雷暴系统中闪电活动及其与雷达回波之间的关系.docx

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雷暴系统中闪电活动及其与雷达回波之间的关系

雷暴系统中闪电活动及其与雷达回波之间的关系

雷暴系统中往往伴随着闪电的发生发展，雷暴出现时必有强烈的积雨云活动,往往有阵雨、冰雹、大风、龙卷风等伴生。

产生雷暴的积雨云称雷雨云.闪电頻率指示着雷暴的强弱，雷达回波强度达到一定强度后和闪电有很好的对应关系，回波越强闪电的密度越大.本文主要分析了2005年至2020年共16年间A高原、A高原东麓、中国东部地区以及中国境内海洋中雷暴的统计资料。

通过对四个区域雷暴的月变化、日变化的对比，确定不同下垫面条件下雷暴的差异。

通过分析闪电频率与雷达回波和极化修正温度的关系来判断闪电频率与对流强度的对应关系，为天气预报做出指示。

关键词：

雷暴；闪电频率；雷达回波；极化修正温度

引言

一、研究目的及范围

雷暴（Thunderstorms）是伴有雷击和闪电的局地对流性天气，雷暴是一种中小尺度的强对流天气系统。

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象（一般发生在积雨云中）。

雷达经由天线发射出去，遇到障碍物会有波形反射回来，成为雷达回波。

雷达回波强度"dBZ"可用来估算降雨和降雪强度及预测诸如冰雹、大风等灾害性天气出现的可能性。

一般地说，它的值越大降雨、降雪可能性越大，强度也越强，当它的值大于或等于40dBZ时，出现雷雨天气的可能性较大，当它的值在45dBZ或以上时，出现暴雨、冰雹、大风等强对流天气的可能性较大。

当然，判断具体出现什么天气出现时，除了回波强度（dBZ）外，还要综合考虑回波高度、回波的面积、回波移动的速度、方向以及演变情况等因素。

本文主要研究北20°~35°N,75~135°E从2005年至2020年共16年间雷暴中的闪电活动与雷达回波之间的关系从而反应出闪电与对流强度的关系，为判定降水提供依据。

二、数据来源

1997年发射升空的热带测雨卫星为研究热带地区全球尺度上和区域尺度上降水提供了重要手段。

TRMM携带的测雨雷达能够提供降水系统的三维结构特征，与微波成像仪、可见光／红外辐射计以及闪电成像仪的联合观测进一步提高了对降水结构特征及对流特征的探测能力，为分析热带、副热带深对流系统的时空分布、三维结构特征以及对流属性提供了非常便利的条件。

本论文将主要基于2005—2020年的TRMM卫星观测资料，将20°~35°N,75~135°E区域根据下垫面不同分为A高原、高原东麓、中国东部地区以及海洋地区，来探索不同地区雷暴的发生，闪电频率的变化规律。

其中A区域（26°~35°N，75~135°）E，海拔大于3000m的地区，主要指A高原地区。

A高原是世界上面积最大，海拔最高的高原，平均海拔在4000m以上由于受大范围动力，热力因素的影响使得A高原地区发生雷暴次数较多，尤其发生在夏季较多，这种雷暴主要是有地形作用影响。

B区域（20°~35°N，100~110°E）高原东麓地区，海拔小于3000m。

C区域（20°~35°N,110~135°E）中国东部地区（不包括海洋），D区域（20°~35°N,105~135°E）中国海洋地区

三、数据处理

本文在由TRMM卫星提供的20°以上，70°~140°E雷暴数据，选取闪电频率大于零，雷暴持续时间大于60秒的雷暴数据，进一步筛选中国境内雷暴数据，主要研究中国境内雷暴中闪电活动与雷达回波之间关系。

主要在选取高频闪电，进行与20dBZ、40dBZ回波顶高的相关性分析，闪电频率与37GHz、85GHz极化修正温度相关性分析。

高频闪电在各区域分别选取前25%。

利用TRMM卫星所携带的探测器得到的大量观测

数据，研究热带、副热带地区降水系统的分布特征以及降水结构特征等的一个行之有效的方法，就是定义一个降水特征（PrecipitationFeatures,Nesbittetal.,2000）。

其定义方法就是近地面层测雨雷达的反射率因子值≥20dBZ，或者85GHz极化修正温度（TMI85GHzPolarizationCorrectedTemperature；Spenceretal.,1989）≤250K的相邻连续像素的集合。

利用这一定义和类似的组合分组的概念以及取得了大量的研究成果，包括对降雨估计的验证（Nesbittetal.,2004），降水系统及其降雨量的日变化特征（NesbittandZipser,2003），LIS探测到闪电活动的对流系统的全球分布（Ceciletal.,2005），能够达到热带对流层顶的深对流系统（LiuandZipser,2005）以及根据相应的强度参量对极端雷暴系统的分类分析（Zipseretal.,2006）等。

16年以来A高原雷暴数目以及对应的闪电频率，有图可知发生雷暴时闪电频率集中在小于2次/min中范围内其中闪电频率小于1/min的有8443个雷暴，随着闪电频率的增加雷暴数目越来越少，闪电频率较高的雷暴较少。

16年中A高原东麓海拔小于3000m的地区雷暴雷暴数目以及对应的闪电频率，雷暴中闪电频率主要在小于5次/min范围内，其中小于1次/min的雷暴最多有3051次，同样随着闪电频率的增加雷暴数目越来越少，闪电频率较高的雷暴较少。

与A高原相比闪电频率小于1次/min和小于2次/min的雷暴数目大幅减少。

A高原热力动力作用明显，海拔平均在4000m以上，而高原东麓海拔高度有了明显的下降。

而在闪电频率较高区大于5次/min小于50次/min雷暴比A高原地区要多

16年中中国东部地区雷暴数目及对应的闪电频率，闪电频率小于1次/min的雷暴最多。

对比A、B、C区域随着地形的高度下降，闪电频率较小的雷暴A、B、C区域依次减少，但是闪电频率较高的雷暴有了增长的趋势，但总体上随着闪电频率的增加雷暴数目越来越少。

16年海洋上雷暴数目及及对应的闪电频率，闪电频率小于1次/min的雷暴还是最多，小于1次/min有1539次，较陆地雷暴数目有明显减少.

16年中雷暴各区域分布百分比，其中A高原地区发生雷暴数最多，占了总雷暴数的41%，共17135次，而海洋雷暴最少，占总雷暴数的11%，共有4645次雷暴。

下面是各区域16年总计发生雷暴数目

A

B

C

D

雷暴数目

17135

9644

10358

4645

A高原地区雷暴月变化统计，从1至12月成正态分布，7月雷暴次数最多达4769次，冬季雷暴极少

A高原东麓雷暴月变化统计，夏季发生雷暴的次数较多，而冬季极少1至12月基本成正态分布。

与A高原相比夏季雷暴数目还是有大幅减少，A高原6、7、8月的雷暴数都大于4000次，而高原东麓在1500次至2500次之间，并且未达到2400次。

中国东部地区雷暴月变化统计，雷暴更加的集中分布在夏季，与A高原东麓相比这一区域夏季雷暴数目更多，7、8月份雷暴数高于2500个。

海洋雷暴月变化统计，海洋上雷暴发生数总体较少。

夏季还是居多，海洋上雷暴数目分布从4至10月分布比陆地更加分散。

A高原地区雷暴日变化统计，16年统计资料显示，一天中雷暴发生最多的时间在下午6时至7时。

12时以后雷暴发生次数开始增多，凌晨和早上发生次数较少，这可能与气温的变化有关。

高原东麓雷暴日变化统计，雷暴主要集中发生在15时至20时下午居多，与A高原相比凌晨发生雷暴稍多。

从1时至11时雷暴发生次数减少。

中国东部地区雷暴日变化统计，东部丘陵地带凌晨发生的雷暴与A高原东麓相比减少了约一半。

凌晨1时至11时雷暴的发生概率变化不大，雷暴主要还是发生在午后，下午16至17时概率最大，晚上发生雷暴概率小。

海洋雷暴日变化统计，海洋中总体发生雷暴较少，一天中雷暴各时间段变化幅度不大，这与海洋潜热较大，温度变化不大有关。

y=1.6716x+10.984

R²=0.0495

y=2.1106x+11.183

R²=0.0897

y=2.0129x+11.272

R²=0.087

y=1.9706x+11.312

R²=0.0897

结论

雷暴在A高原、A高东麓、中国东部地区、海洋上有明显的差异。

其中高原地区发生雷暴次数最多，占了总雷暴数的41%，共17135次，A高原东麓雷暴数占总雷暴数23%，东部地区占25%，而海洋雷暴最少，占总雷暴数的11%。

雷暴月变化显示陆地夏季雷暴发生的概率较大，冬季基本不发生雷暴，春秋两季雷暴随气温的升高降低而增多减少。

雷暴日变化看出1时至11时雷暴发生概率较小，12时开始雷暴开始增多，16到17时雷暴发生次数最多。

海洋雷暴也是夏季居多，冬季少。

海洋上雷暴在一天之中变化幅度不大，这与海洋气温日夜变化不大有密切关系。

闪电频率取对数形式与雷达回波顶高做线性拟合，随闪电频率的增大，雷达回波顶高有提高趋势，表明闪电频率的增大，对流增强，雷暴不断发展。