卫星观测到的青藏高原雷电活动特征_郄秀书

顶部处于对流层中部而具有独特的环流和天气气候 特征 , 其热力和动力作用对欧亚乃至北半球的大气 环流也具有重要影响 , 并对南亚季风的触发起着关 键作用 。因此 , 对这一地区的动力和热力特征的研 究已经较多 , 而对其闪 电活动特 征的研究 尚不多 见 。事实上 , 青藏高原夏天常常被活跃的对流云所 覆盖 , 并有很多的雷暴 、 冰雹 、 阵雨发生[ 8] 。 钱正 安等[ 9] 研究发现 , 1979 年雨季青藏高 原中部的对 流云占总云量的 90 %以上 , 下午和傍晚的云覆盖率 超过 80 %以上 。 对青藏高原对流活动的了解一般 是通 过 对 气 象 卫 星 云 图[ 10, 11] 或 天 气 雷 达 图 像[ 12 , 13] 的研究而得到的 。深度对流的主要特征之 一是产生强烈的闪电 , 因此研究 其产生的 雷电活 动 , 为了解对流活动提供了一条重要途径 。 同时 ,
对闪电活动的研究也将有助于理解青藏高原的加热 过程和水循环过程 。但是 , 由于青藏高原地势高 , 环境恶劣 , 在这里进行大气电学的实际观测受到很 大的限制 。 热带降雨 测量任务(T RMM)卫星上所 携带的闪电成像器(L IS)得到的闪电资料为研究这 里的闪电特征提供了独特的手段 。本文将利用 LIS
收稿日期 :2002-09-16 ;改回日期 :2002-11-26 基金项目 :中国科学院知识创新工程重要方向和重大项目(KZCX2-201 , K ZCX 1-S W-04);国家自然科学基金“ 十五” 重点项目(40135010)
共同资助 作者简介 :郄秀书(1963 —), 女 , 河北平山人 , 博士 , 研究员 , 主要从事大气电学研究 .E-mail :qiex @ns .lzb
郄秀书1 , Ralf Toumi2
(1 .中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 , 甘肃 兰州 730000 ; 2 .D epart ment of Physics , Imperial College , London SW 7 2BZ)
摘 要 :利用 T RM M 卫星上携带的闪电探测系统获取 的闪电 定位资 料首次 对青藏 高原上的 闪电活 动 进行了研究 。 研究发现 , 青藏高原上的闪电活动呈现 出大陆性气 候特征 , 但是受其 特殊地形 的热力 和 动力特征所调制 , 高于 93%的闪电活动发生 于 5 ～ 9 月之间 , 并在 夏季出 现单一 闪电活 动峰值 。 随 着 地表加热 和湿度的增加 , 闪电活动在 5 月份开始明 显增加 。 较高 的闪电密度 发生在高 原的中 部 , 揭 示 了闪电活动与地形特征的相关性 。 63 % 的闪电活动发生于 14:00～ 18:00(地方时 , 下同)之间 , 而只有 <3 %的闪电发生于 00:00 ～ 10 :00 之间 。 闪电光辐射能的时 平均值也 呈现出明显 的日变化 , 随着 太阳 的升起 , 闪电光辐射能在 08:00 开始增加 , 并 在 10 :00 达到稳定的极 大值 , 直到 02:00 开始 明显减小 。 闪电的光 辐射能在高原北部呈现最大值 , 高原西部呈现最小值 。青 藏高原上 的闪电放电 强度比其 它地 区弱得多 , 其差别归因于高原上较低的对流不稳定能 量 。 关键词 :闪电 ;T RM M 卫星 ;青藏 高原 ;对流不稳定能量 中图分类号 :P427 .3 文献标识码 :A
第
22 卷 第 3 2003 年 6 月
期
P
高 原
LAT EAU M
气
ET EO
象
RO LOG
Y
V
ol .2 2 June ,
No .3 2 00 3
文章编号 :1000-0534(2003)03-0288-07
卫星观测到的青藏高原雷电活动特征
(c)L hasa , (d)Shiquanhe, (e)Beiluheyan and (f)total region
库 , 1994 年 Yanai 等[ 11] 发现 , 在青藏高原上从春末 到夏季随着地面空气湿度的增加 , 边界层逐渐变为 干对流稳定和湿对流不稳定 。 与我们的闪电变化研 究结果一致 。 本研究最显著的特征是 5 月份青藏高原的闪电 活动 , 它占全年总闪电活动的 13 %。 表明青 藏高 原上在 5 月份的加热过程已经很活跃 , 闪电活动是 青藏高原加热过程的一个很好的指示器 。 >91 %的 闪电活动发生于 5 ～ 8 月之间 , 与高原的雨季吻合 。 3 .2 青藏高原闪电活动的日变化 图 3a ～ f 给出了青藏高原 5 个地区以及整个地 区 4 年来闪电活动的日变化 。 总体来讲 , 高原上的 闪电活动在早晨很弱 , 到下午增加很快 , 并于 15 :00 ～ 17 :00 达 到 峰 值 。在 青 藏 高 原 中 部 ,
regions are marked by five 2.5°×2 .5°squares.T hey are marked by CP , EP , SP , W P and N P
受 L IS 视野的限制 , 我们的研究区域限于 29° ～ 36°N , 80°～ 100°E 。为使研究具有代表性 , 我们 选择了 5 个研究区域以代表青藏高原不同的地理环 境和地面条件 。图 1 给出了青藏高原地区的地形特 征分布和我们所选择的分析区域 。5 个研究区域用 2 .5°×2 .5°的小方框表示 , 包括位于高原中部的那 曲(32°N , 92°E)、 东部较湿润的康定(30°N , 102° E)、西部半干旱地区的狮泉 河(32 .5°N , 81°E ;海 拔高度为 4300 m)、 南部受季风影响的拉萨(29 .0° N , 90°E ;海拔高度为 3700 m)和北部相对干冷的 北麓河沿(35°N , 92°E ;海拔高度为 4500 m)。 发生 于各站 2 .5°×2 .5°内的闪电活动用于代表该地区的 闪电活动 。
3 青藏高原闪电的时空分布特征
3 .1 闪电的季节变化 图 2a ～ f 给出了 1998 —2001 年 5 个区域内闪 电的年变化直方图 。 图 1f 是 5 个区域的总体变化 。 在高原中部闪电活动常开始于 4 月份 , 并在 6 月份 达到最大值 , 一直到 8 月份闪电活动都比较活跃 , 最后一次闪电发生在 10 月份 。 青藏高原的闪电活 动从东到西有明显的季节变化 。 在青藏高原东部 , 闪电活动同样发生于 4 月份到 10 月份 , 并于 5 月 份达到最大值 , 占全年闪电活动的 22 %。 6 月份到 9 月份的闪电活动相差不大 , 各月闪电活动占总闪 电活动的 14 %～ 17 %。在青藏高原西部 , 首次闪电 活动发生于 5 月份 , 最后一次闪电发生于 9 月份 , 而 8 月份的闪电活动明显高于其他月份 , 占总闪电 活动的 58 %。在青藏高原南部 , 闪电活动在 3 个夏 季月呈现出类似的闪电活动 , 大约 75 %的闪电发生 于这一期间 。 5 月份的闪 电活动占 总闪电活 动的 16 %。 在青藏高原北部 , 闪电活动开始于 5 月份 , 最多闪电活动月为 7 月份 , 最后一次闪电发生于 10 月中旬 。青藏高原闪电活动季节变化的单峰分布与 空气的加热过程和湿度的 年周期有关 。 在温暖季 节 , 较高的地表温度和湿度为对流提供了充足的热 动力和大气背景 , 有助于对流的形成和发展 。 尽管存在着区域差别 , 青藏高原不同地区的闪 电活动仍有一些共同的特征 , 闪电活动发生于 4 月 到 10 月份之间 , 并从 4 月到 6 月不断增加 , 直到 8 月份都保持一个活跃的雷电活动期 , 从 8 月份到 10 月份闪电活动的迅速减少标志着雷暴季节的结束 。 通过利用青海高原气象实验(QXPM EX)和首次全 球 大气 研究计 划(GARP )全球 实验(FGGE)资料
3 期 郄秀书等 :卫 星观测到的青藏高原雷电活动特征 289
资料首次对青藏高原地区闪电活动的时空特征进行 研究 , 并与其它结果进行对比分析 。
2 资料来源和分析区域
本文所用资料来自于 LIS 1998 年到 2001 年所 获取的闪电资料 , 由美国 Marshall 空间飞行中心的 全球水文和气候中心(GHCC)提供 。 L IS 可以探测 发生于对流层的总闪电活动 , 包括云闪和地闪 。 T RMM 卫星于 1997 年 11 月 28 日发 射至距地 球 350 km 高的近地轨道上 , 轨道的倾角为 35°, 可以 探测到青藏高原的大部分地区 。 L IS 的重要部件是 一个 128 ×128 的 CCD 阵列 , 采样率 >500 帧 / s 。 由于广角镜头的使用 , 在 350 km 高度上可以看到 地球上 600 km ×600 km 的区域 , 空间分辨率为 3 ～ 6 km 。 LIS 以 >7 km·s-1的速度围绕地球运转 , 可以监视一个孤立雷暴或雷暴系统所发生的闪电约 80 s 。 LIS 通过一个中心波长为 777 nm 的窄带滤波 器来探测闪电 , 实时事件处理器(RT EP)可以去除 背景光信号 , 因此即使云在被太阳光照射时也可以 探测到闪电 , 中午的探测效率可达 77 %[ 14] 。 它可 以给出闪电发生的时间 、 位置 、 持续时间和闪电光 辐射能等 。由 LIS 观测到的光辐射能虽然受到在云 中传播路径上散射衰减的影响 , 但在一定程度上反 映了闪电放电 的强度[ 4] 。 本文 所用信息包括 闪电 的光辐射能 、 持续时间和回击数目 。
图 1 青藏高原地区的地形特征分布 等高线间隔为 1500 m , 5 个区域分别用 2 .5°×2 .5°的方格代表 , CP 、 EP 、 S P、W P 和 N P 分别代表中部 、 东部 、 南部 、 西部 、 北部 Fig .1 T he topog raphy of Qinghai-Xizang Plateau showing the research area .T he interv al between smoothed topo graphic contours is 1500 m .The research
2 90 高 原 气 象 22 Байду номын сангаас
图 2 1998— 2001 年青藏高原不同区域闪电的年变化直方图 (a)那曲 , (b)康定 , (c)拉萨 , (d)狮泉河 , (e)北麓河沿 , (f)平均变化 Fig .2 Annual variation of lightning activities during each month o f a year as a percentage of the to tal flash number obtained from 1998 to 2001 .(a)N aqu , (b)Kangding ,
1 引言
闪电作为一种快速的大气电现象正越来越多地 受到气象和气候学家的关注 。 就单个雷暴而言 , 闪 电频数的实时测量为雷暴或强对流天气演化和警戒 预报提供了关键信息 。目前 , 闪电资料还被广泛用 于森林管理部门的雷击火灾评估 、 供电部门对闪电 引起的故障点监测和保险公司进行财产损失的赔偿 依据等 。 就全球尺度而言 , 闪电观测正被用于对大 气化学有重要作用的 NO x 自然源的研究和对气候 变化指示的研究 ;同时 , 全球闪电分布也提供了深 度雷暴对流的关键信息 , 而赤道地区的深度对流则 是驱动全球气候系统的主要“发电机” 。 1995 年以 来美国 M arshall 空间飞行中心的全球水文和气候中 心(GHCC)成功地发展了星载闪电探测系统 , 并已 取得了大量的闪电资料 , 据此进行的闪电全球分布 和闪电产生的 N O x 的研究已经很多[ 1～ 7] 。 本文将 利用这一资料首次对具有独特气候特征的青藏高原 闪电活动进行研究 。 占我国陆地面积四分之一的青藏高原 , 由于其