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马六甲海峡上空一次热带风暴中的双极性窄脉冲事件发生高度

摘 要 双极性窄脉冲事件（NBE）发生高度最常在中纬度观测中被讨论，但从未在热带区域被发现过。在本文中，我们将第一次探讨在马来半岛和苏门答腊岛之间有一条狭窄的水路，即马六甲海峡上空一次热带风暴中的双极性窄脉冲事件发生高度。此次雷暴中一共发现了49例正极性的NBE事件。整个NBE的生命周期可以根据发生高度和雷达反射率数据分为两个阶段。第一个阶段（S1）为从探测到第一例NBE直至产生20例NBE（41%），只持续了六分钟。发生高度介于12.01km与16.67km之间。雷达反射率数据显示在S1阶段雷达反射率的峰值达到50-55dBZ。另一方面，第二阶段（S2）持续了更长时间（32分钟）并产生了29例NBE事件（59%），其发生高度出现在较低的8.48-13.70km之间。雷达反射率数据显示在第二阶段雷暴发展至顶峰时其反射率介于39-44dBZ之间。

关键词 发生高度 双极性窄脉冲事件 热带

1 引言

所有之间关于双极性窄脉冲事件（NBEs）的报道都是基于中纬度观测除了一次个例是在北部地区测得。正负极性的NBE的发生高度据之前的分析分别为5-7km和8.8-21km。

之前所有对于在热带探测到的NBE都进行的是时域分析，而在各文献中关于热带NBE的发生导读的讨论是空缺的。我们在文章中第一次主动讨论了热带风暴中的NBE发生高度。本文中关于NBE的发生高度和兴赢得雷达反射率数据的分析和讨论结果将进一步帮助之前关于NBE发生高度对纬度有依赖性的假设。

2 数据和仪器

本文的观测数据来自一个装有宽频带电场天线系统（衰减时间常数13ms）、3MHz（高频）窄频带电场天线系统和一对正交宽频带磁场天线系统的观测单站（OS）。观测站位于马来西亚马六甲Teknikal Malaysia Melaka大学（UTeM）（2°18′50.41Prime;N, 102°19′6.9Prime;E；如图1）。文中使用的雷达反射率数据来自马来西亚气象部门（MMD）科学技术和创新部门（MOSTI）。

天线的输出以12比特的分辨率配合2MHz和80MHz的采样率数字化。数据记录从事件开始持续2s时长。每个个例的时间记录系统是精确度为plusmn;6ns的全球定位系统（GPS）。本文观测为2015年12月03日在马六甲海峡形成的雷暴单体。马六甲海峡是在马来半岛和苏门答腊岛之间有一条狭窄的水路。

本次雷暴中共探测到49例NBE。其中一个区域的记录（记录序号131；探测得到的总49例NBE中的第29例）如图2所示。该NBE个例位于离观测站70.64km远处，发生高度为高于平均海平面（MSL）13.19km。只有在该区域始发时期的脉冲突变被认为NBE。距离和高度估计是基于平面地球传播模型，电磁场辐射之间的关系由以下方程给出：

(1) (2)

(3)

(4)

其中，H是电离层虚拟估计高度（夜间为86km），alpha;是仰角，c是光速，然后t₁和t₂分别是由于电离层反射和大气-电离层层间反射造成的时间延迟。这些方程可同时用最小均方差法求解。

3 结果和分析

图3中在左部用红圈标出的是各个NBE的发生高度，中部和右部分别以箱线图和柱状图形式表示是相关的数据分布。大约一般的NBE出现在海拔12.33和14.09km之间（红色箱线图的1/4至3/4边界线）。平均值和中位数正好分别位于13.12km和13.26km边界线之间。即使在考虑异常数据的情况下（发生在海拔8.48km，标记为深蓝色直方图的为异常值），柱状图显示的NBE发生高度也很好的服从了正态分布。

观测到的贯穿整个雷暴的NBE活动可以根据发生高度和雷达反射率数据清楚地分为两个阶段。第一个阶段（标记为S1在图3）只持续了短暂的周期，从探测到第一例NBE（NBE1在16:40:54探测到）开始，这个阶段一共产生了20例NBE（第20例NBE在16:46:56探测到），大约占了总NBEs数的41%。其发生高度介于12.01km与16.67km之间。几乎所有的S1阶段NBEs（除了NBE2）在四分之一分界线和最大值边界线之间。第二阶段（S2）持续了更长时间（32分钟）并产生了20例NBE事件（59%）（指图3中位于中部的箱线图），而其中75%的NBE发生在12.33和16.67km高度范围之间。

最开始探测到的两例NBE发生在介于12至13km海拔高度之间，之后几分钟内探测到的NBEs发生在更高的海拔，峰值高度甚至达到16.67km。之后几分钟，NBEs发生高度急剧下降。从箱线图中可以清楚看到剩余NBEs的50%（剩余一半均发生在红色箱线图边界之内，如第三节上一段所介绍）都发生在3/4分界线和最大值边界线之间（S1阶段总20例NBE个例中的13例NBEs）。这种NBE发生高度的突然上升和下降仅发生在很短的，大约6分钟时间内。

另一方面，第二阶段（图3中标为S2）比S1阶段持续了更长时间，大概32分钟并产生了共29例NBE事件（16:46:57探测到NBE21）。其发生高度出现在低得多的海拔范围8.48-13.70km之间。有一个清晰的趋势是随着逐渐探测到最后一例NBE（图三种表示为异常值，在17:19:59探测到）其发生高度逐渐降低。进一步的证据来自箱线图中更低的的四分线显示探测到的NBEs的四分之一发生在较低的四分边界线内，与S1内发现的探测到的NBEs的1/4发生在较高的四分线边界内的规律完全相反。

雷达反射率数据揭示了S1阶段雷暴发展最旺盛时（在16:43:42捕捉到数据）反射率在50dBZ和55dBZ之间（如图1A）而贯穿S2阶段（如图1B；在17:01:13仅一部雷达有数据）反射率峰值在39dBZ-44dBZ相较而言要低得多（在16:50:01,17:01:13和17:20:01捕捉到数据）。随着雷达反射率的升高，NBE的发生高度也趋于升高。此外，第一例NBE在雷暴达到50-55dBZ反射率峰值时被探测到。显然，激发最初的NBE时间需要一定的混合冰相条件。

4 结论

在本文中，我们首次讨论了一次热带风暴中的NBEs事件的高度。在38分钟时间周期中一共有49例正极性的NBEs被探测到。其发生高度在8.48-16.67km高度范围内，平均值和中间值分别问13.12和13.26km。随着雷达反射率的升高，NBE的发生高度也趋于升高。此外，第一例NBE在雷暴达到50-55dBZ反射率峰值时被探测到。说明一定的混合冰相条件激发第一例NBE的先决条件。

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