第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征 415 闪电尺度是描述闪电空间发展特征的参量, 有多种表征方法, 如包含所有闪电辐射源的平面二维凸壳面积通道总长度延伸的最大水平和最大垂直 [13,15 18] 距离等多个研究发现, 闪电尺度可能与雷 [15] 暴活动强弱存在联系

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造颜
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1 第 28 卷第 4 期 2017 年 7 月应用气象学报 JOURNALOFAPPLIED METEOROLOGICALSCIENCE Vol.28,No.4 July2017 张志孝, 郑栋, 张义军, 等. 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征. 应用气象学报,2017,28(4): DOI: / 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征张志孝 1)2) 郑栋 1)2) 张义军 1)2) 陆高鹏 3)4)5) 1) ( 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 ) 2) ( 中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室, 北京 ) 3) ( 中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 ) 4) ( 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 ) 5) ( 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 ) 摘要基于 LMA 三维闪电定位数据, 对 2004 年 10 月 5 日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究, 提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法, 并给出参量分布特征结果显示 : 闪电初始阶段上行负先导 ( 下行负先导 ) 的持续时间中值为 13.5ms(7.5ms), 三维位移中值为 1.4km(1.0km), 三维平均位移速度中值为 m s -1 ( m s -1 ), 上行负先导速度随时间递减, 下行反之, 二者与垂直方向夹角的中值分别为 40 和 54 表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布, 在小值方向分布更为集中闪电水平延展距离中值为 6.1km, 垂直延展距离中值为 4.3km, 约 83% 的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离 ; 闪电的持续时间中值为 271.0ms 分析发现, 以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于 8.5km, 以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于 11km 闪电初始阶段位移方向越接近水平, 对应闪电垂直延展越小, 说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响关键词 : 超级单体 ; 闪电起始 ; 闪电尺度引言已有闪电活动特征研究主要集中在闪电的极 [1 5] 性频次和位置等方面, 随着全闪三维探测技术的发展, 对闪电三维发展过程和形态进行描述成为 [6] 可能闪电的三维通道信息可以反映一些关于闪电活动的新特征, 如本研究所关注的闪电初始阶段和尺度特征闪电初始对应闪电激发及其后先导向电荷区传输的短暂过程, 通常认为是发生于异种电荷区之间强电场环境中前几毫秒到数十毫秒内的闪电预击穿过程, 在低频电场变化中通常表现出双极性特 [7 9] 征已有部分工作分析了闪电初始的传播速度传播距离起始位置以及不同参量间的关系 Shao [10] 等基于二维干涉仪观测结果分析, 发现上行初始先导位移速度为 ~ m s -1 ;Be [11] hnke 等基于 LMA(lightning mappingarray) 资料统计, 报道云闪初始先导速度中值为 m s -1 [12] ;Wu 等基于低频闪电定位资料分析, 指出对于上行初始先导, 起始高度越高, 传播速度越小闪电起始可能与雷暴动力和微物理结构有关 Zheng [13] 等在超级单体分析中发现, 起始位置处对应霰干雪小雹和冰晶的闪电分别占总闪频数的 44.3%, 44.1%,8.0% 和 3.0%; 闪电起始最频繁的位置出现在云内具有较强上升气流和气流切变的区域, 闪电起始位置的平均高度沿超级单体右侧到左侧 [14] 后侧到前侧的方向由大到小变化 Wu 等发现闪电初始阶段先导的发展方向与雷暴电荷结构密切相关收到, 收到再改稿资助项目 : 国家自然科学基金项目 ( , ), 中国气象科学研究院基本科研业务费重点项目 (2016Z002) 通信作者, zhd@camscma.cn

2 第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征 415 闪电尺度是描述闪电空间发展特征的参量, 有多种表征方法, 如包含所有闪电辐射源的平面二维凸壳面积通道总长度延伸的最大水平和最大垂直 [13,15 18] 距离等多个研究发现, 闪电尺度可能与雷 [15] 暴活动强弱存在联系 Bruning 等 Calhoun [19] [13] 等和 Zheng 等指出在超级单体对流区附近闪电尺度小, 而在远离对流区的区域, 特别是前侧云砧 [16] 区闪电尺度大 Chronis 等发现在闪电活动最为旺盛的下午, 闪电的水平和垂直延展小, 而在闪电活动较弱的时段, 闪电水平和垂直延展大, 闪电尺度的日变化与闪电频次的日变化呈反相关总体而言, 闪电初始和闪电尺度是近期在闪电研究中引入的新特征参量, 相关研究还处于起步阶段已有关于闪电初始特征或尺度特征分布规律的工作主要依据闪电个例或手工挑选的闪电样本, 对于一次完整雷暴过程中闪电初始和尺度的分布规律几乎未涉及本文利用 2004 年 10 月 5 日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程中的闪电三维探测数据, 开展 3 个方面研究 : 发展自动提取闪电初始阶段特征参量的方法, 研究闪电初始和闪电尺度特征参量在超级单体发展过程中的自身分布规律, 探讨不同参量间的可能关系 1 闪电数据闪电数据来源于美国新墨西哥州 LMA 系统 ( 图 1), 针对本文分析个例, 共 10 个子站参与定位图 1 阿尔伯克基 WSR 88D 雷达和 LMA 系统探测范围示意图 Fig.1 ThediagramofAlbuquerqueWSR 88D radarandlmadetectionrange LMA 系统的中心频率为 63 MHz, 带宽为 6 MHz, 探测网内部水平定位误差为 6~12 m, 垂直定位误差为 20~30 m [20] 关于 LMA 的技术细节可参考文献 [21 23] 根据经验, 距离站网中心 100km 范围内,LMA 具有较为可靠的三维闪电辐射源定位 [22] 结果图 1 中黑色圆代表 LMA100km 探测范围, 黑色直线代表该过程自西南向东北方向的移动路径, 矩形点代表阿尔伯克基 WSR 88D 雷达位置, 星形代表降雹位置, 灰圆代表雷达 50km,100km, 150km,200km 探测范围, 本研究超级单体过程其主体位于 LMA100km 探测范围内 2 数据处理 2.1 闪电算法参考文献 [24], 被选中的闪电辐射源数据需满足至少有 7 个子站参与定位, 且卡方拟合优度小于 2 在将辐射源数据转变为闪电数据时( 一次闪电由满足一定条件的辐射源组成 ), 参考了 MacGorman 等 [22] 使用的算法 : 时间相邻辐射点间时间差小于 150ms, 新辐射点需与该次闪电内至少 1 个辐射点的时间差小于 500ms, 距离小于 3km, 且闪电持续 [13] 时间不大于 3s Zheng 等在分析超级单体雷暴闪电特征时曾引入上述算法, 并基于与手动识别结果对比, 修改了相关参数阈值使其适合分析个例, 选用的对应参数为 180ms,300ms,2km 和 3s 本研究测试了两组阈值, 并与手动闪电判别的结果进行 [13] 对比, 最终选择了 Zheng 等的阈值在挑选闪电 [24] [13] 时, 参照 Lund 等和 Zheng 等工作, 总辐射源数小于 10 的闪电被排除掉 2.2 闪电初始阶段特征参量表征方法闪电起始于正负电荷区间, 发展出正负先导, [10,25] 分别向与之极性相反的电荷区传播根据闪电甚高频辐射源探测特点, 负极性击穿的辐射强度 [10,23] 通常强于正极性击穿, 因而甚高频探测系统更 [14] 易于观测到闪电初始阶段负先导发展 Wu 等将闪电初始辐射源表征的闪电通道进入近似水平发展前以向上或向下发展为主的这部分定义为闪电初始预击穿过程, 本研究闪电初始阶段与该定义相同考虑闪电初始阶段的上述特征, 提出闪电负先导初始段自动识别方法该方法分为 4 步 :1 确定闪电起始位置以单次闪电连续点群 ( 连续条件为时间相邻的辐射点间

3 416 应用气象学报第 28 卷高度差不大于 0.5km) 中时间最早的点为闪电起始位置, 如图 2a 中黑色加号为 18:36:23( 世界时, 下同 ) 时刻闪电个例的起始位置, 以该位置所在高度为分界高度, 将闪电辐射源分为上下两部分 ( 只考虑最初 100ms 内的辐射源 ), 因为系统对负先导的探测效率更高, 所以辐射源数量较大的一组作为负先导的定位结果 2 求解对应一定时间段内的闪电通道的平均位置对选定辐射源进行 3 ms 时间分段处理, 每一时间段内不同辐射点位置平均值作为对应该时间的先导发展平均位置, 其高度平均位置即作为负先导当前发展高度, 处理结果如图 2b 所示 3 高度平滑沿时间轴方向, 依次相邻 5 点使用线性滑动平均, 平滑后的效果如图 2c 所示 4 闪电初始阶段结束位置判别计算平滑后曲线的一阶导数 ( 即对应时间段内负先导在垂直方向速度 ), 如图 2d 所示, 以导数首次小于 10m s -1 的近零点对应时刻作为初始阶段的终止时刻, 如图 2d 中黑圈所示, 该时刻对应图 2c 中竖线时刻, 即闪电由偏垂直发展转图 2 闪电初始阶段自动识别方法示例 (a) 闪电起始位置确定,(b)3ms 时间间隔内辐射源的平均高度求解, (c) 相邻辐射源高度滑动平均,(d) 依据斜率特征判定初始段结束位置 Fig.2 Thediagramofflashinitiationidentificationmethod (a)theinitialpointdetermined,(b)averageheightsofsourcesinevery3ms temporalspancalculated,(c)thecurvesmoothedbyeveryfiveadjacentpoints, (d)theendtimeofflashinitiationdeterminedbasedontheslopecurve

4 第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征 417 向偏水平发展的拐点上述计算方法, 有如下假设支撑 : 闪电初始阶段相比之后电荷区内发展阶段, 垂直发展特征偏明显 ; 在闪电初始发展阶段, 通道一般不分叉这些假设并没有直接研究结果予以证明, 但从闪电物理过程的已有研究经验认知出发, 应当合理提取闪电初始阶段后, 将计算如下 6 个特征参量 :1 持续时间, 即初始段终止时刻与起始时刻的时间差, 如图 2c 中竖线与起始时刻时间差 2 起始高度, 即被定义为闪电起始点的位置所在高度, 如图 2a 中黑色加号对应高度 3 三维位移, 即闪电初始阶段起始位置和结束位置之间的三维直线距离 4 垂直位移, 闪电初始阶段起始位置和结束位置在垂直方向上的距离差 5 三维平均位移速度, 即闪电三维位移与闪电起始持续时间之商, 注意其理论上小于通常使用的负先导发展速度 6 垂直夹角, 即在闪电初始阶段内, 闪电位移方向与垂直方向的夹角, 向上发展的负先导与垂直向上方向对比, 向下发展的负先导与垂直向下方向对比, 夹角范围始终处于在 0 至 90 之间 2.3 闪电尺度表征方法采用以下 4 种方法表征闪电尺度 :1 平面视角 [13,15] 下的二维凸壳面积多个研究采用该方法, 每次闪电对应一个平面视角下包含所有闪电辐射点的最小外接多边形面积, 如图 3a 中蓝色实线包围面积为 19:15:57 闪电对应的凸壳面积 2 闪电通道总 [18] 长度参考 Zhang 等的方法将闪电辐射源对应到水平方向 250m 250m 垂直方向 400m 的空间网格中, 再使用迪杰斯特拉算法识别闪电通道 ( 图 [18] 3) Zhang 等通过模拟试验认为该方法的实际误差不超过 10% 计算通过上述方法识别的一次闪电过程中所有通道的长度总和, 即得到闪电三维通道总长度 3 闪电延展的最大水平距离 4 闪电延展最大垂直距离图 3a 中水平投影上最远两辐射点的距离代表该次闪电延伸的最大水平距离, 图 3b 中垂直方向上相距最远的两辐射点距离代表延 [16] 伸的最大垂直距离图 3 闪电尺度表征方法示例 (a) 甚高频辐射源水平分布,(b) 甚高频辐射源三维分布,(c) 辐射源高度时间分布 Fig.3 Thediagramofmethodsdescribingflashsize (a)horizontaldistributionofvhfsources,(b)three dimensionaldistributionof VHFsources,(c)height timedistributionofvhfsources

5 418 应用气象学报第 28 卷 2.4 过程闪电特征概述本研究超级单体过程 20:02 20:22 产生冰雹, 冰雹直径为 2.23~7.62cm 图 4 展示此次超级单体过程闪电活动的基本特征闪电活动从 18:00 持续到 21:07, 共探测到 4042 次闪电, 峰值出现在 20:09 闪电平均尺度( 图 4c) 在 18:30 和 19:30 分别出现两次峰值注意闪电尺度与闪电活动频次存在反向的对应关系图 4 超级单体过程中闪电活动的时序演变 (a) 甚高频辐射源频次,(b) 闪电频次, (c) 平均闪电凸壳面积 ( 统计时间间隔 5min) Fig.4 Temporalevolutionofflashactivity inthesupercel (a)rateofvhfsources, (b)flashrate,(c)averageflashconvexhul (thetemporalspanis5min) 3 闪电初始阶段特征参量 3.1 闪电初始特征参量概率密度分布在超级单体过程中, 基于初始阶段识别方法, 并经过人工筛选后, 选取了 1147 次初始过程较为清晰的闪电样本, 包括 947 次上行负先导和 200 次下行负先导它们的分布特征和统计结果参见图 5 和表 1 可以看到, 上行负先导初始阶段持续时间中值为 13.5ms, 下行负先导初始阶段持续时间中值为 7.5ms, 它们各自的峰值分布集中于 10~15 ms 和 5~10 ms( 图 5a) 上行和下行负先导在初始阶段的三维位移在 0.5~1km 区间集中了最大样本 ( 图 5b), 其中值位移分别是 1.4km 和 1.0km 垂直位移上, 上行负先导在 0.5~0.75 km 区间为峰值, 下行负先导在 0.25~0.5km 区间为峰值, 它们表 1 闪电初始阶段特征参量的参数统计犜犪犫犾犲 1 犛狋犪狋犻狊狋犻犮狊狅犳狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犻狀犻狀犻狋犻犪狋犻狅狀狊狋犪犵犲狅犳犳犾犪狊犺犲狊统计项目平均值中值标准差最大值最小值上行持续时间 /ms 下行持续时间 /ms 上行三维位移 /km 下行三维位移 /km 上行垂直位移 /km 下行垂直位移 /km 上行三维速度 /(10 5 m s -1 ) 下行三维速度 /(10 5 m s -1 ) 上行垂直夹角 /( ) 下行垂直夹角 /( )

6 第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征 419 图 5 闪电初始阶段特征参量概率密度分布 (a) 持续时间,(b) 三维位移,(c) 平均三维位移速度,(d) 位移方向与垂直方向夹角 Fig.5 Probabilitydensitydistributionofcharacteristicparametersininitiationstage (a)initiationdurationtime,(b)3 Ddisplacement,(c)average3 Ddisplacementvelocity, (d)anglebetweenflashinitiationdisplacementandverticaldirection 对应的中值分别为 0.9km 和 0.5km, 下行负先导初始的垂直位移小于上行负先导闪电起始阶段负先导三维平均位移速度 ( 图 5c) 主要集中在 10 4 m s -1 和 10 5 m s -1 [26 27] 量级, 与已有研究结论一致其中, 对应上行负先导的峰值区间为 ~ m s -1, 下行负先导为 ~ m s -1, 它们各自的中值 m s -1 和 m s -1 表明下行负先导速度更快图 5d 显示了闪电初始位移方向与垂直方向的夹角, 上行负先导在 30 和 50 附近表现出峰值, 下行负先导集中于 40 和 60 附近, 对应的中值分别约为 40 和 54, 可以看到, 闪电初始阶段并非理想的垂直发展, 实际上倾斜发展是主要特征 3.2 闪电初始位移速度时序演变选取所有闪电初始阶段负先导样本, 以 3ms 为时间间隔, 分析负先导平均三维位移速度随时间的变化, 结果如图 6 所示不同闪电初始样本对应的初始阶段持续时间不同, 因此, 对应时间间隔内的样本量是变化的, 图 6 为了确保分析数据的可靠性, 本文选定在分析时间间隔内, 上行负先导的样本量不少于 100, 而下行负先导的样本量不少于 50 可以看到, 闪电初始阶段, 上行负先导速度在控制样本后 [11] 的前 24ms 整体上随时间递减, 这与 Behnke 等观测结果一致, 他们报道云闪的初始上行先导在最

7 420 应用气象学报第 28 卷初的 10~15ms 呈现速度递减趋势由图 6 还可以看到, 在控制样本后的前 12ms, 下行负先导的速度 [11] 整体呈现上升趋势 Behnke 等讨论了引起闪电初始阶段负先导速度随时间变化的多种可能性认为, 上行负先导速度随时间的变化可能与环境气压的减小有关因此, 按照该解释, 下行负先导的速度可能随时间呈现增加趋势本研究从观测结果对这种可能性提供了支持图 6 闪电初始阶段平均三维位移速度的时序演变 Fig.6 Temporalevolutionof3 Ddisplacementvelocityininitiationstageofflashes 3.3 闪电初始阶段特征参量关系图 7a 为闪电起始高度与闪电初始阶段平均三维位移速度对应的散点分布以及对应不同起始高度上的速度盒须图由图 7a 中值看, 在闪电活动主要发生的 6~11km( 保证足够样本条件下 ) 闪电初始阶段平均三维位移速度随起始高度的增大而减小, [12] 这与已有研究结果一致图 7b 为闪电初始阶段三维位移和闪电初始阶段发展方向与垂直夹角的对应关系以及对应不同夹角的三维位移盒须图由图 7b 中值看, 闪电初始阶段三维位移随夹角的增大而增大, 表现出闪电初始段越接近水平方向, 闪电初始阶段的三维位移可能越大图 7 闪电初始特征参量间关系 (a) 闪电起始高度与闪电初始三维位移速度,(b) 垂直夹角与三维位移 Fig.7 Relationshipbetweenparametersinflashinitiationstage (a)initiationheightvs3 Ddisplacementvelocity,(b)verticalangleVS3 Ddisplacement

8 第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征闪电尺度特征 4.1 闪电尺度特征参量概率密度分布图 8 和表 2 展示了超级单体过程闪电对应的凸壳面积三维通道总长度水平和垂直延展距离的分布闪电凸壳面积概率分布 ( 图 8a) 可用负幂函数拟合 : 犖 = 犃 F, 其中, 犖代表闪电样本频数, 犃 F 代表闪电凸壳面积, 拟合相关系数可达 -0.98; 闪电通道总长度概率密度谱 ( 图 8b) 也可用负幂函数拟合 : 犖 = 犔 F, 公式中犔 F 代表闪电通道总长度, 拟合相关系数可达闪电凸壳面积和三维通道总长度都呈现负幂函数的分布特征, 大概率分布偏向小值, 且描述两个特征参量分布趋势的幂函数指数比较接近, 说明两种特征参量在表征闪电尺度分布特征上类似由图 8c 和图 8d 可以看到, 闪电水平延展距离在 4~6km 区间垂直延展距离在 3~4km 区间拥有最多样本, 对应的中值分别为 6.1km 和 4.3km 此外, 本研究还统计了闪电持续时间分布特征, 发现闪电持续时间 [28] 中值为 ms, 平均值为 329.1ms 张荣等报道青藏高原东北部闪电平均持续时间云闪为 326ms 负地闪为 453ms 正地闪为 326 ms 从平均值看, 本超级单体个例闪电持续的平均时间与青藏高原云闪较为接近图 8 闪电尺度特征参数概率密度分布 (a) 闪电凸壳面积,(b) 闪电通道总长度,(c) 闪电延展的最大水平距离,(d) 闪电延展的最大垂直距离 Fig.8 Probabilitydensitydistributionofparametersdescribingflashsize (a)areaofflashconvexhul, (b)totallengthofflashchannels,(c)horizontalextentofflash,(d)verticalextentofflash

9 422 应用气象学报第 28 卷表 2 闪电尺度特征参量的参数统计犜犪犫犾犲 2 犛狋犪狋犻狊狋犻犮狊狅犳狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犱犲狊犮狉犻犫犻狀犵犳犾犪狊犺狊犻狕犲统计项目平均值中值标准差最大值最小值凸壳面积 /km 通道总长度 /km 延展的最大水平距离 /km 延展的最大垂直距离 /km 持续时间 /ms 闪电尺度不同特征参量对比图 9a 给出所有闪电水平延展距离与垂直延展距离的样本密度分布, 红线以下区域表示闪电水平延展大于垂直延展, 红线以上反之 4042 次闪电中有 3352 次闪电 (83%) 的水平延展距离大于垂直延展距离图 9b 给出闪电凸壳面积与闪电通道总长度的对应关系, 可以看到, 二者之间表现出较好的线性拟合关系 ( 图 9b 中黑线 ), 公式为犃 F=0.4 犔 F- 2.46, 相关系数为 0.90, 这与图 8a 和 8b 中两者分布上的变化趋势的一致性相对应此外, 本文分析了闪电凸壳面积和闪电持续时间的关系, 持续时间凸壳面积也存在随闪电持续时间增大而增大的趋势, 但这个关系并不显著, 样本分布比较离散 ; 这可能是由于闪电凸壳面积能够体现闪电通道形状分叉等特征, 而闪电持续时间只是单纯体现闪电的开始和结束最近, 世界气象组织极端天气和气候委员会确认发生于 2007 年 6 月 20 日 Oklahoma 的一次闪电为目前世界上探测到的最长距离的闪电, 水平延展距离为 321km; 发生于 2012 年 8 月 30 日法国南部的一次闪电为持续时间最长的闪电过程, 持续时间为 7.74s [29] 可以看到, 最大尺度的闪电并非最长持续时间的闪电, 尺度和持续时间并不明显对应图 9 闪电初始和尺度不同特征参量间关系 (a) 闪电水平延展距离与垂直延展距离散点密度分布 ( 只显示每个格点闪电个数大于 6 的数据, 格点大小为 1km 1km),(b) 闪电通道总长度与闪电凸壳面积的散点分布 Fig.9 Relationshipbetweenparametersofflashinitiationandsize (a)flashhorizontalextentandflashverticalextent(gridswhereflashnumberis largerthan6aredisplayed,andthestatisticalgridsizeis1km 1km), (b)distributionoftotalchannellengthandflashconvexhul 5 闪电初始特征和尺度特征参量的联系将 1147 次关于闪电初始阶段样本与其闪电尺度的特征参量集合, 分析闪电初始参量与闪电尺度的关系将水平延展大于垂直延展的闪电定义为水平闪电 (HF), 样本量为 918 次 ; 垂直延展大于水平延展的闪电定义为垂直闪电 (VF), 样本量为 229

10 第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征 423 次首先分析两种闪电对应起始高度的差异, 结果如图 10a 所示, 水平闪电的起始高度中心位于 8.5km, 明显低于垂直闪电中心位于 11km 高度从初始击穿的方向看, 水平闪电中有 747 次闪电负先导向上初始,171 次闪电负先导向下初始, 负先导下行初始闪电占整个水平闪电样本的 19%; 垂直闪电中有 200 次闪电负先导向上初始,29 次闪电负先导向下初始, 负先导下行闪电占整个垂直闪电样本的 13% 图 10b 统计了与垂直方向不同夹角的闪电对应的水平垂直延展距离闪电垂直延展距离存在明显随初始垂直夹角增大而减小的趋势, 即闪电初始方向越接近水平, 对应闪电垂直延展越小, 这意味着闪电初始段的传播对于闪电垂直延展的距离具有重要影响而闪电水平延展随初始垂直夹角变化规律不明显图 10 水平闪电和垂直闪电的分布特征 (a) 水平和垂直闪电起始高度概率密度分布,(b) 闪电初始段位移与垂直方向夹角与闪电延展距离关系 Fig.10 Distributionofhorizontalflashandverticalflash (a)probabilitydensitydistributionofinitiationheightofhorizontalflashandverticalflash, (b)relationshipbetweeninitiationverticalangleandflashextent 6 结论本研究基于美国新墨西哥州 LMA 对 2004 年 10 月 5 日一次超级单体过程的三维闪电探测数据, 提出并实现了闪电初始阶段特征参量自动提取方法, 并对闪电初始阶段和闪电尺度特征参量的分布特征进行研究, 主要结果如下 : 1) 提出基于闪电辐射源数据判断负先导初始发展阶段开始和结束位置的方法, 实现了闪电初始阶段负先导特征参量的批量自动计算, 这有利于研究的可重复性和结果的可对比性 2) 给出闪电初始阶段特征参量分布规律以及相关参数统计发现初始阶段的上行负先导持续时间中值 (13.5 ms) 大于下行先导持续时间中值 (7.5ms); 三维位移中值分别为 1.4km 和 1.0km, 对应三维位移速度中值为 m s -1 和 m s -1 ; 上行负先导速度随时间递减, 下行负先导速度随时间递增 ; 先导以倾斜方向发展为主, 初始阶段偏水平发展的闪电, 垂直尺度更小 3) 闪电凸壳面积和通道总长度分布呈现负幂函数变化, 小值方向更为集中闪电的水平延展距离中值为 6.1km, 垂直延展距离为 4.3km, 约 83% 的闪电其水平延展大于垂直延展闪电的持续时间中值为 271.0ms, 但闪电持续时间与闪电凸壳面积的对应性不是非常明显 4) 以水平延展为主的闪电 ( 水平延展大于垂直延展 ) 起始高度分布峰值位于 8.5km, 以垂直延展为主的闪电 ( 垂直延展大于水平延展 ) 起始高度分布峰值位于 11km 闪电初始阶段位移方向越接近水

11 424 应用气象学报第 28 卷平, 对应闪电垂直延展越小, 说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展的距离具有影响或贡献而闪电水平延展随初始垂直夹角变化规律不明显本文从雷暴过程的角度, 分析闪电初始阶段和闪电尺度特征参量分布特点, 这对于扩展对闪电活动基本特征的认识有意义但闪电活动的初始阶段和尺度特征可能与雷暴类型有关系, 本研究所分析的超级单体雷暴在动力和微物理特征上要强于一般雷暴, 对于其他类型雷暴中闪电初始和尺度的特征还有待今后开展对比研究致谢 : 美国新墨西哥矿业技术学院 Langmuir 实验室为本研究提供了三维闪电定位数据, 该观测数据是本文闪电初始和尺度特征研究的基础, 感谢 Langmuir 实验室 PaulKreh biel 教授和 BilRison 教授对 LMA 闪电定位数据的分享参考文献 [1] 王艳, 张义军, 马明. 卫星观测的我国近海海域闪电分布特征. 应用气象学报,2010,21(2): [2] 王婷波, 郑栋, 张义军, 等. 基于大气层结和雷暴演变的闪电和降水关系. 应用气象学报,2014,25(1): [3] 郑栋, 孟青, 吕伟涛, 等. 北京及其周边地区夏季地闪活动时空特征分析. 应用气象学报,2005,16(5): [4] 张阳, 张义军, 孟青, 等. 北京地区正地闪时间分布及波形特征. 应用气象学报,2010,21(4): [5] 郑栋, 张义军, 孟青, 等. 北京地区雷暴过程闪电与地面降水的相关关系. 应用气象学报,2010,21(3): [6] 张义军, 孟青, 马明, 等. 闪电探测技术发展和资料应用. 应用气象学报,2006,17(5): [7] KarunarathneS,MarshalTC,StolzenburgM,etal.Locating initialbreakdownpulsesusingelectricfieldchangenetwork. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,2013,118 (13): [8] MarshalT,Stolzenburg M,KarunarathneS,etal.Initialbreak downpulsesinintracloudlightningflashesandtheirrelation toterrestrialgammarayflashes. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,2013,118(19): [9] Stolzenburg M,MarshalT C,KarunarathneS,etal.Lumi nosityofinitialbreakdowninlightning. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,2013,118(7): [10] ShaoX M,KrehbielP R.Thespatialandtemporaldevelop mentofintracloudlightning. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,1996,1012(21): [11] BehnkeS A,ThomasRJ,KrehbielP R,etal.Initialleader velocitiesduringintracloudlightning:possibleevidencefora runawaybreakdownefect. 犑犌犲狅狆犺狔狊犚犲狊,2005,110(10): [12] WuT,YoshidaS,AkiyamaY,etal.Preliminarybreakdownof intracloudlightning:initiation altitude,propagation speed, pulsetraincharacteristics,andsteplengthestimation. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,2015,120(18): [13] ZhengD,MacGormanD R.Characteristicsofflashinitiations inasupercelclusterwithtornadoes. 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犚犲狊犲犪狉犮犺, 2016,167: [14] WuB,ZhangG,WenJ,etal.Correlationanalysisbetweenini tialpreliminarybreakdownprocess,thecharacteristicofradi ationpulse,andthechargestructureontheqinghai Tibetan Plateau. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊, 2016,121(20), [15] BruningEC,MacGormanDR.Theoryandobservationsofcon trolsonlightningflashsizespectra. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳狋犺犲犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犛犮犻犲狀犮犲狊,2013,70(12): [16] ChronisT,LangT,KoshakW,etal.Diurnalcharacteristicsof lightningflashesdetectedoverthesaopaulolightning map pingarray. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊, 2015,120(23): [17] Koshak W,PetersonH,BiazarA,etal.TheNASALightning NitrogenOxides Model(LNOM):Applicationtoairquality modeling. 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犚犲狊犲犪狉犮犺,2014,135: [18] ZhangR,ZhangG,LiY,etal.EstimateofNOXproductionin thelightningchannelbasedonthree dimensionallightninglo catingsystem. 犛犮犻犲狀犮犲犆犺犻狀犪犈犪狉狋犺犛犮犻犲狀犮犲狊,2014,57(7): [19] CalhounK M,MacGormanD R,ZieglerCL,etal.Evolution oflightningactivityandstormchargerelativetodual doppler analysisofa high precipitation supercelstorm. 犕狅狀犠犲犪犚犲狏,2013,141(7): [20] ThomasRJ,KrehbielP R,Rison W,etal.Accuracyofthe LightningMappingArray. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,2004,109(14): [21] KrehbielP R,ThomasRJ,Rison W,etal.GPS based map pingsystemrevealslightninginsidestorms. 犈狅狊犜狉犪狀狊犪犮狋犻狅狀狊犃犿犲狉犻犮犪狀犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犝狀犻狅狀,2000,81(3): [22] MacGormanDR,RustW D,SchuurTJ,etal.TELEX-The Thunderstorm ElectrificationandLightningExperiment. 犅狌犾犃犿犲狉犕犲狋犲狅狉犛狅犮,2008,89(7): [23] RisonW,ThomasRJ,KrehbielPR,etal.A GPS basedthree dimensionallightningmappingsystem:initialobservationsin CentralNew Mexico. 犌犲狅狆犺狔狊犚犲狊犔犲狋,1999,26(23): [24] LundN R,MacGormanD R,SchuurTJ,etal.Relationships betweenlightninglocationandpolarimetricradarsignatures inasmalmesoscaleconvectivesystem. 犕狅狀犠犲犪犚犲狏,2009, 137(12): [25] ColemanL M,MarshalT C,Stolzenburg M,etal.Efectsof

12 第 4 期张志孝等 : 闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征 425 chargeandelectrostaticpotentialonlightningpropagation. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 : 犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲狊,2003,108 (9): [26] 刘恒毅, 董万胜, 徐良韬, 等. 闪电起始过程时空特征的宽带干涉仪三维观测. 应用气象学报,2016,27(1): [27] 李俊, 吕伟涛, 张义军, 等. 一次多分叉多接地的空中触发闪电 [28] 张荣, 张广庶, 王彦辉, 等. 青藏高原东北部地区闪电特征初步分析. 高原气象,2013,32(3): [29] LangTJ,PédeboyS,Rison W,etal.WMO worldrecordlight ningextremes:longestreportedflashdistanceandlongestre portedflashduration. 犅狌犾犃犿犲狉犕犲狋犲狅狉犛狅犮,2016,DOI: /BAMS D 过程. 应用气象学报,2010,21(1): 犐犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀犕犲狋犺狅犱犪狀犱犃狀犪犾狔狊犻狊狅狀犔犻犵犺狋狀犻狀犵犉犾犪狊犺犐狀犻狋犻犪狋犻狅狀犘犺犪狊犲犪狀犱犛犻狕犲 ZhangZhixiao 1)2) ZhengDong 1)2) ZhangYijun 1)2) LuGaopeng 3)4)5) 1) ( 犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犛犲狏犲狉犲犠犲犪狋犺犲狉, 犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊, 犅犲犻犼犻狀犵 ) 2) ( 犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犔犻犵犺狋狀犻狀犵犘犺狔狊犻犮狊犪狀犱犘狉狅狋犲犮狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵, 犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊, 犅犲犻犼犻狀犵 ) 3) ( 犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犕犻犱犱犾犲犃狋犿狅狊狆犺犲狉犲犪狀犱犌犾狅犫犪犾犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犗犫狊犲狉狏犪狋犻狅狀, 犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犘犺狔狊犻犮狊, 犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊, 犅犲犻犼犻狀犵 ) 4) ( 犆狅犾犪犫狅狉犪狋犻狏犲犐狀狀狅狏犪狋犻狅狀犆犲狀狋犲狉狅狀犉狅狉犲犮犪狊狋犪狀犱犈狏犪犾狌犪狋犻狅狀狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犇犻狊犪狊狋犲狉狊, 犖犪狀犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犛犮犻犲狀犮犲牔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔, 犖犪狀犼犻狀犵 ) 5) ( 犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犖狌犿犲狉犻犮犪犾犕狅犱犲犾犻狀犵犳狅狉犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犛犮犻犲狀犮犲狊犪狀犱犌犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犉犾狌犻犱犇狔狀犪犿犻犮狊 ( 犔犃犛犌 ), 犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犘犺狔狊犻犮狊, 犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊, 犅犲犻犼犻狀犵 ) 犃犫狊狋狉犪犮狋 Basedontheobservationoflightningmappingarray,thestatisticaldistributionofcharacteristicpa rametersdescribingthelightningflashinitiationandsizeinasupercelstormoccurringinnew Mexico,U nitedstateson5october2004isstudied.a methodautomaticalyidentifyingthestartandendoftheneg ativeleadersininitialstage(is)oflightningisdeveloped.andtheflashconvexhul,totalchannellength, horizontalandverticalextentareusedtorepresentthescalecharacteristics.distributionsandcharacteris ticsofflashinitiationandsizeinthisstormareshownasfolows. Medianvaluesoftheduration,three dimensionaldisplacement,verticaldisplacementandtheaverage displacementvelocityfortheupward (downward)negativeleadersduringisare13.5 ms (7.5ms), 1.4km (1.0km),0.9km (0.5km),and m s -1 ( m s -1 ),respectively.inaddition, theaverageflashinitiationvelocitydecreaseswithheightfrom6kmto11km.withtimegoingon,the speedofupwardnegativeleaderininitialstagedecreasesbefore24ms(toensurethesamplesislargerthan 100),whilethatofthedownwardnegativeleaderincreasesbefore12 ms(toensurethesamplesislarger than50).moreover,negativeleadersaredominantlytiltedininitialstage,consideringthatthemedianan glesbetweenthe3 Ddisplacementdirectionandtheverticaldirectionare40 forupwardleaderand54 for downwardleader,respectively. Theprobabilitydensitydistributionofflashsizedescribedbyflashconvex hulandtotalchannel

13 426 应用气象学报第 28 卷 lengthcanbewelfitedbynegativepowerfunction,alsoshowingthatthedistributionandevolutionof flashconvexhulisconsistwiththatoftotalchannellength.themedianofflashdurationis271.0 ms, andthemeanofthatis329.1 ms.theflashdurationtimeandsizearenotsignificantlycorrelated.the flashwithlongdurationtimeisnotnecessarilylarge.moreover,themedianofflashhorizontalextentis 6.1km whiletheverticalextentis4.3km,andthereare83% offlasheswhosehorizontalextentisgreater thanverticalextent.flashes withhorizontalextentgreaterthanverticalextentare mainlyinitiatedat 8.5kmhigh,andthosewithverticalextentgreaterthanhorizontalextentaremainlyinitiatedat11km high.greaterhorizontaldisplacementoftheleaderduringinitialstageaccompanieslessverticalextent, whichindicatesthattheleaderdisplacementdirectionatinitialstagehasanimportantinfluenceonflash verticalscale. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :supercel;flashinitiation;flashsize

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321 20182 JournalofSoiland WaterConservation Vol.32No.1 Feb.,2018!"#$%&' 1, 2, 3, 1, 4, 5, 1 (1. 23 4,567089 :;, 100083; 2. 23 ( ),0 5 4,?@ 750021; 4.A-2