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

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

1.
复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院，上海 200438
2.
国家气象信息中心，北京 100081

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
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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

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

1.
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences & Institute of Atmospheric Sciences, Fudan University, Shanghai 200438, China
2.
National Meteorological Information Center, Beijing 100081, China

摘要

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。
- 地闪 /
- 降水 /
- 协同变化 /
- 自组织映射网络 /
- 气象要素
Abstract: The co-variability in the summer precipitation and cloud-to-ground lightning over South China, where climatological lighting and precipitation frequently occur (105~122 ° E, 20~35 ° N), has been examined using the ADTD lightning location network and precipitation data merged ground-gauge, satellite, and radar. The coupling self-organizing map (SOM) has been applied to the daily flash density and precipitation anomalies from 2016 to 2021. It turns out that there are five clusters associate with the co-variability in the flash density and precipitation over South China. Specifically, the first (fifth) cluster is characterized by a dipole pattern with enhanced rainfall / increased lightning activity (suppressed rainfall / decreased lightning activity) over the Yangtze-Huai River valley and suppressed rainfall/decreased lightning activity (enhanced rainfall/increased lightning activity) over the southern part of South China. The tightest lightning-precipitation coincidence is observed in the first and fifth clusters. Results obtained from SOM exhibit large non-linearity and asymmetry of the relationship between the regional lightning and precipitation anomalies over South China. Further examinations suggest that unstable atmospheric stratifications, significant vertical differences in the atmospheric humidity, and beneficial large-scale atmospheric circulations play important roles in modulating the co-variability in the summer lightning and precipitation over South China.
- cloud-to-ground lightning /
- precipitation /
- co-variability /
- self-organizing map /
- meteorological parameters

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图 1 自组织映射网络(SOM)方法框图

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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)。

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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。

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图 4 不可分组合对数随聚类数K的变化

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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。

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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。

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图 7 不同类型地闪-降水耦合场发生频率的月际变化

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图 8 不同类型地闪-降水耦合场发生频率的年际变化

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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