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热带气旋是地球上最具破坏力的自然灾害之一。因此,研究热带气旋内部结构和外部过程有助于了解热带气旋的发生、发展机制,改进台风的预报效果。闪电活动由于与云内的对流和微物理过程密切相关,因此在一定程度上可以提供云中的微物理结构和动力过程相关的有效信息。本论文以研究西北太平洋地区热带气旋中的闪电活动特征以及成因为目的,从观测资料分析和数值模拟两方面开展研究。论文在利用LIS/OTD卫星闪电数据集检验全球闪电定位网(WWLLN)资料可用性的基础上,利用WWLLN闪电资料、气象卫星资料以及台风定位资料,从个例分析入手对西北太平地区闪电活动进行了分析,并探讨了闪电活动与台风强度之间的关系。最后,利用中尺度WRF模式对两个台风个例的微物理过程和热动力过程时空演化进行了数值模拟,并探讨了台风闪电时空分布的成因。主要结论如下:
(1)根据LIS/OTD分析,全球最大闪电密度出现在刚果盆地,闪电密度高达160.7 fl km-2yr-1,海陆闪电密度之比约为10:1。基于WWLLN和LIS/OTD数据集得到的陆地上的闪电日变化结构基本一致,都是存在午后峰值。海洋上的闪电目变化存在双峰值结构,分别是凌晨和午后。通过对比WWLLN和LIS/OTD数据集发现,WWLLN资料可以较好的反映生命史在几天左右的天气尺度强对流系统。个例研究发现,台风闪电日变化存在两个明显的峰值,分别在午后和上午。
(2)西北太平洋地区台风成熟时平均闪电密度呈现出明显的三圈结构:眼壁和大于200 km的外雨带是闪电的高发区,距台风中心80～200 km闪电频数接近于零。台风中外雨带中的闪电具有不对称分布,闪电成簇出现,主要发生在深厚对流区域。
(3)眼壁闪电存在阶段性变化。在台风中心最大风速急剧增大的阶段,眼壁上的闪电爆发,而在眼壁闪电爆发之后的几个小时后中心风速达到最大值。这意味着眼壁闪电有可能对强度变化有指示作用。眼壁闪电变化在一定程度上反映了眼壁对流强度的变化。眼壁置换是台风强度变化的一个转折点,同时也是眼壁闪电变化的一个转折点,从台风眼壁置换开始,眼壁闪电减少,基本上没有闪电发生。在台风减弱登陆阶段,大部分台风中心基本上没有闪电发生。
(4)对2005-2009西北太平洋69次热带气旋的闪电活动研究发现,外雨带最小日均闪电数出现在2级台风Kong-Rey(2007),而最大日均闪电数出现在1级台风Koppu(2009)中。69个台风中,外雨带日均闪电数最少的仅为lO次,而最大日均闪电数高达15666次。日均中心闪电数从1到1200不等(均未经过探测效率的订正)。从均值上比较,弱台风外雨带日均总闪电频率明显要高于强台风外雨带的日总闪电频率,但是强台风中心闪电活动要强于弱台风。对比登陆与未登陆台风中心与总闪电之间的差别,发现登陆台风闪电数从均值上远大于未登陆台风。
(5)台风闪电最大峰值与台风最大风速峰值之间存在超前、同步和滞后的关系。32个弱台风中12小时累积闪电数超前最大峰值风速最大峰值比例为56%,平均超前60小时;而37个强台风的超前比例为78%,平均超前30小时。弱台风和强台风12小时累积闪电与最大风速的相关系数平均值分别为0.81和0.74。
(6)最强垂直上升速度和由上升速度决定的霰、云水最大含量都出现在眼壁,模拟得到的外雨带上升速度较弱,各类水成物粒子含量都比较低。台风眼壁外的层状云区(内雨带)主要由冰晶和雪晶组成,其中缺乏云水(过冷水),导致闪电很难发生,与该区域内观测到闪电密度接近于零基本一致。模拟台风前期,由于云水主要分布在台风低层,冰相粒子存在于台风上部,不存在混合相区,根据非感应起电机制,难以产生闪电。而随着台风的发展,上升速度增强,过冷水能够到达比较高的高度,过冷水区内存在冰晶、霰等冰相粒子,闪电可以发生。模拟结果发现,在其他水成物粒子含量差别不大的情况下,眼壁上升气流强度和其中霰含量可能对闪电频数起到决定性的作用。