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南美洲闪电活动日变化

Eldo E. Aacute;vilasup1;,Rodrigo E. Buuml;rgessersup1;,Nesvit E.Castellanosup1;, and M. Gabriela Nicorasup2;

摘要：卫星观测的闪电分布数据是用来探究在南美洲的热带和亚热带地区闪电活动的日变化，并且用于谐波分析研究在这个地区闪电活动日变化空间分布和强度峰值的。结果表明，在南美洲的北部和中部地区，闪电活动集中在下午到晚上(当地时间14:00至18:00)，这可能是由局部对流活动与白天日晒引起的地表升温所造成的。在南美亚热带地区，尤其是在纬度25°S-35°S、经度70°W-50°W的地区，闪电活动峰值出现的时间延迟到夜间，接近午夜凌晨。这种现象与在该地区发生在早晨的中尺度对流系统有一定的联系。热带的闪电密度一年只有一段时间最高，并且亚热带地区大陆被发现有类似的现象。然而，由于热带地区的地表面积是亚热带地区地表面积的两倍以上，所有季节全球电路主要受热带地区大陆的影响，受在亚热带大陆的影响较小。

关键词：南美洲闪电活动的日变化、南美闪电活动集中在热带当地下午、南美亚热带地区夜间闪电活动

1. 引言

大量研究表明,南美大陆的在热带和亚热带地区对流系统引起了大部分降水和恶劣天气。[Pereira and Rutledge, 2006; Zamboniet al., 2010; Rasmussen and Houze, 2011; Durkee et al., 2009; Romatschke and Houze, 2013]。特别是Romatschke Houze[2010]在阿根廷北部发现了最大的对流核。Salio et al.[2007]和Romatschke Houze[2010],等等已经研究了导致中尺度对流系统（MCSs）和中尺度对流复合体(MCCs)在南美不同地区的发展条件。

众所周知,气象现象的日变化包括降水、冰雹、风和闪电，这些因素为研究该地区对流活动提供了重要信息。雷暴的日变化和雷雨、降雨有直接联系[Sterling and Robinson, 1985]。地表白天受到日晒的影响，边界层较为稳定,所以发现最大降水频率的时间出现在下午时段[Dai, 2001; Nesbitt and Zipser, 2003, among others]。然而，有许多天气和中尺度气象现象,例如中尺度对流系统等经常发生，可能会改变特定地区典型的昼夜周期最大频率出现的时间。

很多学者已经对在南美的不同地区降水的日变化进行了深入的研究。De Angelis et al. [2004]为了评估日降雨量变化的性质，分析了热带和亚热带地区降雨的气候学特征；Angelis et al. [2004]研究了在亚马逊降雨的日变化；Rickenbach[2004]研究了亚马逊西南部云层和降水的昼夜变化。这些研究的结果指出，除了主要的下午时段降水，在夜间存在第二次峰值，因此白天日晒并不是影响该地区唯一因素。Romatschke Houze[2013]还研究了在南美不同的地区的昼夜沉淀云系统。他们发现，大陆热带地区的降水通常是由大型层状的对流系统引起的。在安第斯山麓东北部,夜间大中型规模的对流系统通常发生在潮湿的山麓底层。另一方面,在亚热带大陆地区往往存在强烈的自然对流,特别是在东部安第斯山脉的山麓。随着天气系统向东移动，穿过拉普拉塔盆地，夜间带有较大规模的层状对流系统发生在限定区域内。相比之下,在亚马逊流域,白天降水系统活动比夜间小。在巴西高原(覆盖大部分的东部、南部和中部部分巴西)，降水的雷达回波(gt; 40 dB)通常规模较小，更多的对流天气大多发生在高架地形的下午。

很多学者通过野外观测对闪电活动进行了探究[Lhermitte and Williams, 1985; Carey and Rutledge, 1996; Petersen et al，研究表明，在雷暴中闪电的生产与冰粒子和位于0°C和40°C等温线之间的、带有强烈上升气流的混合相位云层相关联。尽管 Aacute;vila et al. [2011] 认为在冻结成冰的地区，电荷分离严重的云层甚至可以发生在40°C等温线之上,这意味着该区域的云有活跃的电荷分离机制，并且云的范围也比之前学者们认为的更大。这些结果表明，闪电的生产和云的微物理、动力学特征之间有强有力的联系。虽然有大量关于天气昼夜模式的研究,但主要的降水和雷暴活动是发生在超过整个南美洲的更广阔的区域内，在南美大陆上闪电活动日变化的研究相对有限，可能是因为闪电数据的匮乏，特别是20世纪前。随着高时间分辨率静止卫星的发展，闪电数据也更加具有可用性，如热带雨量测量卫星（TRMM）的数据集，现在可以探测到在之前探索较少区域的闪电日活动。考虑到在南美不同地区降雨模式强劲的日变化,本研究中我们将关注在这个大陆上的闪电活动。

很多学者在南美的一些区域对闪电活动进行了研究。例如，Williams et al. [2002]和Altaratz et al. [2010] 发现亚马逊地区的闪电活动受到烟雾的影响。Naccarato et al. [2003] 分析了巴西东南部的城市地区的气溶胶对云地闪密度和极性的影响。Collier et al. [2013] 在南美一些国家使用闪电成像传感器(LIS)数据研究区域性的闪电气候学。这些气候学是用来评估了闪电的年际变化。发生在委内瑞拉的卡塔通博闪电现象，使该地区成为全球年闪电密度最高的地区，闪电密度为250次/（kmsup2;·a）。Buuml;rgesser et al. [2012] 使用全球闪电位置的网络数据在该地区高闪电活动中心进行了时间尺度从小时到年的识别和分析。

Rasmussen et al. [2014]使用TRRM卫星数据，研究了在南美洲亚热带地区闪电的季节变化,日变化和极端闪电。他们发现在春天和秋天阿根廷和巴拉圭东北部的闪电活动最大,而在夏季,闪电活动集中在安第斯山脉的山麓。在季节过渡期间，较大的闪电活动与较大区域内的对流风暴有关,并且安第斯山脉山麓的最大闪电活动与该区域的对流风暴的相关联。这项研究通过闪电活动日变化的分析发现安第斯山脉山麓的闪电活动峰值发生在夜间。

人们普遍认为闪电是全球电场的主要影响因素之一[Bering et al., 1998; Williams, 2009; Liu et al., 2010]。事实上,研究昼夜闪电活动的主要意义是阐明天气的电场变化与卡内基曲线的平衡。Blakeslee et al.[2014]使用来源于光学瞬态探测器和闪电成像传感器(LIS)的闪电数据，研究了日闪电周期的季节性变化和年度变化对整个世界、大陆、海洋区域电场所产生的影响。总的来说,Blakeslee et al.认为在大陆日闪电活动的主峰发生在当地时间15点-17点之间。同时，Blakeslee et al也研究了日闪电活动高峰的地理分布,发现在某些特定位置，如美国中部、阿根廷、和西非的日变化峰值发生在当地深夜或凌晨。并且他们发现南美主要是春季和夏季季节对全球电路产生影响。

虽然有许多在南美区域范围内的闪电特性研究，但这些闪电活动日变化的研究缺乏地理分布。为了填补这一空缺，本文分析了在南美洲热带和亚热带季节性闪电活动日变化，以及1998年到2013年时间分辨率静止卫星数据和热带雨量测量卫星（TRMM）数据的可用性。本文讨论了在当地气象条件下可能引发形成的不同闪电活动模式的原因，并且将这些研究成果与在世界其它地区的类似的研究成果相比较。本文也比较了南美热带和亚热带大陆地区的季节性闪电日变化，并且研究了全球大气电场的影响因素。

2.资料来源

本研究使用的数据来源于TRMM卫星闪电成像传感器，用于分析任何连续穿过传感器视野(600times;600平方公里)的风暴所造成的总闪、云闪和地闪( [Christian et al., 1999])。闪电成像传感器的观测时间是80s，因为TRMM卫星轨道的倾角是35°，闪电成像传感器只能检测35°N纬度和35°S纬度之间的闪电活动。Buechler et al. [2014] 研究了在1998-2010期间闪电成像传感器（LIS）性能的稳定性，研究发现仪器性能并没有明显的退化，但也没有明显增强。

随着TRMM卫星不断穿越地球表面,LIS只在短暂的一段时间内覆盖了特定地区,并且这种情况也不一定是每天都发生。因此,有必要准确和完整的描述闪电活动的覆盖面积,并且采用适当的平均和网格数据集。

为了获得这些合适的数据， Cecil et al. [2012]利用LIS在1998年和2013年之间收集的闪电数据来计算季节性闪电活动日变化的年度闪电密度。每个轨道上被观测到闪电的总视野时间及范围限制在1 htimes;2.5°times;2.5°(地方太阳时)内。闪电总数与检测效率成适当的比例,并且视野时间是观测时间与网格框大小的乘积。合并后的闪电率是之和是LIS观测到的闪电数之和与LIS 视野时间总和之比。合并后的闪电率代表在当地时间日变化闪电活动的平均值，单位是次/kmsup2;·h。

为了定量分析当地昼夜周期的峰值振幅和相位,在每个网格单元上数据采用谐波分析的方法。日循环与时间正弦函数关系，公式如下：

(1)

其中 为日闪电率，a为24h内的闪电活动，b闪电活动的振幅振荡的时间，c是日变化的相位(弧度)，这是闪电活动峰值发生时的重要一个指标。简单来说,假设一个谐波模型很好的、再现了现在工作相关的属性数据的振幅和相位。为了获取在日变化分布形状的信息，每个网格需用幅值和均值之比(NA = b / a)来计算，这与 Easterling and Robinson [1985]提出的观点一致。

NA lt; 0.5：闪电活动日变化缺乏明确的峰值的或者存在双峰值

0.5le;NAle;1.0：日变化有明显的峰值

NAgt;1 ：在日闪电活动带有显著峰值、发展成熟的日变化

每个网格单元的准确性的评估事通过Rsup2;来参数计算。参数Rsup2;是响应值和预测响应值之间的相关性的平方。Rsup2;可以取在0和1之间的任何值，若值接近1,表明模型的方差占更大比例。

图1表示三个不同的区域具体的昼夜周期和适合LIS正弦函数数据(实线)。不同网格代表不同的地区闪电特征。黑色圆圈表示使用空间分辨率2.5°的LIS数量每小时每平方公里观测到的闪电数。图1显示了一次坐落在亚马逊流域在南美洲的热带地区，网格单元中心经度61.25°W、纬度8.75°S的日变化闪电活动，闪电峰值发生在15:00-17:00，NA参数为1.32。图1 b显示一次闪电活动的日变化，网格单元中心为经度63.75°W、纬度23.75°S位于亚热带地区的南美安第斯山脉的斜坡。这项研究中，发生在此网格的闪电峰值出现在21:00，并且NA参数为0.86左右。图1 c表示网格单元中心为经度56.25°W、纬度31.25°S，位于亚热带地区普拉塔拉盆地的日变化，最大的闪电活动出现在午并且NA参数为0.21。

通过谐波分析显示了在前两个网格响应值预测响应值之间的良好相关性(图1 a和1 b)。两个网格的Rsup2;参数都为0.75。在拉普拉塔盆地(Figure1c)的网格单元，Rsup2;参数为0.31，这意味着模型不能解释的方差数据显示闪电。

总的来说,结果表明,当NA参数显示值高于0.5时，谐波分析(Rsup2;gt; 0.5)可以合理准确代表闪电活动的日变化。若NA的降低值，模型则不能解释闪电数据变化。

图1 来源于LIS数据(黑色圆圈)和正弦拟合(实线)的空间分辨率2.5°,网格单元中心(a)经度61.25°W、

纬度8.75°S ,(b)经度63.75°W、纬度23.75°S,(c)经度56.25°S 、纬度31.25°W的闪电活动昼夜周期

1. 结果与讨论

南美(SA)被认为是主要的热带大陆区对流和闪电活动活跃的地区[Christian et al., 1999, 2003; Boccippio et al., 2000; Zipser et al., 2006]。图2显示了南美季节性的闪电密度分布图。这图显示了闪电年平均电密度(AFD) (flashes /kmsup2;·yr)的季节性变化 ，资料源自空间分辨率为0.5°times;0.5°从1998年1月到2013年12月之间的LIS观测到的数据。最大的季节性年度闪电密度发生在9月至11月；闪电活动高于40次/kmsup2;·yr，覆盖几乎整个南美地区(图2a)。图2b表明12月到次年二月闪电活动也很活跃时期,类似于9月至11月,但闪电活动主要发生在南美的南部地区。同时,在北半球的冬季(NH)，南美大陆的北部和中部地区年闪电密度较较低(图2 b)。在南美地区的秋季（3月-5月）闪电密度较低（图2c）。最后在南美地区的夏季（6-8）闪电活动大大增强（图2d）。有趣的是在图2中位于南美东北部的一定区域内，包括阿根廷、巴西南部、巴拉圭和乌拉圭(包括拉普拉塔盆地)，在全年所有季节闪电密度都很大。这一地区在夏季和秋季会发生较大的对流核心，并伴随着强烈的闪电活动。

图2 南美季节性的闪电密度分布图 （a）9月-11月；（b）12月-2月；（c）3月-5月；（d）6 月-8月 资

料源自空间分辨率为0.5°times;0.5的°LIS从1998年1月到2013年12月之间观测到的数据

图3显示了南美地区在9月-11月（图2a）、12月-2月（图2b）、3月-5月（图2c）、6月-8月（图2d）闪电最大活动的日变化。结果表明,

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