雷电的天气气候学特征课件.ppt
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- 雷电 天气 气候学 特征 课件
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1、1 雷暴尺度的雷电特征雷暴尺度的雷电特征2 全球雷电活动和地域差别全球雷电活动和地域差别3 雷电活动与气候变化雷电活动与气候变化 全球每时每刻发生着约1800个雷暴。 不同类型雷暴的雷电活动特征差异很大。 因雷电过程和雷暴本身的复杂性复杂性和观测手段的局限局限性性,对不同类型雷暴的雷电活动规律仍未获得全面仍未获得全面的认识的认识。7.1 雷暴尺度的雷电特征 7.1.1 冰雹云 单体、多单体和超级单体风暴都可能产生冰雹。 冰雹云除降雹降雹外,还常伴有强降水强降水、破坏性大风大风和雷电雷电等灾灾害性天气害性天气。 冰雹云中的上升气流速度更大上升气流速度更大,能携带更多的降水粒子进入高空,云顶更高,
2、回波更强。 其动力和微物理条件非常利于雷暴的起电和利于雷暴的起电和放放电电。冰雹云的雷电频数通常远高于普通雷暴。1 冰雹云的正地闪特征冰雹云的正地闪特征一般雷暴云中正地闪占总地闪的比例小于10%。大多冰雹云的地闪也以负地以负地闪为主闪为主,但其正地闪比例常正地闪比例常明显高明显高于当地雷暴的平均值。较高的正地闪比例对应较低较高的正地闪比例对应较低的降水的降水,较低正地闪比例的冰雹过程降水量较高。可推断:强降水冰雹云过程中正地闪比例不高。弱降水超级雷暴中通常易发生较多的正地闪。正地闪占主导正地闪占主导,正闪增加时负闪降低,负闪增加时正闪降低。降雹时段地闪不活跃降雹时段地闪不活跃,负闪达到最低值,
3、但正地闪相对较活跃。冻结层以上霰的增长与总地闪数量的增多和减少有关。开始降雹开始降雹前地闪频数的迅速上升,可以作为降雹的指示量前地闪频数的迅速上升,可以作为降雹的指示量。地闪多在低于-40的区域内。开始阶段:正地闪主要位于系统前部区域,而负地闪位于系统中后部。随后:系统范围不断扩大,正、负地闪大多发生于低于-40区域内,且多发生于-40-50的温度梯度变化大的区域内。随着低于-50的区域扩大,正闪数目明显多于负闪。正、负地闪空间分布差异明显。2 闪电频数闪电频数“跃增跃增”对冰雹云的指示作用对冰雹云的指示作用在大部分冰雹云的快速发展阶段,地闪或总闪数存在明显的“跃增跃增(lightning j
4、ump)”现象。仅仅用地闪次数或频数识别冰雹云并不可靠用地闪次数或频数识别冰雹云并不可靠。图7.3 2003年6月19日雹暴每10分钟地闪频数分布图,横坐标轴下的线段表示降雹发生时段图7.4 一次冰雹云的最大雷达反射率因子(a)、雷电频数(b)和总雷电DFRDT (c),图中(b)紫色代表总雷电频数(左侧坐标轴),红色代表地闪(右侧坐标轴),(c)红色柱体代表总雷电跃增时间,绿色柱体代表DFRDT未达到跃增阈值,橘黄色曲线代表2跃增阈值。强天气事件标志在DFRDT图的底部(绿色星号:冰雹,蓝色方块:强风),符号上面的横线代表为同组事件7.1.2 飑线 飑线(Squall Line):由若干排列
5、成行的雷暴单体或雷暴群组成的风向、风速发生突变的狭窄的强对流天气带强对流天气带。又称不稳定线或气压涌升线。 过境时:常产生冰雹、灾害性强风以及雷电等。 云闪通常非常活跃,占总闪的绝大部分。 一般可将飑线分为3个独立区域:对流区对流区、过渡区过渡区及层云区层云区。1 闪电频数与降水的时间演变闪电频数与降水的时间演变整个过程中,负地闪占总地闪的比例都较高。发展阶段:地闪与总闪的比例维持在40%,随后逐渐降低。成熟阶段:地闪与总闪的比例维持在约20%,云闪活跃。消散阶段:地闪和云闪数量逐渐降低至消失,期间地闪略有增加。图7.5 2007年7月31日北京地区一次飑线过程5分钟总雷电、云闪、地闪和平均降
6、水强度的时间演变2 飑线不同发展阶段的雷电活动与雷达回波飑线不同发展阶段的雷电活动与雷达回波初始阶段初始阶段:对流区由较小的对流单体组成,其后跟随发展中的层云区域。地闪主要位于对流区内,且多为负地闪。13:42,层云区范围扩大,越来越多的地闪发生在对流中心附近,雷电分布开始在西侧的回波单体中发生。仅有很少的雷电发生在过渡区,而层云区域内几乎无雷电发生。图7.6 2007年7月31日北京地区一次飑线发展阶段总雷电(雷达扫描前后3分钟内的总和)与雷达基本反射率(0.5o仰角)之间的对应关系。五角星代表雷达位置,黑色 “+” 为正地闪, 蓝色“”为负地闪,黑色“”为云闪成熟阶段成熟阶段:14:18,
7、前部的对流区出现了弓状回波,正地闪开始增加,但仍少于负地闪,多数地闪发生在大于40 dBz的区域,少量负地闪发生在层云区域,地闪主要散布在前部对流区域内地闪主要散布在前部对流区域内。14:24,地闪数达最大,负地闪数比正地闪约高一个量级负地闪数比正地闪约高一个量级,大多发生在对流区前部,正地闪发生在接近强对流中心。图7.7 同图7.6,但为该飑线成熟阶段总雷电与雷达基本反射率之间的对应关系消散阶段消散阶段:16:24,强回波区仍呈线状分布,地闪的数量整体降低地闪的数量整体降低,雷电仍主要发生在对流回波线区。16:42,强回波区开始断裂分散,地闪数量明显减少地闪数量明显减少。发生在层云区的雷电明
8、显增加,其电荷来源可能是对流云区域的电荷在气流作用下经过渡区输送到层云区域。图7.8 同图7.6,但为该飑线消散阶段总雷电与雷达基本反射率之间的对应关系3 飑线系统的地闪特征飑线系统的地闪特征以云闪为主以云闪为主,也有大量的地闪。成熟飑线中的地闪主要为负地闪成熟飑线中的地闪主要为负地闪,绝大多数发生在雷达反射率高的对流区,正地闪一般仅占总地闪的10%20%,常发生在雷达反射率低的层云区。少数飑线的负地闪主要发生在层云区,正地闪主要发生在对流区 。层云区的正地闪水平传播尺度(平均49 km)小于对流区的正地闪(平均96 km),但前者的峰值电流常远大于后者。图7.9 2006年4月21日发生在美
9、国休斯敦附近一次飑线的雷电VHF辐射源与合成雷达反射率的时间演变,(a) (d)分别对应于11:09、11:38、12:07和12:41(世界时)(据Hodapp et al., 2008)7.1.3 热带气旋 热带气旋(Tropical Cyclone)是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋低压涡旋; 是一种强大而深厚强大而深厚的热带天气系统。 与中纬度的中尺度对流系统相比,热带气旋内的上升气流上升气流较弱较弱,过冷水含量过冷水含量较较少少。 根据非感应起电机制,这些动力和微物理特征并不适合云并不适合云内起电过程的发生内起电过程的发生。 实际观测也表明,热带气旋中的闪电闪电并不频繁并不频繁。1
10、 热带气旋雷电活动的空间分布热带气旋雷电活动的空间分布一般具有间歇性活动特征(episodic behavior)。成熟阶段:其雷电密度呈现出两高一低两高一低的径向分布特征,即通常眼壁区为一高雷电密度区,在远离台风中心的外雨带为另一高雷电密度区,二者之间的内雨带雷电密度最少,即呈现出明显的三圈结构三圈结构。图7.10 5个强台风成熟阶段日平均雷电密度(a)及日平均雷电数随台风径向距离的变化(b)图7.11 (a) 2005年7月16日超强台风海棠在成熟时期的雷电空间分布, (b) 珍珠台风5月14日0206时(UTC)雷电与06时GMS-6可见光云图上的叠加,蓝色圆点为雷电。2 热带气旋雷电的
11、时间演变及其与热带气旋强度的关系热带气旋雷电的时间演变及其与热带气旋强度的关系 热带气旋在突然增强之前和增强阶段,眼壁区眼壁区的雷雷电电活动通常有爆发爆发的现象。 对超强台风,在其中心风速达到最强前几个小时,甚至一、两天内, 平均雷电很活跃,而在台风最强期间, 平均雷电发生很少。 雷电活动在一定程度上跟台风强度增强相联系雷电活动在一定程度上跟台风强度增强相联系。中心最大风速急剧增大阶段,眼壁区的雷电常伴随有爆发现象。眼壁区雷电爆发几小时后,台风中心风速达到最大。当台风处于最强阶段时,平均雷电较少,眼壁发生置换后,中心雷电很少,有的台风中心基本没有雷电。图7.12 台风中心100 km范围内的逐
12、时雷电数(柱状图)、中心最低气压(圆圈)和最大风速(方框) Lyons和Keen(1994):热带气旋内的雷电爆发可能与超级单体的发展有关,对指示超单体发生有一定意义。 Thomas等(2010):不但在飓风强度突变之前和突变期间内核区(距飓风中心100 km以内)的雷电活动有爆发现象(大部分为负地闪),还在飓风减弱之前和减弱期间内核区有相当数量的正地闪发生。 DeMaria等(2012):大西洋上的热带气旋在突然减弱阶段,内核区的雷电密度要大于突然增强阶段,而雨带区(200300 km)的雷电密度在大西洋和赤道东北太平洋都是突然增强阶段高于突然减弱阶段。6小时和12小时累积雷电最大峰值都超前
13、于最大风速峰值48小时,24小时雷电峰超前最大风速峰值3天。从7月28日00:00到7月30日00:00,最大风速激增,中心气压剧降,对应时间段内雷电频数激增。6小时、12小时以及24小时雷电数与最大风速之间相关系数分别为0.76,0.85和0.92(两者峰值之间的相关系数)。图7.13 2007年台风Usagi 6小时、12小时以及24小时累积雷电与风速随时间的演变。雷电为距台风中心600 km范围内的总和,台风强度为对应时段内最大风速的平均值。西北太平洋台风雷电最大峰值出现时间与最大风速峰值出现的时间存在西北太平洋台风雷电最大峰值出现时间与最大风速峰值出现的时间存在超前、同步和滞后的情况超
14、前、同步和滞后的情况。弱台风雷电峰值超前风速峰值比例是56%,几何平均值分别为60小时。强台风雷电峰值超前风速峰值比例是78%,几何平均值分别为30小时。弱台风雷电峰值滞后最大风速峰值比例较高。主要原因是台风登陆造成雷电增加,使得雷电最大峰值较最大风速峰值出现的时间要晚。图7.14 台风雷电峰值与最大风速峰值超前、滞后时间关系正值代表雷电峰值超前于最大风速峰值,负值则相反。(a)弱台风,(b)强台风 每个台风雷电与最大风速值都存在明显的正相关。 弱台风雷电与最大风速的相关系数平均值为0.81。强台风最大风速的相关系数平均值为0.74。 弱台风的相关系数总体上要高于强台风相关系数。图7.15 台
15、风雷电活动与最大风速间的相关系数,(a) 32个弱台风,(b)37个强台风7.1.4 正极性地闪与灾害性天气 通常,雷暴中正地闪占总地闪比例较低,一般少于一般少于10%。 有时,正地闪比例也有可能较高,如雷暴消散期、冬季雷暴、中尺度对流系统的层云区等。 强雷暴的对流区有时也呈现出正地闪非常活跃的现象。 所以,在某些地区、某些特殊类型的风暴确实能够产生大量的正地闪,并且还较为常见。1 正地闪与灾害性天气现象的联系正地闪与灾害性天气现象的联系 大部分的强风暴地闪常以负地闪为主,但以正地闪为主的风暴常常是产生灾害性天气现象的根源。 以正地闪为主的风暴有更大的概率会发生龙卷和冰雹,特别是正地闪为主的阶
16、段持续几十分钟以上时,概率会更大,相反,那些以负地闪为主的风暴产生冰雹和龙卷等的概率要小得多。 有些风暴在发展过程中,大部分时间内地闪一直以正地闪为主,但也有一些风暴在成熟阶段,主导地闪会从正地闪转为负地闪;大冰雹通常发生在正地闪为主的阶段,当地闪极性由正转负时,冰雹的频数和直径开始减小。 龙卷一般形成于地闪寂静期,有时也发生在地闪极性从正地闪向负地闪转变过程。龙卷容易发生在正地闪主导阶段或之后,最强的龙卷一般发生在正地闪频数从最大值开始减小的阶段,而在龙卷发生期间,雷电活动一般开始减少。 Knapp(1994):当地闪频数达到15 fl/min,同时正地闪比例超过30%时,有36%43%的风
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