0709号超强台风圣帕(Sepat)的闪电活动特征 - 图文

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第34卷第6期2010年11月叽舱鸵如大一a气甜A科㈣印学kV01.34No.6&朗|旦NOV.2010潘伦湘。郄秀书.2010.0709号超强台风吊帕(Sepat)的闪电活动特征[J].大气科学,34(6):1088—1098.PanLunxiang.Qie2010.LightningactivityinsuperXiushu.typhoonSepat(0709)[J3.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),34(6):1088—1098.0709号超强台风圣帕(Sepat)的闪电活动特征潘伦湘h22中国科学院研究牛院,北京100049郄秀书11中国科学院大气物理研究所中层大气‘J全球环境探测重点实验摩,北京100029摘要利用全球闪电定位网(wwI。I。N)获取的闪电定位资料和中国气象局(CMA)提供的台风定位资料。分析了2007年第9号超强台风圣帕的闪电时空演变特征。分析结果表明:在热带低压至强热带风暴时期,台风中心闪电活动频繁,外围闪电少;台Jxl成熟时期,呈现明最的三豳结构;减弱消散时期。中心闪电骤减,几乎为零。外围闪电密度远远超过中心闪电密度。眼譬cq电和台风总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,眼壁卜的闪电两次爆发,而在第二次眼壁闪电爆发后的两个小时,中心风速达到最大值。表明闪电活动有可能对台风增强有指示意义。台风眼壁置换是台风强度发生变化的一个转折点,也是台风闪电活动发生变化的一个转折点。从台风眼綮置换开始,眼肇上闪电数接近于零。闪电次数跟云顶亮温存在显著性相关。结合热带测雨计划任务卫星(TRMM)上装载的闪电成像仪(LIS)和微波辐射计(TMI)资料,进一步对比分析了台风闪电与强对流区域的关系,发现闪电易发生在修正极化亮温低于225K的深对流系统中,但并不是所有的深对流中都能探测到闪电的发生。WwLLN和LIS探测到闪电发生区域基本一致。关键词文章编号台风圣帕(Sepat)闪电眼壁台风强度中图分类号P427文献标识码A1006—9895(2010)06—1088—11LightningActivityinSuperTyphoonSepat(0709)PANLunxian91?2andQIEXiushul1KeyLaboratoryofmyMiddleAtmosphereing100029andGlobalEnvironmentObservation,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcade—ofSciences,Beij2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences?Beijing100049AbstractThespatialandtemporaldistributionof1ightningactivitywasexaminedinsupertyphoonSepatin2007.byusingthedatafromtheWorldWideLightningLocationNetwork(WWI,I,N)andChinaMeteorologicalAdminis—neartration(CMA).Theresultsindicatedthatduringtheinitialstageoftyphoon,lightningactivethanthatinpateouterthecentrewasmorerainbands.Therewerethreelightningflashregionsinthematurestage.Duringthedissi—atstage,thelightningatthecentresharplydecreased。andthelightningdensityintheoutertorainbandwasmucheye—morethanthatthecentre.Theevolutionofeyewalllightningandtotallightningtendedbeepisodic.TwowalllightningoutbreaksoccurredduringtheintensificationoftyphoonSepat,andthesecondoutbreakhappenedtwohourspriorsupertOitsmaximumintensity,indicatingthatlightningactivitymightbeusedasaproxyofintensificationoftyphoon.Eyewallreplacementisindicativeoftyphoonintensitychangeandeyewalllightningchange.Sincetheeyewallreplacement,theflasheshappeningintheeyewallregionwasnearlyzero.Theflashesnumberwassig—nificantlycorrelatedwiththecloudtopbrighttemperature.Bycombiningthedataoflightningimagingsensor(LIS)收稿日期2009—1I一13,2010—05—21收修定稿资助项目中国科学院“百人计划”专项经费.国家自然科学基金资助项目40930949作者简介潘伦湘.女,1984年出生,博士研究生.主要从事雷电与强对流天气研究。E—mail:panlx@mail.iap.ac.en万方数据6期NO.6潘伦湘等:0709号超强台风圣帕(Sepat)的闪电活动特征PANLunxiangeta1.LighmingActivityinSuperTyphoonSepat(0709)1089andTRMMMicrowaveImager(TMI)aboardtheTropicalRainfallMeasuringMission(TRMM)satellite,itistOoccurfoundthatlightningwasmostlikelytureinthedeepconvectivesystemswiththepolarizedbrightnesstempera—lowerthan225K.LightningareasindicatedbytheWWl,LNweresimilartOthatbytheTRMM—L1S.KeywordstyphoonSepat,lightning,eyewall,typhoonintensity1引言伴随台风登陆发生的大风、暴雨以及风暴潮给人民生命财产造成很大的威胁。已有的台风研究更多偏霞于台风结构及路径预报等(陈联寿和孟智勇,2001),而对台风闪电的研究则由于受到观测手段的限制,在一定程度上受到制约,但是随着地基全球闪电探测网的建设和卫星闪电探测技术的发展,台风闪电的研究正在成为学术界关注的一个前沿课题。最早,BlackandHallett(1986)通过机载仪器,观测到飓风中存在过冷水滴、软雹、冰晶及雪花等,并发现只有在上升速度大于5m/s的对流区域中存在过冷水滴,弱垂直上升速度不足以把较大的冰粒子和过冷水滴携带到零度层之上。BlackandHallett(1999)总结了从1980年起约20年的穿越飓风的飞行记录,发现距中心100km范围内或眼壁上闪电很少。他们利用固定在WP一3D飞机上的电场仪测量了飓风Claudette和Tina中的电场,发现当眼壁上的电场较弱时,对应成熟飓风眼壁上的闪电密度也比较低。在几次的穿眼壁飞行中,测量到的最强垂直方向上的电场约为17~24kV/m,比陆地上的雷暴中的电场要低3~5倍(Marshalleta1.,1995)。SamsuryandOrville(1994)利用美围国家闪电探测网(NI。DN)地闪资料和飞机穿云资料分析了飓风Hugo(1989)和飓风Jerry(1989),18个小时内(包括登陆前和登陆后)飓风Hugo内只探测到33次地闪,而飓风Jerry内则探测到691次地闪。飓风Hugo负极性首次回击脉冲峰值电流为49kA,飓风Jerry的首次回击脉冲峰值电流为40kA。Molinarieta1.(1994)对飓风Andrew(1992)登陆前后的闪电时空分布特征进行研究,根据闪电特征把飓风分为三个区域:眼甓区域、内雨带和外雨带,闪电主要集中在飓风眼壁区域和距飓风中心大于190km外围雨带中,而40~100km范围内地闪密度几乎接近于零。CorbosieroandMolinari(2002)、Corbosieroand万方数据Molinari(2003)分析了大西洋1985~1999年35个热带气旋,发现当850hPa和200hPa之问的风速垂直切变超过5m/s时,NLDN探测到的闪电超过90%发生在气旋中心(距离中心100km)和外雨带(距中心100~300km)。同时,发现闪电发生在气旋移动方向的右前方。Molinarieta1.(1999)利用NLDN资料对19851991年间大西洋上9个飓风的地闪特征进行了分析,发现飓风眼壁附近有一个弱的闪电密集带,眼壁外80~100km范围内存在一明显的小值区,而外雨带(距飓风中心210~290km)则是闪电高发带,眼壁闪电在飓风增强阶段或者在最强阶段爆发。Cecileta1.(2002)、CecilandZipser(2002)利用热带测雨计划任务卫星(TRMM)上装载的闪电成像仪(LIS)的闪电资料对261条轨道扫过的45个热带气旋进行分析,认为反射率、冰粒子散射和闪电可以反应对流的强度,眼壁和外雨带闪电密度是内雨带和热带海洋地区闪电密度的4倍,外雨带地区发生的闪电要比飓风的其他区域及海洋上的对流系统要多。SquiresandBusinger(2008)综合远距离闪电探测网(LI,DN)、TRMM卫星以及色机探测(WP一3D)资料分析了大西洋两个影响极大的5级飓风Rita和Katrina,发现在飓风剧烈增强的阶段,眼壁上的闪电爆发。飓风Rita眼壁闪电密度和外雨带闪电密度之比为6:1,而Katrina的眼壁闪电密度与外雨带闪电密度之比为1:1。Priceeta1.(2009)利用全球闪电定位网(wwLLN)资料分析了2005~2007年全球58个飓风,认为闪电频数跟飓风强度(最大持续风速)存在正相关,相关系数高达0.86。在飓风达到最强大约前一天闪电频数增加。潘伦湘等(2010)最近分析了2005~2008年西北太平洋地区登陆我国的7个强台风,发现在台风剧烈增强的阶段,眼壁闪电爆发,在眼壁闪电爆发后的几个小时,台风强度达到最强。雷小途等(2009)利用TRMM卫星资料对西北太平洋热带气旋的闪电特征及其与强度进行了分析,利用发生在不同区域闪电信息对热带气旋的强度进行了估算。大气科学Chinese34卷V01.34JournalofAtmosphericSciences以上对飓风闪电的宏观分布和闪电频数特征的研究,使我们对飓风中的闪电有了一定的了解。这些研究中,闪电资料的来源主要有四个,NI。DN探测网只能探测到近海400km范围内飓风中的地闪,TRMM卫星扫过台风的时间和空间有限,飞机穿飓风代价昂贵且资料也不连续,而地基全球闪电探测网WWLLN则可提供准实时的连续闪电观测资料。圣帕(Sepat)是2007年在西北太平洋和南海上生成的唯一的超强台风,海平面最大风速超过65m/s。2007年8月13日,圣帕在菲律宾以东的洋面上生成,强度迅速加强,于15日下午加强为超强台风。18日凌晨圣帕减弱为强台风,05:40(除特别说明外,均指北京时间)登陆台湾,18日下午减弱为台风,19日凌晨02时在福建省惠安县沿海登陆,登陆时中心附近最大风力有12级(33m/s)。登陆后圣帕先向西北方向移动,19日20时在江西境内减弱为热带低压,之后低压环流一直存在并缓慢向西挺进,相继进入湖南、广西、贵州,并一直影响到云南境内,持续的时间长达7天左右。潘伦湘等(2010)在对登陆我围的7个强台风的研究中,包含了台风圣帕,它是其中闪电活动最活跃的台风,特别是眼壁闪电十分频繁。而且,TRMM卫星几次扫过台风荸帕,本文将在此基础上,对圣帕台风的闪电时空演变特征进行详细研究,并结合日本多用途输送卫星一1R(MTSAT一1R)卫星云图,TRMM—LIS卫星闪电资料和微波辐射计(TMI)资料,进一步对比分析闪电与强对流区域的关系。2资料和方法所用的闪电定位资料由全球闪电定位网WWLLN(WorldWideLightningLocationNet—work)提供,该网由美国华盛顿大学地球与空间科学中心负责建设,可对全球闪电活动进行实时监测,其探测精度约为10km,时间精度为30ms,详细介绍参看潘伦湘等(2010)。本文所用资料为WWLLN算法改进后的结果,Rodgereta1.(2009)比较2007年WWLLN探测到的全球闪电,发现新算法改进后对全球闪电的探测效率由2%增加到3%。同时,本文还利用了TRMM—LIS闪电和TMI万方数据亮温资料(1811),其详细介绍可参阅袁铁和郄秀书(2010)。利用了MTSAT一1R的云图资料。另外,还利用了中国台风网“CMA—STI热带气旋最佳路径数据集”提供的台风定位以及台风中心最低气压和海平面最大风速等资料。本文取样时用台风定位时刻前后半小时的闪电代表该时刻的闪电。在台风初始时期,每隔6小时给出一次定位,为了得到每个小时台风中心位置,利用三次样条插值法计算出逐时台风中心位置。根据日本高知大学提供的MTSAT一1R提供的卫星云图判断,台风半径取800km,可认为基本上包含了台风绝大部分的雨带,则发生在800km范围内闪电定义为台风总闪电。3台风闪电的时空分布特征热带气旋在径向方向上可以分为三个部分,外区、眼壁区和眼区。眼壁区对应围绕台风眼的云墙。外区分为内雨带和外雨带,内雨带一般距台风眼擘50~100km,内雨带都是在卷云覆盖区内部。下面详细分析台风内的闪电分布以及与台风雨带的联系。3.1闪电空间分布特征当台风中心附近最大风速大于32.7m/s时,则定义为台风成熟阶段。选取台风初始、成熟和消散三个阶段,分别计算台风闪电密度随径向距离的变化。以台风中心为原点,每向外20km为一环计算闪电的密度(图1)。图1a对应于台风处于热带低压到热带风暴阶段(12~13日),台风中心闪电活动频繁,中心区域闪电密度大于外围闪电密度。距离台风中心100~200km闪电密度为零,200km以外闪电密度增加。而到了台风增强成熟阶段(15~16日)(图lb),中心闪电密度骤然增大,在40~60km处达到最大值。100km以外的闪电密度减小,300km以外闪电密度又稍微增大。当台风处于减弱阶段(18~19日)(图lc),中心闪电极少,100~200km这个区间的闪电依然很少,而200km以外闪电密度增加,减弱阶段200km以外的闪电密度远远超过了增强阶段的闪电密度。3.2闪电与MTS,&T-IR卫星云图云顶亮温的关系为了分析云顶亮温与闪电分布之间的关系,我们将卫星云图观测时刻士30min内发生的闪电叠加在云图上(图2)。文中所用的卫星资料是由日本高知大学提供的MTSAT-1R的IRl云图资料,每幅云6期No.6潘伦湘等:0709号超强台风圣帕(Sepat)的闪电活动特征PANLunxiangeta1.LightningActivityinSuperTyphoonSepat(0709)10918060||||||。jj||||j||jl_||||40||||||||j||j||j||j||||||||||||j||||j||j||j||j||||||||20?●L一~.__I-__--l--~一_一一一.一..-..图的覆盖范围为(70。N~20。S,70E。~160。E),资料分辨率为0.05经纬度。分别选取8月13日10时、8月16日10时和8月19日04时分别代表台风热带风暴阶段、超强台风阶段和台风消散阶段这三个阶段的闪电分布。8月13日10时台风处于热带风暴阶段,可以发现台风半径比较小,且该阶段还没有出现台风眼,闪电主要发生在台风中心和螺旋雨带云顶亮温低于220K的云中,中心闪电频数高于外雨带闪电频数。而8月16日10时,台风已经成熟,三圈结构非常明显,台风眼清晰可见,台风眼半径约为2020040期闪电主要发生在外螺旋雨带中,但是闪电并不是跟低中心重合。闪电的分布基本七跟台风对流的三圈分布一致,中心或眼壁及外雨带闪电多,而内雨带闪电发生得很少。从以上的分析,我们可以知道,眼壁和外螺旋雨带是闪电多发区,而在内雨带闪电发生得很少。虽然,内雨带对应的云顶亮温比较低(<200K),但是在8月16日10时这一个小时内没有探测到闪电。内雨带的云主要是从眼壁向外流出的冰晶粒子,其中缺乏过冷水,不存在混相区,因此闪电在此区域内很少发生。雨带具有非对称性,导致台风闪电的发生也具有非对称性。为了更细致地说明云图资料和闪电发生的关系,图3给出不同云顶亮温出现的闪电次数分布图,闪电资料取卫星观测时刻±30min内的资料。纵观图2a—C,几乎所有的闪电都发生在<240Kkm。环绕台风眼有约200km云顶亮温低于K的云区。但是中闪电主要发生在环绕台风眼km的范围内。相比于热带风暴阶段,从眼壁外的200km范围内基本探测不到闪电,尽管其云顶亮温比较低。消散阶段,台风眼完全消失,这个时万方数据


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