大气环境因子与雷电产生的关系

2023-02-12

1 选取资料

本文使用的探空资料来自北京观测站 (39.56°E, 11 6.1 7°N) 每日0 8:0 0、2 0:0 0 (北京时间, 下同) 的探空。选取的表征大气不稳定度的参数主要有400~700 h Pa平均湿度和对流有效位能 (CAPE) , 使用08:00与20:00的探空资料分别计算以上参数。在探测区域内, 以闪电数量、演变过程及分布状态为依据, 并与天气实况向结合做好相关的记录工作, 确实发生闪电活动的雷暴过程;针对观测无闪电记录及少量、散乱的闪电观测, 通常我们认为是没有闪电活动[1]。经过以上划分, 并与资料的准确性与完整性相结合, 在试验期的3 a终一共找出无闪电活动过程153个及有闪电活动过程182个。

2 大气环境因子与雷电产生的相关性分析

2.1 400~700 h Pa平均相对湿度

在强对流天气系统中, 雹粒与冰晶之间相互碰撞与摩擦, 导致增温, 同时当水滴冻结时释放出潜热, 产生温差起电机制。当水滴冻结时, 冰壳内部温度为0℃, 而冰壳外部为低于零度的室外环境温度, 这就产生了温差。冰中有一小部分分子处于电离状态, 有H+和OH-, 并且其浓度随着温度升高增加很快, 温度高的地方离子多, 它们就会向温度低的地方迁移, 而H+的迁移率比OH-的要高得多, 所以就形成热端为负离子, 冷端为正离子, 而冰晶在运动中会有冰刺脱落, 而使得形成大的带负电冰壳和小的带正电的冰刺, 随着不停的冰壳向下运动, 冰刺向上运动, 使得云上部带正电, 下部带负电, 当云-地电场达到一定值时, 就会产生云对地的放电[2]。所以云中相对湿度是温差起电产生的必要条件, 对雷电产生的作用至关重要。

有闪电活动与无闪电活动的400~700 h Pa中层湿度值具有较大的范围。对于无闪电活动而言, 其平均湿度为47.97%, 与其相对应的有闪电活动的平均湿度为57.53%, 能够看出, 400~700 h Pa的平均相对湿度值与闪电活动之间并不具备较好的相关性。但是, 在湿度UW<30%以下, 无闪电活动的几率明显较高, 有28.10%的无闪电活动和5.9%的有闪电活动出现在这个范围, 预报无闪电发生的概率为81.13%。而无闪活动和有闪活动的最大值分别是98.4%和98.69%, 所以说并不是相对湿度越大, 产生雷电的几率越大, 可能是在某个范围内与相对湿度呈正相关, 另外有闪活动产生时的湿度最小值为9.55%, 说明其起电机制可能不属于碰撞起电或者温差起电。

2.2 对流有效位能

气块从云底上升到云顶的对流有效位能CAPE:CAPE=Tv, env和Tv, ad分别是探空得到的实际环境温度和从云底沿可逆湿绝热线上升对应的温度, 表示在不计摩擦的情况, 气块的不稳定能量, 等于单位质量气块由Zcb (云底高度) 上升到Zct (云顶高度) 时动能的增量。不稳定能量的大小决定着云中对流的强度, 对流的强度在云中起电过程中不可或缺, 能量越大, 自由电荷量就越大, 从而促使云地电场大小达到指定值产生放电。对流深厚程度高, 就会在云中聚集大量的正负离子, 更容易产生云与云, 云内, 云与地之间的放电活动。

通过对流有效位能的CAPE分析, 可以发现, 当使用CAPE=400为一个判别点时, 在无闪电活动中, 有73.79%位于CAPE<400的情况下;在有闪电活动中, 有61.60%出现在CAPE>400的情况下。对应的, 可以得出在CAPE>400时, 出现闪电活动的几率为74.04%;在CAPE<400时, 不出现闪电活动的几率为61.29%。这与Solomon等的研究分析结果相似。在他们研究的12个雷暴中, 有7个CAPE的值超过了400, 其中6个产生了闪电 (有闪电活动的几率为85.71%) , 而另外5个低于这个值的雷暴中, 只有2个产生了闪电 (无闪电活动的几率为60%) 。

2.3 其他大气环境因子

2.3.1 沙氏指数SI

SI=T500-Ts

T500为500 mbar上的实际温度, Ts为气块从850 mbar开始, 沿干绝热线抬升到凝结高度, 然后再沿湿绝热线抬升到500 mbar的温度。Ts越大, 表示这段高度上的湿度越大, 水滴与云滴的碰撞愈强烈, 冰晶的温差起电愈频繁, 从而为云放电提供更多的电荷。SI>0, 表示稳定;SI<0, 表示不稳定, 且愈小愈不稳定。

2.3.2 气团指标K

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700, 其中, [T850-T500]为850 mbar与500 mbar的实际温度差, 850mbar与500 mbar对应的高度正好是雷暴云产生区域, 这个差值决定了两个高度之间对流强度, 温度差越大, 对流越强烈, 产生雷电的几率越大。[Td]850为850 mbar的露点, 露点的高低与空气中水汽含量多少有关。空气中水汽含量多, 露点就高;水汽含量少, 露点就低。[T-Td]700为700 mbar的温度露点差, 露点温度与当时气温结合起来还能表示空气的潮湿程度, 露点与实际气温之差越小, 说明空气湿度越接近饱和程度, 即空气越潮湿, 反之, 越干燥。[T-Td]700越小, 表明700 mbar高度上湿度越大, 也对应了湿度影响雷电产生的结果。综合3个变化量可知:K值大, 说明底层暖湿, 中层湿度层厚, 高层冷, 因此K值越大, 越不稳定。

3 对流上限的海拔高度Z

对流上限指的是对流所能达到的最大高度。通过自由对流高度的状态曲线继续向上延伸, 并再次和层结曲线相交之点所在的高度, 就是对流上限, 也就是经验云顶。随着云顶增高, 底部气温越冷, 底部和顶部温度差越大, 对流愈强烈, 闪电、雷鸣更加频繁。云顶较低的云, 冰晶浓度小, 碰撞起电和温差起电都不能很好的进行, 不能提供足够的电荷是放电活动产生。

摘要：利用北京地区闪电定位系统的观测资料, 结合探空资料, 分析并得到335 d (182 d有雷电, 153 d无雷电) 的大气环境因子与雷电产生的关系。结果表明, 对流有效位能与雷电产生有比较好的相关性, 而中层湿度与雷电产生的相关性不明显, 从而明确雷电产生的预报指标。本研究对华北地区雷电探测与雷暴预报有参考价值。

关键词：对流有效位能,中层湿度,雷电产生