北美地区一次冬季中尺度对流系统上空红色精灵现象的空间观测及其母体雷暴分析

红色精灵是发生在雷暴云上空的一种大尺度瞬态放电发光现象,它们通常出现在地面上空40～90 km之间,是由地闪回击和随后可能存在的连续电流产生的。目前,由于综合同步观测资料较少,与夏季红色精灵相比,全世界对冬季红色精灵的研究屈指可数。2008年12月27～28日,受高空槽及低层暖湿气流的影响,北美阿肯色州地区爆发了一次冬季雷暴天气过程,搭载于FORMOSAT-2卫星上的ISUAL（Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning）探测器有幸在这次雷暴上空记录到了两例红色精灵事件。本文利用ISUAL获取的红色精灵观测资料、多普勒天气雷达资料、美国国家闪电定位资料、超低频磁场数据、美国国家环境中心/气候预测中心提供的云顶亮温和探空数据等综合观测数据,对产生红色精灵的这次冬季雷暴特征和相关闪电活动规律进行了详细研究。结果表明,在两例红色精灵中,ISUAL均未观测到伴随的“光晕（halo）”现象,第一例为“圆柱状”红色精灵,第二例红色精灵由于发光较暗,无法判断其具体形态。产生红色精灵的母体雷暴是一次中尺度对流系统,该系统于27日15:00（协调世界时,下同）左右出现在阿肯色州北部附近,并自西向东移动。23:59系统发展到最强,最大雷达反射率因子（55～60 dBZ）的面积达到339 km2,之后开始减弱。03:03雷暴强度有所增加,随后云体便逐渐扩散,雷暴开始减弱,并在11:00完全消散。两例红色精灵发生分别在04:46:05和04:47:14,此时雷暴处于消散阶段,正负地闪频数均处于一个较低水平且正地闪比例显著增加,并且多位于云顶亮温?40°C～?50°C的层状云区上空。红色精灵的出现伴随着30～35 dBZ回波面积的增加。在红色精灵发生期间,雷达反射率大于40 dBZ的面积减少,10～40 dBZ的面积增加,表明红色精灵的产生与雷暴对流的减弱和层状云区的发展有关,这与已有的夏季红色精灵的研究结果类似。红色精灵的母体闪电为正地闪单回击,位于中尺度对流系统雷达反射率为25～35 dBZ的层状云降水区,对应的雷达回波顶高分别为2.5 km和5 km,峰值电流分别为+183 kA和+45 kA。根据超低频磁场数据估算两个母体闪电的脉冲电荷矩变化（iCMC）分别为+394 C km和+117 C km。超低频磁天线记录到了第一例红色精灵内部的电流信号,表明这例红色精灵放电很强。     

华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究

利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料, 分析了一次具有前部对流线和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。整个MCS生命史中负地闪占主导地位, 正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1, 地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域; 负地闪主要密集地分布在大于40 dBZ的回波范围内; 正地闪则稀疏地分布在30～40 dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多, 而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演, 发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应, 并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。     

基于ADTD资料的浙江地区多回击地闪特征分析

利用2007—2018年浙江省ADTD闪电定位资料,分析了该地区多回击地闪分布及相关参数特征。结果表明:浙江省多回击地闪占总地闪的26.74%,其中正闪以单回击地闪为主;正、负闪平均回击数分别为1.04次和1.65次,最大回击数分别为5次和21次。回击数和地闪数存在较为一致的年际变化,正、负多回击地闪日变化分别呈多峰和单峰分布。正、负多回击地闪电流强度算术平均值分别为72.06kA和-36.89kA,回击平均强度随回击数的增加而下降,约40%的地闪过程中至少有1次继后回击强度比首次回击强;首次回击和继后回击的强度分布呈对数正态分布,集中在15～45kA之间。正、负地闪回击间隔时间算术平均值分别为125.47ms和138.14ms,几何平均值分别为56.73ms和98.95ms,回击间隔时间呈对数正态分布,平均回击间隔时间随回击数的增大而减小。多回击地闪继后回击与首次回击之间距离与回击数呈准正态分布,集中在距离为1km范围内。     

强对流天气雷达回波与闪电特征的个例分析

利用闪电定位资料和多普勒天气雷达强度产品,分析了2006年6月22日发生在南京西南140km处的一次强对流天气过程中闪电的演变特征及其与回波强度的关系。结果表明,地闪多发生于雷暴云中回波强度大于40dBz且回波强度梯度较大的区域;正、负地闪频次在强对流系统发展的不同阶段呈现出不同的特点,负地闪占总闪数的90％以上,正地闪出现在系统进入成熟阶段之后,且占总闪的比例在系统消散阶段明显增大;地闪强度越大,相应的地闪频次越小,除少数弱闪（1/1〈10kA）外,二者基本上呈反相位关系。     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。     

深圳一次强飑线过程的闪电频数与天气雷达回波关系分析

利用深圳市气象局的闪电定位网资料、多普勒雷达资料和常规天气资料,分析了深圳地区2012年4月一次强飑线过程的地闪变化特征以及闪电活动与雷达回波特征的相关性。结果表明,在整个飑线过程中随着时间的推移,正地闪占地闪总数的比例虽然有所增大,但负地闪仍然占绝对优势,正、负地闪主要发生在30 dBZ以上的强回波区,地闪分布与雷达回波强度表现出很好的对应关系;在-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃三个高度层上,雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频数的跃增,且地闪频数跃增的时间与回波强度跃增时间一致,其中-20 ℃层高度上回波强度与地闪频数相关性最好;在飑线过程不同阶段,雷达回波强度的概率密度分布等特征量可以反映闪电频数在相应时期的变化;另外,强回波面积与闪电活动也有较好的相关性,其中-5 ℃层高度上超过40 dBZ的雷达反射率面积与地闪频数的相关系数为0.90,其对数拟合优度R2为0.798,各温度层上相关系数最高项的线性拟合效果均好于对数拟合。      

一次正地闪触发两个并发上行闪电的光电观测

广州高建筑物雷电观测站光电同步观测系统于2017年6月16日记录到一次峰值电流达+141 kA的单回击正地闪触发两个并发上行闪电过程。利用高速摄像、普通摄像和电场变化数据分析了触发型上行闪电的始发特征和机理。结果表明:正地闪回击后约0.8 ms内,在距正地闪接地点约3.9 km的广州塔（高600 m）和4.1 km的东塔（高530 m）分别有上行闪电始发。正地闪回击过程中和大量正电荷以及之后可能有云内负先导朝高塔方向快速伸展造成塔顶局部区域的电场发生突变是两个上行闪电激发的原因。两个上行闪电在353 ms内发生7次回击,其中6次在广州塔上,仅1次在东塔上,且广州塔回击峰值电流平均值（-21.4 kA）约为东塔回击峰值电流（-7.3 kA）的3倍,表明广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量（或电荷密度）更大的负电荷区。两个上行闪电先导的二维速率变化范围为9.4×104~1.8×106 m·s-1,平均值为6.9×105 m·s-1。     

一次西南涡引发暴雨的地闪特征

利用高频次多普勒雷达回波资料、闪电定位仪及区域自动站资料,对2011年6月9日湖北暴雨过程的闪电特征进行分析。结果表明：MCS不同生命阶段地闪所处位置不同,正、负闪同时跃增到峰值是MCS成熟阶段的标志之一,地闪密集区和MCS中移速较快的强回波位置基本吻合,MCS强回波区域出现正、负闪和45-55 dBz回波后部区域对应较好,强降水发生在MCS成熟后趋于消亡阶段。     

北京一次大雹天气过程的闪电活动特征分析

由于受闪电监测系统限制,已有研究多局限于强对流天气的地闪(cloud-to-ground lightning,CG)活动特征。本文利用VLF/LF三维闪电监测定位资料,结合雷达观测等资料对北京地区一次典型大雹天气过程的全闪活动特征进行了分析。结果表明:降雹发生前,闪电活动主要分布在对流系统的后部,闪电数较少,且以负地闪活动为主;降雹期间,闪电频数显著增加,云闪(intracloud lightning,IC)及正地闪活动明显加强,该阶段闪电活动主要集中在对流系统强回波中心及其前部雷达反射率因子梯度较大的区域;降雹结束之后,强回波中心基本移出北京,北京范围内的闪电频数明显减少。正闪比例在降雹发生前逐渐增大,在降雹期间稳定维持在较大值,降雹结束后迅速减小;云闪比(云闪频数/总闪频数)表现为降雹发生前和降雹结束后逐渐增大趋势,在降雹期间基本维持稳定少变。闪电的电流强度主要集中在5—50 kA之间,20 kA以下的低雷电流强度的云闪和地闪多发生在降雹期间及降雹结束后,而20 kA以上的高雷电流强度的云闪和地闪在降雹发生前占有很大比例,小于5 kA的云闪在大雹发生期间所占比例明显高于地闪。降雹发生前及降雹结束后云闪发生高度在2-6 km,降雹期间有所抬升,约为2-8km。闪电频数峰值超前于降水峰值5-20 min。     

青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系

基于2014—2015年5—9月西藏那曲地区多普勒天气雷达数据,结合地闪观测数据,识别雷暴单体样本,统计分析了地闪位置附近的雷达回波分布特征,并研究了高原雷暴的雷达参量与地闪频次的相关关系。结果表明:那曲地区地闪发生位置附近的雷达最大反射率因子呈正态分布,峰值分布区间集中于34~41 dBZ。发生地闪位置附近的20 dBZ回波顶主要集中于11~15 km高度,30 dBZ回波顶高分布的峰值区间则为8.5~12 km。分析表明:表征局地雷暴对流发展强度的雷达参量与地闪频次之间一对一的相关关系较差,但相关性随地闪频次增加而增强。基于雷达参量分段统计得到的对应分段平均地闪频次与雷达参量之间表现出较强相关关系,体现了宏观上闪电活动强度与雷暴发展强度之间的正向关系。其中,基于原始数值进行区间划分的强回波（组合反射率因子不小于30 dBZ）面积与平均地闪频次的线性相关系数达0.75,基于对数数值区间划分的7~11 km累积可降冰含量的对数值和地闪频次的线性相关系数达0.95。文中对比了多个雷达参量和地闪频次线性拟合与幂函数拟合结果,整体上幂函数拟合略好于线性拟合。     

Analysis of a Mesoscale Convective System that Produced a Single Sprite

Sprites are brief optical emissions occurring above thunderstorms. Features of sprites and their parent thunderstorms and lightning activities have been studied by many researchers. Here, we report a single sprite recorded over a mesoscale convective system during its life cycle in Northeast China. The results show that the sprite might have been a dancing one,with a 20 km horizontal displacement from its parent cloud-to-ground flash(CG) and a 38 ms time delay; all the sprite elements occurred during the continuing current process of the parent flash. The peak current of the parent CG was the largest during the almost one-hour time window containing the sprite, and the absolute values of all the negative flashes were smaller than 100 k A during the same time period and did not produce sprite. The sprite did not occur during the time period in which the maximum area of the thunderstorm reached. The occurrence of sprite corresponded well with the decay of the thunderstorm convection, and no significant relationship between the occurrence of sprite and the increase in the 30–35 d BZ and 35–40 d BZ interval was found. The large wind gradient in the 8–12 km region of the thunderstorm may have played an important role in the sprite production.     

Analysis of thunderstorm and lightning activity associated with sprites observed during the EuroSprite campaigns: Two case studies

During the summers of 2003 to 2006 sprites were observed over thunderstorms in France by cameras on mountain tops in Southern France. The observations were part of a larger coordinated effort, the EuroSprite campaigns, with data collected simultaneously from other sources including the French radar network for precipitation structure, Meteosat with images of cloud top temperature and the Météorage network for detection of cloud-to-ground (CG) flash activity. In this paper two storms are analyzed, each producing 27 sprite events. Both storms were identified as Mesoscale Convective Systems (MCS) with a trailing stratiform configuration (ST) and reaching a maximum cloud area of ~ 120,000 km². Most of the sprites were produced while the stratiform area was clearly developed and during periods of substantial increase of rainfall in regions with radar reflectivity between 30 and 40 dBZ. The sprite-producing periods followed a maximum in the CG lightning activity and were characterized by a low CG flash rate with a high proportion of + CG flashes, typically around 50%. All sprites were associated with + CGs except one which was observed after a − CG as detected by the Météorage network. This − CG was estimated to have − 800 C km charge moment change. The peak current of sprite-producing + CG (SP + CG) flashes was twice the average value of + CGs and close to 60 kA with little variation between the periods of sprite activity. The SP + CG flashes were further characterized by short time intervals before a subsequent CG flash (median value < 0.5 s) and with clusters of several CG flashes which suggest that SP + CG flashes often are part of multi-CG flash processes. One case of a lightning process associated with a sprite consisted of 7 CG flashes.     

中国东北地区红色精灵的母体雷暴分析

红色精灵是发生在雷暴云上空的一种瞬态发光事件（Transient Luminous Events,TLEs）,它们由地闪回击或与连续电流共同作用产生,这表明了对流层和低电离层之间的直接耦合关系。中国大陆的红色精灵观测研究主要在华北地区开展,为了进一步研究中国中高纬度地区的红色精灵现象,并揭示其与母体雷暴之间的相关性,故2017年夏季在吉林辽源开展了观测实验。本文介绍了利用低光度相机在东北地区捕捉到的26例红色精灵事件,并结合闪电定位、天气雷达等同步观测数据,对红色精灵及其母体雷暴特征进行了分析。结果表明,在26例红色精灵事件中,有17次（约2/3）产生于一次尺度较大的中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,MCS）,其余（约1/3）的红色精灵事件分别由三次尺度相对较小的中尺度对流系统诱发产生。红色精灵母体闪电均位于对流核心边缘区域,中尺度对流系统对流区后无大面积层状云降水区。此外,吉林辽源及安徽合肥同步记录的电磁场脉冲信号表明上述红色精灵事件均由正地闪回击产生。     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。     

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.     

ISUAL探测器在青藏高原南麓地区对于红色精灵现象的观测分析

本文利用福卫二号卫星（FORMOSAT-2）搭载的高空大气闪电影像仪（Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightnings, ISUAL）于2004～2015年期间获得的数据，分析了青藏高原南麓地区（22°～30°N, 86°～98°E）观测到的多例红色精灵事件。通过与全球闪电定位网（World Wide Lightning Location Network，WWLLN）的观测资料进行对比，在分析了17次个例后发现对于大部分红色精灵事件，ISUAL给出的定位效果较好，与WWLLN的闪电定位结果偏差一般小于50 km，这与在北美及其邻近地区得到的结果一致。在此基础上，我们结合风云二号卫星的云顶亮温数据分析了青藏高原南麓地区红色精灵的母体雷暴特征，发现在青藏高原南麓地区除了中尺度对流系统外，小尺度对流系统也是这个地区产生红色精灵的主要天气系统。     

2019年马六甲地区红色精灵观测及母体雷暴分析

红色精灵是一种发生于闪电放电活跃的雷暴云上空的中高层大气瞬态发光现象, 它们通常由中尺度对流系统层状云降水区内的强地闪回击产生, 是对流层和中间层之间的一种能量耦合过程。目前, 有关中国南海及东南亚地区的红色精灵观测鲜有报道。为了进一步了解热带地区产生红色精灵事件的沿海性雷暴特征, 于2019年利用低光度光学观测系统和低频磁场天线在马来西亚马六甲地区开展了地基观测。实验于11月9日、12月11日和12月15日三次在沿海雷暴上空共捕捉到7例红色精灵事件, 其中包括4例圆柱型、2例胡萝卜型和1例舞蹈型。结合闪电定位、云顶亮温和低频磁场信号等同步数据, 分析表明所有事件均由正极性地闪回击产生, 且母体闪电回击位于雷暴对流区附近(云顶亮温≤210 K处), 这可能是该地区产生红色精灵的沿海性雷暴的共同特征。此外, 红色精灵生成期并不是闪电活动最强期, 而是发生于闪电频数短暂降低后, 这表明红色精灵的发生可能是该地区成熟雷暴中对流减弱的一个信号。      

北京城区相继多次降雹的一次强雷暴的闪电特征

受东北冷涡和低层暖湿气流影响,2016年6月10日北京午后爆发了相继5次降冰雹的一次强雷暴天气过程。利用国家“973”项目“雷电重大灾害天气系统的动力—微物理—电过程和成灾机理（雷暴973）”2016年夏季协同观测期间获得的闪电全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了此次雹暴的闪电活动和雷达回波特征。此次雹暴过程包括三个孤立的单体相继发展、并合,所分析的4次降雹过程中,总闪电频数在降雹期间都有明显增多,最高可达179 flashes min?1。云闪占全部闪电的80%以上,其中3次降雹前出现正地闪突增,其比例升高,占全部地闪的比例最高达58%。降雹时雷达回波>45 dBZ的面积增大,顶高超过13 km。整个雹暴过程,闪电辐射源主要分布在6～10 km的高度区域,与强回波具有一致性。所分析的4次降雹过程均出现明显的总闪频数跃增,并通过2σ阈值检验,其中3次提前时间为8～18 min,说明总闪频数对于降雹过程有一定的预警能力。