宇宙线福布希下降对京津冀地区闪电计数的短期影响

宇宙线福布希下降对京津冀地区闪电计数的短期影响 () 文章编号 :1004 - 2261 200102 - 15 - 03 宇宙线福布希下降对京津冀地区闪电计数的短期影响 1 ,2 1 1 2 ,3 付元芬, 李双喜, 黄寅亮,陶祖钰 (1 . 天津理工学院 基础教育学院 , 天津 300191 ; 北京大学 暴雨监测与预报国家重点 , 北京 100871 ; 2 . )北京大学 地球物理系 , 北京 100871 3 . 摘要 : 研究 1989 年,1994 年间夏季前后福布希下降对 LL P80 - 02 型闪电定位系统在此期间 于京津冀地区所测的 227 326 次闪电活动的短期影响后发现 , 在所覆盖的 600 km ×600 km 区 域内 , 在渤海湾至河北中部及河北西部一带 , 闪电次数存在两个数百公里尺度的正响应区 , - 3 差异显著性置信度优于 5 ×10 . 而在此区域内 , 闪电活动对耀斑爆发恰恰相反 , 是明显的 负响应. 关键词 : 宇宙线 ; 福布希下降 ; 闪电 ; 天气 Ξ 中图分类号 : P42文献标识码 : A Short term eff ect of Forbush Decrea se on the l ightn ing f requency over Beijing2Tianjin2Hebei region 1 , 2 1 1 2 , 3FU Y u a n2f en, L I S h u a n g2x i , HU A N G Y i n2l i a n gi, T A O Z u2y ui (1 . Fo undamental Educatio n College , Tianjin Instit ute of Technology , Tianjin 300191 ,China ; 2 . L SSR Peking U niversit y ,Beijing 100871 ,China ; )3 . Dep t . of Geop hysics , Peking U niversit y ,Beijing 100871 ,China Abstract : The sho rt ter m respo nses of 227 326 light ning measured by LL P80202 to Fo rbush De2 crease over Beijing2Tianjin2Hebei regio n aro und t he summers of 1989, 1994 are st udied. In t he regio n of 600 km ×600 km , t here are t wo areas of po sitive o bvio us respo nses bot h wit h a scale of several hundred kilo meters. They are in t he Bo hai Bay covering t he middle of Hebei wit h a signif2 - 3 icanct level bet ter t han 5 ×10 and t he west of Hebei . But in t hese t wo areas , t he respo nses of light ning activities to solar flares wit h just oppo site behavio ur are evidently negative . Key words : co smicrays ; Fo rbush Decrease ; light ning ; weat her 太阳活动影响短期天气过程最有希望的途径 使电离层电势和近地电场减弱 , 而宇宙线福布希 是通过太阳活动及其伴随效应调制大气电状态来下降使它们增强. 黄寅亮教授等将我国雷暴活动 1 ,2 . 太阳耀斑所伴的电磁辐射和粒子辐 对福布希下降的响应与对耀斑爆发的响应的空间 实现的 5 射增强了中性大气的电离 , 而福布希下降则使银 分布加以比对后发现, 它们所呈现的空 间 分 3 ,4 . 河系宇宙线减弱而减弱了中性大气的电离布位置大致相同 , 但响应性质确实相反. 付元芬 2 6 、7 Hays 和 Ro ble在全球电模式下 , 分别计算了两副教授等曾使用中国气象局强风暴实验室京 内闪电计数叠加构成此小区内闪电计数对福布希 LL P80 - 02 型闪电定位系统于 1989 年,1994 年 ( 12 天统计序列. 用序列的前 5 d -下降响应的 所测得的 227 326 个云 —地闪电纪录 , 分析研究 dd) 过在相应时段与太阳耀斑爆发之间的相关性 , 结 1, - 5的计数平均值作为第一组代表福布希 d ( 果表明 , 在渤海湾地区及河北中西部存在明显的 下降前的闪电活动水平 , 关键日及其后 1 d 0, - 3 d) 负响应区 , 其响应置信度优于 5 ×10 , 耀斑爆 1为第二组代表福布希下降当日及其后的闪电 d d 发后闪电频数下降 1318 %. 本文的目的是想使) ( 水平 , 其余 5 d + 2, + 6代表恢复期的闪 用京津冀地区这组闪电记录进一步研究它们对宇电水平. 用 F 分布检验确认两组的差可看 并与 5 中所得 宙线福布希下降的响应性质 , 作相等后 , 用 St udent —t 分布检验第一组和第二 的结果进行对比.组闪电计数平均值的差异显著性 , 将每个小区所 得到的 t 值添入相应的小区中得到整个区域 100 资料来源1 个 t 值的方阵 , 由此得到闪电计数对福布希下降 闪电数据来源与文献 相同. 福不希下 7 的正负响应分布 , 见图 1 . 降资 料 取 自 Mt 1Washingto n Neut ro n Mo nito r 的 ( 观 测 数 据 , 由 互 联 网 下 载 网 址 : f tp : / / f tp1ngdc1noaa1gov/ S TP/ SOL A R - Data/ CO S2 ) M IC - RA YS/ FO RB U SH - D ECR EA SES/ . 1989,1994 年间共有日平均大于 3 %的宇宙线福 布希下降 40 次 , 其中相应云 —地闪电数据的 27 个月时段内 , 共有 16 次 . 发生时间与下降百分 比列于表 1 . 表 1 宇宙线福布希下降日期与下降百分比 ( )Ta ble 1 Fo rbush Decrease date and % decrease daily averages 日期 1989 1991 年 08 . 14 08 . 19 08 . 28 09 . 04 09 . 06 09 . 18 08 . 09 06 . 04 ( )U T 图 1 京津冀地区闪电计数对福布希下降的正负响 应分布及明显响应区响应置信度下降 3 . 7 5 . 5 4 . 0 4 . 9 7 . 2 4 . 2 4 . 2 4 . 0 Fig. 1 The dist ributio n of positive and negative respo nses ( )% of light ning count to Forbush Decrease and t he sig2 日期 nificant levels of t he evident respo nses areas in Bei2 1991 1992 1994 年 06 . 30 07 . 08 08 . 18 09 . 08 10 . 31 jing2Tianjin2Hebei regio n 06 . 11 05 . 09 06 . 17 ( )U T 统计结果及其检验3 下降 11 . 2 7 . 4 5 . 1 5 . 1 5 . 6 4 . 5 3 . 5 3 . 0 ( )% 由图 1 可知 , 33 个小区呈不慎明显的负响 ( ) 应 t > 0, 多集中于内蒙 、河北西北部及永定 统计2 ( ) 河谷 一 带 ; 67 个 小 区 t < 0 呈 明 显 正 响 应 , 与文献 7 类似 , 首先将以北京为中心的 集中于渤海湾至河北中部及河北西部地区 , 其中 2 2 600 km区域等分为 60 km的 100 个正方形小区 .渤海湾至河北中部 11 个小区 , 单个 | t | 均大于 对每一个小区内按世界时划定的日界记入每日的 2 , 将它们的响应数据串进行叠加后 , 得到相应 闪电次数 , 由此构成了一个闪电次数的时间序 区域响应的 12 d 闪电计数数据串 , 列于表 2 . d 列 . 在每一个小区中 , 用时序叠加方法统计闪电 ( ) 由表 2 可知 , 福布希下降当日 0及其后 d次数对福布希下降的响应 , 即福布希下降日定为 ) ( 其响应时序叠加 1d + 1闪电计数明显增加.ddd() ) ( 关键日 0, 取其前 5 d - 1, - 5和后 6 d 闪电计数频率直方图示于图 2. 由图 2 可以看dd ( ) + 1, + 6对每一个福布希下降事件截取一, 闪电计数对福布希下降的响应呈凸状方波形 出 个 12 d 的闪电计数数据串 , 然后将 16 个福布希 式 . 福布希下降当日及后一天 , 闪电计数平均增 d () 下降的数据串的关键日 0对齐后 , 将对应列 加 18014 % , 然后迅速恢复. 此区域福布希下降 第 2 期 付元芬等 : 宇宙线福布希下降对京津冀地区闪电计数的短期影响 17 后闪电计数明显增加通过 St udent2t 检验的置信 明 , 相隔 10 多年 , 基本处于两个不同的太阳活 - 3 度优于 5 ×10 , 其它明显响应区域及其响应置 动周期间 , 用不同方法记录得到的雷暴活动对宇 信度均标在图 1 中 . 宙线福布希下降的响应是一致的 、稳定的 , 而且 这种响应与对耀斑爆发的响应相反. 再次从一个 2 侧面支持了 Hays 与 Ro ble在全球电路模式下 的计算结果. 总之 , 太阳耀斑及其伴随的宇宙线福布希下 降通过调制大气电环境影响雷雨云的发展 , 进而 然而这类影响 影响短期天气过程是完全可能的 , 5 - 10 的性质存在明显的区域分布, 这一点是目 前盛行理论难以解释的. 进一步广泛 、深入的揭 示响应的事实 , 探讨其机理是十分必要的 . 参考 文 献 : 渤海湾至河北中部区域闪电计数对福布希 图 2 2 1 Mar kso n R. Solar modulatio n of at mosp heric elect rifica下降的响应直方图 tio n and possible implicatio ns for t he sun2weat her rela2 The respo nse of light ning f requency to Forbush Fig. 2 tio nship J . Nat ure ,1978 ,273 :103 . Decrease in Bo hai Bay2middle of Hebei Hays P B , Roble R G. A quasi2static model of global at2 2 mosp heric elect ricity 1 J . The lower at mos p here , J . 渤海湾至河北中部 11 个小区闪电计数 表 2 Geop hys. Res. ,1979 ,84 :3291 . 对福布希下降的响应数据 ( )3 Herman J R , Goldberg R A. 太阳 、天气 、气候 中译本 Ta ble 2 Data of t he respo nses of light ning count M . 北京 :气象出版社 ,1982 . 庄洪春 , Roble R G. 宇宙线对地球大气的电离及其受 to Forbush Decrease in 11squares of 4 () 太阳活动的调制 J . 中国科学 A,1983 ,7 :667 . 黄寅Bo hai Bay - middle of Hebei 亮 ,付元芬 ,陈济民 ,等 . 我国雷暴活动对宇宙线 福不对应 5 希下降的短期响应 J . 天体物理学报 ,1996 ,16 : - 5 - 4 - 3 - -2 1 0 + 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 ( )日 d 82 . 付元芬 ,李双喜 ,黄寅亮 . 太阳耀斑爆发对京津冀地区 闪电 475 278 742 391 3549 2 585 2 071 179 540 976 633 1 322 云 - 地闪电活动的影响 J . 天文学报 ,2000 ,41 :104 . 计数 6 付元芬 ,李双喜 ,黄寅亮 . 京津冀地区闪电计数对太阳 耀斑爆 发 的 响 应 J . 天 津 理 工 学 院 学 报 , 2000 , 16 7 讨论4 () 2:1 . 黄更生 ,刘小宁 ,黄寅亮 ,等 . 太阳耀斑对我国华东地 上述结果表明 , 时空分辨率更高的闪电纪录 区雷暴活动的影响 J . 科学通报 ,1987 ,6 :455 . ()系统所测得的在京津冀地区 1989 年,1994 年 付元芬 ,黄寅亮 ,陈济民 ,等 . 我国雷暴活动对太阳耀 8 斑爆发的短期响应 J . 天文学报 ,1993 ,34 :288 . 付元的闪电计数对宇宙线福布希下降存在自渤海湾至 芬 ,黄寅亮 ,陈济民 ,等 . 我国雷暴活动对太阳耀 斑响 9 河北中 部 一 带 正 响 应 区 , 响 应 置 信 度 优 于 5 × 应 的 东 西 不 对 称 性 J . 天 文 学 报 , 1997 , 38 : - 3 中闪电活动对耀斑爆发的 10 . 与文 6 7264 . 10 明显负响应区基本吻合 ; 与文 5 中利用 197 年 1,1980 年我国基本气象站观测的耳目测雷暴 纪录对福布希下降的正响应分布相一致. 从而说