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下垫面对雷暴活动的影响

Dulzon, A.，Gorbatenko, V.

摘要：雷暴活动的不均匀性是在相同的天气过程背景下形成的。即使在几十英里内，平均雷暴日数和雷暴小时数也会变化1.5-2倍。作者重点研究了雷暴活动在地形较为平缓地区的空间分布。分析了西伯利亚和哈萨克斯坦两个有着不同物理地理条件和气候的地区在大气-岩石圈系统中不同因素对雷电活动空间分布不均匀性的影响。为了揭示空间雷电活动不规律的原因，作者分析了以下因素对雷电活动的影响:偏远地区的特征地理形势和海洋, 在地理学的服务器特点半径调查中,包括空气温度和弹性水的蒸汽,底层表面的温度和湿度特征,大量的地理领域异常区域的观察。下垫面温湿度条件的不均匀性和造山带的不均匀性是影响雷电活动的主要因素。

关键词：雷暴、统计分布、温度分布、海洋温度

1 简介

毫无疑问，雷暴活动存在相当明显和稳定的地域不均匀性。雷暴活动的大规模空间变化是众所周知的，并且与大气环流和全球温度分布相关。例如，在苏联的前领土上，雷暴活动的明显纬度依赖性是显而易见的，尽管哈萨克斯坦和中亚沙漠地区的雷暴活动减少了这种依赖性。还有证据表明雷暴活动空间分布的中小尺度不均匀性^[1,2,3]，在选择防雷方案时必须考虑到这些不均匀性。

20多年来，托木斯克的高压研究所根据气象站的数据，照明闪光计数器网络以及闪电相关的电力线停电统计(用于分发和传输电线)数据（两者）对雷暴活动进行区域绘图。我们发现，即使在地形相当均匀的地区，雷暴活动的空间分布似乎也很不稳定。

试图找出雷暴活动空间不均匀性的原因，对于更具体的雷暴活动作图(用于实际目的)和提高我们对雷暴现象物理的认识都是有重要意义的。虽然在大多数情况下只是定性地讨论了地形，水域和植被特征对雷暴活动的影响。我们不怀疑地形扰动对雷暴活动产生不均匀性的重大贡献，特别是在山区地形，但在本文中，我们将重点研究雷暴活动在地形相当平缓的地区空间分布。雷暴发生的必要条件是大量积雨云的形成。然而，这种情况还不够。已知这种云存在数小时，不产生放电，电场适中。为了将这些云转换成雷暴，需要加强已经存在的电气化过程或者应该触发额外的（更有效的）电气化过程。雷暴活动特征的不规则空间分布的偶然性假设被高概率地拒绝。因此，考虑到雷暴活动分布不均的原因，需要研究有利于积雨云形成和发展的因素以及有利于云计费的因素。根据能量学来解释它（即，将云视为电热发电机），需要检查两个因素，这些因素可以提高这种发电机的热力学能力吗？以及导致其“励磁绕组”的因素。

2 雷暴分布的空间不均匀性

相邻气象站雷暴强度值的差异可能是偶然的，因此有必要确定这些差异的统计意义。为了控制统计上的平均持续时间分布的中等气候不均匀性，以小时和雷暴天数的平均数表示两个比较，在托木斯克地区的27个气象系列的20年雷暴观测系列中，得出了气象系列近似的正常分布定律。根据费舍尔和学生的测试，雷暴天数分布之间的差异是偶然的，仅为一般被测对的43%。与一系列雷暴活动持续时间相比，只有54％的系列对与一般总体相关。对于哈萨克斯坦的丘陵地区，甚至更少的一系列持续时间，都与相同的总体相关。令人感兴趣的是，与同一总体有关的一系列持续时间实际上并不取决于气象观测站之间的距离。因此，现实中存在雷暴活动分布的空间不均匀性。在界定雷暴危险时要考虑到这一点。

3 大气 - 岩石圈系统影响因素分析

形成雷暴的必要条件是形成粉状积雨云。但这样的条件是不够的。众所周知，这种云可以存在数小时，不产生放电，并具有中等的电场。要把这些云变成雷云，必须有密集的带电过程。研究雷暴活动中心的成因，既要考虑导致积雨云形成和发展的因素，又要考虑有利于雷暴云形成和发展的因素。

在目前的工作中，试图找出大气 - 岩石圈系统的一组因子与雷暴活动的相关依赖性，并且还要了解这些因素对雷暴活动特征的空间不规则性的影响。 两个地区的物理和地理条件不同，如托木斯克（俄罗斯）和杰斯卡斯甘（哈萨克斯坦）。

托木斯克地区位于西伯利亚西部低地的东南部，位于鄂毕河流域。托木斯克地区的面积为31.7万平方公里。境内地势平坦，绝对海拔50-150米，区内景观有鄂布河谷、泰加地区、湖泊、沼泽等。对下垫面温湿度条件的不均匀性有一定的影响。托木斯克地区以温带雷暴活动为特征。平均有42个雷暴小时和22个雷暴日，其中最大雷暴小时约65个，雷暴日28个，最小雷暴小时23个，雷暴日17个。雷暴活动的空间分布与其它地区一样，呈现出点状。

杰斯卡斯甘地区位于哈萨克斯坦中部。水文网密度由北向南递减，并随地形变化而变化。巴尔哈什湖海岸的一部分位于该地区的东南部。气象站高度由海拔80米改为海拔1050米。雷暴活动温和:平均每年31小时及14天，最多78小时及23天，最少14小时及6天。雷暴季节从3月下半月开始，一直持续到10月下半月，但雷暴活动的主要强度在5 - 8月。杰斯卡斯甘地区平均雷暴日数由西南增加至东北。雷暴活动的不均匀性是在相同的天气过程背景下形成的。

作为雷暴活动的特征，分析了从1966-1995期间的计量观测得到的平均雷暴天数（T）和平均雷暴持续时间（P）。 引起上述地区内雷暴分布的空间不均匀性的原因如下：

f，1 - 一个地区的地理情况（计量坐标）作为远离极地和海洋的特征；

h - k - 趋势方向，将雷暴带到被调查的领土；

t，e - 平均雷暴季节;；

tp - i - a - 重力、磁场异常作为岩石圈条件的特征，以及地壳结构和地质的不均匀性，影响着深部地表层和深部地表层之间的热交换强度。

在第一阶段分析了大气 - 岩石圈系统的特征（表1），它们可以影响雷暴活动中心的形成。 在托什克地区和邻近地区49个测量点的平均二十年观测结果在杰斯卡斯甘地区地区吸引了40个观测站。相关系数对于托木斯克地区和杰斯卡斯甘地区地区有重要意义，值大于0.29。

通过对调查结果的分析，可以得出结论:即使是在某一地区，大气-岩石圈系统的所有观测特征与雷暴活动的相关系数虽然不高，但都具有显著性。提出雷暴活动的高相关系数，即使是考虑其中一个因素，也可以简单地解决这个问题。然而，这只是一个简单的概念。

气象观测站海拔高度：气象观测站前后的地形障碍物相对于空气的高度与长期内空气温度和水蒸汽回弹性的关系。

雷暴活动与上述相关关系

任何物理过程中的变量之间的连接都是异常而不是规则。在某些自然过程的相互通信中，fbnctional connection可能过于复杂而无法理解和描述。在这种情况下，我们试图用一个简单的数学函数来选择这些联系，并在变量变化的有限范围内近似“实”函数。所选择的回归分析方法是一种获得数学依赖关系的分布较广的方法，它可以估计所有被测因素对雷暴活动的综合影响以及各因素的影响程度。在建立回归方程的过程中，以雷暴活动的平均长期特征为因变量，以大气-岩石圈系统的上述特征为独立变量。

表1.雷暴活动与大气 - 岩石圈系统特征的相关系数

在制作回归模型的过程中，必须进行预测正态分布的条件，因此根据正态分布法初步测试持续时间和平均雷暴天数的经验原始数据。

作为预测因子的大气 - 岩石圈系统的特征对于几个阶的绝对值是不同的并且具有另一个测量值，因此通过相对于它们的平均值的速率设置被转换为相对值。为了使统计模型成为一种步骤回归方法，允许在大多数预测变量中选择最重要的方法。

选择较好的回归方程的依据是模型的标准准则、估计准则。 回归分析的结果表明，最优模型为一阶统计模型，该模型在很大程度上反映了各因素对雷暴活动强度影响的物理本质。

对于托木斯克地区：

T=14.2 i - 6.3 a 2 k 12.8 （1）

P = 37.31 - 40.4a 8.3 k 39.1 （2）

对于杰斯卡斯干地区：

T = 96.8f 59.5tp 12.4k 12.2e - 5.7h 4.lg - 166 （3）

P = 3 1 If 175tp 37.9k - 26.9h 10.7g 2.2m - 484 （4）

与长期平均偏折值相比，突发性偏折值的意义(概率为95%)，对于若干雷日，托木斯克地区相对不超过10%，杰斯卡斯干地区相对不超过15%;至于雷暴持续时间，托木斯克地区为15%，杰斯卡斯干地区为25%。考虑到这一点，我们可以认为所得方程的确定系数相当令人满意:T托木斯克区域为85%，杰斯卡斯干区域为75%。考虑到上述事实，我们可以认为已经得到了杰斯卡斯干地区的模型，较好地描述了雷暴分布的区域不均匀性，而Tomsk地区对雷暴活动不均匀性影响较大的一些因素尚未研究。然而，有必要记住，所得到的方程是真实的，用于估计所建立方程的区域内的雷暴活动。每个被检查因素的影响程度与一个合适的预测系数成正比。

研究结果表明，根据不同的物理地理位置，雷暴活动的不均匀性分布与下垫面温度、湿度条件及地形特征有很大关系。在目前的工作中，我们试图确定雷暴活动的特征与许多因素之间的比例，这些因素是出版物作者经常引用的。然而，并没有任何因素可以用于此类研究。例如，文献中有关于切尔诺贝利轨道^[4]雷暴活动变化的资料。我们未能估计出被调查地区的类似因素。回归方程在托木斯克地区的决定系数值较低，也决定了并非所有在中尺度范围内形成雷暴活动不均匀性的因素都得到了检验。

4 结论

雷暴活动特征的不规则空间分布的偶然性假设被高概率地拒绝。研究结果表明，在实际中，雷击分布中心的形成受到雷击特征的影响，但影响程度是相同的。下垫面温湿度条件的不均匀性和地形的非均质性是影响雷暴活动的主要因素。

5 参考文献

[l]. Tchuvayev A.P. and Shvartz V.T. I On peculiarities of forming thunderstorm activity on the Hills on the Volga banks (in Russian)', Trudy GGO, 1976, v. 349, p. 127-154.

[2]. Sarayev V.A, Alyokhina N.M, Valayeva E.A., Dulzon A.A., Domashenko V.G. I On relation of thunderstorm phenomena to geological elements (in Russian)' Geologiya i polezniye iskopaemiye Sibiri, Tomsk, 1974.

[3]. Gorbatenko V.P., Dulson A.A. 'Influence of underlying surface on thunderstorms' Proceeding of the 10th International Conference on Atmospheric Electricity (O

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