。因此，“跃增型”脉冲单体云闪发生比“递增型”脉冲单体活跃，这可能与跃增型脉冲单体在回波强度和高度增长方式上强于递增型脉冲单体，更能触发云闪事件的发生。跃增型与递增型增长脉冲单体在闪电发生空间位置分布上没有差异，均沿脉冲单体移动方向呈带状分布。

通过对冰雹天气过程闪电特征的分析可知，闪电信息对冰雹云的发生发展具有一定指示作用，尤其是降雹前闪电频次提前跃增、地闪频次峰值提前以及闪电发生的空间分布与冰雹云发展移动方向具有一致性的特点，可以用于强对流的监测预警。

6 结论与讨论

本文利用三维闪电监测网数据，结合新一代天气雷达资料，对2017年4月5日贵州中部一次多单体冰雹天气过程中雷达回波与闪电特征进行了分析，主要结论如下：

(1) 此次多单体冰雹天气过程是在高空槽和低空切变线配合的有利天气背景下，贵州西部的纳雍和织金生成的雹云单体沿着两条近乎平行路径东移造成的。

(2) 三个冰雹云单体移动发展过程中表现不同的增长特性，偏北路径单体属于“跃增型”增长，偏南路径单体属于“递增型”增长。“递增型”雹云单体具有较长的孕育时间，其产生的冰雹直径及密度高于“跃增型”雹云单体。

(3) 地闪频次5 min变化在降雹之前出现“跃增”现象，伴随地闪频次峰值。地闪频次峰值时间提前于降雹时间平均为7.3 min，地闪频次的提前跃增及提前量对降雹具有一定的预警指示意义。

(4) 在冰雹云不同移动路径上，“跃增型”冰雹云单体与“递增型”冰雹云单体平均正闪比和负闪比相当，但“跃增型”单体Z值远高于“递增型”单体，在闪电发生空间分布上没有差异性，均沿脉冲单体移动方向呈带状分布。

(5) 闪电发生空间分布与雹云回波移动方向基本一致，闪电逐时分布标识出冰雹云的发展移动方向，对冰雹云移动发展具有指示作用。

本文仅对一次多单体冰雹天气过程中雷达回波与闪电特征进行了分析，初步得到了多单体冰雹云雷达回波发展演变特征及闪电活动特征。另外，资料来源较为单一，有待今后结合星载闪电资料和双线偏振雷达资料，从动力机制、电结构与冰雹云微物理过程等方面，提取更多对冰雹云具有指示意义的雷达回波与闪电特征量，为冰雹云识别和短时预警预报提供技术支撑。