GRL:首次闪电前雷暴的湍流特征及其与非雷暴的对比
发布时间: 2021-09-18


首次闪电是雷暴发展的显著信号,认识云如何演变成雷暴并产生第一次闪电有利于短临预警技术的发展和数值模式中闪电的参数化。然而,我们对湍流在雷暴首次闪电发生前所扮演的角色仍是知之甚少的。湍流指示云内的混乱程度并为不同质量、大小的降水粒子提供了相对速度差异。基于非感应起电机制,霰和冰晶粒子间的相对速度差异大小,会对电荷转移量产生影响,此外,云内环境的混乱程度也会影响电场的形成。因此,湍流实质上参与了云内起、放电过程。已有少数数值模式研究表明湍流通过非感应起电机制促进了雷暴的起电过程,这个结果亟需观测的验证。

复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院的赵川鸿博士、张义军教授联合中国气象科学研究院郑栋研究员,基于广州地区三套独立的闪电定位系统和S波段双线偏振雷达的观测资料,分析了20162017两年暖季的57次雷暴和39次非雷暴孤立单体。结果表明雷暴与非雷暴在云内垂直结构上的湍流特征存在明显不同。对于雷暴而言:湍流耗散率ε最大值可超过0.6 m2s3,在云内平均垂直廓线上的最大值为~0.19 m2s3,出现在首次闪电发生阶段,延伸高度可突破−30层。而非雷暴中,最大值几乎不超过0.4 m−2s−3,对应的云内平均垂直廓线上的最大值为~0.12 m−2s−3,湍流可延伸高度很难超过−10层(图1)。此外,雷暴首次闪电起始位置处的湍流强度较弱,发生高度集中在−10层(图2)。

这些结果指出湍流的强度和延伸高度影响了云内起电过程和首次闪电的发生。首次闪电起始位置处的较弱湍流强度指示了强电场所处环境气流相对平稳,有利于荷电粒子在重力作用下空间分离形成强电场。且在以上升气流为主的风暴发展阶段,雷达反演的湍流耗散率垂直特征可能主要受云内粒子间质量和尺寸的差异调制。

论文信息:

Zhao, C., Zheng, D., Zhang, Y., Liu, X., Zhang, Y., Yao, W., & Zhang, W. (2021). Turbulence characteristics of thunderstorms before the first flash in comparison to non-thunderstorms. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL094821.

论文下载:

https://doi.org/10.1029/2021GL094821.


1. 每层高度上不同强度湍流耗散率格点体积占比,上排雷暴(a)首次回波阶段,(b)首次回波至首次闪电的中间阶段,(c)首次闪电阶段;下排非雷暴(d)首次回波阶段,(e)最强回波阶段,(f)整体演变周期,灰色廓线表示每层高度上湍流耗散率格点体积占雷暴/非雷暴整体湍流耗散率格点体积的比例平均值。


2. 首次闪电首个放电脉冲事件位置对应的(a)空间高度分布,绿线表示样本分布百分比,(b)湍流耗散率强度。绿点表示平均值,红线表示中值。