大气与太阳 – 地球物理学报外文翻译资料

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大气与太阳 - 地球物理学报

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云南省雹暴云对地闪电活动特征

谢怡然，吴健，刘雪涛，张腾飞，尹建谢，许贤杰, 赵德明

文章历史： 2015年2月28日到2015 年8月27日修订版 2015年10月13日 2015年10月19日在线提供

关键词： 云对地（CG）闪电冰雹 雷达回声云南省

摘 要 ：统计分析了中国云南省9次冰雹云 - 地闪（CG）闪电的特征。 已确定在任何特定阶段发现冰雹呈现显性阴 性CG闪电灰烬。 通过使用来自CG闪电定位网络和多普勒雷达的数据详细分析了2006年7月16日发生的一次 特殊冰雹。 这种严重的冰雹，表现出强烈的垂直发展，云顶高达15.9公里，产生了冰雹，高达15毫米，寿 命为3小时12分。 冰雹中的总闪电表现出高水平的活动，灰分率高达79/5分钟。 对风暴单元生命周期的分 析表明，CG闪电灰率和雷达衍生参数之间存在类似的趋势。 云对地灰倾向于在云区内开始，在 - 10°C等 温线高度处的反射率超过30 dBZ。 在雹暴的快速发展阶段，CG灰分率明显增加。 CG闪电跳跃模式似乎是 对恶劣天气可能发生的短期预报的有效工具。

1. 介绍：许多研究报道了在产生冰雹的风暴中闪电活动的观察结果，特别 是直径大于19毫米的大型冰雹。 一些作者（例如， 凯里和 Rutledge， 1998年; Lang等人，2000; Reap和MacGorman，1989; Stolzenburg， 1994; Wiens等人，2005; 刘等人，2009）报道了大冰雹和正向云对地 （CG）闪电之间的关系。 他们表明，冰雹在成熟阶段通常表现出几 十分钟的正面CG灰烬。 例如， 冯等人。 （2007年） 确定河南省 10次严重冰雹的正电流闪电比例高，平均值为45.5％; 在同一地区发 生的所有风暴的三年期间，平均水平为8.15％。 Macgorman和 Burgess（1994） 分析了15次严重风暴中产生大冰雹或龙卷风的CG灰 烬的特征，并发现正面闪电别 是直径大于19毫米的大型冰雹。 一些作者（例如， 凯里和 Rutledge， 1998年; Lang等人，2000; Reap和MacGorman，1989; Stolzenburg， 1994; Wiens等人，2005; 刘等人，2009）报道了大冰雹和正向云对地 （CG）闪电之间的关系。 他们表明，冰雹在成熟阶段通常表现出几 十分钟的正面CG灰烬。 例如， 冯等人。 （2007年） 确定河南省 10次严重冰雹的正电流闪电比例高，平均值为45.5％; 在同一地区发 生的所有风暴的三年期间，平均水平为8.15％。 Macgorman和 Burgess（1994） 分析了15次严重风暴中产生大冰雹或龙卷风的CG灰 烬的特征，并发现正面闪电 n通讯作者。 电子邮件地址： wujian@ynu.edu.cn （J.Wu）。 在四个这样的风暴中占主导地位。 大量冰雹在主动积极的CG灰烬期 间频繁出现。 一旦CG灰分极性变为负值，灰分率和冰雹大小开始下 降。 Montanyagrave;等人。 （2007年, 2009) 和 Soula等人 （2004年） 揭示了在细胞产生冰雹期间CG灰烬的主要极性从阴性转变为阳性的逆 转。 其他研究表明，恶劣天气通常发生在没有显性阳性CG灰烬的情 况下。 在雹暴研究报告中 Bluestein和MacGorman（1998） 和 Curran和Rust（1992），阴性CG骨灰占主导地位。 齐等人。 （2002年） 也发现中国内陆高原的弱雷暴往往具有相对较高的正极 闪电比率。 这一结果在一份气候学研究中得到了清楚的证实 Carey 等人 （2003年）他利用国家雷电探测网络（NLDN）获得的数据研究 了美国10年来的CG雷电和严重风暴。 他们的研究表明，在暖季期间 由严重风暴产生的积极CG闪电的百分比存在显着的区域差异。 假设 正面风暴的地理偏好与具体有关。

该地区的气象条件（凯里和布法罗，2007年）。 以前的许多研究已经 将雷电活动与恶劣天气联系起来，例如恶劣天气发生之前总闪电率的快 速增加（Williams等人，1999; 加特林和古德曼，2010年; 达登 等人， 2010; Schultz等，2011）。 然而，一些观测发现，CG闪电灰与恶劣天气 和全闪电灰没有很好的相关性（Bluestein和 MacGorman，1998; Knupp等 人，2003; Carey等人，2003; 皮内达 等，2011）。 其他研究提供的证据 表明，CG闪电灰的若干特征可以指示出现多种类型的恶劣天气，例如龙卷 风信号和 表面冰雹（姚等人，2013). 雷达参数可以揭示风暴带电的信息，并用于业务气象应用。 然而， 用于预测雷电发生的简单参数（如最大反射率或风暴高度阈值）可 能导致雷电活动预测不足。 电场足够大，只有在云层中出现gra霰之 后才能引起雷电，这在雷达术语中指出在一定高度上的高反射率。 通过这种方式，几项研究（例如， Wiens等人，2005; Feng等人， 2007）已经表明，总雷电灰分率与在混合相区位于的高度处的雷达 反射率30-40dBZ相关。 这种研究表明，这种关系可能与颗粒相互作 用的增加有关，导致在强上升气流区域内部和周围的那些高度处的 反射率增长。 其他雷达衍生参数已被用于预测闪电活动和恶劣天气 （Lakshmanan等人，2007）。 然而，许多研究报道了垂直积分液体 （VIL）和CG灰分率（MacGorman等人，2007). 本研究的目的是研究云南省9次冰雹的闪电特征。 对2006年7月16日 发生的一场冰雹的详细研究结果显示，在恶劣天气监测协议中起 着重要作用。

1. 数据和方法：本文所使用的CG闪电资料由云南省雷电探测网络（YNLDN）获得，其 中包括 云南省气象局管理的23个传感器和一个中央数据处理器（谢等人， 2013）; YNLDN电台的分布如图所示 图。1。 该网络使用改进的组合 技术性能（IMPACT）方法，该方法结合了定向和到达时间技术来确 定闪电位置（康明斯 等人，1998）。 每个CG行程记录包括诸如发生 时间，位置，峰值电流和极性等信息。 峰值电流小于10 kA的所有正 极CG闪电都被认为是云内（IC）闪电（Cummins等人， 1998; 瓦克和 奥维尔，1999a, 1999b）并被淘汰。 在云南大部分地区，该网络的 定位精度约为400米，这已被高压输电线路的故障所证实（Feng等人， 2007). 由网络检测和报告的实际灰烬部分确定的网络灰分检测效率在网 络中心被认为约为90％，在研究区域边缘约为60％。 这些值是根据 有关闪电定位网络（LLN）在特定时间段内记录的大量历史闪电数据 的统计分析来计算的（陈等人，2013).
2. 冰雹中灰烬的统计特征：云南地处青藏高原东南部和四川盆地西南部的低纬度高原地区 （图。1）并反映该地区独特的地理和气候。 云南90％以上是山地， 地势从西北向东南呈梯状。 云南中部的平均海拔高度约为2000米。 云南位于夏季季风区，受到两个热带水体 - 南中国海和孟加拉湾的 热量和水汽的明显影响。 云南降水具有干旱和雨季的特征。 在11月至 次年4月的旱季，干燥温暖的气团占优势，天气晴朗，降水量少。 在五 月至十月的雨季，云南受到海洋暖湿气流的控制。 在这段时间里，降水 经常发展，年降水量的80-90％集中在这个时期。 在这个地区的雨季期 间通常会发生严重的冰雹。 选择在该地区发生的九次冰雹进行统计分析。 表格1 显示了2006年至2011年云南省发生的冰雹中CG灰烬的特征。在 这些冰雹期间产生了直径为4-35 mm的冰雹。 所有冰雹的正电荷态闪电 灰烬的比例相当低，在三次风暴事件中没有出现积极的灰烬灰烬。 平均 比例仅为1％，最高为2.5％。 这些特征表明，雹暴往往会在研究区域内 产生负面的灰烬灰烬。 9次冰雹中阴性CG灰烬的平均多样性为1.2-2.7，而中值峰值电流为- 18.2 kA至-28 kA。 这些结果与通过报告的结果一致 Soula等人 （2004 年）。 9次冰雹中正CG灰烬的平均多样性为1，而中值电流为12.4 kA至 30.6 kA。 谢等人。 （2013） 在分析云南的正向CG灰烬的年份时，平 均多重度为1，平均峰值电流超过43 kA

在冰雹中正极CG灰烬的中位峰值电流非常低。 奥维尔等。 （2002年） 报道，在北美大陆的大部分地区，正极重复频率低于1.2， 当正极CG灰烬的比例较高时，正极峰值电流的中值可局部超过35 kA。 在阳性CG灰烬百分比较低的地区，他们报告的中值阳性峰值电流低至 20 kA。

1. 2006年7月16日的一场冰雹案例研究

中国西南地区是2006年7月16日副热带高压和南亚高压的汇聚点。中 下层辐合场的有利环流背景和低层到上层的风向剪切在强雷暴活动期间 提供，除了有利的高能量和高湿度的环境条件，强烈的不稳定性和上升 运动（张等人，2008）。 云南省昆明市于12:00 UTC发出的声音根据几 个参数确定了不稳定性：一个提升的指数 -2.8℃，Si-指数为-1.94℃， 对流有效能势（ CAPE ）为 579.3J / kg。 0°C，-10°C 和-20°C的特征温度水平在 5.5公里的高度， 7.4公里和9.2公里。 雹暴在中国云南省中部大约08:07 UTC发展，并向西南方向移动， 直到11:19 UTC。 在3小时和12分钟的电池寿命期间，它覆盖了60公 里的距离，估计的平均时速为20公里/小时。 18 dBZ的反射率回波 达到了一个高度 15.9 km at 09:57 UTC。 在大约09:08 UTC，地面上报告了最大直径15毫 米的冰雹。 表格1 总结了雷暴相对于其结构和闪电活动的各种特征。 雹 暴产生了818个阴性CG灰烬和9个阳性CG灰烬。 雷暴天气中正极闪电的百 分比仅为1.1％，低于周边地区的气候平均值3％谢等人，2013). 图2 以5分钟为增量显示雹暴的CG灰分率。 在冰雹急剧发展阶段， CG灰分率出现明显的峰值，在44分钟的持续时间内从9/5分钟急剧上 升至79/5分钟。 09:02 UTC的峰值CG灰分率为79/5分钟。 CG闪电 趋势信息提供了近6分钟的准备时间。 在UTC时间09：08- 09:30的降 冰期期间，负CG照明占主导地位。 正面CG灰烬的百分比约为2.2％; 只发生了三次积极的CG冲击。

• 1. 冰雹与雷达回波在冰雹中的关系

以扫描时间为中心在6分钟间隔内与四次不同时间重叠的CG雷电扫描 冰雹。 CG闪电聚集在强回波区域，反射率大于30 dBZ，而层状区域 内没有记录到CG灰烬，雷达回波小于30 dBZ。 在最初阶段，从UTC时 间08:23到08:56 UTC，只有负的CG灰烬发生，所有这些灰烬均位于强 雷达回波（440 dBZ）区域。 随后，在UTC时间09:07，雷达回波变为更大的延伸，这是冰雹形 成的时间。 在大约09:07 UTC没有出现正的CG灰分，而 UTC约09:07发生50次阴性CG灰烬。 负CG灰烬在最大程度上占主导地 位，并聚集在回波强度的高梯度区域。 在UTC时间09:24，强回波强 度周边出现两个正CG灰烬。

• 1. CG灰烬和雷达相关分析

为了量化它们之间的关系，在总CG灰分率（CGFR）和各种雷达衍 生的风暴参数之间进行相关分析。 这些变量包括18 dBZ反射率回波 （Etop）的顶部高度，30 dBZ反射率回波的顶部高度（Top-30）， 10°C等温线高度处的反射率大于30 dBZ的区域（LA-30），和垂直整 合液体（VIL）。 在35个样本中，与Top-30相比，CGFR与Etop的相关 性略有改善，其中R 2分别为0.47和0.43（图4一个）。 对于LA-30， 线性t显示与CGFR的改善的相关性（图5），R 2为0.67 (图6）。 LA-30与CGFR（Pineda等人，2011年). 整个电池寿命期间的VIL模式（图4b）遵循与CGFR不同的趋势。 在 CGFR激增之前大约17分钟发生最大VIL。 此外，VIL开始下降，而CGFR继 续增加。 VIL和CGFR之间的相关性与R 2 = 0.22的线性t显示出低于Top- 30或LA-30的相关性。 MacGorman 等人。 （2007年） 确定了VIL和 VIL之间的弱关系

1. 讨论

威廉姆斯（2001） 报道了一些关于CG正向闪电的原因的假设，如 倾斜偶极子，倒偶极子，三极电荷结构。 倾斜偶极子机制发生在风暴的上部正电荷通过倾斜 的上升气流和上层风相对于主要负电荷。 反向偶极子发生在分别在下层和上层发生负电荷和正电荷 的普通电荷结构相反时。 在这种情况下，正电荷靠近表面并可直接转移。 当普通雷暴三极结构的正电荷较低时，发生三极电荷结构。 在这种情况 下，由于主要的负电荷区域大大增加，较低的正电荷在调解地面闪电中 扮演更主要的角色。 在本研究中所考虑的所有雹暴中，尽管在对流区外 围偶尔会出现致密的正向CG闪电，但负的CG闪电占主导地位。 可以推断， 这场风暴的电荷结构是倾斜的偶极子或三极子，这与所报

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