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《中国气象科学研究院》 2017年
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超级单体闪电初始和尺度特征研究

张志孝  
【摘要】:闪电初始和尺度是描述闪电活动的新特征量,是近年来雷暴电学研究的一个关注点。研究闪电初始和尺度特征与雷暴结构的关系,有助于进一步理解闪电起始和发展机制,深化对雷暴闪电活动特征和机理的认识,推进雷电预警预报研究以及闪电资料应用研究。本文基于LMA(Lightning Mapping Array)三维闪电定位系统以及多普勒天气雷达WSR-88D观测数据,对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州一次超级单体过程中的闪电初始和闪电尺度特征进行了研究。提出了闪电初始阶段负先导自动判别以及特征参量自动提取方法,给出了闪电初始阶段特征参量和闪电尺度时空分布特征及其与雷暴结构的关系,具体如下:闪电初始和尺度的基本特征:1)闪电初始阶段上行负先导(下行负先导)的持续时间中值13.5 ms(7.5 ms),三维位移中值1.4 km(1.0 km),垂直方向位移中值0.9 km(0.5km),三维平均位移速度中值9.2×10~4 m/s(1.2×10~5 m/s)。2)闪电起始的初期,上行负先导的速度整体呈现随时间减小趋势,而下行负先导的速度整体呈现随时间递增减势。3)闪电初始负先导以倾斜方向发展为主,上行负先导和下行负先导与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。4)闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率分布呈现负幂函数变化的特点,在小值方向分布更为集中。闪电的水平延展距离中值6.1 km,垂直延展距离中值4.3 km,约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离。5)以水平延展为主的闪电(水平延展大于垂直延展)起始高度分布峰值位于8.5 km,以垂直延展为主的闪电(垂直延展大于水平延展)起始高度分布峰值位于11 km。6)闪电初始阶段位移方向越接近水平,对应闪电垂直延展越小。闪电初始特征参量与雷暴结构关系:1)对流核心区内部闪电起始高于外部,但内部闪电初始三维位移和垂直夹角均小于外部,随着雷暴的演变,这种差异变化不明显。2)闪电起始位置离上升气流区越近,起始高度越高。超级单体后侧下沉气流区起始高度低于上升气流区,右侧云砧区起始高度与上升气流区接近。3)上升气流区附近最先出现闪电起始,其次是后侧下沉气流区,右侧云砧区出现闪电起始的时间较晚。闪电尺度与雷暴结构关系:1)时序分布上,平均闪电尺度与闪电频次和雷暴发展强度之间呈现反相关,平均闪电尺度与闪电频次可以用一元幂函数拟合,相关系数可达-0.87。此外,5 km高度大于30-dBZ的反射率面积除以闪电频次后,与平均闪电尺度具有显著线性关系,相关系数为0.88。2)水平分布上,沿超级单体移动方向,从对流区附近到前侧云砧区,平均闪电尺度由小到大变化。平均闪电尺度最小值所在区域通常与闪电起始密度和闪电扩展密度的大值中心区相对应。平均闪电尺度和闪电扩展密度的空间分布具有幂函数的反相关关系,50%的雷达体扫时次中相关系数绝对值大于0.5,且相关性与超级单体发展强度具有正向对应关系。3)垂直分布上,闪电起始和闪电扩展密度高值区较为接近,但对应高度的闪电尺度通常较小。在对流区及其附近,平均闪电尺度在上述对应高度以下呈现明显增大趋势,在低层4-5 km左右达到峰值;在对应高度以上,保持小值。讨论认为,闪电尺度与闪电活动强度和超级单体发展强度的时空反相关关系,以及对流区闪电初始高度高、三维位移和速度小的分布特征,可能是对流发展旺盛阶段或区域具有小而密集的电荷区存在且被抬升所致。
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P427.3

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