闪电活动与降水的相关关系研究

论文摘要

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。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1 闪电与对流性降水关系研究的必要性
• 2 闪电与地面降水
• 3 闪电与云内降水粒子
• 4 电荷结构与闪电放电
• 5 本论文的研究目的、意义和创新点
• 第二章 我国不同区域的地闪活动和地面降水关系分析
• 1 数据和方法
• 2 时间关系分析
• 3 空间关系分析
• 4 结论和讨论
• 第三章 雷暴过程中的闪电活动和地面降水的时空关系分析
• 1 资料和分析方法
• 2 雷暴的部分闪电特征
• 3 单个闪电对应的对流降水量（PRF）分析
• 4 闪电活动与总对流降水量的关系分析
• 5 闪电活动和对流云面积的关系分析
• 6 闪电活动与雷达特征的空间关系
• 7 结论
• 第四章 雷暴过程中的闪电活动和云内粒子的时空关系分析
• 1 观测资料和处理
• 2 TMI/2A12 中的物理量与闪电密度的空间关系
• 3 闪电相对密度与地表最大降水强度的关系
• 4 闪电活动与降水和云内粒子的面积属性和质量属性的关系
• 5 结论和讨论
• 第五章 雷暴电特征及其与动力、微物理过程和降水的关系-冰雹过程分析
• 1 天气过程、观测和资料
• 2 大气层结特征
• 3 闪电活动特征
• 4 电荷结构特征
• 5 动力和微物理过程探讨
• 6 闪电与降水
• 7 结论
• 第六章 雷暴电特征及其与动力、微物理过程和降水的关系-暴雨过程分析
• 1 暴雨过程、资料和数据
• 2 层结特征分析
• 3 闪电特征分析
• 4 电荷结构特征
• 5 地闪活动与雷达特征的时间关系
• 6 地闪活动和降水的时空关系
• 7 暴雨系统成熟阶段和衰退阶段的 TRMM 卫星观测对比
• 8 结论和讨论
• 第七章 动力、微物理过程、电荷结构和地闪极性探讨
• 1 动力、微物理过程与电荷结构
• 2 电荷结构与地闪极性
• 3 动力、微物理过程与地闪极性
• 4 结论
• 第八章 总结和展望
• 1 主要结论
• 2 不足和展望
• 参考文献
• 个人简介
• 博士期间发表论文
• 致谢