TRMM卫星观测的闪电特征及其与ENSO事件的相关研究

摘要

本文利用热带测雨卫星（TRMM）上闪电探测仪(LIS)探测的闪电资料，结合TRMM测雨雷达(PR)的探测结果、NCEP/NCAR再分析资料、海温资料以及常规探空资料，分析研究了全球不同地区的闪电活动特征及其与ENSO事件的关系，主要包括以下三个内容。1）分析了亚洲季风区的闪电时空分布特征，重点对一次强对流过程中的闪电与降水廓线特征进行了研究；2）分析了全球闪电对ENSO事件的响应特征；3）研究了三大热带“烟囱”（赤道上的刚果盆地、南美洲大陆和东南亚及大洋洲）的雷暴活动特征与ENSO事件的关系。得到以下结果：
　　 亚洲地区闪电活动的空间分布随着季风的变换和强弱、西太副高位置的变化而变化。由于夏季风的完全建立，闪电活动十分活跃，陆地和洋面上的闪电密度、闪电发生概率均增大了；而由于冬季风的完全建立，闪电活动迅速减弱，范围急速缩小。亚洲地区四季的闪电活动的日变化趋势一致，均为双峰一谷，闪电活动主要发生在午后和凌晨。另外，陆地上的闪电活动主要发生在午后和夜晚，仅有四川盆地和喜马拉雅山脉附近的闪电活动主要发生在凌晨；而洋面上的闪电主要发生在午夜和凌晨。
　　 通过常规气象资料的分析表明，发生在2006年6月29日黄淮地区的这次强对流活动由500hPa低压槽东移、850hPa西南暖湿气流共同作用引起，散度场表明该地区大气低层气流辐合、高层辐散，当时的条件性稳定度指数、沙氏指数和对流有效位能也都有利于强对流的发生。该强对流系统的雷暴单体可分为对流降水、层云降水、对流与层云混合降水三种雷暴单体，其中混合降水雷暴单体数量最多，对流降水雷暴单体数和层云降水雷暴单体数较少；并且雷暴单体中的Flash大多发生在对流降水区。不同闪电频数的雷暴单体相应的降水廓线之间差别明显：雷暴中闪电频数越大,5km以上高度廓线给出的降水率越大（对流降水廓线更是如此），说明雷暴单体中闪电越多时，降水云冻结层以上存在的冰相粒子越多。
　　 对全球南北纬38.75°之间各季节闪电密度距平场进行EOF分析表明：尺度在数百至数千公里的正、负异常区有规律地分布在各大洲的陆地和近海海域，冬季和春季的向量场分布比较相似，而夏季和秋季的向量场分布也大同小异；不同年份的时间系数差别很大，显示了异常区域对ENSO事件的响应是十分敏感的。在ElNino期间，与Nino3+4区海表温度正距平升高的同时，全球各季度的闪电活动都出现了显著的正负异常区域。正异常区在冬、春季位于中国南部及附近海域、美国及墨西哥湾、非洲中部，而在夏、秋季节，则位于中国东部、青藏高原以及印度、非洲中部、墨西哥湾，相对于冬春季节，正异常区域有向西移动的趋势。
　　 海洋性“烟囱”典型地区ElNino年春季的闪电活动与雷暴活动均比LaNina年春季的多，并且ElNino年春季的闪电活动、雷暴活动有东伸南移的趋势。1998年春季的闪电数目是1999年春季的1.65倍，雷暴单体数目是1.5倍，雷暴单体闪电率是1.09倍，雷暴单体数目的变化是闪电数目变化的主要因子，而雷暴单体闪电率的变化是闪电数目变化的次要因子。与1999年春季相比较，1998年春季的副高范围大、强度大；地面相对湿度大，高空相对湿度小，上下层湿度差异大，有利于对流发展；对流风暴高度较高，冰相粒子层厚度也较深厚，对流发展旺盛；最大CAPE值大于300J/kg的天数的空间分布极大值区域正好与闪电密度、雷暴单体密度的大值区域对应，雷电活动与CAPE值密切相关。
　　 大陆性“烟囱”典型地区ElNino年春季和LaNina年春季的闪电活动均比正常年份略多，而雷暴活动远远少于正常年份，说明ENSO事件期间的闪电活动比正常年份更加活跃。不同雷暴平均闪电率的雷暴数目百分比呈指数化递减，并且1998年春季的闪电数目是1999年春季的1.05倍，雷暴单体数目是0.92倍，雷暴单体闪电率是1.15倍，也就是说闪电数目增加了，雷暴单体反而减少了，说明闪电活动变化是由雷暴单体闪电率的变化所引起的。
　　 南美洲大陆典型地区ElNino年春季闪电数目与正常年份持平，LaNino年春季闪电比正常年份略多，而雷暴数目均比正常年份少。不同雷暴平均闪电率的雷暴数目百分比呈指数化递减，并且1999年春季的闪电数目是1998年春季的1.36倍，雷暴单体数目是1.2倍，雷暴单体闪电率是1.14倍，说明闪电活动的变化是由雷暴单体数目与雷暴单体闪电率的变化共同作用的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 全球闪电活动的气候分布特征

1.2.2 闪电与降水的关系

1.2.3 闪电与ENSO事件的关系

1.3 研究内容

1.4 论文框架

第二章 资料与方法

2.1 OTD和LIS仪器介绍

2.2 OTD和LIS资料介绍

2.3 LIS资料处理方法介绍

2.4 其他气象资料介绍

第三章 亚洲地区闪电活动的时空分布

3.1 基于TRMM LIS探测的亚洲地区闪电活动时空分布

3.1.1 方法

3.1.2 12a季平均闪电密度分布

3.1.3 四季闪电概率分布

3.1.4 四季闪电活动日变化特征

3.2 一次强对流活动中雷电与降水廓线特征研究

3.2.1 方法

3.2.2 强对流活动的天气形势

3.2.3 雷暴单体与降水廓线

3.2.4 闪电频数与降水廓线

3.3 本章小结

第四章 全球闪电与ENSO事件的关系

4.1 NINO3+4区SSTA与全球闪电距平的关系

4.2 全球的月闪电密度纬向平均及经向平均的年际变化

4.3 38.75S～38.75N之间各季节闪电密度距平场的EOF分析

4.4 38.75S～38.75N之间月闪电密度与一些气象要素的关系

4.4.1 闪电与Nino3+4区SST的关系

4.4.2 闪电与气温的关系

4.4.3 闪电与相对湿度的关系

4.5 本章小结

第五章 ENSO期间三大热带烟囱雷暴活动特征分析

5.1 ENSO期间海洋性“烟囱”雷暴活动特征分析

5.1.1 区域时间段的选取

5.1.2 E1 Nino和La Nina期间雷暴和闪电的空间分布变化特征

5.1.3 E1 Nino和La Nina期间雷暴和闪电的时间分布变化特征

5.1.4 大气温湿特性、不稳定能量以及对流风暴高度的相关分析

5.2 ENSO期间大陆性“烟囱”雷暴活动特征分析

5.2.1 E1 Nino和La Nina期间雷暴和闪电的空间分布变化特征

5.2.2 E1 Nino和La Nina期间雷暴和闪电的时间分布变化特征

5.3 ENSO期间南美洲大陆典型地区雷暴活动特征分析

5.3.1 E1 Nino和La Nina期间雷暴和闪电的空间分布变化特征

5.3.2 E1 Nino和La Nina期间雷暴和闪电的时间分布变化特征

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要研究成果

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果