陆地和海洋的闪电辐射甚低频能量的差异外文翻译资料

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陆地和海洋的闪电辐射甚低频能量的差异

M. L. Hutchins¹，R. H. Holzworth¹，K. S. Virts¹，J. M. Wallace²　and　S. Heckman³

(1 Department of Earth and Space Sciences, University of Washington, Seattle，Washington，USA．2 Department of Atmospheric Sciences，University of Washington，Seattle，Washington．USA． 3 Earth　Networks，Germantown，Maryland，USA．)

Received 1 March 2013; accepted 22 March 2013; published 30 May 2013.

摘要：采用WWLLN，观测了海洋和大陆闪电的甚低频能量并研究他们的整体对比，发现在海洋上空的闪击一般比那些沿着大部分海岸线边界陡峭的陆地上的闪击更为强烈。为了对闪击中能量分布进行全局分析，提出了一种考虑WWLLN时空变化的线性回归方法。结果与LIS、OTD和ENTLN的数据相吻合，系统综合的比较得出这样的结论：陆地和海洋的雷暴在能量上存在着很大的差异，这导致了在海洋上空会产生较大比例的强闪击。（Hutchins et al., 2012a）

1.引言

全球闪电气候学调查显示，大陆上的闪电活动一般比海洋上的要多（Christian et al., 2003），活动的差异通常归因于云中对流状态的变化。Williams与Stanfill （2002）和Williams et al. （2005）讨论了气溶胶浓度、湿球温度和云底高度作为云电参数差异的主导机制。Zipser（1994）表明由不同表面加热引起的不同的上升气流速度可能导致观测到不同的闪电数量。Boccippio et al.（2000）显示总闪电数不同可能是由于海洋雷暴发生的频率较低，而不是雷暴本身的差异。

除了闪电数量的差异外，还有几次观测表明陆地和海洋雷暴的闪电峰值电流和光辐射之间存在差异（Seity et al., 2001; Ishii et al., 2010）。美国国家闪电探测网（NLDN）观测到海岸外下行负地闪的平均峰值电流较高，但NLDN探测到的海洋闪电仅限于海岸线附近范围（Rudlosky and Fuelberg, 2010; Lyons et al., 1998）。Boccippio et al. （2000）用闪电成像传感器/光学瞬变探测器（LIS/OTD）观察到，与陆地上相比，海洋闪电的光学辐射和范围有所增加。有人认为，对于海洋雷暴来说，能量较大闪电的生成过程或云光学厚度的减小都可能产生更大的光辐射。然而，仅仅利用现有的卫星数据无法确定较大的闪电辐射是由闪电的变化还是云光学厚度的变化引起的。

截至2013年1月，WWLLN由全球70个甚低频（VLF）站组成，使其能以5 km的范围和15 s的定时精度进行检测，预计总闪电检测效率为11%（Hutchins et al., 2012a; Abarca et al., 2010; Rodger et al., 2009）。WWLLN的升级使其能测量除闪击位置外的闪电甚低频辐射能量（Hutchinsetal., 2012b）。测量闪电能量的能力以及网络的全球覆盖范围使其能对陆地和海洋体系的闪电能量进行全面比较。

比较了WWLLN的全球闪电总数和13年的闪电成像传感器（LIS）以及5年的光学瞬态探测器（OTD）的闪击总数。LIS（1997年至今）和OTD（1995年至2000年）基本上都是基于近地卫星的闪电探测器，当卫星从上空经过时，分别在90秒和2分钟内观察单个雷暴的总闪电活动。LIS在402千米的高度上以35°倾斜观测雷暴，而OTD在740千米的高度上以70°倾斜观测雷暴(Christian et al., 1999, 2003)。由于WWLLN优先检测高能闪电，所以会有两种系统间的直接比较，正如Virts et al. (2013)的描述，给出了由于两种系统检测方式的偏差导致的高能和低能闪电数量的比较。

第二个基于地面的探测网络，即ENTLN，用于证实WWLLN数据的结果。ENTLN是一个高密度、宽频带（1赫兹至12兆赫的接收器）的网络，在美国有大约500个操作站(Heckman and Liu, 2010)。ENTLN采用时差法来确定每个闪电的位置，其中至少需要八个站点来生成有效的结果。根据记录的波形，ENTLN推断出闪电的极性、峰值电流以及闪电类型(Liu and Heckman, 2011)。

2.线性回归分析

为了在大的时空尺度上比较WWLLN能量数据，需要对数据进行处理，考虑到检测效率的区域变化和网络性能的时间变化。为了研究闪电能量的空间变化，同时考虑网络变异性，提出了一种线性回归方法。

每天的能量数据在经纬度上每0.5°分一次。每格中的闪电被分成10个能量单位，每个能量单位包含J个闪电，每格的平均能量i由下式给出：

, (1)

由于闪电能量的对数正态分布，的幂数与常数有关。为了在和常量i之间进行线性回归，运用。在和i之间找到一个线性回归，以得到平均能量的近似值：

(2)

拟合的第一个参数C对应于特定空间网格中闪电能量的总平均值，由于C很大程度上取决于计算时间和地点的网络覆盖率，因此在这种分析中不使用它。当覆盖范围较低时（WWLLN仅检测强闪电），C将较大；当覆盖范围较高时，C将较低（WWLLN同时检测强闪电和弱闪电）。通过回归方法，将网络覆盖率和可变检测效率从能量分布中拿出并变为C，从而直接检查能量分布的形状。

第二个参数是回归的斜率，将用于研究陆地和海洋系统之间的能量变化。是平均闪电能量从一个单位变化到下一个单位的量度（对数），因此，一个位置的值等于0.1将使平均闪电能量以10^0.1=25%每单位的速度增加，而值等于0.2将以10^0.2=58%每单位的速度增加。高能闪电越多或低能闪电越少，回归斜率越高。能量分布的低能尾主要由网络的效率决定，而高能尾即使在网络较少的地方也总是能很好地检测到。当C影响网络性能时，回归的斜率将主要由分布的高能尾中的闪电能量决定。

图1显示了线性回归方法的一个例子，使用2012年6月1日至15日这15天的数据，分为陆地（黑色）和海洋（灰色）两种闪电。闪电总数被分为图1a所示的10个单位。如图1b所示，并在其点顶部绘制相应的回归线。偏离回归是可以接受的，因为只有增加能量的趋势是重要的，而不需要一个精确的结果。

3.回归斜率图

这项技术在2009年5月至2012年5月的3年WWLLN数据中以0.5°的经纬度网格应用，所得回归斜率如图2所示。对于该分析，计算的回归r平方值必须至少达到0.80才能使用。一般来说，海洋上方的回归斜率较高而陆地上方的回归斜率较低，但探测效率较低的区域（如马达加斯加海岸外）和安第斯山脉等区域除外。该图类似于图3，改编自Virts等 (2013)，后者显示了WWLLN标准化闪电气候与LIS/OTD标准化闪电气候的比例。这些气候是它们的总闪击和闪电总数分别归一化得到的。图3是WWLLN比LIS/OTD优先检测更多闪击的空间分布，因为WWLLN倾向于检测最具能量的回击。直接比较回击能量和闪电的数据是合理的，因为大多数闪电只有第一次，最强的闪击能被WWLLN检测到(Abarca et al., 2010)。

同样的线性回归也适用于一个北美地区2011年的ENTLN数据。绝对峰值电流被用于此回归，而不是闪电能量，结果如图4所示。在ENTLN数据集中，尤其是墨西哥、古巴和海地，陆-海对比明显。这种差异在美国东南部沿海地区也存在，但对比并不那么明显（斜率大约增加0.01而不是0.1）。

对于ENTLN数据，线性回归斜率仅在0.05到0.15之间，而对于WWLLN回归，线性回归斜率在0.05到0.25之间。能量与峰值电流有关且[Hutchins et al.,2012b]。是的1.62倍，然后，ENTLN的回归斜率范围应相应降低1.62倍，或从0.03到0.15。

4．闪击分布

陆地和海洋闪电分布的全局比例图清楚地显示了更高能量闪电出现在海洋上空的普遍性。WWLLN的能量分布数据是针对一系列发生在陆地上和发生在海洋上的闪电，这些发生在海洋和陆地上闪电的能量分布的比例如图5所示。

当闪电能量增加到3000 J时，海陆比开始迅速增加，这表明在海洋上的高能（最高15%的闪击能量）闪电比在陆地上的要多。同样，闪电能量降低，比例也普遍下降，下降趋势被一个接近10 J的冲击打断。

5.区域对比

在图2和图3中，陆地和海洋的闪电有着明显的总体差异，而且在跨过大多数海岸线上都可以看到明显变化，这就提出了一个问题，即是否应将跨海岸线时的网络检测效率视为变化的潜在原因。选择三个区域进行更仔细的检查，如图6a中WWLLN相对检测效率图上部的白色框所示：北美、西非和巴西东北部。

WWLLN有一种固有的倾向，即更容易探测到海洋上空的低能闪电，这是由于海洋上VLF波的衰减较低，因此，与陆地上相同的闪电相比，在海洋上传播的低能闪击VLF波可以到达更多的WWLLN站。因此，WWLLN自然倾向于观测陆地上最高能的闪电和水上相对较低能量的闪电(Hutchins et al., 2012b)。第2节中描述的线性回归方法可以消除WWLLN中的大部分偏差，并且最近有关相对检测效率的工作在某种程度上可以检查(Hutchins et al., 2012a)。图6中三个区域的选择使得相对探测效率的梯度平行于海岸线变化。

在北美和墨西哥湾，如图6b所示，墨西哥、佛罗里达、古巴和海地上空的闪电都比附近海域弱，图4中ENTLN的数据也显示了这一点，相对检测效率(Hutchins et al., 2012a)在该地区相当一致，而在大西洋上空变化最大，回归斜率却没有变化。在美国中部，有一个很大的高能闪电区域，在ENTLN的回归斜率（图4）和LIS/OTD计数比例（图3）数据中也观察到了这一点。

如图6c所示，在西非，陆地和海洋有着明显的区别，海岸的闪电能量变化很大，在这种情况下，变化的探测效率与海岸线平行，并且不会影响海岸线闪击强度的变化。

如图6d所示，巴西的差异与西非相似，只是亚马逊河三角洲的闪电能量有所增加，即使三角洲的面积增加，远离海岸的地方与三角洲西北海岸线的回归斜率变化仍存在一定的对比。

6.结论

本文提出了一种线性回归方法并将其应用于WWLLN数据集，研究了多年雷击强度数据的全局和局部变化。通过对WWLLN、ENTLN和LIS/OTD的比较，可以看出，闪击强度之间的差异很大程度上取决于雷暴是发生在陆地上，还是发生在沿大多数海岸线有尖锐边界的海洋上。对较小的区域进行检查，以表明沿海岸线的差异不是由于网络检测效率的突变造成的。小于100公里的海岸变化的剧烈程度表明，这种影响是由局部现象造成的，而不是由对流性的陆海地区的大规模变化造成的。大陆区域内存在着变化，但这些变化没有得到检验，因为各区域之间的潜在变化不如海岸线那样剧烈。

参考文献：

Abarca, S. F., K. L. Corbosiero, and T. J. Galarneau (2010), An evaluation of the Worldwide Lightning Location Network (WWLLN) using the National Lightning Detection Network (NLDN) as ground truth, J. Geophys. Res., 115(D18), 1–11, doi:10.1029/2009JD013411.

Boccippio, D. J., S. J. Goodman, and S. Heckman (2000), Regional differences in tropical lightning distributions, J. Appl. Meteorol., 39(12), 2231–2248, doi:10.1175/1520-0450(2001)040lt;2231:RDITLDgt; 2.0.CO;2.

Christian, H., et al. (2003), Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector, J. Geophys. Res.,108(D1), 4005, doi:10.1029/2002JD002347.

Christian, H. J., et al. (1999), The lightning imaging sensor, In 11th International Conference on Atmospheric Electricity, Guntersville, AL, 746–749.

Heckman, S., and C. Liu (2010), The application of total lightning detection for severe storm

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