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气象卫星观测资料在雷电监测和预警中的应用分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-10-25  来源:中国建筑电气网  作者:肖稳安 俞书平 张春龙
摘 要 文章收集了江苏及其周围地区八次强雷暴天气的常规观测资料、闪电定位资料、大气电场仪资料和相应的卫星云图观测资料,通过资料处理和对八次雷暴天气过程的综合分析,分析结果表明高时间、空间分辨率的气象卫星云图能提前1小时以云的生成和演变把雷暴(电)天气过程清楚地展现出来,其中强对流云团中心冷云面积的增长率、强对流云团中心冷云顶的降温率、雷暴云中心冷云顶到对流云区边界的温度梯度、冷云顶温度以及临近对流云团的相互合并,有利于雷暴天气发展加强,形成强雷电天气。并归纳提出了有助于雷暴监测预报和预警的可参考的定量参数和定性分析依据。
 
关键词 气象卫星 雷电监测 雷电预警
 
1 前言
 
  雷电是发生在大气中的剧烈天气现象,雷电寓于龙卷、冰雹、强风、暴雨等灾害性天气现象之中,是一种典型的中小尺度天气系统。只有用时空分辨率很高的观测手段才能带扑捉到雷电发生发展的演变过程,研究雷电的发生发展的变化特征,为雷电预报预警提供依据和方法。J.F.W.Purdom在K.A.Browning主编的《临近预报》中总结指出:在地球静止气象卫星观测出现以后,大大地填补了中尺度对流系统观测的空白,这是因为一张地球静止气象卫星图象包括了从天气尺度到中尺度的信息。这些卫星图象上生动的序列照片观测到的云的种类和外形代表了大气中正在进行的动力和热力过程的综合效应。各种尺度的天气系统的运动和演变是比较容易地由2张或更多张连续的半小时一次的地球静止卫星图片来确定。尤其是把连续时次的卫星图象进行动画并与雷达、地面和高空观测资料结合起来,就能更好地分析和理解许多中尺度天气发展的重要物理过程,改进对天气现象中中尺度天气现象的实况监测和甚短时预报才成为可能,上述这些功能无疑地把地球静止气象卫星置於了解、监视和对中尺度系统发展作甚短期预报的核心地位[1]。不难看到,具有高时空分辨率的气象卫星观测完全有能力观测扑捉到大气中的雷电及其活动过程。因此,开展气象卫星观测资料在雷电监测和预警中的应用研究,在灾害性雷电天气的监测和预报预警业务中有实际应用意义,是防雷减灾的重要内容。
 
  陶诗言主编的《中国之暴雨》总结分析了至1980年发生在中国大陆上13次特大暴雨的大气环流特制征,尤其是75.8暴雨气象卫星提供了特别有用的资料[2]。陶诗言、方宗义、李玉兰1983年在《四年来我国气象卫星资料分析应用研究》中指出:1978年4月日本的地球静止气象卫星投入业务使用,此卫星位于东经140度的赤道上空,在25分钟时间内可对南北半球的大范围地区进行一次扫描观测,卫星观测范围内的所有亚洲国家都可以获得每3小时时间间隔的两通道图像资料,这些云图为监视灾害性天气系统和研究我国的天气系统提供了新的工具[3]。K.A.Browning1983年撰文指出,把雷达、卫星资料与常规天气观测资料接合起来,对现时天气作详细解释的基础上的外推预报是0~2小时的临近预报的最有效方法[4],至今该方法一直在被沿用。《气象》杂志1975年第4-5期上刊载中国科学院大气物理研究所暴雨研究组的用气象卫星云图确定强雷暴威胁区,为把气象卫星云图资料与雷达回波以及常规气象资料结合起来监测、定位、分析和预警强雷暴天气提供了思路[5]。曹治强、方宗义、方翔利用高频次的FY-2C、2D等静止气象卫星资料、南京站多普勒天气雷达资料和常规天气资料,分析了2007年7月3日0840-1000(UTC)在安徽天长-江苏高邮和江苏兴化等地区发生的多个龙卷风天气,气象卫星云图清楚地显示了这次龙卷风的发生发展过程是梅雨锋切变线相对应的弱对流云带与其南面的另一条是干冷空气前沿迅速发展的飑线云带相交合并处[6]。南京信息工程大学肖稳安等利用三小时一次的GMS云图资料,分析了6~8月份我国大陆上的六类雷暴天气,阐述了强雷暴活动的云图特征。30min一次的GMS云图对夏季大陆上强雷暴的分析和监视是很有用的[7]。
 
  联合国十年减灾委员会把雷电灾害列为对人类生活影响最严重的十大自然灾害之一,雷电的监测和防护成为防灾减灾保护人民生命财产的重要研究课题和需要迅速附注实际的业务行为。卫星观测为此也做出了贡献。自从1997年美日联合发射了TRMM和1997美国洛期阿拉莫斯国家实验室发射了瞬间事件轨道快速记录卫星,携带OTD(光瞬时信号探测器)、LIS(雷达和闪电图象探测器)、OLS(闪电光学观测系统、LLS(闪电定位系统)以来,获取了大量雷电信息,通过对这着些雷电信息的分析研究,充实了开阔了人们对雷电发生发展和活动特征的认识,提供了预测、预警雷电的思路。徐小峰等编写的《国外雷电监测和预报研究》一书中,张蔷等介绍,卫星上OTD观测到龙卷着地前3min,闪电急增,卫星OTD观测的闪电数和频率远远多于地面观测的闪电,表明云中闪电很多;云地闪电开始时间落后雷暴初生时间为31min.张志光等介绍,星观测的闪频率可用来确定积雨云砧中冰晶的含量。还有不少科学工作者有卫星观测的云图资料分析雷电,得到了一些有益的结果[8]。Smith用红外云图云顶冷却率研究预报第一次云地闪经常发生在红外云图中最初云顶冷却率超过0.5C/min之后30min或更长的时间;Taylor发现主要闪电活动中心与过冷云层相联系,但位于稍暖的温度区,介于-5℃到20℃之间;Goodman和MacGorman(1986)研究了中尺度对流复合系统(MCC)中的闪电活动,指出闪电频率是多单体对流元的厚度和数目的函数。MCC是一非常有组织的中尺度对流系统,它由众多的积雨云单体组成,平均1小时MCC可产生54min-1最大地闪击频率,或者按连续9小时的平均,发现有持续超过17min-1的闪电频率。对于MCC这样高的闪电频率,单个MCC在通过某一地点产生的闪电可达到该处年平均的闪击密度的25%.它与普通雷暴中的地闪比值为4:1,而对于美国高原强风暴是20:1;McAnelly和Cotton(1985)发现,MCC峰值闪电速度发生的时间正好是云顶温度最低(冷)的时刻,也是MCC降雨速率最大的时间,也是最多活跃的对流单体所组成的时间;雷暴云的结构与闪电的关系十分密切,地闪一般出现于有风切变的情况下,在卫星云图上可以判别雷暴云团云顶部的强风切变,如果云顶的卷云只向一方向伸展,另一侧云边界很低光滑,表明高空有强风速垂直切变,卷云伸展的方向为下风一侧,而卷云边界光滑一侧为上风方一侧,负地闪主要集中于雷暴云母体的上风一侧,尤其是云体向东南方突起的地方,正地闪出现于雷暴云母体顶部卷云向下风方一侧。
 
  可以看出,气象卫星探测技术的显著在不断的提高和改进,获得的资料内容越来越丰富,精度越来越高,卫星探测已经成为大气科学之中不可缺少的有用的现代化探测工具。论文收集了2009年江苏及其周围地区8多次强雷暴天气的闪电定位资料和相应的卫星云图观测资料,通过资料处理(本文不作陈述),提取用卫星云图分析、监测和预警雷电的思路和因子。
 
2 气象卫星观测资料与雷电观测资料的对比分析
 
  本章将通过用气象卫星观测资料与雷电观测资料分析雷暴天气过程的实例,来论证高时空分辨率的气象卫星观测有能力观测扑捉到大气中的雷电及其活动过程的能力。
 
2.1 2009年3月21日雷电天气过程
 
  2009年3月20日~22日,随着中高纬度高空500Pha一个大槽的东移(见图1),引导的冷空气与高原南部南支槽前强西南气流在长江中下游交汇,在850Pha高空天气图上和地面天气图上低空低压(见图2)和地面低压(见图3)形成,3月21日08时到20时,除一个完好的中尺度气旋在长江中游偏南地区不断加深发展东移外,3月21日11时到20时,另有一个气旋性风环流在皖西生成,并依次通过合肥-南京东移。就是这个气旋性风环流依次通过合肥-南京东移时,提供了合肥-南京强雷暴天气发生发展的有利条件。由2009年3月21日,0402~0504时南京风随高度的变化可以看出(见图4),在600m~1500m风随高度顺转,1500m以上风又随高度逆转,低层有暖气其上叠加有冷平流,有利于对对流性天气的形成。2009年3月20日~2009年3月22日在合肥到南京之间产生了长时间的雷电天气。
 
  在连续的卫星云图上,雷暴云系发生、发展把这次合肥-南京的雷暴天气过程表现得很清楚。在图3地面天气图中,合肥到南京的气旋性风环流在天气图上分析不出等高线和等压线,可在图5 2009年3月21日9、10、11,12时FY卫星的红外云图上,雷暴云团的生成和随时间的变化清晰地把3月21日11时到20时地面附近气旋性风环流的生成和随时间的演变很直观地表现出来了。
 
  在3月21日上午08时,地面和850Pha图上气旋性风环流不明显,在卫星云图上也没有强的对流云生成,09时气旋性风环流形成,相应的对流云团生成,见图5(图中箭头所示)。随着气旋性风环流的加强,西部无云晴空从云团后部的侵入以及云团西南方向暖湿气流中对流云系的不断流入,合肥-南京的对流云团得到了快速加强,从9~11时(图5c)的云图能很清楚的看到,对流云区气旋性环流越来越变清楚,对流云区明显扩大。由图6可以看出,中心冷云顶温度下降到-48℃,-48℃的冷中心明显扩大,从11~12时的一个小时从几km2扩大到近40km2,将近增加了10倍。丁一汇先生在北京师范大学授课时曾提出:强对流云的顶部卷云罩如果在小时内能够想外扩展1个纬距,未来发生强雷暴天气的几率可达85%.这里-48℃的冷云顶区虽然不是雷暴云上空卷云罩的全部,但他能够表示强对流云的顶部冷云顶的扩展率,预示强雷暴天气的强烈发展。
 
  比较图6,11时与12时的亮度温度分布等值线,可以看出,-48℃的冷中心在一个小时扩大增加了10倍,这说明有80%的云顶在1个小时变冷-5℃.这与Smith用红外云图云顶冷却率研究预报第一次云地闪经常发生在红外云图中最初云顶冷却率超过0.5℃/min之后30min或更长的时间有些差异,但该雷暴天气的实际还是很清楚地表明在南京地区,在雷暴发生区约1℃/10min的冷云顶变冷率依然预示着强雷暴天气的存在和发展。
 
  此外,由图6还可看出,从冷中心到对流云区边界(32℃)的温度梯度达到0.64℃/km,云顶温度在12时等值线最为密集,云顶温度梯度很大。
 
  图7是闪电定为仪记录的南京地区3月21日09、10、11、12时闪电分布和强度,在云区强闪电此起彼伏。
 
2.2 2009年6月5日雷电天气过程
 
  使用常规的天气图资料、FY-2C卫星云图的IR1资料、南京龙王山的(型号)多普勒天气雷达这资料、江苏省防雷中心的XDD03A 4个探测站点的闪电定位资料分析了这次雷电天气过程。
 
2.2.1 天气发展过程概况
 
  2009年6月5日,江苏省自北向南出现了区域性雷暴,这次强对流过程持续时间长,波及范围广,部分地区出现了冰雹等灾害性天气,造成了极大的经济损失。
 
2.2.2 天气形势分析
 
  这次华东地区自北向南的强对流天气是一次比较典型的东北冷涡大背景下诱发的中尺度对流过程。在6月5日08时的500hPa天气形势上(见图8),我国东部大陆沿海高空槽南北错位,南支已东移出海,北支一直稳定在东北冷涡中心经大连至山东半岛一线,槽后不断有西北冷平流从华北直接进入江苏,苏北及以南而地面受弱的高气压影响,近地层辐射增温较快,地面升温,随着系统的南压,以及海陆风效应,在江苏北部到上海一带形成辐合线(见图9),在高空槽与近地面辐合线的触发下,大气层结变得很不稳定,江苏中部、南部地区产生了多个对流单体迅速发展增强,生成了该日的强雷暴天气。
 
2.2.3 天气形势演变的卫星云图和雷达回波特征
 
  在卫星云图上,08时山东西部的对流云团在进入江苏北部后迅速减弱消散,残留一些弱的积云(见图9)。随着系统的南压,残留的云系在10时30分左右开始迅速发展(见图10a),速度约为50km•h-1,在12时30分的云图上(见图10b),江苏中部生成了一个成熟的中尺度对流云团A,云顶温度降到-50℃,随着在其西南方性向小块云团东移并入,其面积不断扩大并向南移动,此时,山东半岛南部的对流云团B也开始南下影响江苏北部。14时30分前后云团A与云团B连接,范围扩大,强度增强,影响江苏东部地区。16时,云团已经覆盖了江苏大部分地区(见图10e),在雷达回波图上也表现出一条有飑线特征的南北向的强回波带(见图14)。江苏境内雷电天气此起此起彼伏。强雷暴云团于18时开始消散,强度减弱,A云团并向东南方向移出江苏,云团B往西南方向移动。
 
2.2.4 闪电演变特征
 
  综合卫星和雷达资料可以看出,云团A在10:30-12:30处在发展阶段,12:30-16:30到达成熟阶段,16:30-18:00是消散阶段。整个过程闪电定位仪监测获取地闪2020次,其中负闪占50.5%.正闪数达到1010次。图11和图12给出了云团A、B的地闪频数每10分钟的变化特征。由图可以看出,云团A在发展过程中正负闪峰值交替出现,在12时之前所有的地闪均为负闪,地闪数也比较少。随着系统的发展,地闪开始缓慢增加。正闪所占的比例明显的提高,进入成熟阶段后,地闪频数持续增加,最大峰值为115次/10min,地闪以正极性为主,正闪比例达到了72%左右,在此期间,正闪出现了3次瞬间跃增,最大的正闪频数为65次/10min.15时以后,地闪频数开始减少,正闪个数急剧减少,负地闪占据主导地位。在16:20左右出现了一个地闪频数的峰值,负闪比例达到86%.16时30分以后的消散阶段,地闪频数不到10次/10min,正闪个数多于负闪。
 
  云团B进入江苏前已经是个成熟的对流云团,进入江苏境内以后强度并没有减弱。总地闪的变化趋势与云团A大致上一致。总地闪频数的峰值出现在16:30左右,最大频数达到98次/10min.正负闪的分布与云团A有明显的不用。除了14:30-15:00这段时间内正闪比例大于负闪以外,其余时段的负闪都远远多于正闪。
 
2.2.5 卫星云图与闪电分布的关系
 
  图13给出了2009年6月5日11:00,12:00,14:00,15:00,18:00,20:00时风云2卫星分裂的TBB分布。6月5日11:00~12:00苏皖北部的弱云带上(后来发展演变为A云团),云顶TBB值为7℃-13℃,对流云初生,相应的闪电记录大部分为正闪,证实了对流发展初期正闪多于负闪的研究结果。12时以后对流云区快速增大,到14时,对流云区中心冷云顶温度降到-33℃以下,平均一小时降温10℃,表明对流云区暖湿空气辐合上升非常强烈,对流得到激烈发展。发生在A云团覆盖区的闪电数急剧增加。15时,A云团与从山东向南移动B云团连接,在这一小时,冷云顶温度保持在-33℃,但A、B云团面积均明显增大,并一直持续到16时30分(见10d-e,缺相应时间的TBB图),A、B云团覆盖区雷电连续发生,A云团的闪电频次达到最大。在以后的时间里,A云团向东南方移动中冷顶云区减小,中心冷顶分裂,强度减弱。但是B云团15时以后向西南方向移动中冷顶云区显著扩大,中心温度降到-53℃以下,雷暴天气不断加强,16时30分出现闪电的高峰。
 
关键词: 雷电监测
 
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