闪电活动的气候学特征研究进展

综述了闪电活动与气候和气候变化相关研究的一系列最新进展。这些研究表明全球闪电活动可以通过卫星光学方法、地面的单站舒曼共振法以及低频多站时差法进行观测,其结果指出全球闪电密度高值区主要分布在海岸地区、山地地区、中尺度气旋多发地区以及热带辐合带的辐合区内,大陆、海岛、沿海地区所发生的闪电占全球的88%,全球3个闪电密度极大值依次出现在赤道地区的非洲刚果、南美洲大陆和东南亚。大量的研究结果表明全球闪电活动是与气候和气候变化相关的,在日、5d、季、半年、年、ENSO、10a多个时间尺度上,闪电活动对温度做出了一定的正响应,但在更长时间尺度上这种敏感性似乎是减弱的。闪电活动因易于被持续监测而可以作为监测气候一些重要参数变化的有利工具。闪电活动是氮氧化物(NOx)的重要产生源,这与臭氧等温室气体以及地球辐射之间存在密切关系。在短时间尺度上,对流层上层水汽和全球闪电活动之间存在非常好的相关性。气溶胶对雷暴以及闪电活动的影响还不明确。气候变化与雷暴和闪电活动之间的相互耦合机制还有待于更多的观测和深入的研究。     

全球闪电活动与气候变化

全球闪电活动与气候变化关系的研究正受到越来越多的重视,该文从卫星上观测到的全球闪电活动、闪电活动和全球电路对温度的响应,闪电和对流层上部水汽的联系,闪电和N0,等几方面进行了阐述,指出了闪电活动在气候变化研究中的重要性。同时,文中还对影响闪电活动和起电过程的热力动力作用以及气溶胶的作用等进行了分析。     

ENSO期间海洋性大陆典型地区闪电活动特征分析

利用星载闪电探测器(光学瞬变探测器(OTD)和闪电成像传感器(LIS))的观测资料,配合其他气象资料,对厄尔尼诺期间(1998年春季)和拉尼娜期间(1999年春季)海洋性大陆典型地区(11.25°S—3.75°N,96.25°—128.75°E)的闪电活动变化特征进行研究,分析了雷暴单体数目以及雷暴单体闪电率对闪电活动变化的影响,并通过对比厄尔尼诺年春季和拉尼娜年春季的大气环流形势、相对湿度、最大对流有效位能、对流风暴高度等气象要素,讨论闪电活动变化的原因。结果表明:(1)从ENSO期间雷暴单体密度和闪电密度的空间分布变化特征来看,厄尔尼诺年春季的闪电活动及雷暴活动均比拉尼娜年春季的多,并且,从闪电数目和雷暴单体数目的纬向平均、经向平均的年际变化可以发现在厄尔尼诺年春季闪电活动、雷暴活动有东伸南移的趋势。(2)在海洋性大陆典型地区,雷暴单体数目的变化是闪电数目变化的主要因子,而雷暴单体闪电率的变化是闪电数目变化的次要因子。(3)与1999年春季相比,1998年春季的副热带高压范围大、强度大;地面相对湿度大,高空相对湿度小,上下层湿度差异大,有利于对流发展;对流风暴高度较高,冰相粒子层厚度也较深厚,对流发展旺盛;最大对流有效位能大于300 J/kg的天数的空间分布极大值区域正好与闪电密度、雷暴单体密度的大值区域对应,雷电活动与对流有效位能值密切相关。     

对流和层状云系电活动,对流及降水特性的相关分析

通过对６次不同云系电特性、回波、对流及降水特性的综合分析，探讨了它们之间的相关性。结果表明：除不稳定能量外，－１０℃层和０℃层高度以及他们之间的高度差、０℃层与云顶的高度差也是表征雷暴动力和电特性的重要参量；雷暴云起电过程对冰相作用有较强的依赖性；雷暴中的电活动与对流活动成正相关，闪电多发生在３０ｄＢｚ强回波高度大于－１０℃层高度时段内，强烈的电活动与强降雨有很好的对应关系，而与一般性降雨对应关系较差；在雷暴消散期，闪电可能会影响雷暴的特性     

闪电气象学研究进展

闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾：在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,不同类型强对流天气系统的闪电活动特征,闪电活动与雷暴的动力、微物理结构的关系,雷暴电荷结构探测和数值模拟,以及闪电资料同化方法及其在强对流天气中的预警预报作用和闪电的预报等,并指出了中国闪电气象学今后的努力方向。     

北京地区的闪电时空分布特征及不同强度雷暴的贡献

利用北京闪电定位网(BLNET,Beijing Lightning Network)和SAFIR3000(Surveillance et Alerte Foudre par Interometrie Radioelectrique)定位网7年共423次雷暴的闪电资料,并按照雷暴产生闪电多少,同时参考雷达回波和雷暴持续时间,将雷暴划分为弱雷暴(≤1000次)、强雷暴(>1000次且≤10000次)和超强雷暴(>10000次),分析了北京地区的闪电时空分布特征及不同强度等级雷暴对闪电分布的贡献。北京总闪电密度最大值约为15.4 flashes km-2a(^-1),平均值约为1.9 flashes km^-2a(^-1),大于8 flashes km^-2a(^-1)的闪电密度高值区基本分布在海拔高度200 m等高线以下的平原地带。不同强度雷暴对总雷暴闪电总量贡献不同,弱雷暴(超强雷暴)次数多(少),产生的闪电少(多),超强雷暴和强雷暴产生的闪电分别占总雷暴闪电的37%和56%。不同强度雷暴对总雷暴的闪电密度高值中心分布和闪电日变化特征影响显著,昌平区东部、顺义区中东部和北京主城区是总雷暴闪电密度大于12 flashes km-2a(-1)的三个主要高值区中心,前两个高值中心受强雷暴影响大,而主城区高值中心主要受超强雷暴影响。总雷暴晚上频繁的闪电活动主要受超强雷暴和强雷暴影响,这两类雷暴晚上闪电活动活跃,分别占各自总闪电的69%和65%,而弱雷暴闪电活动白天陡增很快,对总雷暴午后的闪电活动影响大。另外,不同下垫面条件闪电日变化差异大,山区最强的闪电活动出现在白天,午后闪电活动增强很快,主峰值出现在北京时间18:00,而平原最强的闪电活动发生在晚上,平原(山麓)的主峰值比山区推迟了约1.5小时(1小时)。     

闪电产生氮氧化物(LNOX)区域特征计算(Ⅰ): 理论和计算方法

介绍了目前关于闪电产生氮氧化物(NOX)的研究概况, 包括产生机理、特征、输运过程以及在全球气候变化中的作用.重点叙述了发生在区域性雷暴中闪电产生氮氧化物的机制、传输以及计算方法和可能误差, 并对闪电产生氮氧化物区域特征计算方法和参数的选取作了简要介绍.     

闪电产生氮氧化物（LNOX）区域特征计算（I）：理论和计算方法

介绍了目前关于闪电产生氮氧化物（MOX）的研究概况，包括产生机理、特征、输运过程以及在全球气候变化中的作用。重点叙述了发生在区域性雷暴中闪电产生氮氧化物的机制、传输以及计算方法和可能误差，并对闪电产生氮氧化物区域特征计算方法和参数的选取作了简要介绍。     

近50年广东省雷暴、闪电时空变化特征的研究

用1957-2004年广东省24站和1951-2004年曲江、广州、汕头、湛江4站的年、月雷暴、闪电的观测资料，研究了广东省年、月的雷暴日、闪电日的时、空分布特征。对年雷暴日、闪电日的经验正交分解表明，在研究的时间段内。广东省年的雷暴日、闪电日都有明显减少的趋势。广东省平均每10年雷暴日减少4．8天、闪电日减少9．5天。雷暴日和闪电日的趋势变化有明显的区域特征，雷暴日减少最明显的是在广东雷州半岛的湛江、徐闻；广东东南部的雷暴日、闪电日则减少不多。闪电的负趋势比雷暴的负趋势更明显。研究表明，雷暴日、闪电日的长期趋势有明显的季节变化。5-9月是雷暴日、闪电日减少最明显的月份，冬季（12、1、2月）的雷暴日、闪电日略有增加。1983年以后广东冬季的雷暴、闪电比1980年以前更加频繁。广东雷暴、闪电的减少是气候变化的一个反映，它们与广东省雨日的气候变化比较一致。     

雷暴闪电活动特征研究进展

从一般雷暴、灾害性雷暴和台风的闪电活动特征以及雷暴闪电尺度特征四个方面对相关研究进行梳理。一般雷暴通常具有正常极性电荷结构,云/地闪比例在3左右(中纬度地区),地闪中正地闪占比为10%左右,负地闪位置往往更集中于对流区。灾害性雷暴倾向具有活跃的云闪,低比例的地闪,易出现反极性电荷结构,正地闪比例偏高。闪电活动与灾害性天气现象之间存在关联性,部分雹暴过程具有两次闪电活跃阶段。台风中大部分闪电发生在外雨带,眼壁/外雨带闪电爆发很可能预示气旋强度的增强以及路径的改变。由闪电持续时间、通道空间扩展所表征的闪电尺度与雷暴对流强度相关。弱对流雷暴或雷暴的弱对流区域可能由水平扩展、垂直分层的电荷分布形态主导,闪电频次低,闪电空间尺度大;强对流雷暴或雷暴的强对流区域可能由交错分布的小电荷区主导,闪电频次高,闪电尺度小。      

山西省闪电活动时空特征及其与地形的相关性分析

利用山西省2008—2011年的ADTD闪电定位数据,对省内闪电活动时空特征及其与地形的相关性进行了分析。结果表明:不同年份的闪电活动区域差别明显。2008年和2011年省内闪电活跃系数>0.8,闪电活动频繁。山西省中、东部地区闪电最为活跃,最大闪电密度超过4.5次/(km2·年)。负地闪频数明显高于正地闪,但后者平均强度更大。雷暴的产生需要局地加热过程,所以闪电月集中分布在对流旺盛的夏季,日变化峰值集中在午后。受地形抬升机制的影响,在数值上闪电密度与海拔呈现明显的正向线性关系,相关系数达0.9。在空间中闪电活跃区域与海拔变化剧烈的地方一致。因此,闪电活动与海拔高度的相关性实质是海拔梯度对雷暴发展提供抬升动力的体现。     

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。     

北京地区闪电活动结束特征及预报试验

基于雷达资料,SAFIR3000资料分析了北京地区10次雷暴个例。讨论了闪电活动结束与40 dBz回波顶高以及超过30 dBz的回波体积之间的关系。两个因子结合使用的预报试验结果表明,仅漏报1次,虚警1次,准确率80%,闪电活动在30 min内结束,即可较好地指示北京地区雷暴闪电活动结束。      

基于闪电聚类方法的西北太平洋区域雷暴活动特征

利用2010—2018年全球闪电定位网(WWLLN)观测资料, 采用基于闪电密度的空间聚类算法(DBSCAN)建立了西北太平洋地区雷暴数据集, 研究了该区域雷暴的时空分布特征, 并进行海陆差异对比。研究结果表明, 在合理设定DBSCAN参数阈值的条件下, 基于WWLLN闪电聚类的雷暴与天气雷达观测在时空分布和过程演变上具有一致性。西北太平洋区域的日均雷暴数为3 869, 雷暴的闪电密集区平均面积为557.91km2, 平均延展尺度为31.99 km, 平均闪电频次为33 str/(h·thu)。在空间分布上, 东南亚沿海地区与热带岛屿的雷暴活动最强, 南海的雷暴活动强于深海。距离海岸线越近的海域其雷暴面积越大。在季节分布上, 整个区域雷暴活动在夏季(6—8月)达到全年最强, 南海雷暴活动6月达到峰值, 而日本东部近海海域的雷暴活动则在冬季达到最强。我国内陆南方地区雷暴3月开始显著增多, 雷暴平均面积达到最大, 但雷暴平均闪电频次5月才达到峰值。在日变化方面, 陆地雷暴活动呈现典型的单峰型特征, 大部分雷暴发生在午后及傍晚。海洋雷暴日变化则较为平缓, 南海具有其独特的雷暴日变化特征。      

北京地区雷暴的雷达回波特征与闪电活动的相关关系

基于雷达资料以及SFAIR 3000闪电定位资料分析了北京地区14次雷暴过程,研究了闪电活动与雷暴的雷达回波反射率体积的相关性。结果表明：反射率体积与总闪频次有着较好的相关性,其中-15℃层以上超过30 dBz的反射率体积与总闪频次的相关系数为0.89,其指数拟合优度为0.83。北京地区雷暴的单个闪电表征回波体积（VPF）在闪电活动开始时期有较高的水平,但在闪电活动结束时期较小。VPF还可作为闪电活动消亡的指示因子。     

雷暴云特征数据集及我国雷暴活动特征

基于FY-2E气象卫星相当黑体亮度温度（TBB）和云分类数据（CLC）及全球闪电探测网（WWLLN）闪电数据,通过对TBB不超过-32℃的云区进行椭圆拟合,定义1 h内上述云区或椭圆区域有WWLLN闪电发生的个例为雷暴云,获得雷暴云时间、位置、形态、结构、闪电活动等特征参量,构建雷暴云特征数据集,并基于该数据集初步分析了我国陆地和毗邻海域的雷暴活动特征。研究表明:我国华南、西南、青藏高原东、中部和南海雷暴最为活跃,华北和东北地区是北方雷暴活动较强的区域。雷暴活动时间变化海陆差异明显,陆地雷暴活动峰值出现在6—8月,南海雷暴活动一个峰值出现在5月左右,另一峰值出现在8月后,且纬度越低出现越晚。陆地大部分地区雷暴活动在14:00—20:00（北京时）达到峰值,毗邻海域雷暴活动峰值主要出现在早上。雷暴云TBB不超过-32℃面积符合对数正态分布,峰值区间位于1×103~1×104 km2,平均值为3.0×104 km2。南海雷暴云面积最大,陆地上大于雷暴云面积平均值1.2×105 km2的区域主要分布于我国地形的第一阶梯和柴达木盆地。     

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。     

S波段双偏振多普勒天气雷达对一次局地强雷暴过程的探测分析

为提高双偏振天气雷达雷暴监测预警能力,探究雷暴活动过程雷达偏振信息特征及雷暴内部微物理过程,利用S波段双偏振多普勒天气雷达,结合地面大气电场仪和闪电定位系统资料对2015年8月31日发生在南京地区一次局地强雷暴过程进行了分析。主要利用体扫数据获得雷暴单体内部垂直剖面(Vertical Cross Section,VCS),同时结合模糊逻辑算法进行粒子类型识别,得到多个偏振参量和雷暴云内部粒子类型的垂直分布情况,进一步分析得到各偏振参量和粒子分布随闪电活动的演变规律。结果表明:在-15℃高度层以上冰晶区域出现K_(DP)的负值区与闪电活动具有很好的相关性;雷暴云中霰粒子的分布变化同闪电活动演变同步很好,在一定高度霰粒子的出现可以用来对雷暴进行预警;雷暴云中低层存在强烈的辐合上升区,利于霰和冰晶碰撞非感应起电和闪电的发生。     

百色城区近51年雷暴气候变化特征及分析

通过对百色国家基本气象站人工天气观测所得到的数据进行统计及分析,结合闪电定位仪所测得的雷暴强度资料,总结百色城区雷暴气候变化的特征。结果表明:百色城区属于多雷区,平均年雷暴日数为72.9d。近51a来百色城区年际间的雷暴日变化差异较大,年平均雷暴日数在波动中减少,虽然90年代以后雷暴活动有所回升,但总的来说呈下降趋势,下降趋势约0.41d/a。全年雷暴活动主要分布在4-9月,雷暴日占全年总数的89.6%。雷暴强度近几年呈逐渐减弱趋势。     

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。