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1998年5月中美洲火灾对云地闪的影响

Natalie D. Murray, Richard E. Orville, and Gary R. Huffines Department of Atmospheric Sciences, Cooperative Institute for Applied Meteorological Studies, Texas Aamp;M University, College Station, Texas

摘 要 1998年春季，中美洲主要在墨西哥和危地马拉的季节性生物燃烧产生了大量的气溶胶颗粒物随后流入美国中部平原。火灾的影响大约持续到了4月9日至6月11日。美国航空航天局观察到5月8日烟雾浓度最高。 国家闪电定位网记录的地闪（CG）特征是从1995年至1999年的闪电数据，本文利用1995年至1997年以及1999年五月份的闪电数据与1998年五月份的闪电数据作比较计算出差值。这个差值大约是100公里分辨率下的正地闪百分比、由极性分隔的峰值电流和后期回击次数。显示出几个显着差异，正地闪百分比增加了两倍。负地闪的平均峰值电流降低。在火灾期间，德克萨斯州，俄克拉何马州，堪萨斯州，阿肯色州和内布拉斯加州的正地闪平均峰值电流增加了20 kA以上。正闪的后期回击次数没有变化然而负地闪的后期回击次数发生了巨大变化，包括德克萨斯州，俄克拉何马州，堪萨斯州和路易斯安那州在内的地区，负地闪的每次回击次数2.8降低到1.0-1.4。分析的数据是一个校正集，我们从中清除了峰值电流小于10 kA的正闪，从而消除了大部分的云内闪电。进一步的研究揭示污染和气溶胶大小对地闪特征的影响之间的关系。

1. 引 言

1998年春天，中美洲的火灾产生了大量的气溶胶颗粒物随后流入美国中部平原。Rodgers和Bowman（2000）研究了这些颗粒，并证实它们是德克萨斯州和美国中部地区的一部分污染源。火灾的污染持续时间为4月9日至6月11日，国家定位网（NLDN）在此期间记录了地闪。Lyons等人发表了一篇关于这一事件的重要论文。（1998年）报道说，在与美国中部地区传播的烟雾相关的雷暴中增强了正闪电。他们发现正闪电的百分比是气候标准的三倍，而正闪的峰值电流报告为预期值的两倍。在这一贡献中，我们对Lyons等人的报告进行了初步的采纳。通过将分析扩展到负闪，负闪的峰值电流以及负闪和正闪的回击次数。此外，我们考虑到1998年5月份的闪电数据中含有云内闪电，通过删除峰值电流小于10 kA的正闪。以这种方式，我们最大限度地减少了云内闪电对数据的影响，这是潜在的严重污染问题（Cummins et al.，1998; Wacker and Orville，1999a，b）。我们将比较1998年5月的美国闪电特点与1995 - 1997年和1999年5月的特点。如图1和图2中所示。在美国中部平原地区注意到以前没有报道的重大差异。

年度气候学研究显示雷电特征的地理差异很大。Orville和Huffines（1999）报道了闪电密度的总结，正闪密度，正闪百分比，峰值电流和回击次数。对美国来说，五月份的正闪百分比从14.7（1995）下降到12.6（1997）。

本文研究的是美国中部平原的地闪特性，包括正地闪的百分比，平均峰值电流和回击次数。

1. 数 据

在万维网http://capita.wustl.edu/Central America / Resources / Data / Data.html上提供直径小于10bull;tm的气溶胶颗粒物（PM）的称为PM10的测量。浓度使用Brownsville，Corpus Christi和德克萨斯州奥斯汀的beta;-gauge进行监测。还有来自密苏里州圣路易斯的报道。得克萨斯州的平均PM10浓度范围为10-50 [micro;g / m³，日最高为150 micro;g / m³（Kayin，1999年）。 空气污染影响及趋势分析中心（CAPITA）于1998年4月9日至6月11日期间在美国报告烟雾气溶胶。

1998年5月份，观察到PM10浓度的峰值。5月9日，Brownsville观察到580 micro;g / m3。这个峰值是5月8日至5月10日两天高峰时段的最高值，其中Brownsville和Austin这两个地方为高浓度。5月13日至5月15日，这两个城市集中的浓度再次上升。PM10浓度水平达到170-200 micro;g / m³（Kayin 1999）。另外在圣路易斯北部，报告说，PM10值在5月14日到本月底发现。虽然PM10颗粒达不到CCN（云凝结核）尺寸，但它们能够确定CCN所在的位置。

地闪的数据是由美国国家闪电定位网（NLDN）获得的，并从全球大气有限公司提供。NLDN由106个传感器组成（Cummins等1998）。闪电数据包括闪电的位置，时间，极性，峰值电流和回击次数。我们检测了美国中部的正闪百分比，平均峰值电流值和回击次数。虽然NLDN数据可以从1989年开始，但我们只考虑了1995至1999年。这是因为1994年网络升级。 检测效率范围从80％到90％（Idone et al.1998），因此还没有对检测效率进行校正。1995年至1999年五月份的闪电特征使用1.0度的电网分辨率进行分析。

1. 结 果

我们将1995年至1999年每年五月份的闪电按三个部分对闪电的数据进行分析。首先考虑正闪的百分比，然后研究平均峰值电流和后期回击次数。我们从1998年五月份闪电数据的平均值里减去1995年至1997年以及1999年五月份闪电数据的平均值计算差值。如：差值大于零则表示1998年有所增加。同样，差值小于零则表示1998年有所下降。

（1）正闪百分比

每年五月份的正地闪百分比如图1所示。数据来自1995年至1999年的五月份。整个五年来，观察到正闪百分比16％以上。然而，1998年，中南部平原地区大面积的正闪百分比一直都在32％以上。 图的最后一部分，显示了1998年与1995年至1997年以及1999年平均值的差异。1998年，在德克萨斯州中西部地区的正闪百分比增长到50％以上，超过15％的值遍布整个平原。 然而，在这个区域的西部和东部，随机增长幅度在-15％到 15％之间。

-30 -15 0 15 30 50

图1 1995 - 1999年5月份正闪的平均差异百分比。每年的百分比正值分别绘制。浅色为低值。 高值（大于或等于32％）为黑色。如右下图所示，显示1998年与其他年份相比较的平均值。暗色表示1998年的百分比增长，淡色描绘了1998年的百分比下降。

(2)平均峰值电流

对平均峰值电流进行差分计算，图2显示了该分析的结果。中南部平原和美国东南部许多地区的负闪峰值电流均呈下降趋势。减少量都在12 kA以上，主要保持在零与3 kA之间。 在德克萨斯、堪萨斯州和美国的偏远地区1998年峰值电流有所增长，而且美国西部则一贯如此。 对于正闪，在德克萨斯州，俄克拉何马州和堪萨斯州，1998年的平均峰值电流增加20 kA以上。 这些地理区域的平均峰值电流通常在20-30 kA（Orville and Huffines，1999; Orville and Huffines，2000）。

-12 -6 0 5 -10 -5 0 5 10 20

图2 平均峰值电流差值。左侧为负闪值，右侧为正闪值。是通过1995年至1997年以及1999年五月份的闪电数据与1998年五月份的数据作比较计算出差额。

（3）后期回击次数

后期回击次数差值图3所示。左侧显示的是负地闪1998年明显下降。这表示后期的回击次数减少，跌幅最大的地区是德克萨斯。每个负地闪的回击次数降至1.5次。 相比之下，在图中显示正地闪后期回击次数在1998年有所增加，但增加的不大。

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 -0.5 -0.05 -0.01 0 0.01 0.05 0.12

图3 平均回击次数。 左侧为负闪值，右侧为正闪值。是通过1995年至1997年以及1999年五月份的闪电数据与1998年五月份的数据作比较计算出差额。

4．讨 论

1998年的烟雾的生产和运输，导致中美洲常见的农业周期与往常不同？ 为了回答这个问题，Rogers (2000)和 Bowman (2000)利用全臭氧测绘光谱仪（TOMS）气溶胶指数来测量生物质气溶胶，并分析了这一事件。TOMS气溶胶产品和从同化风计算的航空轨迹之间的比较证实，这些轨迹足以代表烟雾运输。对TOMS数据和轨迹的分析表明，烟雾的来源地区受到两个主要运输方式的影响：一个向北，一个向西。两个流动模式之间交替的运输，这是Rogers在相应的时间段计算的平均风场中也是显而易见的。为了确定1998年的运输与往常不同，Rogers 和 Bowman用同化的风计算了二十年的运输气候学。运输统计分析显示，1998年5月和气候学在烟源周围地区包含了类似的向北和向西平流状态。然而，1998年的向北气流的运动是20年间最强，1998年5月期间，空气的垂直通量也与往常不同，主要发生在800 mb等高线上。通常情况下，对流层底层的垂直运动以向上为主。除了1998年异常强劲的北运，源区域的烟雾产量比Nimbus 7 TOMS气溶胶大。我们得出结论，强大的北方运输和来源的强度相结合是与往常不同，确实影响了所讨论的闪电特征的变化。

5.结 论

1998年5月的地闪电特征显示的是周围四年五月份（1995-1997，1999年）的差距。正地闪的百分比上升到50％以上，平均峰值电流比美国中部前几年勘测出的资料相比增加了20 kA以上。另一方面，负闪的平均峰值电流降低。这些变化的物理原因是未知的。我们会进一步的学习和调查微物理过程，这一探索可能揭示了污染物与雷暴之间的关系。

致 谢 非常感谢Ken Cummins的协助，以及Global Atmospherics，Inc. Tucson, Arizona所提供的数据。也非常感谢Texas Aamp;M University Jerry Guynes对数据处理给予的帮助。资深作者（NDM）获得了国家科学基金会本科生研究所的资助。我们研究的闪电是由国家科学基金会（ATM-9806189）和国家海洋局以及大气管理局（合作协议NA87WA0063）支持。

参考文献

[1] Cummins, K. L., M. J. Murphy, E. A. Bardo, W. L. Hiscox, R. B.Pyle, A. E. Pifer, A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S. National Lightning Detection Network, J. Geophys.

Res., 103, D8, 9035-9044, 1998.

[2] Idone, V. P., D. A. Davis, P. K. Moore, Y. Wang, R. W. Henderson,M. Ries, and P. F. Jamason, Performance evaluation of the U.S.National Lightning Detection Network in New York; Part 1:Detection efficiency, J. Geophys. Res., 103, D8, 9045-9055. 1998a.

[3] Idone, V. P., D. A. Davis, P. K. Moore, Y. Wang, R. W. Henderson,M. Ries, and P. F. Jamason, Performance evaluation of the U.S.National Lightning Detection Network in New York; Part 2:Location accuracy, J. Geophys. Res., 103, D8, 9057-9069, 1998b.

[4] Kayin, S, PM-10 concentrations in Texas during the May smoke event,http ://Capita.wustl.edu/DataWarehouse/DataTNRCC/TNRCC. html, 1999.

[5] Lyons, W. A., T. E. Nelson, E. R. Williams, J. Cramer, and T.Turner,: Enhanced positive cloud-to-ground lightning in

thunderstorms ingesting smoke from fires

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