1.Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 2.Xichang Satellite Launch Center, Xichang 615000, China
Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41775011), the Open Research Program of the State Key Laboratory of Severe Weather, China (Grant No. 2019LASW-B13), the Science Fund for Creative Research Groups of the Natural Science Foundation of Hainan Province, China (Grant No. 2017CXTD014), and the Special Fund for Basic Scientific Research Operating Expenses of Chinese Academy of Meteorological Sciences, China (Grant No. 2020Z009)
Received Date:22 December 2020
Accepted Date:10 February 2021
Available Online:29 June 2021
Published Online:05 July 2021
Abstract:In the summer of 2019, one case of electric field sounding in eyewall of No.1907 typhoon named Wipha was obtained in Wenchang, Hainan Island, China. Up to now, it has been the first case of electric field sounding results obtained in a typhoon system. In this paper, based on the observations of satellite, meteorological radar, ground electric field and cloud-to-ground flash location data of Hainan province, China, the basic characteristics of the typhoon are analyzed in detail. Owing to the limitation of cloud-to-ground flash location system, only flash activities of the typhoon before and after landing period are analyzed and the result does not show obvious features as reported by other researches. Referring to the radar reflectivity and sounding path, we confirm that the sounding penetrates through the eyewall region of the typhoon from cloud base to top. The electric field profile and the charge region distribution in the sounding path area are analyzed, and the results show that four positive and three negative charge regions exist between 5.74 and 9.10 km above sea level and the corresponding temperatures range from –2.4 to –16.7 ℃ of the seven charge regions. The mean charge densities of each charge region from bottom to top are 0.63 nC/m3, –0.33 nC/m3, 0.31 nC/m3, –1.03 nC/m3, 1.70 nC/m3, 1.57 nC/m3 and –1.20 nC/m3, respectively. According to the preliminary analysis, we consider that the two positive charge layers at the top should be in the same charge region. Under the comprehensive consideration of the thickness of charge regions, the intensities of these six charge regions are 0.33 nC/m2, –0.07 nC/m2, 0.06 nC/m2, –0.87 nC/m2, 0.73 nC/m2, and –0.18 nC/m2, respectively. We can find that there are three dominant charge regions with largest intensity and they are the lowest positive charge region, the middle main negative region, and upper main positive charge region. And these vertical distributions of the three dominant charge regions are characterized by a tripole charge structure. These results are basically consistent with some simulation results. In addition, a negative screen charge region with a shallow depth in a range of 15–20 dBZ of the upper cloud boundary can be found. Combining the popular charging mechanisms, the similarity of tripole charge structure between our sounding and normal thunderstorm are discussed, and we preliminary consider that the non-inductive charging mechanism and the inductive charging mechanism, which originate from normal convection, are also suitable for eyewall region of typhoon. Keywords:typhoon/ electric field profile/ cloud-to-ground flash/ tripole charge structure
全文HTML
--> --> -->
2.观测及资料雷暴云内电场探空观测实验于2019年夏季在海南省文昌市龙楼镇(110.96°E, 19.64°N)开展, 龙楼镇位于文昌市东部沿海, 受海陆风的影响, 午后容易出现对流性天气. 文昌也是海南台风登陆最多的地区之一, 从1949—2016年期间的统计来看, 共有155个台风登陆海南, 其中登陆文昌的有49个, 在各市县中是最多的. 此次观测涉及到的观测设备主要有以下几种: 1)雷暴云内电场探空系统, 该系统主要由地面自动跟踪接收装置与球载电晕探针式探空仪组成, 用以探测垂直方向上的电晕电流; 2)S波段多普勒天气雷达, 位于海口永庄(110.25° E, 20.00°N), 距离东南方龙楼镇的电场探空点约84 km, 如图1所示, 用以指挥开展探空观测作业; 3)地闪定位网, 该探测网共由5个子站组成, 分别位于海口(110.25°E, 20.00°N)、三亚(109.54°E, 18.23°N)、琼中(109.83°E, 19.04°N)、琼海(110.46°E, 19.24°N)和东方(108.64°E, 19.09°N), 用以实时监测海南岛对流性天气的地闪信息, 包括发生的时间、位置、强度、极性等信息; 4)大气平均电场仪, 在探空站点安装了一套场磨大气平均电场仪监测对流天气过程的地面电场. 图 1 雷达、地闪定位网及电场探空观测站分布 ■: 探空点; Δ: 地闪定位子站; : 雷达站和地闪定位子站 Figure1. Radar site and lightning location substation. ■: Electric field sounding site; Δ: Substations of lightning location network; : Radar site and lightning location substation.
北京时间2019年7月 30日17:00, 位于南海北部海域的热带云团加强为热带低压, 中心(115.5°E, 18.0°N)位于文昌东偏南约513 km的海面上, 中心附近最大风速15 m/s, 31日08:00加强为2019年第7号热带风暴级台风, 中心附近最大风速18 m/s. 8月1日1:50前后在文昌市的翁田镇沿海登陆, 登陆时中心最大风速23 m/s. 登陆后在文昌滞留9个小时后于8月1日11:00出海, 之后转向偏北方向移动, 图2(b)给出了8月1日9:00文昌登陆后的葵花卫星红外云图. 1日17:40前后在广东省湛江市坡头区沿海再次登陆, 登陆时中心最大风速23 m/s, 登陆后转向偏西方向移动, 穿过雷州半岛进入北部湾海面, 之后沿着广西沿海西行, 2日21:20前后在广西防城港沿海第三次登陆, 登陆时中心最大风速也为23 m/s, 登陆后转向西偏南方向移动进入越南北部, 强度逐渐减弱, 最终于8月3日23:00被中央气象台停止编号. 需要指出的是, 自7月31日8:00加强为今年第1907号台风后直至8月3日8:00, 一直维持热带风暴级别(图2(c)). 另外, 1907号台风中心偏南一侧对流云团长时间在海南岛停滞, 给海南岛带来了较长时间的大风及降水, 海南岛大部分地区的降水在100—400 mm之间. 图 2 台风路径及强度变化情况 (a)移动路径; (b)文昌登陆后(8月1日9:00)的葵花卫星红外云图; (c)台风中心气压强度的时间变化 Figure2. Typhoon path and intensity change: (a) Path; (b) Himawari satellite infrared cloud image (9:00, 1 August); (c) the evolution of air pressure at the center of typhoon Wipha.
23.2.台风前两次登陆期间地闪活动 -->
3.2.台风前两次登陆期间地闪活动
由于地闪定位网探测范围主要覆盖海南岛和近海区域, 并不能监测远海区域台风的闪电活动情况, 因此, 为了客观地评价台风的地闪活动特征, 这里只对2019年8月1日0:00—20:00时段内的地闪进行了统计, 即1907号台风登陆海南(8月1日1:50)与登陆湛江(8月1日17:40)前后的地闪. 由图3(a)可见, 在此期间该台风登陆前后的地闪活动整体偏弱, 地闪主要以负地闪为主, 负地闪占总地闪数的96.7%. 地闪的整体演变趋势表现为: 台风在登陆海南文昌的过程中(0:00—2:00)地闪的逐小时数目呈显著的增加趋势, 3:00的地闪突然减小至30个/小时, 4:00的地闪数又出现快速增大, 达到了最大的118个/小时, 6:00下降到46个/小时; 在后续发展中, 只在14:00出现了较大的100个/小时, 其余时间都显著小于40个/小时. 虽然台风于7月31日8:00加强为热带风暴级后一直持续到8月3日8:00, 但地闪的演变并未与台风强度表现出一致性, 且地闪活动最频繁时段都出现于两次登陆前后4个小时以内. Zhang等[37]对西北太平洋台风的分析发现, 台风登陆后闪电活动有增强的也有减弱的, 登陆前后闪电的空间分布也不同, 登陆后强台风雨带的地闪密度比台风和强热带风暴的减小得更快, 但热带风暴和热带低压的地闪密度在登陆后增大. 从空间分布图3(b)来看, 正地闪主要发生于琼州海峡至雷州半岛一带以及西部洋面. 图3(c)和图3(d)给出了地闪活动峰值时间04:27和14:32前后15 min内地闪与雷达回波的叠加, 该台风眼附近区域的地闪活动很少, 主要出现于台风的内雨带和外雨带, 由于闪电较少, 宏观上并没有表现出明显的三圈结构特征. 图 3 2019年8月1日0:00 ~ 20:00时段1907号台风登陆海南与登陆湛江前后的地闪特征 (a)地闪活动的时间演变; (b)地闪活动的空间分布; (c)和(d)分别为04:27和14:32前后15 min内地闪与雷达回波的叠加, 黑色圆点代表地闪. 图中直线α, β, ζ和θ为图4对应的剖面位置 Figure3. The characteristics of cloud-to-ground flashes in typhoon No.1907 before and after landing in Hainan and Zhanjiang from 0:00 to 20:00 on August 1, 2019: (a) The evolution of cloud-to-ground flash activities; (b) spatial distribution of cloud-to-ground flash activities; (c) and (d) are the superposition of the flash locations upon radar echo for 30 minutes around 04:27 and 14:32, respectively, and the black dot represents the cloud-to-ground flashes. The line α, β, ζ and θ in this figure is the location of corresponding section in Fig. 4.
研究指出[16], 台风眼壁区的对流结构类似于海洋季风深对流, 雷达回波特征表现为最强回波位于0 ℃层以下, 0 ℃层以上回波迅速减小, 这种特征表明眼壁内过冷水和强大上升气流的缺乏, 一定程度上限制了冰晶和霰粒子的碰撞起电, 使得眼壁内的闪电活动相对螺旋雨带较弱. 为了分析地闪活动与回波强度之间的关系, 这里对两次地闪峰值阶段(8月1日4:00和14:00)对应的雷达回波剖面进行了分析, 如图4所示. 在地闪频数首次达到峰值的时段, 尽管眼壁内的回波强度较大, 达到了45—50 dBZ, 但高度局限于海拔6 km以下且往上回波快速减小, 另外, 云顶高度也在14 km以下, 如图4(a)所示; 对于同时段闪电较为活跃的内雨带, 35— 40 dBZ的回波顶高达到了约10 km且云顶高度也接近18 km(图4(b)), 这表明强回波区的高度和深对流发展对闪电的发生有着显著的影响. 然而, 在第二个地闪峰值期间, 内雨带回波较强且云顶高度较高的区域(图4(c))发生的地闪数目反而小于回波弱且高度较低的区域(图4(d)), 这可能与云内电荷区的配置有一定的关系. 由图4可见, 内雨带的回波剖面最接近于常规雷暴云的回波结构, 这可能就是内雨带闪电容易发生的原因, 而外雨带的回波则更接近于层云降水区的特征. 图 4图3(c)和图3(d)中沿直线α, β, ζ和θ的雷达回波垂直剖面(回波强度同图3色标) (a)沿直线α; (b)沿直线β; (c) 沿直线ζ; (d) 沿直线θ Figure4. Radar echo vertical cross section of line α, β, ζ and θ in Fig.3(c) and Fig. 3(d) (The colorbar is the same as Fig. 3): (a) Line α; (b) line β; (c) line ζ; (d) line θ.
23.3.垂直电场廓线特征 -->
3.3.垂直电场廓线特征
本次探空气球穿云的时段为2019年8月1日9:53:11—10:25:12, 整个探空过程时长约32 min, 10:23:04, 探空到达云顶上边界10—15 dBZ的区域, 电晕电流也归为零值. 由葵花卫星红外云图、海口雷达回波以及探空路径判断, 此次探空进入了台风的眼壁. 图5(a)分别给出了探空时段内(10:09)3 km高度处的雷达回波, 可见, 探空点位置(黑色三角形)处于台风眼的附近区域. 图5(b)为图5(a)中黑色方框区域的放大, 黑色线条为探空路径的地面投影与回波的叠加, 自探空点位置气球朝东偏北飞行了约27 km. 为了确定探空路径在雷达垂直剖面上的投影位置, 以接近路径的直线AB对回波进行剖面处理, 由图5(c)可知, 这次探空自释放后倾斜上升, 进入云体后, 在高度约3 km处进入了强回波中心, 在海拔10 km高度处穿过了云顶, 除了2 km以下的路径处于云的边缘外, 在此以上都处于云体内部. Zhang等[38]通过计算指出, 假设云内电荷区分布在水平上是均匀的, 只要探空路径不完全处于云的边缘, 那么电场探空结果可以较好地反映云内的电荷分布特征. 图 5 探空时段内的雷达回波的反射率以及垂直探空路径在回波剖面上的显示 (a) 10:09时的反射率(3 km高度处); (b)图(a)中黑色方框区域的放大, 显示探空路径与回波的地面投影以及剖面切割线(线段AB); (c)探空路径在回波剖面上的投影, 图中△代表气球释放点位置 Figure5. Sounding path and the corresponding Radar echo (10:09): (a) Radar echo at height of 3 km; (b) enlarged view of the section in the square of picture (a), the line AB is the location of vertical cross section and the black curve is the horizontal projection of the sounding path; (c) superposition image of radar echo vertical cross section of line AB in the (a) and sounding path. △: Sounding site.
图6给出了此次电场探空得到的气球上升速度、电晕电流、垂直电场及电荷区分布. 由于台风“韦帕”整体偏弱, 眼壁区最强回波只有35—45 dBZ, 气球上升速度基本维持在4—6 m/s之间. 由电晕电流反演得到的电场图6(c)来看, 最强负极性电场值为35.5 kV/m, 位于6.21 km (–3.60 ℃)高度处; 对于正极性电场, 最大值达到饱和, 其值为62.9 kV/m, 高度处于7.53—7.89 km (–9.15—–11.21 ℃)之间, 根据饱和电场上下相邻区域电场廓线的线性演变趋势, 通过斜率大致可以推断最大正极性电场有可能达到79.86 kV/m(–10.37 ℃). 上部负极性电场峰值为–19.77 kV/m(–18.63 ℃), 其高度为8.87 km. Marshall和Rust[39]对墨西哥山地雷暴上升气流区内和上升气流区中心附近的垂直电场廓线的分析发现, 垂直电场的绝对值廓线有三个峰值组成且最大的是负电场峰值, 下部正电场峰值在海拔5.8 km处, 中部负电场峰值在7.3 km 处, 上部正电场峰值出现在10.3 km 处(电场极性定义与本文相反). 对比可知, 除了上部负电场峰值的海拔相对雷暴的较低外, 其余两个电场峰值对应的高度基本相当. 一般上升气流区内外的电结构存在差异[40], Stolzenburg 等[41]通过探空发现, 上升气流区外围的垂直电场廓线一般有四五个峰值. 图 6 2019年8月1日9:53:11—10:23:04台风眼壁区内的探空结果 (a)上升速度; (b)电晕电流; (c)电场(E)、温度(T); (d)电荷密度 Figure6. Sounding results in eyewall of No.1907 typhoon on August 1, 2019 (9:53:11–10:23:04): (a) Ascending velocity; (b) corona current; (c) E-field (E) and temperature (T); (d) charge density.
在探空点的大气平均电场仪完整地记录了台风登陆前后的地面电场, 这里定义地面正极性电场对应云内正电荷控制地面电场. 图7给出了1907号台风前两次登陆前后的地面电场, 可见, 在登陆前后00:00—03:25期间的电场有明显的波段变化, 此后在03:26—08:55的地面电场基本接近于0 kV/m, 该时段对应电场仪处在台风眼边缘的下部; 在08:56—09:53期间出现负极性电场并且伴随有闪电引起的快速变化, 最大电场强度在5—8 kV/m之间, 而站点上空覆盖有台风眼壁的弱回波云; 探空期间的地面电场虽然主要呈正极性, 但没有显著的变化且电场值很弱; 在10:25—11:06期间电场又基本归于零值附近, 随后随着台风的向北移动, 电场再次出现较大幅度的波动, 极性主要为负极性, 对应台风的回波强度已有所减弱, 地面电场也于台风登陆湛江前1个小时归于零值. 从地面电场演变并不能得到更多与电荷结构有关的信息, 但可以确定的是随着眼壁区位置的不同, 云内电荷分布还是存在着不同程度的差异, 否则根据电场探空给出的电荷分布来看, 地面电场理应由云内下部正电荷区控制, 而实际情况并非如此, 除了地面电场出现较大的波动外, 有些研究表明眼壁区内的闪电分布存在区域上的差异, 如Fierro等[22]发现眼壁双极性窄脉冲事件的爆发随时间呈逆时针方向依次发生, 揭示了眼壁强对流单体的时空演变在不断地对电荷区进行调整. 图 7 台风地面电场监测 (a) 8月1日0:00—20:00, “TK”代表探空时段; (b)探空时段地面电场的扩展 Figure7. Evolution of surface electric field of No.1907 typhoon: (a) The time period from 0:00 to 20:00 on 1st August, “TK” stands for the sounding period; (b) enlarged view of sounding period as “TK” in Fig. (a).