Lightning activity related to satellite and radar observations of a mesoscale convective system over Texas on 7–8 April 2002

A multi-sensor study of the leading-line, trailing-stratiform (LLTS) mesoscale convective system (MCS) that developed over Texas in the afternoon of 7 April 2002 is presented. The analysis relies mainly on operationally available data sources such as GOES East satellite imagery, WSR-88D radar data and NLDN cloud-to-ground flash data. In addition, total lightning information in three dimensions from the LDAR II network in the Dallas–Ft. Worth region is used.GOES East satellite imagery revealed several ring-like cloud top structures with a diameter of about 100 km during MCS formation. The Throckmorton tornadic supercell, which had formed just ahead of the developing linear MCS, was characterized by a high CG+ percentage below a V-shaped cloud top overshoot north of the tornado swath. There were indications of the presence of a tilted electrical dipole in this storm. Also this supercell had low average CG− first stroke currents and flash multiplicities. Interestingly, especially the average CG+ flash multiplicity in the Throckmorton storm showed oscillations with an estimated period of about 15 min.Later on, in the mature LLTS MCS, the radar versus lightning activity comparison revealed two dominant discharge regions at the back of the convective leading edge and a gentle descent of the upper intracloud lightning region into the trailing stratiform region, apparently coupled to hydrometeor sedimentation. There was evidence for an inverted dipole in the stratiform region of the LLTS MCS, and CG+ flashes from the stratiform region had high first return stroke peak currents.     

一次MCS过程的卫星云图和数值模拟分析

本文应用卫星云图与数值模拟结果对2000年6月2日发生的一次影响江苏的江淮气旋暴雨过程进行研究分析，阐述了这次暴雨过程表现的MCS基本特征。分析表明：MCS的形成可以由几个中β尺度对流云或对流带开始，在特定的环境场中汇合成合并；在其发展过程中必须维持湿度平流，低层到中层有暖平流，骨强偏南风急流伸向形成区，同时在其东北方向有一支高空西风急流相耦合；低层的辐合、整层凝结潜热的释放、垂直运动的增强、高层的辐散引起的正反馈机制是MCS发展的动因。     

云并合的初始位置探讨

尽管很多云的并合过程最初是从云的中下部开始的(在这方面开展了大量研究), 但我们在观测中发现也有相当数量的云并合过程最初是从云的中上部开始的 (然而这方面的文献记载很少)。基于云并合对云降水过程演变的重要作用, 本文从个例研究入手, 利用中尺度数值模式WRF, 模拟2005年5月17～18日发生在我国西南山区 (主要以贵州省为主) 的一次云并合过程。在整个云 (系) 的发展过程中, 前后共经历了数十次并合。观测和模拟结果表明并合共经历了三个阶段: (1) 对流云单体间并合形成较大的对流云; (2) 对流云并合形成对流云团; (3) 对流云团并合形成范围较大的降水云系。在此次个例中: 第一和第二阶段的并合首先是从云的中下部开始的, 往往是处于发展阶段的云发生并合; 第三阶段的云并合却是从云的中上部开始的, 往往是那些比较成熟的对流云团发生并合。两种并合机制截然不同, 但都与风切变和云内的上升气流速度密切相关。本文系统阐述了两种不同的并合机制。     

低压倒槽影响下积层混合云形成过程模拟研究

利用多普勒雷达资料和中尺度天气预报模式wRF（Weather Research and Forecasting）模拟结果,对2009年5月9—10日发生在太原及其周边地区的一次积层混合云降水形成过程进行分析。结果表明,在积层混合云的形成初期,局地对流云得到发展,随着其强度不断增强,与周围云发生并合过程（包括局地单体对流的并合、积云团的并合和积层混合云内强中心的并合）,形成范围较大的积层混合云云系。局地单体对流和积云团的并合可带来云体的爆发性增长,霰含量、雨水含量大幅增加。积层混合云内强中心的并合对降水强度影响不大,但有利于降水面积扩大。低压倒槽和弱冷锋是此次积层混合云形成和维持的主要影响因素。低压倒槽有利于低层大范围不稳定能量的积累,风向切变有利于近距离云团的发展和并合,山地动力和热力作用有利于局地对流单体、积层混合云内强中心的形成和加强。     

“0811”暴雨过程中MCC与一般暴雨云团的对比分析

利用T639 1°×1°分析场、FY-2红外云图、红外辐射亮温(TBB)、闪电定位和气柱水汽总量等资料,对2010年8月11日发生在山西南部暴雨过程(即"0811"暴雨过程)中的中尺度对流复合体(MCC)和其北部的一般暴雨云团进行了对比分析,结果表明,(1)山西北部暴雨带主要由6个β中尺度对流云团生成、发展及合并造成;山西南部区域性暴雨则由MCC的生成、发展、东移所引发。(2)山西北部的暴雨云团在850hPa暖切变线南部生成和发展,并在地面切变线附近合并;山西南部的MCC由3个β中尺度对流云团发生、发展及合并形成,该对流云团在700hPa次天气尺度切变线上触发生成;MCC发展、成熟阶段,α中尺度云团沿925hPa暖切变线东移;减弱阶段,随西太平洋副热带高压的南退而南压。(3)在西太平洋副热带高压西进北抬的背景下,同一次暴雨过程中,MCC发生在5 880gpm边缘弱的斜压环境中,高层则出现在高压北侧的反气旋环流中;一般暴雨云团发生在5 840gpm边缘较强的斜压环境中,高层则出现在急流入口区的右侧。(4)MCC作为大型的中尺度对流系统,不但对低层高温高湿能量的需求比一般暴雨云团更多,而且在垂直方向上,要求湿层、高能舌及暖温结构更深厚。(5)山西南部MCC影响区和5 880gpm线边缘为负地闪覆盖区,正地闪主要出现在其北部一般暴雨云团影响区和5 840gpm线附近。与MCC相比,一般暴雨云团影响下,局地闪电开始及闪电峰值的出现较降水的开始及降水峰值的出现有更多的提前量。(6)山西北部暴雨云团出现在气柱水汽总量梯度的大值区及水汽锋上;山西南部MCC则出现在水汽锋南侧气柱水汽总量的大值区。气柱水汽总量对"0811"暴雨过程有36h的提前量,对暴雨的落区有很好的指示意义。     

华北一次强对流天气系统的地闪时空演变特征分析

利用地面雷电探测网,多普勒天气雷达和常规天气资料,分析了2005年8月1日发生在山东北部的一次具有前部对流线,后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。结果表明:整个过程中负地闪占主导地位,最高频数达到260次/5min;与负地闪比较,正地闪呈现不活跃状态。负地闪主要落在>40 dBz的强回波区内部及其边缘区域,而正地闪则分布在前部云砧和后部层状云降水区内。对地闪位置与回波强度的进一步对比分析发现,45~55 dBz的回波是最有利于地闪发生的区域,回波强度低于这一区域,随着回波强度的增大,地闪活动呈递增趋势,地闪频数在50~55 dBz的回波区域内达到峰值,>55 dBz的回波区域内地闪频数明显降低。     

内蒙古典型暴雨过程的中尺度雨团观测分析

利用FY-2E逐时云顶黑体亮温资料 (TBB)、闪电定位资料、自动气象站资料和逐时降水资料,对2009—2013年6—8月内蒙古7例暴雨天气过程的中尺度雨团特征进行分析。结果表明:内蒙古暴雨的降水强度在1~3 h即可达到暴雨或大暴雨量级,中尺度雨团活动是内蒙古暴雨过程形成原因,而80%雨团活动是中尺度对流系统 (MCS) 造成的。MCS内TBB不超过-52℃冷云区和地闪密度大值中心对雨团强度和发展具有重要的指示作用,冷锋云系中MCS造成的雨团多原地生成和消亡,TBB不超过-52℃冷云区面积小,维持时间为2~8 h,地闪密度增长缓慢而且发生频次低;冷涡云系中雨团跳跃式出现在MCS冷云区或冷空气流入一侧,出现TBB不超过-62℃冷云区,雨团出现频次高,持续出现时间可长达24 h,地闪密度增长迅速且发生频次高。7次暴雨过程中约有60%雨团伴有地闪活动,地闪密度达到最大值时刻预示未来1~3 h最强雨团出现和MCS发展到成熟。地面加密风场中尺度辐合线先于MCS和雨团出现,中尺度辐合线造成的局地辐合可作为MCS发展的启动机制。     

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。     

云并合过程中物理特征演变的模拟研究

云并合过程中物理特征的变化对云降水过程的演变至关重要,对降水的短时预报和研究也有重要意义.因此,本文利用新一代中尺度天气预报模式WRF (Weather Research Forecast)对2005年5月5日发生在贵阳的一次云并合过程进行模拟,结合雷达观测资料以及MICAPS资料,分析了降水对流云的合并过程,及其伴随...     

2010-07-23陕西中西部大暴雨天气诊断分析

分析结果表明：①山西北部的暴雨云团在850hPa暖切变线南部生成、发展,并在地面切变线附近合并;山西南部的MCC由3个B中尺度对流云团发生、发展、合并形成,β中尺度对流云团在700hPa次天气尺度切变线上触发生成;MCC发展、成熟阶段,α中尺度云团沿925hPa暖切变线东移;减弱阶段,随副高的南压而南压。②副高西进北抬背景下,同一次暴雨过程中,MCC发生在5880gpm边缘弱的斜压环境里,高层则出现在高压北侧的反气旋环流中;一般暴雨云团发生在5840gpm边缘较强的斜压环境里,高层则出现在急流人口区的右侧。③MCC作为大型的中尺度对流系统,不但对低层高温高湿能量的需求比一般暴雨云团更多,而且在垂直方向上,要求湿层、高能舌、暖温结构更深厚。④南部MCC影响区及5880gpm线边缘为负地闪覆盖区,正地闪主要出现在北部一般暴雨云团影响区及5840gpm线附近。一般暴雨云团影响下比MCC影响下,局地闪电开始及闪电峰值的出现较降水的开始及降水峰值的出现有更多的提前量。⑤山西北部暴雨云团出现在气柱水汽总量梯度的大值区及水汽锋上;山西南部MCC则出现在水汽锋的南侧气柱水汽总量的大值区。气柱水汽总量对0811暴雨过程有36h的提前量,对暴雨的落区有很好的指示意义。     

强对流系统中对流云合并的观测分析

用雷达等观测资料以及LAPS(Local Analysis and Prediction System)中尺度再分析场资料,对2009年6月14日在河南、安徽等地引发冰雹大风天气的两个强对流系统的形成演变过程中的对流云合并现象进行观测分析.研究表明,不论是单体间的合并还是对流系统间的合并,合并后单体或对流系统都有显著的...     

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达,微波成像仪,闪电成像仪等探测数据,研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统(MCS)的降水结构和闪电活动之间的关系.结果表明:MCS在发展阶段,对流云降水面积与层状云降水区相当;在减弱阶段,层状云降水区面积远大于对流云降水区.MCS的生命史中,大部分闪电发生在对流云区,仅有少数闪电发生在层状云区,在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中.发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明:在MCS的发展成熟和减弱中在4 km高度,层云降水率都达到最大值;在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度(顶高达17 km)有关.研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45 dBz之间,并非回波越强闪电越多.闪电主要发生在40～50 dBz之间,且明显向强回波区趋近,这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义.     

一次强暴雨过程地闪活动特征与中尺度对流系统和强降水的关系

利用2007年8月8日18时至9日02时发生在陕西关中强暴雨期间的地闪、卫星TBB、雷达回波和地面加密降水资料,通过统计和对比分析的方法,分析了地闪活动特征及其与中尺度对流系统（MCS）和强降水的关系。地闪活动特征分析显示,暴雨过程中负地闪占绝对优势,为总地闪的97.7%。负闪频数和总闪频数的逐时演变趋势完全一致且呈现两峰一谷的趋势,正闪频数的变化呈现三峰两谷的趋势,但是正闪频数最大值与总闪、负闪频数峰值时间一致。负闪活跃期正负闪6 min演变均表现为多峰结构,正闪的波峰提前于负闪的波峰12 min。负闪频数变化和MCS、雷达反射率因子演变对比分析表明,负闪发生区是未来对流云团和对流发展加强区,负闪频数密集区位于对流云团前部TBB等值线密集区,负闪频数的急剧增加意味着未来对流系统的猛烈发展;负闪主要出现在回波强度大于40 dBz的区域,正闪则落到强回波中心两侧30～40 dBz的回波区,中尺度对流系统快速发展加强期,负闪密集区位于回波单体的前沿,中尺度系统发展稳定少动期,负闪大部分集中在各对流单体的强回波中心附近。对比分析地闪与暴雨发生发展的关系可见,地闪的发生和急剧增加对暴雨发生和发展加强有很好指示意义,初闪的发生提前于强降水发生,地闪急剧增加与降水强度猛增密切关联,负地闪发生密集区是未来强降水发生区。     

云南两次中尺度对流雷暴系统演变和地闪特征

在利用NCEP/NCAR再分析资料诊断分析2010年9月21—23日中尺度对流雷暴系统形成的环流背景基础上,通过云南省闪电定位系统地闪监测资料和FY-2E卫星云图资料的同步叠加, 分析两个中尺度雷暴系统的演变和地闪特征。结果表明:台风凡亚比 (1011) 西行减弱的热带低压为中尺度对流雷暴系统提供有利的暖湿和抬升动力环流背景,促使中尺度弧状对流云带、中尺度雷暴云团和中尺度对流复合体生成和发展。雷暴云团结构和地闪活动空间分布不均匀并随时间变化,且正、负地闪频数与云顶亮温 (TBB) 相关,当TBB降低和等值线密度变大,雷暴云团发展,低TBB中心偏于云团的前部云区,负地闪频数剧增;当TBB达最低值时,雷暴云团成熟,负地闪频数达峰值,正地闪出现;当TBB升高且等值线密度变小时,雷暴云团减弱,低TBB中心靠近云团中心,负地闪频数迅速减小,正地闪频数达到峰值;密集的负地闪出现在雷暴云团前部大的TBB梯度区和TBB不大于-56℃的低值中心附近,正地闪分散在TBB不大于-56℃的低值中心附近,偏于负地闪区域后部发生。     

Locating Parent Lightning Strokes of Sprites Observed over a Mesoscale Convective System in Shandong Province,China

In this paper, we report the location results for the parent lightning strokes of more than 30 red sprites observed over an asymmetric mesoscale convective system(MCS) on 30 July 2015 in Shandong Province, China, with a long-baseline lightning location network of very-low-frequency/low-frequency magnetic field sensors. The results show that almost all of these cloud-to-ground(CG) strokes are produced during the mature stage of the MCS, and are predominantly located in the trailing stratiform region, which is similar to analyses of sprite-productive MCSs in North America and Europe. Comparison between the location results for the sprite-producing CG strokes and those provided by the World Wide Lightning Location Network(WWLLN) indicates that the location accuracy of WWLLN for intense CG strokes in Shandong Province is typically within 10 km, which is consistent with the result based on analysis of 2838 sprite-producing CG strokes in the continental United States. Also, we analyze two cases where some minor lightning discharges in the parent flash of sprites can also be located, providing an approach to confine the thundercloud region tapped by the sprite-producing CG strokes.     

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远？本文对此进行了尝试, 即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式, 在只采用常规气象观测资料的条件下, 对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验, 分析了雷暴云的宏观动力、 微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明: 利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场, 完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展, 高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、 垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展; 用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调, 得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂, 更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性, 同时, 模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪, 且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合, 从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中, 水物质霰的最大质量比、 最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。     

登陆台风环流内的一次中尺度强对流过程

2005年05号台风“海棠”登陆福建后,在外围云系里有1个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水。通过分析这次中尺度对流系统的环流形势,得到该次中尺度对流系统的垂直结构特征,并对中尺度强对流系统的形成和发展机制进行研究。结果表明:台风东南急流在温州附近冷区边缘处低层受地形影响发生强烈辐合引起的垂直上升运动和冷暖空气相汇产生的对流不稳定性是台风环流内中尺度对流系统的主要形成机制;对流系统在暖湿空气和冷空气中心交汇处发展,西北侧的冷空气堆迫使暖湿东南气流沿西北倾斜的等熵面爬升,有利于倾斜对流系统的发展;低层条件不稳定区与中层条件对称不稳定区叠加,产生对流对称不稳定,在湿等熵面倾斜引起的涡旋发展的强迫机制下在中层产生范围较广的倾斜上升对流;由于等熵面的倾斜,大气水平风垂直切变或湿斜压性增加,进一步加强涡度的发展,使得对流系统向西北方向发展;另外,源于东南沿海,由台风东南气流输送的水汽为特大暴雨的产生提供了有利的热力条件。     

一次局地大暴雨过程的综合分析

利用常规气象监测资料,以及卫星、雷达、闪电定位、GPS／MET等精细化监测资料,对2010年8月18日-19日的暴雨天气过程进行了综合分析发现：边界层两条仅中尺度辐合线与两条暴雨带有很好的对应关系。暴雨期间,共有6个α中尺度对流云团在边界层中尺度辐合线上生成、发展与合并,特大暴雨由β中尺度对流云团合并形成的MCS所造成。分析结果表明,暴雨发生在副高西进北抬和冷空气东移南下的背景下;700hPa、850hPa和边界层中尺度辐合线是此次暴雨过程的主要影响系统;局地闪电频次峰值出现时间早于强降水峰值出现时间1h左右;GPS探测网对水汽探测的反应早于区域加密站的观测,PWV锋区出现时间较强降水出现时间有大于12h的提前量,且PWV锋区的出现时间和位置对暴雨落区预报有一定的参考价值,可以作为判断强降水出现的一个重要参考依据。     

宁夏北部一次短时暴雨中尺度对流系统的特征分析

利用自动站、闪电定位信息、多普勒雷达、卫星黑体亮温等气象资料,对2008年7月18日夜间宁夏石炭井的短时暴雨天气进行了分析。结果表明：此次单站短时暴雨是在“西高东低”的环流背景下,受东北冷涡后部横槽和低值系统影响,由两个相对较强的对流单体先后影响而后合并维持造成的。中尺度对流系统在宁夏北部持续时间近6h,云项亮温梯度最大值维持在石炭并一带;对应3次强降水时段,雷达回波强度、回波顶高、VIL出现了3次峰值,径向速度出现了气旋式辐合和逆风区结构,逆风区出现时间较强降水出现提前了20～30min,与强降水的发生、发展和减弱有较好的对应关系;闪电发生高密度区位于降水中心前缘,闪电频率突然增大时间较强降水出现超前1h。     

1998年7月20~21日武汉地区梅雨锋上突发性中-β系统的发生发展分析

1998年7月21日鄂东南地区出现特大暴雨，其中武汉市出现1 h降水量超过88 mm的突发性大暴雨（简称“98.7”大暴雨）。通过诊断分析发现:武汉地区的“98.7”突发性大暴雨是中-β尺度系统强烈发展引起的；在暴雨发生前武汉附近整个对流层大气积聚了大量的水汽，整个层结接近饱和，并且蕴涵着大量对流有效位能（CAPE）；中-β尺度系统形成后停滞少动数小时，使中-β系统区域积累大量的可降水，引起“98.7”突发性强暴雨。