AR: 闪电的发生与固定位置处降水云柱结构的关系
发布时间: 2021-12-30


雷电预警预报是减少雷电危害的必要手段。目前许多与雷电活动有关的定量和诊断关系是基于对追踪整体雷暴而获得的。但是,现代气象业务中常用的雷电预警和预报系统通常是基于空间网格的。因此,在空间网格上建立与雷电活动有关的定量和诊断关系将更直接地满足这些网格系统的要求。基于相对较高的空间和时间分辨率(如几公里和10分钟左右)的观测数据,构建雷电活动与雷暴结构参数之间的定量或诊断性关系的报道很少。因此,有必要在观测数据的基础上直接建立基于精细网格的闪电和雷暴结构参数的关系。

复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院的崔延星博士、张义军教授联合中国气象科学研究院郑栋研究员,基于四套闪电定位系统和C波段调频连续波雷达的观测资料,利用连续波雷达以高的空间和时间分辨率进行垂直扫描的特点,从固定位置的角度分析了闪电发生与降水云柱(PCC)结构的关系。结果表明相对于无闪电的PCC,有闪电的PCC的最大反射率、最大向上径向速度、最大速度谱宽、云顶高度和垂直液态水含量的平均值更大,并且这些参数的分布范围更广(图1)。利用LightGBM机器学习算法,发展了融合利用PCC反射率、云高、不同反射率高度、径向速度、速度谱宽等特征量诊断闪电出现与否的方法。该方法对某一个固定位置处发生闪电的命中率为93.5%TS评分为0.421,表明建立基于空间网格的雷电活动诊断方法是可行的(图2)。上述统计和诊断分析均表明,垂直速度谱宽在有、无闪电PCC中的差异最为显著。

结合C-FMCW雷达以及双偏振雷达的分析进一步表明,从固定位置看,PCC中水成物粒子信息,包括粒子尺度的多样性以及冰相物粒子的含量,与闪电活动出现与否的关系非常密切。有闪电的PCC相比无闪电的PCC具有更高的冰水含量和液水含量,以及更丰富和更大尺径的粒子(如霰粒子)(图3)。

论文信息:

Cui, Y., Zheng, D., Zhang, Y., Ruan, Z., Li, F., Yao, W., Meng, Q., Zhao, C. (2022). Association of lightning occurrence with precipitation cloud column structure at a fixed position. Atmospheric Research, 105989.

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2021.105989 


1 a-b)回波强度、(c-d)径向速度、(e-f)速度谱宽的等高频率图 (CFADs)。a, c, e为有闪电PCCb, d, f为无闪电PCC。其中颜色填色代表相对于最大频数的归一化频率的大小。图a, b水平分辨率为0.1 dBZ,图c, d, e, f水平分辨率为0.1 m s-1,垂直分辨率为30m。黑色虚线代表0 °C等温线。

2 预测模型的特征(ROC)曲线。红色虚线表示一条相等或随机的线。蓝线是测试曲线。好的分类器要求蓝线偏向左上角,曲线下面积(AUC)占较大的比例。

3 有、无闪电PCC在垂直方向上的平均液态水含量(实线)和冰水含量(虚线),红线代表有闪电PCC,蓝线代表无闪电PCC