暖云降水主导的暴雨过程和超级单体闪电活动对比研究

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:fantasy2204
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综合利用三维全闪观测数据和双偏振雷达数据,结合雷达风场反演以及降水反演技术,本文对发生于2017年5月7日广东的一次暖云降水主导的暴雨过程的闪电活动特征及其与雷暴结构关系进行了研究。同时与2010年5月10日(世界时)发生在美国俄克拉荷马州的一次超级单体聚合体过程的闪电活动及其与雷暴结构的时空关系进行对比分析,深化对不同类型雷暴过程闪电活动规律和特征的认识,为闪电资料分析应用以及雷电预警预报研究提供参考。论文的主要研究结果如下:(1)暴雨过程整体对流和闪电活动较弱,40 d BZ回波顶高大多数情况不超过–10℃层,对应平均闪电频数约为3个min–1。超级单体聚合体过程则具有极强的对流,40 d BZ回波顶高普遍超过–40℃层,其平均闪电频数约为234个min–1,远大于暴雨过程。暴雨过程和超级单体聚合体过程电荷结构的差异导致它们的闪电活动特征存在不同。暴雨过程宏观上具有三极性的电荷结构,主要产生负地闪,正地闪占比仅约11%。04:00:00之后电荷区高度明显降低,下部正电荷区减弱以及上部正电荷区更多的参与放电使得正地闪比例由之前的3%升高至29%。超级单体聚合体过程宏观上的电荷结构表现为反极性,其正地闪比例高达56.7%。与此同时,暴雨过程的地闪比例约23%,而超级单体聚合体过程的地闪比例仅约1.07%。讨论认为,超级单体强动力过程可能导致大小电荷区交错分布的形态,不利于地闪的产生。(2)暴雨过程和超级单体聚合体过程主要闪电活动区与降水区的对应具有相似性,但其原因存在差异。研究发现,两个过程中高频次的闪电活动主要对应地面具有相对较弱降水的区域。暴雨过程中闪电放电活动主要出现在强反射率柱的边缘或者距离强反射率柱较远的弱反射率因子区域,它们的下方对应着相对较弱的降水。超级单体过程在前期闪电活动主要出现在倾斜强反射率柱的上端,由于结构倾斜的特征,其下方对应的降水相对而言较小。超级单体成熟阶段,由于云面积的大幅扩展以及大量带电粒子的输送,相对较弱降水区出现了更多的累积闪电活动。(3)暴雨过程和超级单体聚合体过程闪电起始点和闪电击穿通道位置处雷达网格对应的主要带电粒子比例有明显不同。暴雨过程闪电放电位置处对应的主要带电粒子是干雪,霰的比例较低,闪电脉冲放电事件(Lightning Pulse Discharge Event,简称LPDE)和闪电起始点对应位置处带电粒子为干雪的占比为81%和87%,霰的占比则为9%和8%。而超级单体聚合体过程闪电放电位置对应的主要带电粒子为霰和干雪,霰的占比稍高。闪电辐射源和闪电起始点对应霰主导的网格占比为43%和49%,干雪占比则为38%和39%。(4)暴雨过程和超级单体聚合体过程显著的对流强度差异也影响了两者闪电活动和降水相关关系的不同,暴雨过程整体对流较弱,对流的增强会对最大降水强度和闪电频次造成明显影响,所以总闪频数和最大降水强度在时间上具有较好的相关性。超级单体聚合体过程中整体对流很强,降水和放电都和冷云过程相关,总闪频数和降水量之间具有更好的相关性。暴雨过程暖云降水主导,使得单个闪电对应降水量为107 kg fl–1量级,比超级单体聚合体单个闪电表征降水量的106kg fl–1高出一个量级。(5)暴雨过程和超级单体聚合体过程的主要放电区域和主要起电区域的对应关系可能存在不同。暴雨过程较弱的对流使得起电较弱,同时由于带电粒子被向外输送,使得在主要的起电区难以形成能有效支撑频繁闪电放电的高密度电荷区。而带电粒子在起电区外围弱对流区域(分析发现,暴雨过程的闪电放电位置集中对应弱上升和下沉气流,垂直流场速度–4到4 m s–1的范围LPDE和闪电起始点占比分别为74%和67%)的聚集反而更有利于形成高密度电荷区,支撑更多的闪电放电活动。超级单体则不同,在具有强气流的区域(前期上升气流、后期夹卷、切变气流区)具有极强的起电效率,带电粒子虽然也向外平流输送,但是冰相过程以及起电的速度足够快,能够始终维持起电区具有最大的电荷密度,从闪电辐射源密度看,相应位置也有更频繁的闪电放电活动。研究就此给出了概念模型。
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