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1、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 硕士学位论文 华北典型强雷暴云的地闪活动特征及数值模拟分析 姓名：刘冬霞 申请学位级别：硕士 专业：大气物理学与大气环境 指导教师：郄秀书 20070501 中文摘要 雷电灾害作为自然灾害之一，目前引起了越来越多的关注。闪电多发生于强 雷暴天气中，研究强雷暴中闪电活动的特征对闪电的预警预报提供了理论基础。 本文主要利用山东雷电探测网的地闪资料、天气资料以及多普勒雷达资料， 对发生于山东省内一次中尺度对流系统和冰雹云的个例进行了细致分析，探讨了 强对流天气的闪电活动关系以及和雷达、天气资料的对应关系。主要有如下一些 结论： 典型的中1 3 尺度对流系统地闪活动
2、较活跃，整个雷暴生命史中，负地闪占主 导地位，正地闪则表现的不活跃；从二者空间分布上看，负地闪密集的区域，正 地闪基本不发生，而正地闪密集的区域，负地闪表现的不活跃。发展阶段负地闪 频数递增较快，此时正地闪也呈递增趋势。随着系统进入成熟阶段，负地闪频数 呈现相对稳定，负地闪频数的最高值出现在此阶段。系统进入消散阶段后，正负 地闪频数减弱至消亡。剧烈的闪电活动对应着地闪频数的峰值，正是由于放电过 程将云中电荷中和，从而紧接着出现了地闪活动的谷值；当对流再次发展，云中 电荷重新积累和分离，地闪又进入活跃期。 冰雹云中地闪演变过程中正地闪占主导地位。初始阶段正地闪较活跃，随 着系统进入发展阶段负地闪
3、比例明显增多并出现负地闪峰值。而在系统的成熟阶 段正地闪占据主导地位，该现象一直持续到系统进入消散阶段。降雹的作用使得 该系统整个阶段正地闪比例较高。 通过雷达与地闪资料的叠加可以看出，强雷暴中地闪主要发生在强回波区 内，负地闪主要出现在强回波区域( 4 0 d B z ) ，且主要集中在回波梯度大的区域， 而正地闪出现在弱回波区( 4 5 d B z ) 达到的最大高度为7 k m ，回 波顶高度接近1 3 k m 。对应的雷达剖面速度图上，强回波区对应强的辐合上升气流，其 后强回波主体向上发展，范围开始扩大。此时由于外流边界和暖湿入流的相互作用，使 系统前部的辐合加强，到2 2 ：3 5
4、( b 图) 回波顶高达到1 6 k m ，大于4 5 d B z 的回波高度为 l l k m ，强中心的两侧为弱回波区，此时为系统发展成熟阶段，对应的速度图上气流在强 回波区辐合上升，弱回波区对应的辐合气流将强中心抬升到较高的高度，低层辐合，高 层辐散。系统后部接近地面出现了弱的辐散气流。2 2 ：4 7 强回波主体进一步扩大，中 心已经开始断裂，强回波已经达到近1 2 k m 。相对应的速度图上，强回波区对应的上升 气流，上升区的外围两侧出现下沉气流区，中层相对气流较弱，因为系统几乎随对流层 中层气流移动的。2 3 ：1 7 ( 图d ) 强回波已经减弱，主体范围减小，强回波所达到的高
5、度降为9 k m 。速度图上，上升速度明显减弱，下沉气流增强。 为了说明地闪与雷达回波的对应关系，本文进一步分析了系统在三个不同的发展 阶段发生于不同回波强度内的地闪数量。左图中可以清楚的看出，负地闪主要出现在强 回波区域( 4 0 d B z ) ，而正地闪出现在弱回波区( 4 5 d B z ) 内。随着系统进入成熟阶段，2 0 ：5 0 系统不断发展东移， 雷达上显示的系统回波范围明显增强，强回波中心分散在大范围层状云回波内部，最大 回波强度达到6 0 d B z ，地闪数量明显增加尤其是负地闪的数量，此时达到最高值，而负 地闪大多集中在层状云回波区内。2 1 ：2 4 雷达回波所达的范
6、围进一步扩大，系统的东 部已经东移入海，且此时范围达到最大，强回波区主要集中在系统的东部呈片状分布在 弱回波区域内，回波强度最大值达到6 0 d B z 。对应的速度图( 图略) 表明云体中上部为 强盛的上升气流，中层表现为明显的辐合，高层又表现为很强的辐散。但是受降水的拖 曳作用近地面速度图上表现为辐散气流特征。此时正地闪占据主导地位，正地闪主要发 生在系统东部回波梯度变化大的区域( 3 0 d B z 4 0 d B z ) ，而负地闪数量较少且相对集中在 回波强度较小层状云区( 2 5 d B z 3 5 d B z ) 。2 2 ：2 4 系统的强中心覆盖的范围开始减少， 正地闪依旧占
7、主导地位，主要发生在强中心外围，负地闪数量较少且主要发生在层状云 区域( 2 5 d B z - 3 5 d B z ) 。系统的消散阶段，2 3 ：0 3 强中心雷达反射率最大达到6 5 d B z ， 强回波区内只有一个正地闪发生，正地闪主要出现在3 0 d B z 的层状云回波区域，此时 只发生了两个负地闪位于弱回波区内。2 3 - 1 9 回波强度明显降低，地闪数量也明显减 少，正负地闪大多发生在层状云区域。 综合上述分析可知在冰雹云发生的初始阶段，发生的几乎全部为正地闪，且地闪大 多落在较弱的回波区内。发展阶段，云中上升气流较强，系统发展迅速。负地闪的数量 明显增多，主要出现在层状云
8、回波区域，而正地闪出现在较强回波区域。系统的成熟阶 段，受降雹降落的拖曳作用正地闪占据主导地位，且落在强回波区域外围的回波变化大 的区域。进入消散阶段，云内为下沉气流地闪数量明显减少，几乎全部为正地闪且落在 层状云回波区内。 第! 章一攻镕雹i 的地目镕自特 凹3 65 分钟内雷达P P I 与正负地闪定位幽+ 代表正地闶一代表负地闪 雷达每刚为5 0 k mP P I 仰角为0 5 。 第E 章一次冰雹i 的地闶活动特征 图37 为2 0 ：1 4 对( 1 1 74 t 1 1 84 0 E ) 和( 3 74 0 3 78 0 N 】做剖面，此时系统处于 发展阶段上图为东西向的雷达回波剖
9、面图，最大的回波强度达到6 0 d B z 以上，H 波 顶高度达到1 2 k i n ，大于4 5 d B z 的强回波高度达到7 k m 云体直立发展。右图为南北向 的雷达回波剖面圈，回波最大强度达到6 5 d B z 以上，回波顶高度达到1 l k m ，大于4 5 d B z 的高度达到8 k m 以上，强回波区域向上直立发展此时对流较强并将持续发展。 一 一 图3 72 0 1 4 时分别对( 1 1 7 4 0 - 】1 84 0 E ) 和( 3 74 0 - 3 78 0 N ) 做剖面雷达仰角为0 5 0 本文进一步分析了系统在三个不同的发展阶段发生于不同回波强度内的地闪数
10、量。如图38 所示，左图为不同发展阶段的富达剖断图，右网为不同回波强度区内地刚 发生数量随时间变化，从图中可以看出地闪主要发生在相对弱回波区内，随着回波强度 的增加，地闪频数逐渐降低，地闪主要集中在2 5 - 4 0 d B z 的区域内，并在2 5 - 3 0 d B z 区域 内出现峰值。在系统的发展阶段，此时回波顶高达到1i k r n ，大于4 0 d B z 的回波高度为 9 k m ，地闪频数达到最高为4 次5r a i n ，随着回波强度增加，依次递减，大于5 5 d B z 的 强回波区域没有地闪发生。在系统的成熟阶段，强回波主体进一步扩大两侧为弱回波区， 虽大的回波强度为6
11、0 d B z ，回波顶高达到1 2 k m ，大于4 0 d B z 的高度达到1 0 k r n ，云内上 升气流强，2 5 3 5 d B z 地闪频数达到峰值为5 次5 r a i n ，随着回波强度的增大地闪频数依 第三章一次冰雹i 的地闪活动特征 次降低。在消散阶段，强回波顶高度明显降低且回波强度减弱，中心已经开始断裂，对 流活动减弱，此时总地闪频数降低，但地闪主要出现在弱回波区内尤其是在2 5 3 0 d B z 内达到最大值。 图3 , 8三个阶段雷达剖面对应发生的地闪和不同回波强度内技生地闪频散 发展阶段( a ) 、成熟阶段( b ) 和消散阶段( c ) 第三章一次冰雹云
12、的地闪活动特征 通过对发生在冰雹云系统发展阶段、成熟阶段和消散阶段内不同回波区域内地闪数 量的统计，可以得出地闪数量随回波强度的增加总体呈现出递减的趋势。地闪主要集中 在2 5 3 5 d B z 回波区域内，此回波强度内地闪最大值出现在消散阶段内，而在成熟阶段 强回波区域内( 3 5 d B z ) 地闪发生数量是三个阶段内最高的，发展阶段次之。而当强 回波发展，增加的地闪主要为负地闪。 3 6 本章小结： 这次冰雹云过程主要受东北冷涡和副热带高压共同影响，南下的西北气流和西南气 流汇合，这种形势极易形成对流天气。此次冰雹云过程产生的大范围的降雹，最大的冰 雹直径达到5 c m 。 地闪频数
13、演变有如下特征：冰雹云的初始阶段，正地闪占主导地位，而在冰雹云快 速发展阶段，负地闪占主导地位达到峰值频数为1 9 次5 r a i n ，说明这段时间对流活动表 现活跃，因为负地闪频数一定程度上反映了云中上升气流的强度【1 7 】，而此时正地闪频 数很低；成熟阶段正地闪频数快速增加，并且达到峰值为2 1 次5 m i r a 在减弱消散阶段， 地闪频数显著减少，正地闪所占比例较大。由于在临近冰雹云成熟期，随着冰雹云内冰 相水成物粒子的增多，云内起电活动增强，导致地闪频数的迅速上升。开始降雹前地闪频 数的迅速上升，可以作为降雹的指示量。 从雷达回波与地闪的叠加可以看出，地闪主要发生在层状云回波
14、区域内，且在回波 强度变化大的区域。对不同回波区域内的地闪数量的统计，发现地闪主要发生在 2 5 4 0 d B z 的弱回波区，而强回波区内发生地闪很少。冰雹云垂直气流速度远大于一般 雷雨云，发展较旺盛，但地闪频数相比较其它过程较低。强烈的上升气流必然导致云中 强的起电过程，同时上升气流也将云体抬升得更高，相应的电荷区也被抬高，加大了与 地面的距离，这样地闪频数就会减小，而云闪频数可能会大大增加。比较密集的正地闪 发生，通常预示着强对流天气( 如冰雹、大风等) 的发生【1 8 】。强雷暴在发展旺盛阶段 通常表现的低地闪频数，可能是由“电荷抬升机制”造成的。某些雷暴云中或雷暴云发 展的某些阶段
15、可以呈现出与正常极性相反的电荷结构，即在雷暴云中部是主正电荷区， 而上部为负电荷区【1 9 1 。 通过对中尺度对流系统和冰雹云过程中地闪的活动特征分析对比可以得出，前者是 典型的一次中1 3 尺度对流系统过程：后者为强度较弱的冰雹云过程，并产生了较大范围 第三章一次冰雹云的地闪活动特征 的降雹。二者地闪活动特征有明显的差异。中尺度对流系统发生影响范围广、强度强且 地闪较频繁，整个系统生命史过程中负地闪占主导地位，且主要发生在强回波区内部， 正地闪的频数相对较低并主要分布在弱回波区域内以及强回波的边缘一带。 冰雹云过程中系统影响范围较小，强度较弱，地闪发生数目相对比较少，而这次过 程中正地闪占
16、主导地位，正地闪提前降雹时间1 h 达到峰值，且在降雹时段内正地闪频 数较高，而负地闪急剧降低。正地闪多发生在回波梯度大的区域尤其是集中在强回波区 的边缘。负地闪起初数量较少并零星的分布在弱回波区，随着系统发展以及强回波的增 加负地闪数量增加且分布向强回波区转移。 参考文献： l 。 R e a pRM ，M a c G o r m a nDR C l o u d - t o g r o u n dl i g h t n i n g ：C l i m a t o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n d r e l a t i o n s h i p st om o d e lf i e l d s ，r a d a ro b s e r v a t i o n s ，a n ds e v e r el o c a ls t o r m s M o n W e a R e v ，1 9 8 9 ，1 17 ： 5 1 8 5 3 5 2 S t o l z e n
