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雷暴是一种伴有闪电和降水的强对流天气过程,在全球能量和水循环中具有重要作用。闪电作为雷暴天气中一种重要的灾害性天气现象,对电力、交通、广播、通讯、石油、化工、航空和航天等都有重要影响。亚洲夏季风与青藏高原的相互作用,使得高原和整个亚洲季风区的雷暴和闪电活动都非常活跃,并表现出独特的区域性特征。本论文利用16年(1998~2013年)TRMM卫星观测资料,研究了亚洲季风区闪电与雷暴活动的气候特征,并结合大气再分析资料,针对青藏高原地区闪电和雷暴活动及其与地表热动力参数的关系进行了系统研究。主要结论如下:
1)亚洲季风区闪电活动海陆差异显著,闪电密度表现为陆地大、海洋小的空间分布特征,而闪电特征参量(即光辐射能、持续时间、延展面积)的分布则呈现陆地小、海洋大的特点。远海的闪电光辐射能较强且空间尺度较大,而近海区域的闪电持续时间较长。春季时,低纬度地区闪电密度较大,但闪电光辐射能最高值出现在中国东海;进入夏季后中纬度(低纬度)地区闪电密度增大(减小),但闪电光辐射能减弱(增强);秋季时季风区内闪电密度明显降低,但闪电的放电强度和时空尺度却最大。在中纬度地区闪电活动与总降水和对流降水的空间分布较为接近,但在低纬度地区闪电与降水的强中心分布有较大差异。
2)亚洲季风区雷暴活动主要集中在陆地及近海区域,陆地与海洋上的雷暴密度之比约为4.4∶1,强雷暴(定义闪电频数前10%的雷暴,闪电频数大于11.7fl/min))的陆海比约为7.4∶1。在0~10°N纬度带内的雷暴占总雷暴的比例最大(占总数的31.7%),而强雷暴则在副热带20~30°N区间最为活跃(占总数的34.5%)。雷暴与闪电密度的空间分布在低纬度区域(0~30°N)较为一致,但在中纬度地区(30~36°N)呈现出不同的分布特征,即从西部的青藏高原向东部的江淮流域,雷暴密度逐渐减少但闪电密度逐渐增加,而强雷暴与闪电密度的空间分布基本一致。
3)受亚洲夏季风活动影响,强雷暴在低纬度地区更容易发生在春季,强中心位于喜马拉雅山南麓东端,次中心位于中南半岛,而在中纬度地区夏季最为活跃,强中心和次中心则分别位于喜马拉雅山南麓西端和中国江淮流域。陆地上雷暴主要集中在午后至傍晚,少数区域受局地环流和气象条件的影响夜雷暴活动频繁,而海洋上雷暴更易发生在午夜至清晨。中国东部地区雷暴的对流强度最大,具体表现为更多的冰相粒子含量、更大的闪电频数和更高的强回波(40 dBZ)顶高。海洋性大陆区域的雷暴具有水平尺度最大和云顶高度最高的特点,而青藏高原雷暴虽然频繁,但对流强度和水平尺度均最小。
4)青藏高原闪电密度的地理分布呈现自东向西逐渐减小的趋势。高原东部地区平均闪电密度为4.3fl/km2/yr,而高原西部仅为1.7fl/km2/yr,中部地区平均闪电密度为2.6fl/km2/yr。青藏高原闪电活动主要发生在北半球夏季,96.8%的闪电发生在5~9月。高原主体区域出现两个闪电活动中心,位于高原北部的玉树地区和高原中部的那曲地区,并且两个闪电中心随季节的推进逐渐向西移动。高原复杂地形在一定程度上影响着闪电活动,表现为闪电密度随着海拔高度的升高逐渐减小。高原闪电活动强度受季风影响明显,当高原整体被盛行西风控制时,闪电活动较弱,而当被夏季风控制时,闪电活动较强。
5)与高原主体区域(高原西部和中部)的雷暴相比,高原东部雷暴的对流强度更大,其闪电频数更大、冰相粒子含量更多、云顶高度更高以及对流体积降水率更大。高原中部地区雷暴的对流强度要略高于西部地区,但整体较接近。高原东部和中部地区具有相似的热力不稳定条件和对流触发条件,但在雷暴闪电频数上却有着较大差异,两个区域地表比湿差距似乎可以解释这一差异。高原雷暴结构受西高东低的地形影响显著,无论是从垂直发展高度、发展厚度还是水平尺度上,从高原西部到东部雷暴的尺度和强度都逐渐增大。
6)对比青藏高原不同地区闪电与降水的季节变化,发现在高原中部和西部存在春季“少量降水对应着较多闪电”的现象,在相对干燥的高原西部地区夏季也有类似现象,但在相对湿润的高原东部地区,该现象并不明显。总热通量在描述青藏高原不同区域的闪电密度季节变化上,表现出一定的优势,但在不同区域总通量的量值与闪电密度大小并不成比例,因此它并不能很好的表征整个高原的闪电密度。利用鲍恩比调节降水的方法在高原中部区域效果较好,然而对于更为干燥的高原西部,降水与鲍恩比的乘积和闪电的峰值会在春冬季节出现较大偏差。降水、鲍恩比(感热通量与潜热通量之比)与地表比湿的乘积与高原闪电密度的季节变化相关性更好。
1)亚洲季风区闪电活动海陆差异显著,闪电密度表现为陆地大、海洋小的空间分布特征,而闪电特征参量(即光辐射能、持续时间、延展面积)的分布则呈现陆地小、海洋大的特点。远海的闪电光辐射能较强且空间尺度较大,而近海区域的闪电持续时间较长。春季时,低纬度地区闪电密度较大,但闪电光辐射能最高值出现在中国东海;进入夏季后中纬度(低纬度)地区闪电密度增大(减小),但闪电光辐射能减弱(增强);秋季时季风区内闪电密度明显降低,但闪电的放电强度和时空尺度却最大。在中纬度地区闪电活动与总降水和对流降水的空间分布较为接近,但在低纬度地区闪电与降水的强中心分布有较大差异。
2)亚洲季风区雷暴活动主要集中在陆地及近海区域,陆地与海洋上的雷暴密度之比约为4.4∶1,强雷暴(定义闪电频数前10%的雷暴,闪电频数大于11.7fl/min))的陆海比约为7.4∶1。在0~10°N纬度带内的雷暴占总雷暴的比例最大(占总数的31.7%),而强雷暴则在副热带20~30°N区间最为活跃(占总数的34.5%)。雷暴与闪电密度的空间分布在低纬度区域(0~30°N)较为一致,但在中纬度地区(30~36°N)呈现出不同的分布特征,即从西部的青藏高原向东部的江淮流域,雷暴密度逐渐减少但闪电密度逐渐增加,而强雷暴与闪电密度的空间分布基本一致。
3)受亚洲夏季风活动影响,强雷暴在低纬度地区更容易发生在春季,强中心位于喜马拉雅山南麓东端,次中心位于中南半岛,而在中纬度地区夏季最为活跃,强中心和次中心则分别位于喜马拉雅山南麓西端和中国江淮流域。陆地上雷暴主要集中在午后至傍晚,少数区域受局地环流和气象条件的影响夜雷暴活动频繁,而海洋上雷暴更易发生在午夜至清晨。中国东部地区雷暴的对流强度最大,具体表现为更多的冰相粒子含量、更大的闪电频数和更高的强回波(40 dBZ)顶高。海洋性大陆区域的雷暴具有水平尺度最大和云顶高度最高的特点,而青藏高原雷暴虽然频繁,但对流强度和水平尺度均最小。
4)青藏高原闪电密度的地理分布呈现自东向西逐渐减小的趋势。高原东部地区平均闪电密度为4.3fl/km2/yr,而高原西部仅为1.7fl/km2/yr,中部地区平均闪电密度为2.6fl/km2/yr。青藏高原闪电活动主要发生在北半球夏季,96.8%的闪电发生在5~9月。高原主体区域出现两个闪电活动中心,位于高原北部的玉树地区和高原中部的那曲地区,并且两个闪电中心随季节的推进逐渐向西移动。高原复杂地形在一定程度上影响着闪电活动,表现为闪电密度随着海拔高度的升高逐渐减小。高原闪电活动强度受季风影响明显,当高原整体被盛行西风控制时,闪电活动较弱,而当被夏季风控制时,闪电活动较强。
5)与高原主体区域(高原西部和中部)的雷暴相比,高原东部雷暴的对流强度更大,其闪电频数更大、冰相粒子含量更多、云顶高度更高以及对流体积降水率更大。高原中部地区雷暴的对流强度要略高于西部地区,但整体较接近。高原东部和中部地区具有相似的热力不稳定条件和对流触发条件,但在雷暴闪电频数上却有着较大差异,两个区域地表比湿差距似乎可以解释这一差异。高原雷暴结构受西高东低的地形影响显著,无论是从垂直发展高度、发展厚度还是水平尺度上,从高原西部到东部雷暴的尺度和强度都逐渐增大。
6)对比青藏高原不同地区闪电与降水的季节变化,发现在高原中部和西部存在春季“少量降水对应着较多闪电”的现象,在相对干燥的高原西部地区夏季也有类似现象,但在相对湿润的高原东部地区,该现象并不明显。总热通量在描述青藏高原不同区域的闪电密度季节变化上,表现出一定的优势,但在不同区域总通量的量值与闪电密度大小并不成比例,因此它并不能很好的表征整个高原的闪电密度。利用鲍恩比调节降水的方法在高原中部区域效果较好,然而对于更为干燥的高原西部,降水与鲍恩比的乘积和闪电的峰值会在春冬季节出现较大偏差。降水、鲍恩比(感热通量与潜热通量之比)与地表比湿的乘积与高原闪电密度的季节变化相关性更好。