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《中国科学院研究生院》 2008年
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闪电活动与降水的相关关系研究

郑栋  
【摘要】: 为提高我国闪电资料在强天气过程以及降水预警中的应用以及闪电活动的预警、预报水平,本文综合利用了总闪数据,地闪数据,降水观测,雷达观测,TRMM卫星观测、大气平均电场仪以及探空等数据,主要分析了我国部分区域的闪电活动与地面降水的关系、闪电活动与云内粒子的关系、闪电特征与降水类型的关系、以及动力、微物理过程对雷暴电荷结构和闪电活动的影响等。分析得到的一些定量结果将为闪电资料在强天气和降水预报中的应用提供参考,在当前预报模式中加入相关粒子与闪电关系的定量化分析结果也将提高对闪电活动的预警预报水平。相关分析有助于加深对雷暴内部动力、微物理过程与电活动特征和降水特征的关系认识,拓展闪电资料的应用领域,推动“闪电气象学”的发展。各章主要的研究内容和结论如下: 第一章为相关研究进展及本研究的必要性、目的、意义和创新性。 第二章的分析表明,随纬度增高,气候由潮湿趋向相对干旱,地闪活动与地表降水在时空分布上的线性关系增强。江西和福建部分区域,地闪与它所对应降水的线性相关系数在分别按照逐日、逐旬、逐月变化考虑时各自为0.56、0.73、0.74;河南和陕西部分地区两者的相关系数分别为0.46、0.86、0.88;北京及其周边区域两者的相关系数分别为0.56、0.89、0.97;黑龙江地区两者的相关系数分别为0.80、0.92、0.99。上述四个区域地闪与降水空间线性相关性也依次增强。 第三章主要使用雷达和SAFIR全闪定位资料分析了北京及其周边地区18次雷暴过程中闪电活动与地面降水及相关雷暴特征的关系。分析发现,单个闪电可以表征平均2.65×107kg的对流降水,单个云闪可表征平均3.74×107kg的对流降水,单个地闪可表征平均11.32×107kg的对流降水。在不同雷暴或雷暴的不同阶段,总闪与降水的关系比地闪稳定。每个闪电所表征的对流降水量在统计规律中表现出随闪电活动增强而减小的趋势。利用总闪数据参数化对流降水量的方程为:MCR=1.574×107FTL+2.956×108,其中MCR表示对流降水量,单位:kg,FTL表示总闪频次,单位:个/6min。利用总闪数据参数化对流区面积的方程为:ACR=4.267FTL+130.283,其中ACR表示对流区面积,单位:km2。 空间分析表明,闪电活动主要出现在对流区,对流区中总闪平均比例为58.96%,地闪的平均比例为66.53%。对流区中的闪电分布在雷暴活跃期最大,发展期次之,衰退期最小。最多的闪电活动分布在组合反射率区间为39-52dBZ、组合反射率水平梯度区间为3.4-5.0dB/km、35dBZ反射率高度区间为5.8-10.3km、35dBZ反射率高度水平梯度区间为0.3-0.6km/km、垂直累积液态含水量区间为1.5-13.0kg/m2、垂直累积液态含水量密度区间为0.3-1.1g/m3、降水强度区间为5-48mm/h的空间区域。 第四章使用TRMM/TMI和LIS资料,结合SAFIR全闪资料分析了闪电活动与降水和云内粒子的关系。闪电活动与最大降水强度只有在一定的阈值条件下才存在较为明显的关系。闪电相对于30mm/h降水强度阈值的密度(DL,单位:/km2/min,雷暴的每分钟总闪频次除以降水强度30mm/h的区域面积得到)与最大降水强度(Rmax,单位mm/h)具有显著的幂函数关系,拟合方程为:Rmax=23.103×DL-0.183+11。云内各粒子和地面降水的区域面积或质量与闪电活动的线性关系也必须在一定的阈值条件(大于该阈值的区域面积或质量)下才较为显著。比如对于降水,最好的阈值为10mm/h,所得拟合方程为M=18408061.949FL+208884424.650;对于云内所有水相粒子,最好的阈值是所有层的水相粒子垂直积分含量为3kg/m2,拟合方程为FL=1.936×10-9M+4.296;对于所有冰相粒子,最好的阈值是-10℃层以上的冰相粒子垂直积分含量为3kg/m2,拟合方程为FL=1.862×10-9M+7.872;其中,M表示对应降水或粒子的质量,单位:kg,FL表示闪电频次,单位:个/min。云内粒子与闪电活动的关系在不同区域,不同雷暴过程、雷暴发展的不同阶段都表现的较为稳定,这些特征可以被用来指示闪电活动。闪电密度与降水强度和云内粒子含量的空间数量关系较为复杂,多种函数关系都不明显。但总体上闪电密度与降水强度的空间分布偏向幂函数关系(闪电密度为自变量,降水强度为因变量);闪电密度与云内各粒子垂直积分含量空间分布偏向指数函数关系(云内粒子垂直积分含量为自变量,闪电密度为因变量)。 第五章从动力、微物理过程与电特征和降水关系的角度,综合雷达、SAFIR总闪、电场仪、地面自动气象站等资料对一次冰雹过程进行了分析,表明雷暴的电荷结构在发展过程中可能是变化的。在雹暴的降雹阶段电荷结构为反极性,降雹结束后电荷结构经历了快速的调整,之后转为倾斜的三极性。三个阶段分别对应了闪电活动的第一个活跃期,减弱期和第二个活跃期。出现反极性电荷结构时雷暴具有更强的上升速度和更为丰富的大粒子。雹暴的闪电活动具有较低的地闪比例(6.16%)和较高的正地闪比例(20.00%)。较多的正地闪比例可能来自与降雹阶段反极性电荷结构中部负电荷区通过下部弱的正电荷区对地放电以及后期倾斜三极性电荷结构下上部正电荷区通过中部负电荷区对地放电。此外,雹暴的发展过程中,闪电活动与雷达强反射的最大高度、最大反射率、强反射率厚度,强反射率面积和体积等的变化具有相位的一致性。闪电频次峰值超前地面降雹约5min,针对一固定区域,其内的总闪频次峰值超前总降水量峰值约15min。在以自动气象站为中心边长10km的范围内,总闪频次峰值超前最大降水强度峰值约5-15分钟。同时地面气象站观测到的其它气象要素与其周围的闪电活动状况具有较好的对应关系。 第六章从动力、微物理过程与电活动和降水关系的角度,综合TRMM/TMI/PR、雷达、地闪和SAFIR总闪等资料对一次持续性暴雨过程进行了分析,表明在主对流区,为三极性电荷结构,层云区为高度较低的偶极性电荷结构。对流区的中部负电荷区通过下部正电荷区对地放电,使得对流区负地闪占绝对优势,层云区上部的正电荷区通过下部的负电荷区对地放电,形成了正地闪在层云区的分散分布。该持续性暴雨过程表现出活跃的地闪活动,但旺盛阶段正地闪比例很低(3.52%),消亡阶段正地闪比例很高(21.25%),这是由于消亡阶段,对流区的减弱和消失使得负地闪减少,而层云区受上升气流减弱的影响较小或滞后,使得正地闪的频次变化不大,导致其占总地闪的比例增大。参与放电的主正电荷区位于冰晶大密度区的下部,而参与放电的主负电荷区与霰和雹等大粒子的高密度分布区完全对应。大面积持续性暴雨过程中的对流降水和对流区面积较一般雷暴小(与第三章的雷暴相比),闪电与对流降水的关系具有自身的特点。持续性暴雨过程中,地闪参数化对流区面积的方程为AC=1.633FCG-55.688,其中AC表示对流区的面积,单位km2;地闪参数化对流降水总量的方程为MCR=3.507×106FCG-1.683×108,其中,MCR表示对流降水的质量,单位kg;以上拟合方程中FCG表示地闪频次,单位个/6min。闪电活动与一定阈值条件下雷暴特征有较好的线性关系,地闪频次与组合反射率=45dBZ的区域面积具有最好的线性关系,拟合方程为A(Z=45dBZ)=2.824FCG-29.963,其中A为面积单位km2。在各不同高度上,与地闪具有较好关系的反射率阈值由低层到高层逐步减小,低层3km与反射率=45dBZ阈值的区域面积有显著相关,中层的阈值为=35dBZ左右,高层10km以上阈值为=20dBZ。此外,地闪频次与反射率=40dBZ的体积具有最好的相关,线性拟合方程为V(Z=40dBZ)=23.055FCG+1748.756,其中V表示体积,单位km3。闪电和雷达特征的显著关系使得闪电资料可以被用来推测主要雷暴区的发展特征;相反的,也可以利用雷达特征的观测来推测雷暴的闪电活动特征。分析还发现,最活跃闪电活动的出现位置比最大比例闪电活动的出现位置具有更大的降水强度和云内粒子含量。消亡阶段的闪电活动所对应的降水强度和云内粒子含量值比旺盛阶段更为接近这些物理量的最大值。 第七章通过对比前两章雹暴和持续性暴雨过程的动力、微物理过程和闪电特征以及结合相关研究,表明雷暴的上升速度决定了云内水汽的输送,冰粒子的增长以及对水汽的消耗,从而很大程度上控制了云内液态含水量的高低,进而影响低于反转温度区域的霰的带电极性。上升速度是影响电荷结构的关键性因素,大气层结湿度的影响相对较小。直接暴露给地面的电荷区可能并不会直接参与对地放电,地闪的极性往往由该电荷区之上的电荷区极性决定,底部电荷区对其上部电荷区的对地放电是一个必要条件。动力过程正是通过影响电荷结构进而影响闪电活动。强雷暴天气,特别是一些灾害性天气易产生正极性地闪为主的放电,正是由于这些天气过程具有强上升气流,易形成反三极性电荷结构,中部正电荷区通过下部负电荷区对地放电,产生较多的正极性地闪。分析也说明,不同天气类型的闪电极性、时空特征等差异明显,可以通过对闪电资料的特征分析来推测雷暴的强度和降水类型及其位置。 第八章对相关结论进行了分类总结并对未来的研究重点进行了展望。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:P427.3;P426.6

【引证文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张正国;邓宁文;刘丽君;;广西地区闪电时空分布特征分析[A];第27届中国气象学会年会人工影响天气与云雾物理新技术理论及进展分会场论文集[C];2010年
2 柴贾然;肖稳安;王学良;;武汉市闪电活动与地面降雨的相关性分析[A];第28届中国气象学会年会——S3天气预报灾害天气研究与预报[C];2011年
3 柴贾然;王学良;肖稳安;;我国中部五省闪电活动季节性对比[A];“推进气象科技创新,提高防灾减灾和应对气候变化能力”——江苏省气象学会第七届学术交流会论文集[C];2011年
4 柴贾然;肖稳安;王学良;;武汉市闪电活动与地面降雨的相关性分析[A];“推进气象科技创新,提高防灾减灾和应对气候变化能力”——江苏省气象学会第七届学术交流会论文集[C];2011年
5 冯桂力;王庆华;胡先锋;;闪电活动与强对流参量的相关性分析[A];第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C];2011年
6 周方聪;吕伟涛;陈绿文;马颖;殷启元;张义军;;2009-2010广州高建筑物上自然闪电的普通摄像观测和资料分析[A];第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C];2011年
7 钟万强;张赛忠;;全球闪电研究进展综述[A];第八届长三角气象科技发展论坛论文集[C];2011年
8 马明;张义军;;闪电活动与气候变化关系研究进展[A];2009第五届苏皖两省大气探测、环境遥感与电子技术学术研讨会专辑[C];2009年
9 胡先锋;张文;石春玲;;胜利油田主体地区闪电活动气候特征[A];山东气象学会2010年优秀学术论文评选活动优秀论文集[C];2010年
10 胡丽琴;;风云四号卫星闪电辐射观测的辐射传输模拟研究[A];第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 杨绮薇;在电光中成就辉煌[N];中国气象报;2010年
2 记者 李志勇 张淼淼 卢国强 林红梅;北京暴雨如注 雨水倒灌地铁 路面一片泽国[N];新华每日电讯;2011年
3 钱红岭;闪电怎样为人类所用[N];大众科技报;2004年
4 世界气象组织秘书长 G odwinO.P.Obasi教授;面对天灾:如何增强人类抵御能力[N];科技日报;2002年
5 本报记者 宋学智;我市“奥运气象”渐成气候[N];青岛日报;2005年
6 科学时报记者 王进东;寒区旱区环境与工程研究所冰原旱土探天机[N];中国气象报;2006年
7 李国昌;宕昌暴雨150年一遇[N];中国气象报;2000年
8 通讯员 吴运辉、姚金阶、记者 吴志远、翟志清;咸丰遭受罕见特大冰雹暴雨袭击[N];湖北日报;2005年
9 吴鸣;粤鲁鄂赣出重拳防御雷电灾害[N];中国气象报;2006年
10 郑菲通讯员 胡绍萍;预报员专项全部通过结题验收[N];中国气象报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 郑栋;闪电活动与降水的相关关系研究[D];中国科学院研究生院;2008年
2 杨莹;静止卫星闪电成像仪数据预处理关键技术研究[D];吉林大学;2012年
3 刘恒毅;闪电云内放电过程的宽带干涉仪观测研究[D];中国气象科学研究院;2012年
4 刘鹏;基于TRMM探测的热带及副热带降水及其光谱信号特征分析[D];中国科学技术大学;2012年
5 王瑾;基于强对流数值模拟的贵州冰雹识别及临近预报方法研究[D];中国气象科学研究院;2008年
6 李家启;基于LLS的重庆地区雷电活动规律及其风险评估研究[D];南京信息工程大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 黄延刚;闪电潜势预报及飑线过程中闪电雷达资料综合应用的初步研究[D];南京信息工程大学;2008年
2 陈夺;闪电信号模拟及闪电仪数据处理方法研究[D];吉林大学;2011年
3 丁同禹;闪电脉冲电磁场及其耦合效应的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 柴贾然;武汉地区闪电活动与温湿条件的相关性研究[D];南京信息工程大学;2012年
5 石玉恒;雷暴雷达回波特征与闪电活动的相关关系[D];中国气象科学研究院;2011年
6 李京校;基于SAFIR资料的北京及周边地区闪电特征分析[D];南京信息工程大学;2011年
7 周康辉;基于干涉仪原理的甚高频雷电单站警报装置[D];中国气象科学研究院;2012年
8 陈聪;基于卫星资料的闪电、NO_x及O_3时空分布特征及相关性分析[D];南京信息工程大学;2012年
9 杨美荣;基于TRMM卫星对强对流天气中闪电活动、雷达反射率及冰散射的研究[D];兰州大学;2010年
10 朱浩;基于多种观测资料的南京地区雷电临近预报研究[D];南京信息工程大学;2011年
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