ISSN 1004-4965

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华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

赵川鸿 郑栋 张义军 刘显通 张阳 姚雯 张文娟

赵川鸿, 郑栋, 张义军, 刘显通, 张阳, 姚雯, 张文娟. 华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征[J]. 热带气象学报, 2021, 37(3): 358-369. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.035
引用本文: 赵川鸿, 郑栋, 张义军, 刘显通, 张阳, 姚雯, 张文娟. 华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征[J]. 热带气象学报, 2021, 37(3): 358-369. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.035
ZHAO Chuan-hong, ZHENG Dong, ZHANG Yi-jun, LIU Xian-tong, ZHANG Yang, YAO Wen, ZHANG Wen-juan. CHARACTERISTICS OF CLOUD MICROPHYSICS AT POSITIONS WITH FLASH INITIATIONS AND CHANNELS IN CONVECTION AND STRATIFORM AREAS OF TWO SQUALL LINES[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 37(3): 358-369. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.035
Citation: ZHAO Chuan-hong, ZHENG Dong, ZHANG Yi-jun, LIU Xian-tong, ZHANG Yang, YAO Wen, ZHANG Wen-juan. CHARACTERISTICS OF CLOUD MICROPHYSICS AT POSITIONS WITH FLASH INITIATIONS AND CHANNELS IN CONVECTION AND STRATIFORM AREAS OF TWO SQUALL LINES[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 37(3): 358-369. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.035

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.035
基金项目: 

国家自然科学基金 41875001

中国气象科学研究院基本科研业务费重点项目 2020Z009

国家自然科学基金 41875169

详细信息
    通讯作者:

    郑栋, 男, 河南省人, 博士, 研究员, 主要从事大气电学研究。E-mail: zhengdong@cma.gov.cn

  • 中图分类号: P445

CHARACTERISTICS OF CLOUD MICROPHYSICS AT POSITIONS WITH FLASH INITIATIONS AND CHANNELS IN CONVECTION AND STRATIFORM AREAS OF TWO SQUALL LINES

  • 摘要: 利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(ZH)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的ZH中值随高度增加而减小, 但差分反射率(ZDR)、差分传播相移率(KDP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应ZDRKDP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均ZH比闪电通道位置处的平均ZH大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应ZH分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。

     

  • 图  1  研究区域以及观测系统分布阴影部分是选取的研究区域

    “●”:清远气象站;黑色“■”:雷达位置;“▲”LFEDA子站;“”:LFEDA站网中心;黑色圆圈表示距离雷达位置100 km;红色圆圈表示距离LFEDA站网中心70 km;黑色虚线圆表示距离雷达位置25 km,该范围内雷达难以在垂直方向完整地观测雷暴。

    图  2  LFEDA于18:19:37.56(北京时间)在飑线B中探测的一次闪电

    a. LPDE高度随时间的变化;b. LPDE平面分布;c. LPDE在南-北方向上的垂直剖面;d. 雷达回波叠加LPDE的垂直剖面,沿南-北方向过闪电起始位置。其中,紫色方块表示闪电通道起始位置,黑色点划线为环境温度高度。

    图  3  ST95和P09的对流云、层云识别结果对比

    a1、a2以及a3是飑线A在05:48时的组合反射率、沿a1中黑色虚线的反射率垂直剖面以及基于ST95方法的粒子识别结果剖面。b1、b2和b3同a1、a2和a3,但所示个例为飑线B在17:12的观测。a1和b1的灰色等值线以及图a2、a3和b2、b3的灰色竖线代表P09算法识别的对流区,相对应的黑色线表示ST95算法识别的对流区,蓝色圆点是剖面两边半宽2 km范围内的LPDE,紫色方块表示闪电通道起始位置,黑色点划线为环境温度高度。

    图  4  闪电初始以及通道位置处雷达偏振参量中值随高度的分布

    上排是飑线A,下排是飑线B。红色(蓝色)线条表示对流(层云)区中的偏振参量;实线(虚线)表示闪电起始(通道)位置处的偏振参量。图中标注了环境温度线,来自于清远探空。

    图  5  闪电起始以及通道位置处ZH的分布特征

    字母a代表飑线A,字母b代表飑线B; a1和b1对应所有高度层的统计;a2和b2对应-20 ℃层以上的统计;a3和b3对应-20 ℃层以下的统计;五角星表示峰值频率。

    图  6  飑线A(a1和a2)、B(b1和b2)对流区闪电起始(a1和b1)和通道位置(a2和b2)及其对应降水粒子在垂直方向的分布

    红色线分别对应闪电起始和通道位置的高度分布,灰色阴影指出了闪电起始和通道位置最密集的高度。填色为降水粒子类型,粒子类型及其缩写的意义详见表 1

    图  7  图 6,但为层云区

    表  1  降水粒子识别中不同粒子对应T的取值范围

    降水粒子 温度T/℃
    干雪(DS) 1 -52
    湿雪(WS) 5 -3
    冰晶(CR) -3 -75
    霰(GR) 20 -60
    大滴(BD) 30 -10
    雨(RA) 30 -5
    大雨(HR) 30 -5
    雨夹雹(RH) 30 -15
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    表  2  飑线A、B中闪电起始和通道对应LPDE在对流区和层云区的各雷达偏振参量统计特征

    雷达偏振参里 A B
    对流云闪电起始(通道) 层云闪电起始(通道) 对流云闪电起始(通道) 层云闪电起始(通道)
    ZH/dBZ 中值 29.4(28.2) 25.7(23.4) 28.0(27.5) 23.5(21.5)
    平均值 29.3(27.7) 25.0(23.3) 28.0(27.3) 23.8(22.4)
    ZDR/dB 中值 0.13(0.17) 0.33(0.29) 0.14(0.16) 0.23(0.26)
    平均值 0.21(0.25) 0.38(0.34) 0.16(0.19) 0.24(0.27)
    KDp/(°/km) 中值 0.07(0.08) 0.07(0.08) 0.07(0.07) 0.07(0.08)
    平均值 0.11(0.11) 0.08(0.10) 0.08(0.09) 0.07(0.09)
    CC 中值 0.99(0.99) 0.99(0.99) 0.99(0.99) 0.99(0.99)
    平均值 0.98(0.98) 0.98(0.98) 0.99(0.99) 0.99(0.99)
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    表  3  飑线A、B对流区闪电起始和通道位置及其对应降水粒子类型分布

    降水粒子类型 A B
    闪电起始 闪电通道 闪电起始 闪电通道
    高度/km 3.5~13 3~16 4~14.5 3~16
    峰值高度(km)/环境温度(C) 9/-23~-24 7.5/-14~-15 9/-24~-25 9.5/-27~-28
    CR 44% 52% 47% 49%
    GR 47% 39% 51% 48%
    RA 7% 7% 1% 2%
    下载: 导出CSV

    表  4  飑线A、B层云区闪电起始和通道位置及其对应降水粒子类型分布

    降水粒子类型 A B
    闪电起始 闪电通道 闪电起始 闪电通道
    高度/km 4~12 3~14.5 4~11.5 3~15
    峰值高度(km)/环境温度(C) 5.5/-3~-4 6.5/-8~-9 7.5/-15~-16 8.5/-20~-21
    DS 63% 52% 67% 52%
    CR 19% 33% 26% 39%
    RA 17% 14% 6% 7%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-30
  • 修回日期:  2021-04-06
  • 网络出版日期:  2021-09-27
  • 刊出日期:  2021-06-01

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