一次强对流活动中雷电与降水廓线特征研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(PR)和闪电成像传感器(LIS)的逐轨探测结果,通过资料匹配处理方法,并配合常规气象资料,分析了2006年6月29日黄淮地区一次强对流活动中不同类型雷暴单体(Area,LIS探测资料认为近似于雷暴单体)的降水廓线,并分析了降水廓线与雷暴闪电频数的关系。结果表明:该强对流系统的雷暴单体可分为对流降水、层云降水、对流与层云混合降水3种雷暴单体,其中,混合降水雷暴单体数量最多,对流降水雷暴单体数和层云降水雷暴单体数量较少;并且雷暴单体中的闪电大多发生在对流降水区。结果还表明,不同闪电频数的雷暴单体相应的降水廓线差别明显:雷暴中闪电频数越大,5km以上高度廓线给出的雨强越大(对流降水廓线尤其如此),说明雷暴单体中闪电越多时,降水云冻结层以上存在的冰相粒子越多。     

甘肃一次冰雹过程降水及闪电活动特征

利用热带测雨卫星(TRMM)的测雨雷达(PR)、微波辐射计(TMI)和闪电成像仪(LIS)资料分析2012年8月25日甘肃省一次较强冰雹过程。结果表明,本次过程受3个分散的β中尺度对流系统影响,对流云像素点约为层云的1/2,对流云平均降水率是层云的8.2倍。冰雹云回波顶高度近13 km,回波强度大于55 dBZ的最大高度为7.5 km左右,降水率大于45 mm·h^-1的云层厚度约7 km。降水廓线反映出降水率垂直分布不均匀,对流降水中50、10 mm·h^-1的降水率随着高度的升高先增加后减小,在9 km左右减小明显。此次冰雹过程的闪电发生临近处6 km雷达反射率高于40 dBZ,85 GHz极化修正亮温低于210 K。     

北京一次强飑线过程的闪电辐射源演变特征及其与对流区域和地面热力条件的关系

利用2015年夏季北京闪电综合探测（BLNET）总闪辐射源定位、多普勒天气雷达、地面自动气象站和探空资料等多种协同观测资料,详细分析了2015年8月7日北京一次强飑线过程不同阶段的闪电特征,并探讨了闪电与对流区域和地面热力条件之间的关系。飑线过程整体上以云闪为主,根据雷达回波和闪电频数可以将飑线过程分为发展、增强及减弱三个阶段。发展阶段表现为多个孤立的γ中尺度对流降水单体,随着北京城区降水单体的迅速发展,强回波顶高延伸到-20℃温度层高度,闪电辐射源高度也逐步增加,闪电明显增多,但总闪电频数整体低于80次/min。增强阶段单体合并,闪电频数快速增长,0℃层以上及以下的强回波（＞40 dBZ）体积明显增大,飑线形成后,总闪和地闪均达到峰值,分别约248次/min和18次/min,负地闪占总地闪比例为90%,辐射源主要分布在线状对流降水区内,辐射源数量峰值出现在5～9 km高度层。减弱阶段飑线主体下降到0℃以下并迅速衰减,辐射源分布明显向后部层云降水区倾斜。95%的闪电发生在对流线附近10 km范围内,即对流云区和过渡区。在系统发展和增强阶段,对流云区与层云区辐射源的活跃时段基本一致;系统减弱阶段,对流降水云区辐射源数量迅速减少。在系统的不同发展阶段,闪电活跃区域对应于冷池出流同平原暖湿气流在近地面形成的相当位温强梯度带内。     

山东半岛一次强飑线过程地闪与雷达回波关系的研究

利用山东省气象局地闪定位资料和青岛多普勒雷达资料,分析了2007年7月31日发生在山东半岛一次强飑线过程的地闪活动演变特征以及地闪活动与雷达回波特征的关系.结果表明,此次过程中地闪异常活跃,最大频数达到1 212 fl· (10 min)-1,但正地闪仅有15次.在飑线系统快速发展阶段,地闪频数出现了两次“跃增”现象,地闪频数随时间的增加呈“阶梯状”发展特征.地闪主要集中发生在6 km高度上雷达回波≥35 dBZ的区域,地闪频数与45 dBZ以上强回波面积的相关系数达到0.89,但也有少量地闪零星分布在弱回波区域.地闪频数与45 dBZ回波顶高的相关性要好于与35dBZ和50 dBZ回波顶高的关系,二者之间的相关系数为0.71.为了定量分析对流强度与地闪频数之间的关系,定义了8个对流强度指数,其中0℃层以上所有强回波的反射率因子值之和与0℃层以上所有强回波的反射率因子值与所在高度的乘积之和以及地闪频数的关系非常稳定.对比分析不同强度的对流系统,发现不同雷暴天气过程中的对流强度与地闪频数的关系明显不同,即对流越强,相应的对流强度与地闪频数的相关关系也越好.另外,在飑线系统的发展演变过程中,地闪频数与0℃层以上和7～11 km高度的冰相降水含量也存在着非常密切的关系,相关系数均在0.8以上.     

利用TRMM卫星资料对河南一次强飑线过程的闪电活动分析

选取一次飑线过程的3次TRMM卫星同步轨道观测数据,分析了飑线中闪电与雷达回波的关系,结果表明：81％的闪电发生在7km高度雷达回波大于35dBz的像素附近。闪电绝大部分发生在对流降水区,占总闪电数的94％。发生闪电的对流单体其7km最大雷达反射率一般大于35dBz,6km与9km最大雷达反射率因子之差在15dBz以下,其数量占到总数的85．7％。对流单体雷达反射率中值廓线能够较好地表示单体闪电频数。     

中国东部及邻近海域暖季降水系统的闪电、雷达反射率和微波特征

利用热带测雨卫星的测雨雷达、闪电成像仪和微波辐射计8个暖季的轨道观测资料,研究了中国东部及邻近海域不同类型降水系统的地理分布规律和日变化特征及其闪电活动、雷达回波顶高和微波亮温的特征,并进一步分析了闪电与雷达回波顶高、微波亮温和冰相降水含景之间的关系.结果表明,两个地区的降水系统绝大部分都是无冰散射系统(占85%以上),非中尺度冰散射系统占10%左右,中尺度冰散射系统仅占约1.5%.中国大陆东部降水系统的日变化特征明显,而东海地区日变化幅度很小.中国大陆东部和东海地区分别约有93%和97%的降水系统没有闪电记录,并且前者闪电发生概率高于后者.中尺度冰散射雷暴不但闪电频数最高,而且贡献了总闪电的一半以上.随着降水类型强度的增强,20 dBz最大高度明显增高,最小85 GHz和37 GHz极化修正亮温则逐渐降低.对于同样的20 dBz最大高度和最小85 GHz极化修正亮温,中国大陆东部降水系统发生闪电的概率均高于东海地区.降水系统尺度上的闪电频数与最小85 GHz极化修正亮温的关系在稳定性和相关性方面要好于其与20 dBz最大高度的关系,而闪电频数与7-11 km的总冰相降水含量之间的相关性又比其与最小85 GHz极化修正亮温有了较大的提高.进一步研究表明,单体尺度上的闪电频数和7-11 km总冰相降水含量之间也表现出了非常密切的关系,在两个研究地区的相关系数都超过了0.7.     

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(Z_H)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的Z_H中值随高度增加而减小, 但差分反射率(Z_DR)、差分传播相移率(K_DP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应Z_DR和K_DP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均Z_H比闪电通道位置处的平均Z_H大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应Z_H分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。      

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

2000—2007年登陆台风中闪电活动与降水特征

利用TRMM卫星LIS, PR和TMI资料,对2000—2007年41个登陆我国的台风中闪电活动和降水特征进行分析。结果表明:台风中的闪电活动整体较弱,相对而言,外雨带中的闪电活动最强,其次是眼壁,内雨带最弱,而眼壁的闪电密度最大。闪电活动沿台风径向有两个明显的高值区,主峰出现在距台风眼375 km的外雨带,次峰出现在距台风眼55 km的眼壁和内雨带相交的边界附近。台风中对流云降水面积远小于层云降水面积,其中外雨带中的对流云降水面积最大,其次是眼壁,内雨带最小;但对流降水对总降水量的贡献与层云相当。眼壁和内雨带中的对流云和层云的降水回波平均高度都小于外雨带。分析表明:TMI观测到的85.5 GHz极化修正亮温 (T_PC85.5) 越低,闪电发生概率越大,外雨带具有最低的T_PC85.5。有、无闪电发生区域的平均6 km高度雷达反射率因子和T_PC85.5差异明显。台风区域内,闪电活动位置对应的平均6 km雷达回波强度普遍大于20 dBZ,而无闪电发生位置普遍低于30 dBZ。     

热带测雨卫星对淮河一次暴雨降水结构与闪电活动的研究

文中利用热带测雨卫星 (TRMM )搭载的测雨雷达 (PR)、闪电成像仪 (LIS)、GOES卫星红外通道辐射亮温(TBB)对 2 0 0 3年淮河汛期一锋面气旋系统的两个时次的探测结果 ,分析研究了降水结构及闪电活动 ,并与“98.7.2 0”武汉附近地区中尺度强降水的结构和闪电活动进行了比较。GOES的TBB、降水系统中的对流降水与层云降水比例、闪电活动频数随时间的变化均能表征锋面气旋系统的发展。TRMMPR探测结果表明 :冷锋降水狭窄细长 ,且均为强对流降水 (特别在冷锋加强时 ) ;暖锋宽广 ,且为大片层云降水 ,但其中存在面积不等的强对流降水云团 ;与“98.7.2 0”武汉附近地区中尺度强降水垂直结构的比较表明 ,锋面气旋降水的最大降水率出现在近地面 ,而中尺度强降水的最大降水率出现在低空 (3.0～ 3.5km) ,表明两者之间的降水微物理过程存在差别。TRMMLIS探测结果表明 :闪电活动均发生在冷锋的强对流降水云团中 ,暖锋中虽有强对流降水 ,但无闪电活动 ;闪电活动频数高所对应的降水廓线中、上部存在大量的冰相粒子。     

广东地闪时空特征及与降水关系分析

利用2016-2020年粤港澳闪电定位数据和广东86个国家地面观测站逐小时降水资料,分析了广东地闪频次和地闪强度的时空分布特征,以及地闪与降水量、强降水频次之间的相关关系.结果表明:(1)广东逐月地闪频次与降水变化均呈双峰型分布,峰值在6和8月,两者相关系数达到0.95.日变化中,地闪频次高值集中在12:00-20:0...     

北京地区雷暴过程闪电与地面降水的相关关系

该文选取北京地区2006年夏季的18次雷暴过程,利用SAFIR3000三维闪电定位系统观测到的总闪数据,分析了闪电与雷达反演的对流活动区降水量和对流活动区面积的相关关系,结果表明:北京地区的雷暴活动中,单个闪电所表征的降水量的范围在0.86×10~7～6.57×10~7kg/fl之间,平均值为2.65×10~7kg/fl;闪电活动与对流活动区降水量的线性相关关系显著,相关系数达到0.826;闪电活动与对流活动区面积也具有显著的线性关系,相关性系数达到0.846。文中给出了基于6 min闪电频次估算6 min对流降水量以及对流活动区面积的拟合方程。分析还发现,总闪活动与降水的关系要明显好于地闪,总闪信息的应用极大提高了分析结果的质量和可信性,分析结果对于利用闪电信息估测降水具有参考意义。     

暴雨和雹暴个例中闪电特征对比

暴雨与雹暴过程中对应的闪电活动特征显著不同,为了对比这两类对流过程中的闪电活动特征差异,该文选取了两种比较有代表性的雷暴个例——暴雨过程和雹暴过程,利用全闪（包括云闪与地闪）定位数据,分析了两者闪电活动特征以及闪电活动与对流降水之间的关系。研究发现:暴雨过程中地闪频次和正地闪比例均低于雹暴过程;相对于暴雨过程,雹暴过程的主正电荷区放电高度更高,主正电荷区所处的温度偏低;暴雨过程中,总闪频次与对流降水量、总闪频次与对流降水强度的相关性均优于雹暴过程。总体而言,雹暴过程中闪电活动特征及其与降水的关系更为复杂,这可能与雹暴过程具有更为复杂的动力和冰相过程有关。     

基于大气层结和雷暴演变的闪电和降水关系

选取2006—2008年发生在北京及其周边地区的28次雷暴过程,基于大气不稳定度参数和雷达参量对雷暴过程进行分类,分析了不同分类条件下的总闪电活动 (SAFIR3000三维闪电定位系统观测) 和对流降水 (雷达反演) 的关系。结果表明:整体而言,总闪对应降水量的平均值为1.92×107 kg·fl-1。依据对流有效位能和抬升指数对雷暴进行分类的分析表明,较强的不稳定状态对应了较小的总闪对应降水量,同时总闪频次和对流降水量的相关性更好。基于雷达特征参数的分类分析表明,总闪对应降水量在对流运动较弱情况下最小,其次是对流运动较强的情况下,而对流运动适中时最大。     

青藏高原闪电和降水气候特征及时空对应关系

基于1998—2013年的TRMM (tropical rainfall measuring mission) 数据,分析青藏高原闪电活动与降水气候特征及时空对应关系,结果表明:青藏高原 (简称高原) 的闪电活动中心在高原中部和东北部,中部最大闪电密度达到6.2 fl·km-2·a-1;但高原降水最活跃的区域是东南部,年降水量超过800 mm。闪电活动和降水随月份均呈现出先西进再东退的特征,但高原东北部强闪电活动区位置几乎不变化。在固定区域闪电和降水月变化具有一致性,活跃期出现在5—9月,呈单峰结构,除西部和东南部外,闪电与降水峰值月份吻合。结合TRMM降水特征 (简称PFs) 资料研究单个闪电表征降水量 (rainyield per flash,RPF) 的空间分布特征表明,闪电活动可以作为高原深对流的指示因子,而RPF可以有效表征深对流系统在整个降水系统中的比例。高原中西部和东北部深对流系统在整个降水系统中的比例最大,而在高原东南部最小,高原东南部的降水更多由暖云降水系统贡献。     

TRMM测雨雷达对1998年东亚降水季节性特征的研究

利用热带测雨计划卫星上的测雨雷达得到的降水资料,对1998年东亚降水,特别是中国大陆东部、东海和南海的降水,进行了分析研究,并对比了热带降水研究结果。年统计结果表明,东亚地区层状云降水出现概率极高(比面积达83.7％),对流云降水的比面积仅占13.6％,然而两者对总降水量的贡献相当。结果还表明,暖对流云降水出现的比例和对总降水量的贡献很小。在季节尺度,对流云和层状云降水的比与两者的面积比成比例关系。除夏季外,测雨雷达降水量与GPCP降水量可比性好。研究结果还指出:在中纬度陆地和海洋上对流云和层状云的比降水量和比面积呈相反方向作季节性南北移动,这一活动与东亚季风变化一致;该地区降水的季节性变化还表现为降水垂直廓线的变化。除冬季外,南海地区降水垂直结构呈热带特征。CRAD分析表明,对流云降水的地面雨强变化大,尤其在陆地上,而层状云多表现为地面弱降水。     

闪电和固、液态降水关系差异的数值模拟

为了进一步认识闪电和固、液态降水的关系,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过设置敏感性试验组,模拟了一次雷暴过程,分析雷暴中闪电和降水的特征,以及闪电和固、液态降水对垂直风速的依赖关系,探讨闪电与固、液态降水的时空分布关系和单次闪电表征的降水量(RPF:rainyields per flash)。结果表明:对流云降水中,液态降水占主要部分,但固态降水比液态降水对于垂直风速的依赖性更强。随着对流的增强,固态降水在总降水中占的比重越来越大。首次放电时间不断提前,闪电峰值落后垂直风速峰值,总闪数一开始随对流的增强而增加,对流一旦增强到一定程度,总闪数则逐渐减小。固态降水和液态降水的开始时间和峰值时间均随着对流的增强而不断提前,而液态降水出现时间和峰值时间均提前于固态降水。雷暴云首次放电的时间滞后于液态降水,而闪电峰值提前固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。雷暴云中的放电活动集中在强降水区域前缘的较弱降水区,强降水区对应的闪电较少,对流的增强会使降水区域面积、降水量和降水强度增加。由于液态降水总量远大于固态降水总量,固、液态RPF的数值相差达到一个量级,但单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。在单位时间内闪电次数越多,RPF则越小,而固态RPF和闪电次数的线性相关性明显好于液态RPF,所以利用固态降水可以更好地预报闪电。这些结果有助于进一步认识闪电和降水的关系,并可为闪电预报提供新的思路。     

雷暴天气过程中降水结构与闪电活动特征个例研究

为深入分析四川雷暴天气过程中降水和闪电活动特征,运用统计与对比方法,对四川东南部一次雷暴过程中闪电活动及降水结构之间的特征进行研究。结果表明,强降水易发生在低层辐合,高层辐散的流场中,局部地区最大降水强度发生在2~5km高度。降水开始1h后,地闪频数达到最高,地闪主要以负地闪为主,正地闪不活跃。对闪电活动与亮温分布关系知,闪电活动主要发生在低于220K降水云内,闪电活动发生的区域与降水落区一致。对总闪与地闪的分布知,负地闪主要分布在总闪的外围。通过对四川雷暴过程的研究,对雷暴预报有一定的指导意义。     

我国地闪活动和降水关系的区域差异

利用我国部分地区2005年的地闪定位资料和气象台站雨量观测资料,由南向北选取我国四个不同气候带区域(区域1～4),分析了这些区域的地闪活动与降水的相关关系。结果表明,由南向北及气候特征由潮湿趋于干旱的区域的地闪活动和降水相关性增强。闪电活动与有闪电降水(即对应闪电的降水)日变化的线性相关系数在由南向北的区域分别为0.56、0.46、0.56、0.80,旬变化的线性相关系数分别为0.73、0.86、0.89、0.92,月变化的线性相关系数分别为0.74、0.88、0.965、0.99;较干旱的区域3和区域4的地闪活动与所有降水的时间序列有较强的相关性,其线性相关系数日变化分别为0.31、0.41,旬变化分别为0.84,0.52,月变化分别为0.93、0.80;地闪与降水的空间线性关系相对复杂,但也表现出由南向北和气候趋于干旱对应关系增强的特征,区域4的闪电和降水相关性达到0.54。分析区域中较干旱地区的雷暴活动产生机制(主要受热力抬升作用)相比潮湿地区(既受热力抬升作用,又受大尺度系统相互作用)更为单一,这可能是干旱地区的闪电活动与降水有较好相关的重要原因。     

汛期短历时强降水过程的闪电特征

对2011年3次短历时强降水天气过程的闪电特征分析结果表明:①3次短时强降水都以负闪为主,负闪占总闪电的比例都在92﹪以上;②小时闪电频数峰值超前降雨峰值1h或同相;③5min闪电频数超前雨量峰值5~60min;④负闪电密集区主要发生在40dBZ以上的回波区,偶尔发生的正闪一般在较弱回波处;闪电大部分发生在回波顶高大于5km以上的区域;多分布在速度不均匀场附近;闪电密集区与VIL大值区对应关系不太好;⑤不同云体,闪电特征不尽相同,闪电频数高峰有的发生在强回波阶段,有的并不是回波最强阶段,而是减弱阶段。强回波前沿出现闪电密集区或前方无回波处发生闪电,预示未来强回波移动的方向;有的云体发展、成熟阶段闪电分布密集,负闪电主要集中在强回波中心附近,云体减弱阶段闪电分散,集中在单体的不同部位。