(61)佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系

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1、佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系1）本译编由冯桂力（山东气象科学研究所,济南，250031）与金永利（北京市人工影响天气办公室,100089）以及梁丰（北京市气象台,100089）完成。)摘要介绍了最近（1999年）Williams等9位气象学家（下称Wetal99）对佛罗里达州闪电频数跃变与强雷暴天气出现时间的关系。Wetal99研究发现，强雷暴的总闪电频数都超过了60fpm,有些竟高达500fpm；最高闪电频数在强天气到达地面之前的5～20min出现，这点与早期对雷暴微下击暴流的研究结果相似；强雷暴的一个显

2、著特征是存在闪电频数“跃变”，即在雷暴最大闪电频数出现之前，闪电频数会急剧增大。Wetal99认为，对于所有类型的强天气，包括强风、冰雹和龙卷风，其系统性的总闪电前兆特征可这样来解释，即地面的上升气流，一方面为地面强天气在高空的形成提供条件，同时又刺激了触发云内闪电活动的冰晶微物理过程。关键词：闪电活动雷暴佛罗里达州闪电频数跃变1.引言最近（1999年）Williams等9位气象学家（下称Wetal99[1]）撰写了一篇文章，介绍佛罗里达强雷暴天气的总闪电活动特征。Wetal99[1]认为，由Vonnegut和Moore（19

3、58）[2]研究的Worcester雷暴是1953的一次重要的天气过程，它同时将人们的注意力集中在强天气及其定义上（Galway，1989）[3]。现在，强天气已由风、冰雹尺寸、涡度的阈值等给出了明确的定义。所有这些天气现象，在物理原理上均与深对流中的垂直气流有密切的联系，而垂直气流本身是不能用多普勒天气雷达来直接测量的。云层的起电过程和闪电对垂直气流非常敏感，因为垂直气流可调节过冷水的供给，而过冷水又是冰粒（冰晶、软雹和冰雹）增长的基础，冰粒又被认为是电荷分离所必需的。由于这些原因，Wetal99[1]从一开始就希望闪电活动

4、与强天气的发展之间存在着密切的相关性，而相关性可帮助人们掌握并预测强天气现象。从历史上来看，这些观点的探索，由于缺乏足够数量的观测资料而被搁置。一个有关强雷暴起电过程研究结果的最新评述表明（Williams，1998[4,5]15），在整个强雷暴的生命期内，始终记录了闪电活动情况个例者往往很少。最新研制的LISDAD（闪电图象传感数据应用和演示系统）（Boldi等，1998[6]；Weber等，1998[7]），在很大程度上弥补了这个问题。LISDAD已在佛罗里达州中部地区投入使用，以便用来在各种各样强天气过程中描述总闪电活动

5、情况。Wetal99研究所用的观测资料，主要是由佛罗里达中部地区的LISDAD系统提供的。2.强天气标准及其与垂直气流的关系根据美国国家天气局的标准，强天气至少具有以下三个特征之一，即：(1)落地雹块的有效直径大于1.9cm；(2)地面持续风速超过26ms-1；(3)出现龙卷风。以上这些地面条件均与雷暴的垂直气流有关。2.1强冰雹冰雹的增长依赖于在含过冷水的垂直气流中漂浮的粒子。因此，可通过计算雹块的下落速度来评估不同直径的雹块所需的上升气流强度，结果见图1所示，临界直径为1.9cm的雹块所需要的垂直气流为29m/s。由于冰雹

6、在从0℃等温层到地面的下降过程中融化，其尺寸减小，因此到达地面上这一临界尺寸大小的冰雹显然需要有更大的高空垂直气流。2.2雷暴大风在雷暴附近地区发生的地面强风，常常是由于高空的下沉气流造成的。下沉气流的机制——降水粒子引起的重力拖曳作用、蒸发冷却作用以及冷凝物的融化作用——都与上升气流有关，还可能随着上升气流的增强而增强。所观测到的云内闪电先于雷暴下击暴流而出现的趋势（Goodman等，1988[8]；Williams等，1989[9,10]；Malherbe等，1992[11]；Stanley等，1997[12]），与通常的

7、设想是一致的。图1冰球的下落速度与海拔6000m处冰球直径的关系152.3龙卷风龙卷风是垂直角动量分量占主导地位的强旋转风。尽管有许多关于龙卷风的理论，但它们有一个共同的特征是：涡度的垂直伸展。涡度的垂直伸展，是由垂直气流的垂直梯度（即dw/dz）来调节的，如图2所示。对于垂直尺度由对流层顶所限定的强雷暴，涡度的垂直伸展在很大程度上是由气流的大小决定的。Wetal99[1]证明，上升气流和下沉气流都能使涡度垂直伸展。图2涡旋伸展过程中垂直气流作用图解3.探测系统与研究方法Wetal99[1]研究所用的观测资料，主要是由佛罗里达

8、州中部地区的LISDAD系统提供的。设计LISDAD的最初意图是：利用美国国家航空和航天局的光学瞬时探测仪和闪电图像传感器，提供一套能从空间对闪电进行光学探测的地面真值系统。在1997年春夏，佛罗里达州强天气的急剧变化清楚地表明，LISDAD作为一种研究强雷暴的工具是十分有效