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1989–200休斯敦及德克萨斯地区云地闪电特性

韦斯科特M. Steiger and Richard E. 奥维尔

德克萨斯农机大学大气科学与应用气象学院大气科学系，美国德克萨斯大学

Gary Huffines

美国俄亥俄州帕特森空军基地工程物理研究所

2001年7月17号收到；2001年11月26号修订；2001年11月28号接受；2002年6月7号出版。

[ 1 ] 1989年至2000年的12年期间，由全国雷电监测网检测雷击网（NLDN）探测到的地闪（CG），其地闪密度相对休斯敦、德克萨斯较高，相比于附近周边地区闪电密度显著增强45%。增强的强度变化取决于季节和时间，最大的增长发生在夏季（58%）并且增强发生在每个季节的9点-18点。观察表明，大型雷击事件（定义为在一个包括休斯敦和附近农村地区的地理区域内，多于100次闪电发生的事件）是表面雷电异常气候的主要原因，但雷暴的最初增加并不是闪电密度增强的最重要原因。根据观察，城市上空的正地闪减少了12%。较高的负中值峰值电流沿海岸到达了墨西哥湾。根据我们的观察有几个解释，有可能是城市热岛和增加的云凝结核浓度，尤其是当地的工业污染，被推断为是造成闪电增强的重要因素，据推测污染的影响引起了雷暴的电荷分布的变化，可以直接影响到地闪的极性。附近沿海湾咸水的检查也在潜在影响着计算峰值电流。整个区域的多样性值的变化被观察但并未进行解释。指数：3324气象学和大气动力学：闪电；3304气象学和大气动力学:大气电学；3314气象学和大气动力学：对流过程；3329气象学和大气动力学：中尺度气象学

1.简介

一组来自国家闪电探测网（NLDN）的1989-2000年12年间的气候分析数据明显表明休斯敦德克萨斯以及附近的农村地区上空的闪电活动增强[奥维尔等人，2001 ]。 韦斯科特[ 1995 ]首次使用NLDN数据来研究表明增强的地闪闪电活动对几个城市的影响，但休斯敦不在这项研究中。奥维尔等人最先用文献研究说明休斯敦对CG闪电活动的影响。他们的研究结果表明，闪电活动在1989-2000，尤其是冬季和夏季增强明显。在本文中，我们扩展了奥维尔等人的研究。请注意，以下简称“lightning”和“flash”仅指云对地闪电也就是地闪。

[ 3 ]韦斯科特[ 1995 ]和奥维尔等人[ 2001 ]讨论出解释增强闪电活动的几种机制。其中包括城市热岛环流，热量的增加能源，摩擦提升，空气污染。奥维尔等人还研究了休斯敦附近

海风对雷电活动的影响。有待解决的主要问题是确定上述各因素的意义以及休斯顿地区闪电强化的气候研究。过去几十年来，[例如，Landsberg，1981 ] 评估这些城市的气候效应的影响已成为气象学家一个重要的研究问题。

[ 4 ]国家闪电探测网（NLDN）除了测量闪电定位，也测量了每一个的极性、峰值电流和多个数检测到的地闪。1989-2000年期间分析中，休斯敦地区表现了一些有趣的结果。从地面观测到的正极性的闪电和顺风的休斯敦市区附近的迎风面积比的百分比都在下降。相比之下，里昂等人和穆里研究表明，墨西哥1998年森林火灾烟雾摄入有较高比例的正地闪，但不建议物理原因污染可能会影响闪电极性的理论。1989-2000年期间墨西哥湾的海岸线上有大的负峰值闪电出现。里昂等人在1998年提出可能原因是表面的导电性，因为海水的电导率比土壤更大。

2、城市天气变化的以往研究

[ 5 ]在韦斯科特1995年的工作中16个中西部城市（在1989-1992年的6月、7月以及8月），有闪电频数的增加高达40%-85%,与顺风的城市相比，农村的闪电频数更高。韦斯科特推测，这一发现有以下几个原因：增加城市云凝结核（CCN）浓度、城市热岛和摩擦提升。不幸的是，在她的研究中发现没有一个单独的因素解释闪电的增加，所以组合来假定上述因素。韦斯科特建议在这一领域未来的研究将需要城市云凝结核（CCN）云落尺寸谱测量，以确定最重要的闪电城市效应。

[ 6 ]都市气象试验（大都市气象实验），在世纪70年代中期暑假期间在圣路易斯，密苏里地区，是为数不多进行的早期深入实地调查城市影响天气现象试验的城市，如降雨和雷暴。1981年观察到降水的最大值是在东北部以商业为中心的城市热岛中心圣路易斯市区内。冰雹和大风在降雨量最大的东区区域有一个最大值。1971-1975雷暴日表现出的最大值，从圣路易斯随着雷暴的顺风和其持续时间在与背景值相比的地区增加了40%。

[ 7 ]在大都市气象实验表明圣路易斯地区有以下特点：在0点到6点观察到一个最大的城市热岛，每四年夏季露点在约0.5C市区的赤字，并且有显著低级别的收敛伴随着向上的运动。这些条件中除露点外，都促进边界层对流。

[ 8 ]Changnon Huff在1972年专门开发气候学方法来研究休斯顿地区降雨、冰雹以及雷暴天气的影响。气候学的研究基于至少20年的15-25个气象局在80-120公里内城市的纪录数据。城市附近的降雨影响着城市中心，附近农村有一个9%的最大增长。空气质量风暴被认定为天气异常的主要原因。在城市的同一季节15公里顺风的最高的点增强了雷暴天气10%，但没有统计学意义的发现。然而冰雹日的增多被发现是具有重大意义的。另外发现，在工业增长区顺风15公里的城市面积在，夏天最高增加了近400%。

[ 9 ]在纽约市进行的一项研究中，预期目标是发现在当地的天气里找到海风和城市的影响，无论是在清晨或傍晚，垂直速度都是中午2倍大。城市的摩擦效应造成锋变陡[安德森和伯恩斯坦，1979 ]。我们得出，在像休斯顿一样夏天典型温暖的情况下，这种类型的发展可以增强对流。

3.资料和方法

从图森亚利桑那州，获取全球大气得到1989-2000年的雷电监测网检测雷击网有限数据。网络工作由美国106个传感器完成[奥维尔和Huffines，1999 ]。1994年，NLDN升级。这包括一个组合的改进精度结合技术（冲击联合DF和到达时间（TOA））和一个TOA传感器。一个完整的升级描述，是由康明斯等人完成[ 1998 ]。升级改善中位精度为500米，并预计闪电检测效率为80至90%（为5KV以上的峰值电流的事件）。正极性闪电具有中等峰值电流少于10KV，相信主要是地闪后的1994年的升级，在康明斯等人建议的基础上被否决。闪电数据绘制使用5公里分辨率。该地块包括县，城市和郊区的轮廓（由人口定义休斯敦地区的密度）。用来创建这些提纲的数据，概述在shapefile格式且来自美国地质调查（可在万维网http://wwwatlas.usgs.gov/atlasftp.html，2001）。

图1

[ 11 ]休斯顿附近对闪电数据进行统计分析确定闪电变化的意义和性质。计算闪电特征在0.7个三个经度0.85个经度框的值（参见图1中所示的位置的方框图休斯敦，哈里斯县和州的加尔维斯顿湾）。一箱（乙）

以休斯敦闪光密度异常为中心（选择包括城市概况和相关的6闪烁平方公里轮廓），其他2个盒子（一个，碳）位于西南和东北的城市（列为环境地区）。这些箱子离海岸线相同的距离，使一个箱子对比其他不会受更多海风。选择的箱的位置，作为代表休斯敦环境，得到了所观察到的西南背景—东北地区地闪密度梯度在东德克萨斯[见奥维尔Huffines，2001、图3 ]的增加。计算每个盒子的平均闪电特征值和比较，据此我们能够评估的定量异常强度。此程序是为每个季节（定义一个月，例如，夏天是六月，七月，和八月）和时间（0900 - 1800）（上午/下午晚），0900 - 1800 lt（夜/清晨））的结合。这个异常的统计意义是通过执行一个片面的平均值[密尔顿和阿诺德，1995的差异采用t检验，351页–352 ]两箱B与一个和箱b与c。

[ 12 ]了解它是否是由许多小的闪电事件或一些大型活动促进增强，总数发生在上述地理位置的每一个闪电在12年期的每一天的箱。每日闪电计数（在所有三个组合），在一个给定的一天，其闪电范围从零到发生闪电。对这些数据进一步分析，通过分割在某一时间的数量，所有三个盒子里闪电并确定每一个闪电间隔的总分数，相结合检测休斯敦箱子（预期值为0.33，无增强）。

4．休斯顿德克萨斯地区闪电特性

4.1 闪电密度

[ 13 ]图2显示了德克萨斯12年（1989–2000）以休斯敦为中心，气候东南部分的平均闪光密度（5公里分辨率）。在此期间，这一地区记录了超过三百万次的闪电。休斯敦市区主导超过6闪烁每平方公里（白色的边框），随着超过7次每平方公里位于东北一个面积约10公里的城市。异常的形状,不对称的，具有更大的价值，向东延伸更远至休斯敦东北。

[ 14 ] 0.7三个纬度由0.85个经度地理箱（图1）被选为比较闪电的数量，休斯敦所在环境异常。表1（2列）显示闪电的数量比休斯敦相比对不同季节和时间平均的环境。计算这些比率，平均密度值休斯敦箱的平均密度除以平均密度环境箱中的值。12年来，增强在闪光密度接近45%。表1也显示了增强功能为0900 - 1800在这段时间。对闪电影响最大的季节是夏季（58%），而冬季则表现最弱在18%。

4.2 正极性闪电百分比

[ 15 ] 所有12年间正面闪烁的百分比是不那么近休斯敦的城市相比附近的环境（12%，表1，列5）。图3显示的分布在整个期间1989-2000中，正极性闪电出现的百分比。只有5%的闪电记录在休斯敦是正极性的。表1显示，夏季最大正极性减少超过休斯敦（20%），而冬季的季节值提高了17%。时间的影响是依赖于季节。

图2图3

4.3 中峰值负电流

[ 16 ] 1989 – 2000年的闪电中的地理分布中休斯敦地区峰值负电流显示了一个非常独特的模式（图4）。在墨西哥湾计算出的峰值电流值相比在陆地上有所提高。该转变是相当尖锐的，位于海岸线。图4显示，增强扩展到加尔维斯海湾。休斯敦的平均值近26KA，而超过海湾水域他们接近32KA。另一个有趣的特点从图4中观察到的是增强电流的延伸位于休斯顿超过80公里的东部和东北部的土地面积。峰值电流有近28KA。

4.4 负极性多样性

[ 17]负极性的多样性在于1989-2000年期间德克萨斯东南部在图5。休斯顿附近的值在2.40-2.85之间。更高的值被定位到休斯敦北部，有一个不同的最低值（2.25）在城市的东部观察到100公里。此外，一个带的增强值附近的2.85个存在的海岸线平行的海岸线。

4.5 中峰值正电流

[ 18 ]图4和图6显示，中位数的最大值峰值正电流（25KA）均小于负电流目前（32KA）在该地区。双方的最高值发生在墨西哥湾。此外，加强正电流（值大概为21KA）位于西部的一半 图6（休斯敦以西50公里），这相当于一图4中最小负电流（24KA）的区域。海岸线过渡到增加的正电流的值，海湾地区没有如此明显的负电流。

4.6 正极性多样性

[ 19 ]图7表明德克萨斯东南地区平均正电流分布的地理分布。从图5看出，正电流值得多样性在于（1 - 1.25）均小于负极性闪电(2.25–2.85)。正极性的闪电有一个逐渐的增加从海岸到内陆的约100公里的地方。显然，城市对这一闪电特性没有影响。

图5

图4

图6

7.结论

[ 39 ] 利用全国雷电监测网检测雷击网的闪电数据对1989-2000年期间德克萨斯东南部以及休斯顿为中心的地区进行地闪研究。在休斯敦发现一个相比较于背景值显着的闪电增强（45%）。从每个季节和一天的时间（上午/下午，隔夜/清晨）分析表明，显着的增强发生在整个一年中，夏季和秋季晚/下午有最大的休斯敦增强（分别为74%和60）。

[ 40 ]统计分析表明，闪电强化与强雷暴事件有关，尤其是在白天的时候超过100次的记录在三个地理盒组合中。如果增加雷暴一开始是在休斯敦地区的气候异常的主要原因，增强应与各种规格的闪电事件的一起被发现。韦斯科特[ 1995 ]的结果表明，城市地区没有发起新的闪电风暴，这表明是通过城市影响最强烈的雷暴。

[ 41 ]对于休斯敦地区闪电增强提出了的几种假设。海风城市热岛效应的事实，在温暖的季节发生的最大雷电增强有了支持，当海风和城市热岛环流最强由于热不稳定和弱风天气尺度因而增加。增加的热能量会加剧城市热岛的风暴，但是有证据表明[布拉姆斯等人.，1981 ]，城市热力学可能不利于雷暴发展。最后，污染是一个重要的考虑因素，在讨论休斯敦环境时，由于强大的炼油厂和汽车存在从而存在大污染。当城市空气污染浓度最高（夏季）时，雷电的强化最为显著。最近的卫星测量表明，在城市对流云的聚结过程大大降低是由于存在大量的CCN[罗森菲尔德和连斯基，1998 ]。降低聚结，根据罗森菲尔德假设，可以提高电荷分离（因此雷电在雷云）通过增加可用的过冷液态水的量。

[ 42 ]休斯敦市也有减少正地闪的百分比的影响。只有物理效果可以推测，他们是基于Jayaratne等人的实验结果。[ 1983 ]。根据他们的结果，如果过冷云滴含有高浓度的污染物，霰会变负极性在温暖的云的温度。这应采取行动扩大主要的负电荷区域降低在云的部分，产生更多的负地闪放电减少正地闪的百分比。然而，阿维拉等人[ 1999 ]表明，较小的雾滴谱霰粒子带正电的原因是温度范围在10°C-25°C。基于Jayaratne等人的研究注意到云的液滴尺寸应该是较小的城市云，这一发现表明，较低的正电荷区域应扩展到云的高海拔地区，假设相矛盾在休斯敦的基础上减少了积极的闪电。

[ 43 ]最后，峰值负电流的估计表明，位于墨西哥和加尔维斯顿湾，沿海依赖性越强，数值越高。对于这个发现，底层盐水的电导率越高

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