佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系.docx
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佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系
佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系)
摘要
介绍了最近(1999年)Williams等9位气象学家(下称Wetal99)对佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系。
Wetal99研究发现,强雷暴的总闪电频数都超过了60fpm,有些竟高达500fpm;最高闪电频数在强天气到达地面之前的5~20min出现,这点与早期对雷暴微下击暴流的研究结果相似;强雷暴的一个显著特征是存在闪电频数“跃变”,即在雷暴最大闪电频数出现之前,闪电频数会急剧增大。
Wetal99认为,对于所有类型的强天气,包括强风、冰雹和龙卷风,其系统性的总闪电前兆特征可这样来解释,即地面的上升气流,一方面为地面强天气在高空的形成提供条件,同时又刺激了触发云内闪电活动的冰晶微物理过程。
关键词:
闪电活动雷暴佛罗里达州闪电频数跃变
1。
引言
最近(1999年)Williams等9位气象学家(下称Wetal99[1])撰写了一篇文章,介绍佛罗里达强雷暴天气的总闪电活动特征。
Wetal99[1]认为,由Vonnegut和Moore(1958)[2]研究的Worcester雷暴是1953的一次重要的天气过程,它同时将人们的注意力集中在强天气及其定义上(Galway,1989)[3]。
现在,强天气已由风、冰雹尺寸、涡度的阈值等给出了明确的定义。
所有这些天气现象,在物理原理上均与深对流中的垂直气流有密切的联系,而垂直气流本身是不能用多普勒天气雷达来直接测量的。
云层的起电过程和闪电对垂直气流非常敏感,因为垂直气流可调节过冷水的供给,而过冷水又是冰粒(冰晶、软雹和冰雹)增长的基础,冰粒又被认为是电荷分离所必需的。
由于这些原因,Wetal99[1]从一开始就希望闪电活动与强天气的发展之间存在着密切的相关性,而相关性可帮助人们掌握并预测强天气现象。
从历史上来看,这些观点的探索,由于缺乏足够数量的观测资料而被搁置。
一个有关强雷暴起电过程研究结果的最新评述表明(Williams,1998[4,5]),在整个强雷暴的生命期内,始终记录了闪电活动情况个例者往往很少。
最新研制的LISDAD(闪电图象传感数据应用和演示系统)(Boldi等,1998[6];Weber等,1998[7]),在很大程度上弥补了这个问题。
LISDAD已在佛罗里达州中部地区投入使用,以便用来在各种各样强天气过程中描述总闪电活动情况。
Wetal99研究所用的观测资料,主要是由佛罗里达中部地区的LISDAD系统提供的。
个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途
2。
强天气标准及其与垂直气流的关系
根据美国国家天气局的标准,强天气至少具有以下三个特征之一,即:
(1)落地雹块的有效直径大于1。
9cm;
(2)地面持续风速超过26ms-1;(3)出现龙卷风.以上这些地面条件均与雷暴的垂直气流有关。
2。
1强冰雹
冰雹的增长依赖于在含过冷水的垂直气流中漂浮的粒子。
因此,可通过计算雹块的下落速度来评估不同直径的雹块所需的上升气流强度,结果见图1所示,临界直径为1.9cm的雹块所需要的垂直气流为29m/s.由于冰雹在从0℃等温层到地面的下降过程中融化,其尺寸减小,因此到达地面上这一临界尺寸大小的冰雹显然需要有更大的高空垂直气流。
2。
2雷暴大风
在雷暴附近地区发生的地面强风,常常是由于高空的下沉气流造成的.下沉气流的机制——降水粒子引起的重力拖曳作用、蒸发冷却作用以及冷凝物的融化作用——都与上升气流有关,还可能随着上升气流的增强而增强。
所观测到的云内闪电先于雷暴下击暴流而出现的趋势(Goodman等,1988[8];Williams等,1989[9,10];Malherbe等,1992[11];Stanley等,1997[12]),与通常的设想是一致的。
图1冰球的下落速度与海拔6000m处冰球直径的关系
2。
3龙卷风
龙卷风是垂直角动量分量占主导地位的强旋转风.尽管有许多关于龙卷风的理论,但它们有一个共同的特征是:
涡度的垂直伸展.涡度的垂直伸展,是由垂直气流的垂直梯度(即dw/dz)来调节的,如图2所示.对于垂直尺度由对流层顶所限定的强雷暴,涡度的垂直伸展在很大程度上是由气流的大小决定的。
Wetal99[1]证明,上升气流和下沉气流都能使涡度垂直伸展。
图2涡旋伸展过程中垂直气流作用图解
3.探测系统与研究方法
Wetal99[1]研究所用的观测资料,主要是由佛罗里达州中部地区的LISDAD系统提供的。
设计LISDAD的最初意图是:
利用美国国家航空和航天局的光学瞬时探测仪和闪电图像传感器,提供一套能从空间对闪电进行光学探测的地面真值系统。
在1997年春夏,佛罗里达州强天气的急剧变化清楚地表明,LISDAD作为一种研究强雷暴的工具是十分有效的(Raghavan等,1997[13];Weber等,1998[7])。
当前(指1999年)实时业务系统,把林肯实验室为联邦航空管理局研制的位于奥兰多的综合终端天气系统(ITWS)原型机接收的资料、美国国家天气局(NWS)位于墨尔本的WSR—88D雷达资料、美国国家强风暴实验室研制的雷暴单体识别和跟踪(SCIT)算法(Johnson等,1998[14])、肯尼迪空间中心的闪电探测定位系统(LDAR)(Lennon和Maier,1991[15])以及美国国家闪电探测网(NLDN)(Cummins等,1998[16])等所收集的资料结合在一起。
LISDAD系统,在研究雷暴方面比传统的短时外场实验有很大程度的改进,实时的全天候的运行,对捕捉所有Wetal99[1]感兴趣的个例提供了保证.而且,当事件发生时,通过美国国家天气局业务预报员的直接调取和使用有助于获识观测资料的系统特征。
在过去传统外场实验中,事件过后需要花费很大力气来收集各种不同的资料,但LISDAD系统在感兴趣的事件发生之后,立刻就能进行完整的资料回放和检查。
在LISDAD探测结果中,当把总闪电频数用来诊断强天气时,它强调的是LDAR辐射数据的特殊重要性。
通过美国国家航空和航天管理局肯尼迪空间中心(KSC)25年多的业务应用,LDAR能用来精确探测和描述云内闪电和云地闪的能力已经得以证实。
4。
一般雷暴的观测结果
尽管Wetal99[1]研究的重点在于佛罗里达州中部地区所有类型的强天气,但是开始时先谈一下LISDAD得出的关于一般雷暴(非强)较普通的结论以及各个季节强天气的各种频谱还是很有用的。
用同样的算法来计算所有大小和严重程度不同的雷暴的总闪电频数,可帮助人们将这些结论应用到具有强不稳定性和强垂直风切变特性的背景场中。
LISDAD的弹出式窗口特性(Boldi等,1998)[6]已被用来研究所有类型的、数目庞大的佛罗里达州雷暴中闪电的演变特征。
强雷暴天气可在地面观测员对冰雹(象一角硬币那么大或者更大)、强风(树被刮倒)或者出现龙卷风的报告基础上进行识别,图3总结了所有个例的闪电峰值频数(对于LDAR则为总闪电频数),很多小规模的、非强的雷暴,其最可能的最大闪电频数为1~10fpm,一条垂直虚线段代表60fpm的闪电频数(每秒钟1个闪电)。
这里在很大程度上仅根据闪电的峰值频数划分为非强和强两种雷暴过程。
没有发现其闪电峰值频数小于60fpm的个例属强天气过程;高于这个闪电频数的个例,大部分均被识别为强雷暴天气过程。
然而,有许多具有较高闪电频数的个例(其中有一个高达500fpm),却不能被证实具备强雷暴的条件。
为什么会出现上述现象呢?
Wetal99作了如下解释:
有一些具有较高闪电频数的个例,如果发生在人口稀少的地区,则情况可能是:
在这里虽然发生了冰雹(举例说明),但未能被发现;如果讨论的是发生在人口稠密地区的高闪电频数的个例,则表明那里没有达到强雷暴的状态。
被观测到的最大LDAR闪电频数接近500~600fpm。
图3基于LDAR观测所得出的佛罗里达州雷暴的闪电峰值频数
5.闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系
(一):
示意图
强雷暴最明显和最系统的特征是在强天气在地面出现前1~15min云内闪电频数快速增长,这种增长,其专业术语为闪电频数“跃变”,在约20到100多fpm/min的范围内变化.闪电频数“跃变”的先兆特征,看来不仅适合冰雹天气过程,而且对所有强天气过程都是适合的。
佛罗里达州一次强雷暴过程的总闪电频数的演变特征见图4所示,在图4中有3个特征时间(t0,t1和t2),t0是闪电频数“跃变”时间,t1是LDAR闪电峰值频数出现的时间,t2是强天气到达地面的时间。
大范围的佛罗里达州强雷暴天气个例的特征时间值概括在表1中,从总体情况来看,表上的记录值与图4所示的演变情况基本一致,表1还包括了闪电的峰值频数(LDAR和NLDN观测所得)以及闪电频数“跃变”前兆的估计量.表1中的大部分资料(地面观测员的报告除外),是通过最初由NWS和林肯实验室(ITWS)工作人员识别的单个个例获得的。
图4一次佛罗里达州雷暴过程的闪电演变情况,其中t0代表闪电频数“跃变”时间,t1代表LDAR闪电峰值频数出现的时间,t2代表强天气出现的时间。
与表1不同的是,根据对超前时间的计算,如果t0=0,则t1=7.4分,t2=16分。
表1LISDAD系统所测的强雷暴过程总结表,其中t0代表LDAR所测闪电频数急剧增长(闪电频数“跃变")的时间,t1代表LDAR所测闪电峰值频数出现的时间,t2代表第一次观测到强风暴天气的时间.
日期
{年
月,日}
强天气
类型
NSSL
SCIT
单体
ID#
LDAR总闪电峰值频数
(fpm)
LDAR
闪电跃变(fpm/min)
NLDN云地闪峰值频数
(fpm)
t0
(UTC)
t1
(UTC)
t2
(UTC)
1998
2,23
龙卷
16
567
163
12
0307
0324
0355
2,23
龙卷
9
69
23
6
0423
0429
0437
2,23
龙卷
9
410
98
9
0500
0506
0510
2,23
龙卷
16
187
47
10
0528
0532
0540
1997
4,23
龙卷/冰雹
4
195
60
4
1237
1242
1320
5,22
冰雹/风
5
290
75
5
1838
1849
1847~1852
6,2
水龙卷
13
40
30
2
2214
2236
2300
6,13
5分硬币大的冰雹
1
410
90
10
1852
2003
2010
7,1
1角硬币大的冰雹
9
106
62
4
2013
2017
2005
7,1
1角到25美分硬币大的冰雹
18
130
32
5
2033
2045
2045
7,5
风灾
9
170
32
5
1707
1721
1730
7,6
水龙卷
8
86
78
2
1829
1830
1842
7,6
风灾/1角硬币大的冰雹
2
225
35
21
1938
1945
2001
7,7
高尔夫球大的冰雹
23
425
85
20
2334
2344
2350
7,8
1角硬币大的冰雹
2,5
180
50
10
1941
1947
1948
7,8
风灾
19
170
32
8
2007
2027
2035
7,8
风灾
19
120
20
8
2121
2131
2130
7,9
风/25美分硬币大的冰雹
6,11
215
50
5
1844
1850
1900
7,9
风灾
1
60
30
2
1920
1922
1924
7,9
1角硬币大的冰雹
2
325
65
20
2132
2140
2143
7,9
25美分硬币大的冰雹
2
325
65
20
2132
2140
2208
7,11
陆龙卷/水龙卷
4
170
50
8
1730
1746
1758
7,12
1.25英寸大的冰雹
12
200
44
8
2103
2117
2140
7,15
高尔夫球大的冰雹
17
140
70
3
2033
2035
2058
7,16
1角硬币大的冰雹
10
116
22
3
2027
2030
2038
7,16
漏斗云/风
6
550
220
18
2323
2325
2330
7,29
高尔夫球大的冰雹
2
270
80
22
2112
2114
2124
7,31
1角硬币大的冰雹
14
300
60
1
2017
2032
2035
8,23
风
2
310
100
10
2032
2034
2030
10,31
风
8
554
62
14
2032
2045
2045
1996
8,10
风
4
100
28
20
2204
2208
?
8,14
水龙卷
14
44
21
5
1952
1954
2025
8,16
无强天气报告
2
240
70
10
2051
2054
无报告
8,16
18
260
80
10
2040
2056
无报告
Wetal99虽讨论了与地面观测员报告的时间t2有关的随机误差,但系统性的误差目前还不清楚,然而,看起来它对平均超前时间间隔(t0-t2,t1—t2)的影响是事件报告的滞后。
Wetal99[1]认为,在LDAR闪电频数的演变过程中,闪电频数“跃变”的存在,对于他们所研究的强雷暴过程来说,可能表示强雷暴明显地偏离了它的定常状态特征。
在混合相态环境中,增强的起电过程和高空冰粒子的增长之间存在着显著联系表明,闪电频数“跃变”是伴随着高空空气垂直运动高峰而来的。
LISDAD证据也支持了垂直运动高峰与大冰雹的增长相关这一观点。
图5说明了闪电“跃变”量级与表1中LISDAD观测的所有冰雹个例下落到地面上的雹块最大直径的关系。
此处的正相关支持了这样的一个观点,即,与更强的垂直运动高峰有关的更强的起电过程与更大的冰雹之间存在着内在联系。
对通常非强雷暴的几毫米大小的软雹特征进行粗略外推,结果表明,其闪电“跃变”小于10
fpm/min,与观测结果一致。
图5闪电频数的“跃变”与雹块最大尺寸间的关系,这些结果是根据表1所得。
本研究(表1)以及1998年Goodman等[8]的研究中,关于云内闪电活动先于龙卷风和水龙卷的系统性特征,并非没有先例。
早在20世纪70年代,Taylor认为,云内闪电峰值频数先于一些龙卷风10~15min出现(W.Taylor,与文献[1]作者的个人通信,1996);MacGorman(1993)[17]发表了关于1986年发生的宾格龙卷风其云内闪电峰值先于龙卷风发生的文章;Buechler等(1996)[18]指出,根据NASA空间瞬时光学探测仪的光学观测资料分析得出一个显著特点,即云内闪电活动先于龙卷风出现。
6.闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系
(二):
个例分析
图4所描述的事件的系统性演变特征,可通过表1中的3次特殊的个例来说明,一次为冰雹个例(1997年5月22日)、一次强风的个例(1997年10月31日)以及一次龙卷风的个例(1998年2月23日),比较的目的在于进一步弄清楚在整个闪电活动中先兆信号的物理基础。
6。
1一次冰雹和下击暴流个例
对于1997年5月22日发生在奥兰多的冰雹过程,其总闪电频数以及多普勒雷达最大径向速度梯度的演变特征见图6。
这一天当地时间正午后不久,孤立的对流单体开始向奥兰多国际机场的西北方向发展,在接下来的一小时内,对流进一步发展并移出该地区。
Wetal99[1]所讨论的雷暴离墨尔本的距离太远,不能用NEXRAD雷达观测来揭示其外流演变特征,因此用奥兰多的终端多普勒天气雷达(TDWR)来进行上述观测。
林肯实验室(ITWS)的业务人员Richard曾在费里斯于当日的1847~1852UTC时段内观测到直径为1.9~2。
5cm的椭圆形雹块。
如图6所示,这一天最强的外流速度(37ms-1)是在1856UTC由TDWR在距费里斯不到8km的地方观测到的,因此此次雷暴过程是呈现出冰雹和微下击暴流
两种天气现象的强天气过程.
图61997年5月22日奥兰多附近伴随强微下击暴流发生的冰雹过程(雹块直径2。
5cm):
(a)总闪电频数的演变特征;(b)地面上多普勒径向速度梯度的演变特征。
由LISDAD观测到的闪电频数的“跃变”现象,是先于两次微下击暴流出现的(分别在1821和1838UTC出现),第二次更大的“跃变”(75fpm/min),大约比冰雹提前9min出现。
有趣的是,大冰雹比最大的外流速度提前4到7min出现。
大冰雹由于其极大的下落速度而提前降落。
在形成微下击暴流的过程中,可能是由于小尺度降水粒子的拖曳和融化作用起主要作用所造成。
闪电频数峰值和外流速度峰值之间有7min的超前时间与非强雷暴过程结果非常一致(Goodman等,1998[19];Williams等,1989[4,5];Laroche等,1991[20];Malherbe等,1992[11];Stanley等,1997[12])。
上述结果表明,在这两种类型的雷暴天气中,其前兆具有相似的物理基础。
先于冰雹和较大的微下击暴流出现的LDAR闪电频数峰值为275fpm,这比非强雷暴的特征值大得多(见图3)。
表2对于两个佛罗里达超级单体选择的参数的比较
参数
1997年10月31日
1998年2月23日
假绝热CAPE
1540J/kg
2140J/kg
对流层顶高度
12。
9km
12.7km
融化层高度
4。
0km
3。
8km
最大LDAR闪电频数
554fpm
567fpm
最大NLDN闪电频数
14fpm
17fpm
闪电频数“跃变”的大小
60fpm/min
160fpm/min
IC对CG的最大比值
~230
~200
最大雷达云顶高度Ht
16~17km
17~18km
Ht超过对流层顶的高度
3~4km
4~5km
推测的最大上升气流速度
60~80m/s
80~100m/s
7km高度处30dBz回波面积直径
22km
30km
螺旋度(0~3km)
184m2/s2
350m2/s2
中(尺度)气旋最大旋转速度
19m/s
28m/s
典型的中层中(尺度)气旋直径
5~9km
5~8km
超级单体平移速度
50~80km/h
90~100km/h
冰雹(?
)
无冰雹报告
1。
91cm的冰雹
龙卷(?
)
无(仅风害)
有(F3)
6.2 两次强雷暴的对比分析
在Wetal99[1]研究中,为了研究风、龙卷等强天气现象,对表1中的个例进行了选择,这样做的目的有两个:
⑴探索风暴的垂直发展及其与强天气过程中总闪电前兆的关系,⑵进一步弄清楚产生龙卷和不产生龙卷的超级单体之间的区别。
后者是一个长期存在的科研和业务问题(Burgess等,1993)[21]。
Wetal99[1]认为改进的多普勒雷达观测(Burgess等,1993)[21],使他们认识到一部分具有超级单体结构的中(尺度)气旋不会演变为龙卷.一个具有挑战性的问题是,识别造成这种差别的物理条件。
考虑到这一具有挑战性的问题,Wetal99[1]从表1的LISDAD资料中选择了两个佛罗里达旱季的电结构极端不同的超级单体中(尺度)气旋进行比较——一个是在1998年2月23日(产生了F3级龙卷),另一个是在1997年10月31日(有大风,但没有龙卷)。
图71997年10月31日伴有强风的超级单体(Polk区):
(a)最大雷达反射率(dBz)的时间高度剖面图;(b)总闪电频数的时间演变;(c)最大中(尺度)气旋旋转速度(m/s)的时间高度剖面图;(d)云地闪频数(fpm)的时间演变;(e)显示超级单体路径的佛罗里达地图。
图81997年2月23日具有F3级龙卷的超级单体(Volusia区):
(a)最大雷达反射率(dBz)的时间高度剖面图;(b)总闪电频数(fpm)的时间演变;(c)中(尺度)气旋旋转速度(m/s)最大值的时间高度剖面图;(d)云地闪频数(fpm)的时间演变;(e)显示超级单体路径的佛罗里达地图。
6.2。
1对比分析用的参数
为了比较这两个个例而选择的参数见表2.表中包括超过对流层顶的高度以及根据Vonnegut和Moore(1958)[2]首先采用的计算方法推导出的最大上升气流速度。
这些参数中大部分非常相似,因此需要强调产生龙卷和不产生龙卷的超级单体之间的微小差别。
例如,LDAR闪电频数峰值都非常高.造成上述情况的原因可能是:
对于强与非强风暴采用同样的风暴规则导致闪电的计数过度,然而,值得注意的是两者的估计值都小于Vonnegut和Moore(1958)[2]对伍斯特龙卷风暴(600~1200fpm)闪击频数的估计值,而后者仅仅是在夜间对龙卷超级单体闪击频数的目视观测结果。
6。
2.2两个表现明显的参数
表2中能表明龙卷风和非龙卷风超级单体风暴最大差异的两个参数是:
闪电频数跃变和0~3km高度范围内的螺旋度。
在这两个参数中,较大的值都与2月23日产生龙卷的风暴有关。
这两个个例的雷达反射率和中(尺度)气旋旋转速度在时间-高度图上的演变特征以及闪电频数(LDAR和NLDN探测到的地闪)的演变情况见图7和图8。
在这两个个例中都包含了具有最大闪电频数跃变、最大闪电频数和最强垂直发展的阶段.图7和图8还说明了风暴的总体移动路径。
在表2的所有参数中,闪电频数跃变的大小在这两个个例中对比最强烈,产生龙卷的个例具有很大的闪电频数跃变值(160fpm/min)。
这两个风暴距墨尔本雷达的距离都不太近,因而不能对Wetal99[1]所关心的低层涡度(即龙卷)进行观测。
同表2中的参数相比,这些时间—高度剖面图的比较揭示了这两个个例之间的更大的差别.
同普通的气团雷暴(Lhermitte和Krehbiel,1979[22];Lhermitte和Williams,1985[23];Goodman等,1988[8];Williams等,1989[9,10])相比,这些超级单体在垂直发展方面更接近动力定常状态.然而,观测表明:
在这两个个例中,非定常特征在指示地面强天气条件方面仍然十分重要.总闪电频数可能是超级单体演变的非定常最明显的特征,闪电跃变(LDAR闪电频数)与强天气(10月31日2045UTC和2月23日0355UTC)的另一个前兆特征-—爆发性的垂直发展相一致(10月31日2020~2040UTC和2月23日0305~0320UTC)。
中层(特指混合相区域,那里具有最强的电荷分离作用)的向上发展与中层旋转增强(可能是通过中高层上升气流区垂直涡度的伸展造成的)完全一致。
在这两个个例中,高层旋转速度的最大值一直持续到LDAR闪电频数最大的时刻(10月31日2045UTC和2月23日0324UTC)。
与那些非强的雷暴(Byers和Braham,194
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- 佛罗里达州 闪电 频数 雷暴 天气 出现 时间 关系