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本文基于2015-2017年北京闪电定位网(Beijing Lightning NETwork,简称BLNET)闪电定位资料、多普勒天气雷达和探空资料以及35个自动空气质量监测站不同污染物(PM2.5等)数据,分析研究北京地区(39.5°~41.0°N,115.0°~117.5°E)闪电活动与热动力因素、气溶胶间的关系;并通过分析2016年6月10日北京城区一次雷暴过程中各雷达特征参数与闪电频数的关系来研究雷暴内各种特征参量对闪电活动的影响。论文的主要研究内容和结果如下:
(1)分析北京地区117次雷暴过程中不同热动力因素对闪电活动所产生的影响。结果表明:闪电活动与CAPE、700hPa相当位温之间存在较强正相关(R>0.8,均通过95%的置信区间检验),表明较高的相当位温与CAPE有助于对流的发展以及闪电的形成。而总闪数目与700-400hPa平均相对湿度、地面气温的相关性较弱。
(2)分析北京地区夏季117次雷暴天气闪电活动与PM2.5等气溶胶粒子的时空分布特征,以及气溶胶浓度变化对闪电活动的可能影响。结果表明:PM2.5浓度及总闪密度均呈现自西北向东南升高的空间分布特征。闪电峰值在污染背景下出现的时间(19:00LT)晚于清洁背景下(约15:00LT)约4h,且总闪百分比(~20%)可达清洁背景下(~10%)的两倍。对雷暴前1-4小时的PM2.5浓度与时间窗(12:00-22:00LT)内总闪数目的中位数进行相关分析,发现PM2.5浓度低于130μg·m-3时,PM2.5与总闪数存在明显正相关,此时气溶胶可能通过影响云微物理过程进而影响雷暴的对流发展,增强闪电活动;PM2.5大于150μg·m-3时,总闪数随PM2.5浓度的增加呈减少趋势,可能的原因是高气溶胶浓度下地面太阳辐射显著下降,对流活动受到抑制,导致闪电活动减少。当PM2.5浓度在130~150μg·m-3时,两者关系不明显。
(3)分析20160610北京城区一次雹暴过程中闪电活动与雷达回波特征的关系。降雹过程中,雷达回波的中心回波强度大于45dBZ,强对流中心发展旺盛,45dBZ回波面积增大,BLNET探测到的辐射源密集区与冰雹云单体所在的强回波区相对应。在四次降雹过程中,40dBZ、50dBZ回波顶高都有先增加后降低的变化趋势,峰值出现的时间均超前于降雹以及闪电活动。-20℃高度最大反射率与总闪频数有较为一致的变化趋势,但在数值上并非正相关。此次雹暴过程中,正地闪百分比(PCG/CG)与-20℃高度最大反射率和雹暴过程最大反射率均存在正相关,但相关性较弱。其与-20℃高度>40dBZ的回波面积(EchoArea)相关性较好,拟合关系为:PCG/CG=0.0004×EchoArea-0.0078,其R=0.87(经过95%的置信区间检验)。
(1)分析北京地区117次雷暴过程中不同热动力因素对闪电活动所产生的影响。结果表明:闪电活动与CAPE、700hPa相当位温之间存在较强正相关(R>0.8,均通过95%的置信区间检验),表明较高的相当位温与CAPE有助于对流的发展以及闪电的形成。而总闪数目与700-400hPa平均相对湿度、地面气温的相关性较弱。
(2)分析北京地区夏季117次雷暴天气闪电活动与PM2.5等气溶胶粒子的时空分布特征,以及气溶胶浓度变化对闪电活动的可能影响。结果表明:PM2.5浓度及总闪密度均呈现自西北向东南升高的空间分布特征。闪电峰值在污染背景下出现的时间(19:00LT)晚于清洁背景下(约15:00LT)约4h,且总闪百分比(~20%)可达清洁背景下(~10%)的两倍。对雷暴前1-4小时的PM2.5浓度与时间窗(12:00-22:00LT)内总闪数目的中位数进行相关分析,发现PM2.5浓度低于130μg·m-3时,PM2.5与总闪数存在明显正相关,此时气溶胶可能通过影响云微物理过程进而影响雷暴的对流发展,增强闪电活动;PM2.5大于150μg·m-3时,总闪数随PM2.5浓度的增加呈减少趋势,可能的原因是高气溶胶浓度下地面太阳辐射显著下降,对流活动受到抑制,导致闪电活动减少。当PM2.5浓度在130~150μg·m-3时,两者关系不明显。
(3)分析20160610北京城区一次雹暴过程中闪电活动与雷达回波特征的关系。降雹过程中,雷达回波的中心回波强度大于45dBZ,强对流中心发展旺盛,45dBZ回波面积增大,BLNET探测到的辐射源密集区与冰雹云单体所在的强回波区相对应。在四次降雹过程中,40dBZ、50dBZ回波顶高都有先增加后降低的变化趋势,峰值出现的时间均超前于降雹以及闪电活动。-20℃高度最大反射率与总闪频数有较为一致的变化趋势,但在数值上并非正相关。此次雹暴过程中,正地闪百分比(PCG/CG)与-20℃高度最大反射率和雹暴过程最大反射率均存在正相关,但相关性较弱。其与-20℃高度>40dBZ的回波面积(EchoArea)相关性较好,拟合关系为:PCG/CG=0.0004×EchoArea-0.0078,其R=0.87(经过95%的置信区间检验)。