ISSN 1004-4965

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中国南方地区夏季地闪和降水协同变化的特征及气象要素分析

郭媛媛 沈艳 许永芳

郭媛媛, 沈艳, 许永芳. 中国南方地区夏季地闪和降水协同变化的特征及气象要素分析[J]. 热带气象学报, 2024, 40(3): 373-388. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.034
引用本文: 郭媛媛, 沈艳, 许永芳. 中国南方地区夏季地闪和降水协同变化的特征及气象要素分析[J]. 热带气象学报, 2024, 40(3): 373-388. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.034
GUO Yuanyuan, SHEN Yan, XU Yongfang. Co-Variability Between the Summer Cloud-to-Ground Lightning and Precipitation over South China and Their Possible Connections with Meteorological Parameters[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(3): 373-388. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.034
Citation: GUO Yuanyuan, SHEN Yan, XU Yongfang. Co-Variability Between the Summer Cloud-to-Ground Lightning and Precipitation over South China and Their Possible Connections with Meteorological Parameters[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(3): 373-388. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.034

中国南方地区夏季地闪和降水协同变化的特征及气象要素分析

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.034
基金项目: 

国家自然科学基金 U2342215

详细信息
    通讯作者:

    沈艳,女,山西省人,研究员级高级工程师,博士,主要研究方向多源数据分析与服务。E-mail:sheny@cma.gov.cn

  • 中图分类号: P427.3

Co-Variability Between the Summer Cloud-to-Ground Lightning and Precipitation over South China and Their Possible Connections with Meteorological Parameters

  • 摘要: 利用ADTD地闪定位数据和地基-卫星-雷达融合降水数据,通过耦合自组织映射网络(SOM)的聚类方法,分析了2016—2021年中国夏季地闪和降水协同变化的时空分布特征。研究区域位于我国南方地区(105~122 °E,20~35 °N范围内),覆盖了地闪密度和降水气候态的大值区。聚类结果显示我国地闪-降水耦合分布型可归为5类,其中第一类和第五类中地闪密度和降水异常的协同变化最一致。第一类表现为江淮地区降水-地闪活动偏多且华南地区降水-地闪活动偏少的偶极型分布,第五类与其分布相似,但符号相反。不同类型的地闪-降水耦合分布型对应着不同的地闪密度和降水异常中心,并且地闪密度和降水关系呈现出明显的地域差异性、非线性和非对称性。进一步研究发现,不稳定的大气层结、显著的中低层湿度差和有利的大尺度大气环流背景场是造成我国南方地区地闪-降水协同变化的重要因素。

     

  • 图  1  自组织映射网络(SOM)方法框图

    图  2  2016—2021年夏季地闪密度和降水的气候态分布

    a. 地闪密度(填色,单位:fl·km-2·d-1)和负地闪密度(等值线,单位:fl·km-2·d-1);b. 降水(填色,单位:mm·d-1)。

    图  3  2016—2021年我国南方地区夏季地闪密度和降水随经度、纬度的变化曲线

    a. 15~50 °N平均后地闪密度(黄色线,右纵坐标)、降水(紫色线,左纵坐标)的经度变化;b. 100~125 °E平均后地闪密度(黄色线,右纵坐标)、降水(紫色线,左纵坐标)的纬度变化。

    图  4  不可分组合对数随聚类数K的变化

    图  5  不同类型的地闪-降水距平场的合成分布

    a、f. 第一类C1;b、g. 第二类C2;c、h. 第三类C3;d、i. 第四类C4;e、j. 第五类C5。百分数代表C1~C5类型的发生频率,也即该类型出现的天数占2016—2021年夏季总天数的百分比;右上角数字代表该类型出现的天数;斜线代表 0.10的显著性。

    图  6  不同类型地闪-降水耦合场发生频率的逐日变化

    a. 第一类C1;b. 第二类C2;c. 第三类C3;d. 第四类C4;e. 第五类C5。

    图  7  不同类型地闪-降水耦合场发生频率的月际变化

    图  8  不同类型地闪-降水耦合场发生频率的年际变化

    图  9  不同地闪-降水耦合类型对应的CAPE(填色,单位:J·kg-1)和K指数(等值线,单位:K)距平空间分布

    a. 第一类C1;b. 第二类C2;c. 第三类C3;d. 第四类C4;e. 第五类C5。打点代表CAPE距平合成结果通过0.10显著性检验,且等值线仅画出通过0.10显著性检验的K指数结果,红色等值线代表正距平,蓝色等值线代表负距平。

    图  10  不同地闪-降水耦合类型对应的1 000~700 hPa垂直积分的相对湿度(填色,单位:kg·m-2)和水汽通量(矢量,单位:kg·m-1·s-1)距平空间分布

    a. 第一类C1;b. 第二类C2;c. 第三类C3;d. 第四类C4;e. 第五类C5。打点代表相对湿度合成结果通过0.10显著性检验,且矢量箭头仅画出通过0.10显著性检验的水汽通量结果。

    图  11  不同地闪-降水耦合类型对应的700~400 hPa垂直积分的相对湿度距平(填色,单位:kg·m-2)、水汽通量距平(矢量,单位:kg·m-1·s-1)和1 000 hPa与500 hPa之间相对湿度距平差(等值线,单位:kg·m-2,差值为低层减去高层)的空间分布

    a. 第一类C1;b. 第二类C2;c. 第三类C3;d. 第四类C4;e. 第五类C5。打点代表相对湿度合成结果通过0.10显著性检验,且矢量箭头仅画出通过0.10显著性检验的水汽通量结果。

    图  12  不同地闪-降水耦合类型对应的850 hPa、200 hPa位势高度(填色,单位:gpm)和水平风场(矢量,单位:m·s-1)距平的空间分布

    a、f. 第一类C1;b、g. 第二类C2;c、h. 第三类C3;d、i. 第四类C4;e、j. 第五类C5。打点代表位势高度合成结果通过0.10显著性检验,且矢量箭头仅画出通过0.10显著性检验的风场结果。紫色等值线(仅画出20 m·s-1、25 m·s-1和30 m·s-1等纬向风速线)为夏季副热带西风急流的气候态位置。

    图  13  不同地闪-降水耦合类型对应的500 hPa位势高度(红色等值线,单位:gpm)及其气候态(蓝色虚线,单位:gpm) 的空间分布

    a. 第一类C1;b. 第二类C2;c. 第三类C3;d. 第四类C4;e. 第五类C5。位势高度场仅画出等57 600、57 700和57 800线。

  • [1] 吴泗璋. 中国之雷雨[J]. 气象学报, 1938(4): 131-145.
    [2] 张义军, 马明, 吕伟涛, 等. 闪电活动的气候学特征研究进展[J]. 气象学报, 2008, 66(6): 906-915.
    [3] 郑栋, 但建茹, 张义军, 等. 我国地闪活动和降水关系的区域差异[J]. 热带气象学报, 2012, 28(4): 569-576.
    [4] 袁铁, 郄秀书. 中国东部及邻近海域暖季降水系统的闪电、雷达反射率和微波特征[J]. 气象学报, 2010, 68(5): 652-665.
    [5] 郄秀书, 刘东霞, 孙竹玲. 闪电气象学研究进展[J]. 气象学报, 2014, 72(5): 1 054-1 068.
    [6] WILLIAMS E R. Lightning and climate: A review[J]. Atmos Res, 2005, 76(1-4): 272-287.
    [7] 余蓉, 张小玲, 杜牧云, 等. 华中地区不同地形下的雷暴地闪特征分析[J]. 热带气象学报, 2021, 37(3): 329-340.
    [8] 王义耕, 陈渭民, 刘洁. TRMM卫星观测到的华南地区的闪电时空分布特征[J]. 热带气象学报, 2009, 25(2): 227-233.
    [9] 易燕明, 杨兆礼, 万齐林. 近50年广东省雷暴、闪电时空变化特征的研究[J]. 热带气象学报, 2006, 22(6): 539-546.
    [10] 张祎, 边学文, 王康挺, 等. 基于TRMM/LIS资料的浙江省及周边地区闪电特征和气象要素分析[J]. 热带气象学报, 2021, 37(4): 602-610.
    [11] 朱晶晶, 赵小平, 邢彩盈, 等. 基于闪电定位系统的海南岛闪电活动特征分析[J]. 海南大学学报自然科学版, 2017, 35(1): 37-43.
    [12] 陶心怡, 赵阳, 谢屹然, 等. 基于WWLLN的云南闪电活动特征及其成因研究[J]. 电瓷避雷器, 2021, 303(5): 100-106.
    [13] 辛雪琪, 赵阳, 田建兵, 等. 青藏高原东部地区雷暴及其地闪活动特征分析[J]. 科学技术与工程, 2019, 19(18): 47-57.
    [14] 郄秀书, 袁铁, 谢毅然, 等. 青藏高原闪电活动的时空分布特征[J]. 地球物理学报, 2004, 47(6): 997-1002.
    [15] 魏凤英, 谢宇. 近百年长江中下游梅雨的年际及年代际振荡[J]. 应用气象学报, 2005, 16(4): 492-499.
    [16] 梁萍, 丁一汇. 东亚梅雨季节内振荡的气候特征[J]. 气象学报, 2012, 70(3): 418-435.
    [17] 杨静, 钱永甫. 121a梅雨序列及其时变特征分析[J]. 气象科学, 2009, 29(3): 285-290.
    [18] 郑永光, 陈炯. 华南及邻近海域夏季深对流活动气候特征[J]. 热带气象学报, 2011, 27(4): 495-508.
    [19] 梁萍, 陈丽娟, 丁一汇, 等. 长江梅雨的长期变率与海洋的关系及其可预报性研究[J]. 气象学报, 2018, 76(3): 379-393.
    [20] SI D, DING Y H. Oceanic forcings of the interdecadal variability in east Asian summer rainfall[J]. J Climate, 2016, 29(21): 7633-7649.
    [21] SI D, DING Y H, LIU Y J. Decadal northward shift of the Meiyu belt and the possible cause[J]. Chinese Science Bulletin, 2009, 54(24): 4742-4748.
    [22] 周筠君, 郄秀书, 张义军, 等. 地闪与对流性天气系统中降水关系的分析[J]. 气象学报, 1999, 57(1): 103-111.
    [23] 殷娴, 胡颖, 尹丽云. 低纬高原地区短时强降水与雷电活动相关性研究[J]. 热带气象学报, 2021, 37(1): 25-33.
    [24] PETERSEN W A, RUTLEDGE S A. On the relationship between cloud-to-ground lightning and convective rainfall[J]. J Geophys Res, 1998, 103(D12): 14 025-14 040.
    [25] KEMPF N M, KRIDER E P. Cloud-to-Ground lightning and surface rainfall during the Great Flood of 1993[J]. Mon Wea Rev, 2003, 131 (6): 1 140-1 149.
    [26] 蔡河章, 洪加肯, 彭涛. ADTD雷电监测定位系统简介[J]. 科技资讯, 2008, 172(31): 122-122.
    [27] SHEN Y, ZHAO P, PAN Y, YU J J. A high spatiotemporal gauge-satellite merged precipitation analysis over China[J]. J Geophys Res, 2014, 119(6): 3 068-3 075.
    [28] HERSBACH H, BELL B, BERRISFORD P, et al. The ERA5 global reanalysis[J]. Quart J Roy Meteor Soc, 2020, 146(730): 1 999-2 049.
    [29] XIA R D, ZHANG D L, WANG B. A 6-yr cloud-to-ground lightning climatology and its relationship to rainfall over Central and Eastern China[J]. J Appl Meteor Climatol, 2015, 54(12): 2 443-2 460.
    [30] YANG X L, SUN J H, WANG L L. An analysis of cloud-to-groundlightning in China during 2010-13[J]. Wea Forecasting, 2015, 30(6): 1 537-1 550.
    [31] 李京校, 郭凤霞, 扈海波, 等. 北京及其周边地区SAFIR和ADTD闪电定位资料对比分析[J]. 高原气象, 2017, 36(4): 1 115-1 126.
    [32] 谷山强, 王剑, 张义军, 等. 基于雷电定位系统(LLS)的地闪密度总则[Z]. (GB/T 37047-2018). 国家标准化管理委员会, 2018: 1-6.
    [33] 余蓉, 杜牧云, 晏紫淙, 等. 湖北省两套闪电定位网地闪数据的对比分析[J]. 暴雨灾害, 2021, 40(6): 646-654.
    [34] JOHNSON N C. How many ENSO flavors can we distinguish?[J]. J Climate, 2013, 26(13): 4 816-4 827.
    [35] LI X, LI C, LING J, et al. The relationship between contiguous El Niño and La Niña revealed by self-organizing maps[J]. J Climate, 2015, 28(20): 8 118-8 134.
    [36] VESANTO J, HIMBERG J, ALHONIEMI E, et al. SOM toolbox for Matlab 5[R]. Helsinki University of Technology. 2005. [Available online at http://www.cis.hut.fi/projects/somtoolbox/]
    [37] LIU Y, WEISBERG R H, MOOERS C N K. Performance evaluation of the self-organizing map for feature extraction[J]. J Geophys Res, 2006, 111: C05018, 1-14.
    [38] ISKANDAR I. Variability of satellite-observed sea surface height in the tropical Indian Ocean: Comparison of EOF and SOM analysis[J]. MAKARA SAINS, 2009, 13(2): 173-179.
    [39] BENJAMINI Y, HOCHBERG Y. Controlling the false discovery rate: A practical and powerful approach to multiple testing[J]. J Roy Stati Soc, 1995, 57(1): 289-300.
    [40] 王娟, 谌芸. 2009-2012年中国闪电分布特征分析[J]. 气象, 2015, 41(2): 160-170.
    [41] HA Y, ZHONG Z, HU Y, et al. Differences between decadal decreases of boreal summer rainfall in southeastern and southwestern China in the early 2000s[J]. Climate Dyn, 2019, 52(5): 3 533-3 552.
    [42] 曲姝霖, 苏涛, 韩子轩, 等. 华南夏季降水两次年代际转折的水汽输送异常成因初探[J]. 大气科学, 2021, 45(2): 273-286.
    [43] 王文秀, 郭汝凤, 陈世发, 等. 1951-2016年登陆我国华南地区台风的时空分布特征分析[J]. 防护林科技, 2018, 177(6): 16-18.
    [44] 王基鑫. 全球闪电活动时空分布特征及其与大气环境因素的关系[D]. 安徽: 中国科学技术大学, 2016, 4-5.
    [45] 郑栋, 张义军, 马明, 等. 大气环境层结对闪电活动影响的模拟研究[J]. 气象学报, 2007, 65(4): 622-632.
    [46] 郭凤霞, 张义军, 言穆弘, 等. 环境温湿层结对雷暴云空间电荷结构的影响[J]. 高原气象, 2004, 23(5): 678-683.
    [47] 高翠翠, 李昀英, 寇雄伟, 等. 中国东部暖季对流云与层状云的比例及与降水的对应关系[J]. 大气科学, 2017, 41(3): 490-500.
    [48] LAU K H, LAU N C. Observed structure and propagation characteristics of tropical summertime synoptic scale disturbances[J]. Mon Wea Rev, 1990, 118(9): 1 888-1 913.
    [49] 黄荣辉, 孙凤英. 北半球夏季遥相关型的年际变化及其数值模拟[J]. 林业经济, 1992, 46(1): 52-61.
    [50] NITTA T. Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation[J]. J Meteor Soc Japan, 1987, 65(3): 373-390.
    [51] ZHU Y, WEN Z, GUO Y, et al. The characteristics and possible growth mechanisms of the quasi-biweekly Pacific-Japan teleconnection in Boreal Summer[J]. Climate Dyn, 2020, 55(11): 3 363-3 380.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-05
  • 修回日期:  2024-03-18
  • 网络出版日期:  2024-08-08
  • 刊出日期:  2024-06-20

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