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西太平洋臺風(fēng)最大風(fēng)速與閃電活動特征

2012-01-16 01:32楊寧張其林
大氣科學(xué)學(xué)報 2012年4期
關(guān)鍵詞:頻數(shù)臺風(fēng)風(fēng)速

楊寧,張其林

(南京信息工程大學(xué)1.氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室;2.大氣物理學(xué)院,江蘇南京210044)

0 引言

臺風(fēng)是地球上最強烈的風(fēng)暴,在北太平洋西部(國際日期線以西,100°E以東)稱為臺風(fēng),在北大西洋及東太平洋稱之為颶風(fēng)。一般始發(fā)于洋面溫度超過26℃的熱帶或副熱帶海洋上,從熱帶低壓發(fā)展成為熱帶風(fēng)暴,進一步加強成為強熱帶風(fēng)暴后最終形成臺風(fēng)。整個臺風(fēng)的生命周期可維持幾天到幾周不等,其大部分時間都位于洋面上,登陸后由于下墊面的變化,臺風(fēng)系統(tǒng)中的水汽供應(yīng)量減少,能量無法得到補充,難以維持整個臺風(fēng)系統(tǒng),致使其逐步削弱直至消亡。最近的統(tǒng)計表明最近的幾十年中臺風(fēng)的總體強度呈現(xiàn)上升趨(Emanuel,2005;Webster et al.,2005)。

多年來,閃電活動一致被認(rèn)為與對流活動的微物理和動力學(xué)過程有著密切的聯(lián)系。當(dāng)上升氣流速度大于10 m/s時,就能促使電荷分離從而建立起足夠強大的電場。有研究表明,當(dāng)臺風(fēng)中上升氣流速度突破20 m/s時,臺風(fēng)強度將快速增強,同時臺風(fēng)中閃電活動也會出現(xiàn)明顯的增長(Black et al.,1994)。這表明臺風(fēng)強度與閃電頻數(shù)之間存在著一定的聯(lián)系。國外的一些學(xué)者使用LLDN(long range lightning detection network)資料分析了2005年發(fā)生在大西洋上的Rita與Katrina臺風(fēng),結(jié)果表明,在臺風(fēng)強度迅速增強期間眼壁上有閃電爆發(fā)(Squires and Businger,2008)。隨后Shao et al.(2005)利用LASA(Los Alamos Sferic Array)資料同樣分析了Rita與Katrina臺風(fēng),發(fā)現(xiàn)在臺風(fēng)增強期間閃電爆發(fā),數(shù)量達到600次/h。在這之后Thomas et al.(2010)研究了Rita、Katrina、Emily臺風(fēng),發(fā)現(xiàn)在臺風(fēng)進入減弱階段之前,系統(tǒng)內(nèi)部正地閃數(shù)量會增加。國內(nèi)曾利用LIS(Lightning Imaging Sensor)資料分析了1998—2005年太平洋區(qū)域熱帶氣旋中的閃電特征,結(jié)果表明在西北太平洋熱帶氣旋的眼壁附近、內(nèi)雨帶和外雨帶內(nèi)普遍存在閃電活動(雷小途等,2009)。隨后潘倫湘等(2010)研究了西北太平洋地區(qū)2005—2008年的7個臺風(fēng)的閃電空間分布及時間演變特征,發(fā)現(xiàn)西北太平洋地區(qū)強臺風(fēng)成熟時平均閃電密度呈現(xiàn)出三圈結(jié)構(gòu)。

為了進一步了解臺風(fēng)過程中閃電活動特征,本文選取了2005—2010年西太平洋洋面共計55次臺風(fēng)過程,并對臺風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的閃電活動及其與最大風(fēng)速之間的關(guān)系進行了統(tǒng)計和分析。

1 資料及方法介紹

本文閃電定位數(shù)據(jù)由美國華盛頓大學(xué)地球與空間科學(xué)中心建設(shè)的WWLLN(World Wide Lightning Location Network)網(wǎng)絡(luò)提供。該網(wǎng)絡(luò)采用閃電發(fā)生時產(chǎn)生的3~30 kHz甚低頻電磁輻射信號對閃電進行定位。由于甚低頻信號頻率比較低,波長較長,并可以通過電離層反射。這些特性使其可以傳輸至幾千千米之外并被接收到,使得該網(wǎng)絡(luò)可以遠(yuǎn)距離對閃電進行探測。WWLLN的優(yōu)勢在于可以實時不間斷地進行探測,提供一個完整臺風(fēng)過程的閃電定位資料(Lay et al.,2007)。該探測網(wǎng)利用分布于全球范圍內(nèi)的各子站點,采用改進的時間到達法對閃電進行定位。每個站點將實時接收到的信號傳輸至網(wǎng)絡(luò)中央數(shù)據(jù)處理中心進行處理、計算,最終得到閃電發(fā)生位置。WWLLN網(wǎng)絡(luò)分布在全球的站點從2003年的11個,已經(jīng)擴展到2010年的50個。

對2004年澳大利亞國家閃電定位網(wǎng)與WWLLN系統(tǒng)的對比后發(fā)現(xiàn),在這期間WWLLN系統(tǒng)的總體探測效率達到了13%,平均探測精度為3.4 km(Rodger et al.,2005)。近期有學(xué)者使用WWLLN資料與美國國家閃電探測網(wǎng)資料作比較,發(fā)現(xiàn)WWLLN的總體探測效率達到10.30%,探測精度達到4.03~4.98 km。對于電流強度大于35 kA的閃電,WWLLN探測效率開始持續(xù)增長,對于電流強度大于55 kA的閃電,探測效率達到了20%,這說明WWLLN對強閃電有著良好的探測效率(Sergio et al.,2010)。雖然WWLLN系統(tǒng)的總體探測效率約為10%左右,但這并不影響其捕捉臺風(fēng)中各時刻閃電發(fā)生的總體趨勢,其在大尺度范圍內(nèi)實時提供閃電數(shù)據(jù)的能力是其他系統(tǒng)無法比擬的。

本文臺風(fēng)資料來源于中國氣象局上海臺風(fēng)所。臺風(fēng)強度的定義取自《熱帶氣旋等級》國家標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2006)。定義臺風(fēng)的最大風(fēng)速大于32.7 m/s,強臺風(fēng)的最大風(fēng)速大于41.5 m/s,超強臺風(fēng)的最大風(fēng)速大于51 m/s。因西太平洋地區(qū)屬于臺風(fēng)高發(fā)區(qū)域,所以從該區(qū)域中得出的結(jié)論可具有一定代表性。圖1是本文選用的2005—2010年55次臺風(fēng)的移動路徑及發(fā)生區(qū)域。該55次臺風(fēng)分別為:2005年的Damrcy、Talim、Sonca、Nesat、Haitang、Matsa、Mawar、Nabi、Khanun、Saola、Longwang、Kirogi;2006年的Chanchu、Ewiniar、Saomai、Shanshan、Yagi、Xangsane、Cimaron、Utor;2007年的Kong-rey、Yutu、Usagi、Man-yi、Sepat、Nari、wipha、Krosa、Kajiki;2008年的Rammasun、Nakri、Fengshen、Fung-wong、Hagupit、Jangmi、Dolphin;2009年的Kugira、Chan-hom、Molave、Morakot、Vamco、Choi-wan、Parma、Melor、Lupit、Nida;2010年的Conson、Chanthu、Dianmu、Kompasu、Malou、Fanapi、Malakas、Megi、Chaba。

圖1 2005—2010西北太平洋地區(qū)55次臺風(fēng)過程分布及路徑匯總Fig.1 The 55 typhoons'distribution and paths over northwest Pacific during 2005—2010

臺風(fēng)在其生命期間不斷地移動,考慮到臺風(fēng)移動時速比較緩慢,最高時速約在25 km/h。故本文利用每個整點時刻至下一整點時刻,以臺風(fēng)中心點為原點的780 km半徑范圍內(nèi)發(fā)生的閃電來代表該時刻的閃電數(shù),并視臺風(fēng)在這一時段內(nèi)做勻速運動。由于臺風(fēng)的水平尺度一般為1 000 km左右,因此將半徑r選為780 km是比較合理的,基本可以將整個臺風(fēng)系統(tǒng)包含在內(nèi)。臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)中每隔6 h給定一次臺風(fēng)中心經(jīng)緯度,考慮到6 h的時間步長會對精度產(chǎn)生影響,故采用線性插值方法,對原始臺風(fēng)定位數(shù)據(jù)進行插值處理,得出逐時臺風(fēng)中心位置。

2 臺風(fēng)過程中閃電時空分布特征

為了詳細(xì)分析臺風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)閃電的普遍規(guī)律,本文對55次臺風(fēng)過程中的閃電活動進行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)過程中的閃電活動具有一定的相似性。因此,下面選取5次臺風(fēng)過程進行介紹,如表1所示。從表中可見,臺風(fēng)過程中伴隨著明顯的閃電活動,但由于個例之間的差異,各臺風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的總閃數(shù)變化幅度較大,最高日平均閃電數(shù)達到1 842次/d,最低僅為342次/d。考慮WWLLN系統(tǒng)對地閃與云閃的探測效率分別為10.3%和4.82%(Sergio et al.,2010),修正后與表2陸地各地區(qū)不同對流系統(tǒng)比較后發(fā)現(xiàn),臺風(fēng)系統(tǒng)中閃電頻數(shù)低于陸地對流系統(tǒng),但系統(tǒng)內(nèi)的閃電活動總體來說仍然比較頻繁。

表1 2005—2010年間5次臺風(fēng)過程閃電活動特征Table 1 The characteristics of five typhoons'lightning activity during 2005—2010

表2 陸地各地區(qū)對流系統(tǒng)閃電頻數(shù)Table 2 The lightning frequency of convection system on land

臺風(fēng)系統(tǒng)一般可根據(jù)徑向距離劃分為3個區(qū)域,分別為眼區(qū)、云墻區(qū)以及外層區(qū)(包括外云帶和內(nèi)云帶)。圖2給出了這5次臺風(fēng)過程中的閃電空間分布特征??梢钥闯觯_風(fēng)過程中閃電活動具有3個高密集區(qū)。首先,在位于臺風(fēng)中心20~40 km處的云墻區(qū)處存在著一個顯著的閃電高發(fā)帶,閃電頻數(shù)隨徑向距離的增加迅速增大。其次,在距離中心280~340 km范圍內(nèi)出現(xiàn)第二個密集區(qū),閃電頻數(shù)較內(nèi)雨帶中有明顯增加。隨后,閃電數(shù)隨徑向距離振蕩波動并在距中心440~580 km附近區(qū)域激增,出現(xiàn)第三個密集區(qū)。

圖3進一步給出了5次臺風(fēng)過程中閃電活動的時變特征。可以看出,各臺風(fēng)系統(tǒng)中閃電數(shù)量隨時間的變化并不連續(xù),短時間內(nèi)閃電的活動變得異?;钴S,且在閃電頻數(shù)到達峰值后閃電活動迅速減弱,呈現(xiàn)振蕩變化的狀態(tài)。由圖3還可以發(fā)現(xiàn),在臺風(fēng)強度增強(中心氣壓降低)階段,系統(tǒng)內(nèi)閃電數(shù)激增,閃電活動在這一階段相當(dāng)活躍呈現(xiàn)爆發(fā)狀態(tài)。而在臺風(fēng)強度減弱階段,系統(tǒng)內(nèi)閃電活動較少,變化較為平穩(wěn)。

圖2 各臺風(fēng)系統(tǒng)中閃電隨徑向距離分布特征a.韋帕;b.海豚;c.環(huán)高;d.彩云;e.妮妲Fig.2 The lightning characteristics of typhoon systems with the radial distance distributiona.Wipha;b.Dolphin;c.Vamco;d.Choi-wan;e.Nida

圖3 臺風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)閃電隨時間變化特征(柱狀圖代表臺風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)每小時閃電數(shù);虛線代表臺風(fēng)中心最低氣壓)a.韋帕;b.海豚;c.環(huán)高;d.彩云;e.妮妲Fig.3 The lightning characteristics of typhoon system with time variation(The bar chart denotes the number of lightning per hour in typhoon system;the dotted line denotes the minimum pressure in typhoon center)a.Wipha;b.Dolphin;c.Vamco;d.Choi-wan;e.Nida

臺風(fēng)強度增加時系統(tǒng)內(nèi)的閃電數(shù)發(fā)生增長,可能是由于此時系統(tǒng)內(nèi)變得更有效的起電機制導(dǎo)致的。通過飛機穿越大西洋臺風(fēng)所得到的觀測資料發(fā)現(xiàn),在臺風(fēng)中存在著過冷水滴、軟雹和冰晶粒子(Black and Hallett,1986)。當(dāng)過冷水滴凝結(jié)在軟雹粒子上時,粒子質(zhì)量增加并下墜,并與質(zhì)量較輕的冰晶粒子碰撞,兩者之間的碰撞摩擦使電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。由于冰的熱電效應(yīng),溫度較高的雹粒子帶負(fù)電荷,而溫度較低的冰粒子帶正電荷。再經(jīng)過重力分離作用,帶正電荷的冰粒子隨上升氣流升至上部,帶負(fù)電荷的雹粒子因重力作用沉降至下部,在系統(tǒng)中形成正負(fù)電荷區(qū)。對于冰晶與雹粒子單離散性譜分布,荷電的速率為

其中:Ng、Ni分別為雹粒與冰晶的濃度;Dg、Di分別為這兩類粒子的直徑;Egi是碰撞反彈系數(shù);ΔV=Vg-Vi是碰撞雹粒子和冰晶粒子的速度差。

當(dāng)臺風(fēng)強度開始增強時,中心氣壓開始降低,促使氣流不斷向系統(tǒng)中心輻合并作上升運動。上升過程中水汽凝結(jié)釋放出潛熱補給臺風(fēng)能量,使得系統(tǒng)內(nèi)氣流的上升運動越來越強。當(dāng)上升氣流增強時,根據(jù)上述起電機制可知此時電荷分離過程將更加迅速。通過Black and Hallett(1999)對約20 a穿越臺風(fēng)的飛行觀測資料總結(jié)后發(fā)現(xiàn),閃電活動與速度大于10 m/s的上升氣流存在著密切的聯(lián)系。荷電速率的增加導(dǎo)致系統(tǒng)中電荷總量增加,這需要更多次數(shù)的放電使系統(tǒng)內(nèi)的電荷被中和,在系統(tǒng)內(nèi)就表現(xiàn)為閃電活動的增強。每次閃電發(fā)生后,系統(tǒng)中的電荷量便會相應(yīng)減少,而此時系統(tǒng)內(nèi)的起電機制會不斷作用補充消耗的電荷,繼續(xù)維持閃電的發(fā)生。

3 臺風(fēng)過程中閃電頻數(shù)與最大風(fēng)速的特征

為了研究臺風(fēng)中閃電頻數(shù)與臺風(fēng)最大風(fēng)速之間的相關(guān)性,本文選取了2005—2010年間發(fā)生在西太平洋地區(qū)的55次臺風(fēng)過程并進行了統(tǒng)計。下面以200906號臺風(fēng)莫拉菲Molave為例。由2009年7月15—19日間莫拉菲的移動路徑(圖4)可見,它始發(fā)于一個位于菲律賓以東海域的熱帶低氣壓,7月16日20時(北京時),升級為熱帶風(fēng)暴。得益于西太平洋高海溫、強勁的輻散輻合及風(fēng)切變的環(huán)境,其強度快速增強,于17日下午增強成強熱帶風(fēng)暴。因減速及洋面溫度較高的原因,臺風(fēng)強度進一步增強,在18日清晨升級成臺風(fēng)。在進入南海北部后,因得到西南季風(fēng)帶來的水汽支援,莫拉菲的強度繼續(xù)緩慢增強,直至登陸前中心風(fēng)力仍保持增長。19日凌晨,臺風(fēng)莫拉菲在深圳附近一帶登陸,于05時(北京時)減弱為強熱帶風(fēng)暴,隨后急劇減弱,逐漸消散。

圖5為整個莫拉菲臺風(fēng)過程中逐時閃電頻數(shù)變化與最大風(fēng)速的時變特征。從圖中可以看出,閃電頻數(shù)隨著臺風(fēng)風(fēng)速的增強而增加,閃電活動于18日07時(北京時)開始呈現(xiàn)活躍狀態(tài),隨后系統(tǒng)內(nèi)閃電爆發(fā)并于10時到達峰值,達到峰值后系統(tǒng)內(nèi)閃電數(shù)目迅速減少。而在閃電數(shù)達到了峰值后系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速極值于12時左右出現(xiàn)。兩者變化的趨勢存在一致性。值得注意的是,閃電頻數(shù)最大值出現(xiàn)時刻先于最大風(fēng)速出現(xiàn)的時刻。取18日00—18時閃電數(shù)和風(fēng)速兩者的數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析,得出兩者的相關(guān)系數(shù)為0.89。

圖6給出了55次臺風(fēng)過程中最大風(fēng)速滯后于閃電峰值的時間分布曲線,橫坐標(biāo)表示時滯時間,縱坐標(biāo)為出現(xiàn)該時滯時間的概率。由圖6可見,最大風(fēng)速滯后于閃電峰值的概率明顯大于超前的概率,經(jīng)過統(tǒng)計,83.6%的臺風(fēng)過程存在風(fēng)速峰值滯后于閃電峰值這一現(xiàn)象,41.8%的滯后時間為0~24 h,滯后時間峰值約為6 h,平均滯后時間為26.6 h。

圖4 2009年7月15—19日莫拉菲臺風(fēng)移動路徑示意Fig.4 Typhoon Molave path during July 15 and 19 in 2009

圖5 莫拉菲臺風(fēng)過程中逐時閃電數(shù)與近中心風(fēng)速特征(柱狀圖表示臺風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)逐時的閃電數(shù);虛線表示臺風(fēng)近中心風(fēng)速)a.完整過程;b.局部放大Fig.5 The number of lightning and characteristics of wind speed in the center of Molave typhoon(The bar chart denotes the number of lightning in typhoon system per hour;the dotted line denotes the wind speed in typhoon center)a.the whole process;b.the detailed view

圖6 2005—2010年臺風(fēng)最大風(fēng)速與閃電峰值時滯分布(橫坐標(biāo)中正值表示閃電峰值提前于風(fēng)速極值出現(xiàn)的天數(shù),負(fù)值表示風(fēng)速極值先于閃電峰值出現(xiàn)的天數(shù);縱坐標(biāo)為出現(xiàn)這一時滯的概率)Fig.6 Lag time between the maximum lightning activity and the maximum winds of typhoons during 2005—2010(Positive values imply that the lightning activity peaked before the maximum winds,and negative values imply the opposite;the vertical ordinate indicates the occurrence probability of lag time)

4 結(jié)論與討論

本文利用全球閃電定位網(wǎng)(WWLLN)的閃電定位數(shù)據(jù)與中國氣象局上海臺風(fēng)所提供的臺風(fēng)定位資料,對2005—2010年發(fā)生在西太平洋地區(qū)的55次臺風(fēng)過程中閃電活動與最大風(fēng)速兩者間的關(guān)系進行了研究。得到以下結(jié)論

1)西太平洋臺風(fēng)系統(tǒng)中發(fā)生的閃電大致有3個高發(fā)區(qū),分別位于距離中心20~40 km的云墻區(qū),280~340 km及440~580 km的外云帶中。臺風(fēng)系統(tǒng)中內(nèi)云帶中的閃電活動發(fā)生較少。

2)在臺風(fēng)過程中,閃電往往在臺風(fēng)強度增強階段呈現(xiàn)爆發(fā)狀態(tài)。在此期間系統(tǒng)內(nèi)閃電活動頻繁,閃電數(shù)目在短時間內(nèi)劇增,在達到峰值后急劇減少并回落至較少發(fā)生的狀態(tài)。在臺風(fēng)強度減弱階段,系統(tǒng)內(nèi)閃電活動較少,變化較為平穩(wěn)。登陸后,臺風(fēng)強度迅速減弱。系統(tǒng)內(nèi)的閃電也隨之相應(yīng)減少。

3)大約83.6%的臺風(fēng)存在風(fēng)速峰值滯后于閃電峰值這一現(xiàn)象。最大風(fēng)速的出現(xiàn)相對于閃電數(shù)的爆發(fā)存在一定的滯后性,滯后時間峰值約為6 h,一般滯后時間在0~24 h內(nèi)。

本文僅利用了WWLLN閃電定位資料和上海臺風(fēng)研究所提供的臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù),對西太平洋上空臺風(fēng)過程中的閃電特征進行了初步分析和統(tǒng)計。由于WWLLN探測效率的局限,下一步工作的重點是將雷達、衛(wèi)星等資料融合至臺風(fēng)閃電時空分布特征分析中,可能會得到更好的結(jié)果。隨著對臺風(fēng)中閃電活動與系統(tǒng)內(nèi)微物理過程兩者間關(guān)系的進一步研究,還可將閃電活動作為參考因子加入到臺風(fēng)模型中,更好地對臺風(fēng)過程進行預(yù)測。

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