闪电放电通道的三维结构特征

通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10一20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。     

强风暴个例电荷结构及云闪放电差异的数值模拟

利用耦合电过程的冰粒子分档模式对长春地区两个降雹型和非降雹型强风暴个例的闪电特征进行了模拟和对比分析。结果表明,在雷暴云的初始发展期,由于上升气流较弱,两者电荷分布相似,均表现为弱的正偶极结构。随着云体不断发展,两者电荷分布开始表现出差异:降雹型个例中的上升气流较强,风切变较大,过冷水能被携带到较高的高度,冰相粒子也能被带到较高处或在较高处继续增长,使得不同区域均存在冰相粒子含量中心。因此,冰相粒子的发生范围不同、环境参数不同及荷电符号不同的非感应起电过程,形成多个电荷中心,电荷结构易出现多层分布。在不同的发展时期电荷结构均呈现出不同的形态,放电既可能在上升气流区触发,也可能在气流辐散区触发。相对而言,非降雹型个例中的上升气流较弱,风切变较小,冰相粒子的分布较规则,非感应起电过程较均匀,从而导致电荷分布始终较均匀。不同发展时期的电荷结构都相对有规则,满足放电条件的位置具有一定的相似性。     

南京地区夏季雷暴的雷达雷电特征分析

通过对2009年发生在南京的6次雷暴过程的雷达回波强度、VWP产品、垂直速度等雷达产品和探空资料等常规气象产品以及闪电资料的对比分析,发现VWP产品对雷暴过程中大气的湿度条件有较好的指示作用,ND区的初始破坏时间往往早于雷暴中闪电的发生时间。闪电主要发生在雷达最大回波顶高度突破9 km之后,并且最大回波顶高度较闪电峰值有约12 min的提前量。雷达平均垂直速度图中出现强上升中心后的短时间内闪电将会突然增大。     

地闪近地面形态特征的数值模拟

该文在已有闪电随机放电参数化方案的基础上,截取近地面区域,保持闪电其他基本参数不变,通过改变闪电的空间形态,对同一背景下的闪电进行多次模拟,研究闪电近地面空间形态的差异对闪电击地点位置、上行先导长度、上行先导触发时下行先导的尖端位置及连接过程形态等参数的影响,并探索闪电参数之间的相关性。结果显示:闪电近地面空间形态会使上行先导长度在77~609 m区间内变化,大部分集中在100~200 m,也会使上行先导触发时下行先导的尖端位置分布在建筑物上空的一个椭球形空间内。同时,闪电近地面空间形态的差异也会使地闪连接形态呈多样性。另外,近地面闪电下行先导长度与上行先导长度有一定的线性相关性,而其他闪电参数相互之间的相关性较弱。这不仅可以加深对闪电空间形态不确定性的理解,同时也对以后的模式建立有一定借鉴意义。     

2019年呼和浩特一次强雷暴天气过程综合分析

利用NCEP再分析资料、雷达、卫星资料以及闪电定位资料对2019年7月27日呼和浩特市一次强雷暴天气过程进行了综合分析。结果表明：此次雷暴过程主要受贝加尔湖低压中心和蒙古高原高空槽东移影响；雷暴发生前，K指数和CAPE等不稳定参数均超过阈值，大气层结呈现上干冷下暖湿的不稳定形势，并且垂直方向上低空辐合、高空辐散的结构与强烈的上升气流相配合，为雷暴天气的发生提供了有利条件；在整个雷暴过程中负地闪占主导地位，但雷暴的不同发展阶段地闪分布不同，在雷暴发展及成熟阶段，负地闪数明显多于正地闪数，而在雷暴消散阶段，正地闪数大幅增加，甚至超过负地闪；闪电多分布于强回波区域，但闪电频数最高的地方不一定与强回波中心相对应；地闪的落区主要位于云顶温度低于240 K的区域，对应的云顶相态为冰相和混合相。     

大气环境层结对闪电活动影响的模拟研究

利用一个二维面对称雷暴云起电、放电模式,选取了北京地区3次雷暴过程的环境层结,计算并讨论了不同层结条件下雷暴中动力、微物理过程及其对起电、放电活动的影响。结果表明,上升速度和水汽条件是影响雷暴动力、微物理过程和闪电活动的最重要因子。上升速度的大小决定了雷暴发展到成熟的时间和雷暴的强弱,较强的上升气流有利于雷暴云在较短时间内达到较大的高度。而持续的上升气流和充足的水汽有利于雷暴的成熟期延长从而增强闪电活动。较强的上升速度和充足的水汽可以产生更多的对闪电起电、放电有直接影响的冰相物并能使其持续生成,从而形成较大的电荷浓度。较强的上升速度和不利的水汽条件也可以在某时形成较大的冰相物浓度,但冰相物难以持续生成。而较弱的上升速度和充足的水汽则容易形成暖云过程,对冰相物的生成也有不利影响。上升速度和水汽相互影响,又共同受到环境层结的支配。大气低层潮湿、中层湿度适中,较大的不稳定能量和一定量的对流抑制能量将有利于强闪电活动的发生。表现在大气不稳定参数的取值上,对流性稳定度指数的值小于-10℃(负值表示不稳定),对流有效位能值在1000 J/kg以上,对流抑制能量大于40 J/kg,700 hPa相当位温在340 K以上,700—400 hPa中层平均湿度在35%—85%,有利于强闪电活动的发生。     

吉林地区一次雷暴云个例电和云微物理特征的模拟分析

利用三维强风暴动力一电藕合数值模式, 结合闪电定位仪资料、雷达回波资料及降水资料,分析了吉林地区一次雷暴云个例在发生第一次闪电前云内电场的发展情况及微物理变化过程,并与青藏高原一次典型雷暴过程进行了对比.结果表明:云发展成熟时,云中呈现上正下负及云下部次正的三极性分布,主负电荷区稳定在-10℃层附近,次正电荷区浓度较大;上升气流穿过-15℃层之上开始强起电;云中最大电场出现在上升速度达到最大值后回落的阶段;闪电频数与云发展的高度及回波强度有关,回波强度＞45 dBz时,云发展越高,闪电频数越大,云顶高度＜6 km时,闪电发生较少;青藏高原雷暴具有与我国北方雷暴明显不同的特征.     

西北太平洋热带气旋的闪电活动、雷达反射率和冰散射信号特征分析

利用热带测雨卫星(TRMM)携带的测雨雷达(PR)、闪电成像仪(LIS)和微波辐射计(TMI)的同步探测资料,选取1998-2008年登陆中国的46个热带气旋,分析了其不同强度阶段的闪电活动、雷达反射率和冰散射信号的分布特征,以及闪电的发生与雷达反射率和冰散射信号之间的关系.结果发现:强度较弱的热带气旋平均闪电次数相对较高;当强度达到强热带风暴阶段后,强度越强,闪电数量反而越少.热带气旋强度不同,闪电的空间分布也有差别,热带风暴、强台风和超强台风阶段眼壁区闪电密度最大,而其他阶段则在外雨带区密度最大.热带气旋大部分区域被层云和弱对流降水控制,0℃层以上雷达反射率迅速减小,冰散射信号也普遍较弱.虽然热带气旋的眼壁区对流活动最强.但相比于外面带却较不易发生闪电.在同等大小的雷达反射率下,闪电更易发生在台风和强热带风暴阶段,超强台风阶段发生闪电阈值最高.由于闪电的发生与软雹、冰晶和过冷水等微物理参量以及上升气流速度紧密相关,因此闪电资料可以提供关于热带气旋不同区域的微物理过程和动力过程信息.     

一次强雷暴天气与大气环境场的关系分析

雷电是电荷聚集到一定程度的放电现象,当雷暴云中电荷累积,在地面附近大气就会有相应的感应电场,因此通过大气电场脉冲波形变化,结合雷达回波资料,可以判断雷暴云的发展阶段。本文分析了2010年8月11~12日陕西省有闪电定位监测网络以来最强的一次雷电天气过程。该过程全省范围内共发生闪电23 570次,8月11日单日闪电14 470次,整个过程以负闪为主,闪电频数高,同时伴随强降水发生。分析发现,此次强雷电天气过程与大气环境场具有以下对应关系:强雷电的发生与西太平洋副热带高压强盛控制陕西大部分地区且呈东西带状分布、西风槽东移南压关系密切;另外还与潜在对流性稳定度指数、抬升指数、能量场和位势稳定度具有较好的相关性;高雷电密度区域与区域性暴雨的强降水落区有一定的对应关系,但强雷电往往先于强降水出现,雨量最大区域与雷电强度最大区域并不对应。     

雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响

为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响,建立了典型雷暴云电荷结构模型,引入控制电荷水平分布的参数,利用改进的随机放电参数化方案,开展二维高分辨率模拟试验。结果表明:主正电荷区电荷水平分布不均匀且向中心聚集时,产生的闪电类型多为正地闪和正极性云闪,随着电荷水平分布趋于均匀,闪电类型转变为负地闪;主负电荷区电荷水平分布趋于均匀时,闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪转变;闪电先导传播特征有较大差异,电荷分布密集不均匀时,先导被束缚在电荷高密度中心,主要在电荷区内发展,当电荷分布单一均匀时,先导能穿出电荷区并水平延伸十几至二十多千米。分析两个电荷区之间的电位分布发现,电荷区电荷水平分布趋于均匀时,位势线向电荷密度中心集中,整个位势阱水平延展,闪电触发点的初始电位值有较大差异,有利于闪电类型和先导传播行为的改变。     

雹暴系统中单体相互作用宏微观物理过程研究

为探究雹暴过程中单体相互作用的演变特征,利用X波段双线偏振天气雷达和二维闪电监测数据,结合常规气象探空和ERA5再分析资料,分析了贵州威宁县2018年4月30日一次雹暴天气过程中单体合并特征。结果表明:本次雹暴天气主要受两单体合并影响,合并初期有“云桥”现象发生,两单体的强降水促进了连接处的增长;合并使对流系统整体加强发展,初期上升气流和下沉气流的相互作用使雷暴回波顶高降低;冰雹粒子在合并阶段呈现增长趋势,大值主要出现在合并结束前6 min和合并后6 min。本次天气过程中,负地闪频次占总地闪的94%;闪电频次在合并阶段出现跃增现象且达到峰值,较大的上升速度使得低密度霰和冰晶的增速超过高密度霰增速的5倍,低密度霰与冰晶粒子之间非感应碰撞是主要的起电过程;合并完成后,回波顶高下降,上升气流减弱,大粒子下落,受附近新生对流的影响,系统的霰粒子与冰晶粒子数短暂增加,闪电发生频次再次上升。      

云内大粒子对闪电活动影响的个例模拟

利用三维云起电放电模式, 通过对2008年9月6日北京地区一次雷暴过程的模拟, 研究了云内雨滴、冰晶、霰和雹4种粒子对云内闪电活动的直接影响。对比几种主要冰相粒子比质量浓度的分布变化与模拟闪电开始发生高度的关系, 并分析几种冰相粒子所带电量变化率的时空变化特征后发现:霰和冰晶是对云内闪电发生作用最为重要的两种粒子; 雹粒子对闪电发生作用有限; 雨滴则对于主电荷区附近闪电发生没有直接影响。模拟结果表明:在实际观测中出现的雷达强回波达到某个高度之上可以预警闪电发生的现象, 主要是由于霰粒子在一定高度之上与冰晶之间发生强烈的电荷分离, 从而使云内电场迅速增强, 并最终引发闪电而导致的。     

FY-4A白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用

我国第二代静止气象卫星FY-4A观测能力较之前有明显提升,在天气特别是对流性天气监测和预测中具有较强的应用潜力。利用FY-4A气象卫星多通道扫描辐射成像仪(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)和闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)数据开展研究,分析了反演产品在强雷暴天气中的应用。研究表明,扫描辐射成像仪多通道组合白天对流风暴红-绿-蓝（red-green-blue,RGB）合成产品可以突出具有强上升气流的对流性雷暴云,较单通道及多通道可见光合成产品具有监测优势;闪电成像仪产品较地面闪电探测闪电产品能够探测到更多的闪电,对新生对流和较弱对流产生的闪电监测具有优势;在华北和黄淮一次强雷暴天气过程中,白天对流风暴RGB合成产品能够监测云系发展的过程,卫星监测闪电活动频数和冰雹活动一致性较好。     

大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟

利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气,并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明：随着大气冰核浓度的增加,雷暴云发展提前,上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强,冰晶在高温区大量生成,而同质核化过程被抑制,因此冰晶整体含量降低,引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中,正极性非感应起电率逐渐减小,负极性非感应起电率逐渐增大。由于液态水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低,高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中,由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗,感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电,不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期,随着冰核浓度增加,空间电荷结构由三极性转变为复杂四极性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构,且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。     

A comparison of 3D model results with observations for an isolated CCOPE thunderstorm

Summary This paper is concerned with the simulation of deep convection for the CCOPE 19 July 1981 case study. Clark's three-dimensional (3D) cloud model modified to use the bulk water parameterization scheme of Lin et al. has been used in the simulation of the CCOPE 19 July 1981 case in coarse mesh, fine mesh, and interactive grid nested schemes, respectively. Comparisons with observations show this 3D grid nested cloud model is capable of both capturing both the dynamic and microphysical properties of the cloud.In the nested grid fine mesh model simulation, the timing and mode of cloud growth, the diameter of liquid cloud, the cloud top rate of rise, the maximum cloud water content, and the altitude of first radar echo are consistent with observations. The simulated thunderstorm begins to dissipate, after precipitation reaches the ground as indicated by the decreasing values of maximum updraft and maximum liquid cloud water content, and ends as a precipitating anvil as was observed in the actual thunderstorm. The model precipitation developed through ice phase processes consistent with the analysis of observations from the actual thunderstorm.Qualitative comparisons of the actual radar RHIs with simulated reflectively patterns from the 3D model show remarkable similarity, especially after the mature stage is reached. Features of the actual RHI patterns, such as the weak echo region, upshear anvil bulge, strong upwind reflectivity gradients, and the upwind outflow region near the surface are reproduced in the simulation. Comparison of the actual radar PPIs with horizontal cross sections of radar reflectivity simulated by the 3D model, however, show modest differences in the storm size with the 3D simulated thunderstorm being 1–2 km longer in the west-east direction than the actual thunderstorm. The model-predicted maximum updraft speed is smaller than the 2D model-predicted maximum updraft speed, but still greater than what was observed.Comparisons among the nested grid fine mesh model (MB), nested grid coarse mesh model (MA), fine mesh model (FM), coarse mesh model (CM), and 2D model results previously published show that the nested grid fine mesh model (MB) gives the best simulation result. The various 3D model simulation results are generally similar to each other except for the difference in the domain maximum values. The domain maximum values in the fine mesh models (MB and FM) are generally higher than the coarse mesh models as a result of averaging over a smaller area.With 7 Figures     

Impact of updraft on neutralized charge rate by lightning in thunderstorms: A simulation case study

The rate of neutralized charge by lightning (RNCL) is an important parameter indicating the intensity of lightning activity. The total charging rate (CR), the CR of one kind of polarity (e.g., negative) charge (CROP), and the outflow rate of charge on precipitation (ORCP) are proposed as key factors impacting RNCL, based on the principle of conservation of one kind of polarity charge in a thunderstorm. In this paper, the impacts of updraft on CR and CROP are analyzed by using a 3D cloud resolution model for a strong storm that occurred in Beijing on 6 september 2008. The results show that updraft both promotes and inhibits RNCL at the same time. (1) Updraft always has a positive influence on CR. The correlation coefficient between the updraft volume and CR can reach 0.96. Strengthening of the updraft facilitates strengthening of RNCL through this positive influence. (2) Strengthening of the updraft also promotes reinforcement of CROP. The correlation coefficient between the updraft volume and CROP is high (about 0.9), but this promotion restrains the strengthening of RNCL because the strengthening of CROP will, most of the time, inhibit the increasing of RNCL. (3) Additionally, increasing of ORCP depresses the strengthening of RNCL. In terms of magnitude, the peak of ORCP is equal to the peak of CR. Because precipitation mainly appears after the lightning activity finishes, the depression effect of ORCP on RNCL can be ignored during the active lightning period.     

一次具有对流合并现象的强飑线系统的闪电活动特征及其与动力场的关系

受东北冷涡与副热带高压西北部暖湿气流影响,2015年7月27日北京地区爆发了一次具有明显对流单体合并特征的强飑线灾害性强对流天气过程。利用北京闪电定位网（BLNet）总闪定位、多普勒雷达和探空资料等,详细分析了此次飑线过程整个生命史期间不同对流区的总闪活动特征。结果表明,整个飑线过程以云闪为主,地闪活动以负地闪为主;对流单体合并时云闪数量激增,飑线过程后期正地闪比例跃增。93%的闪电主要分布在距对流线10 km范围内,层云区闪电较少;层云区的闪电电荷来源主要是由对流区的电荷经过过渡区输送而来,正地闪更易发生在过渡区和层云区。对流合并过程中有大量的水汽集中,垂直积分液态含水量（VIL）峰值超前闪电峰值24 min。利用变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）对这次过程的三维风场进了反演,据此对单体合并期间闪电增强的动力原因进行了研究。根据VDRAS反演的动力场来看,对流云单体合并主要发生在低层辐合区内,合并后上升运动加强,上升气流范围变大,闪电活动显著增强,并主要发生在具有较强垂直风切变的区域,少部分闪电发生在对流区后部开始出现下沉气流的区域。     

液态水含量和冰晶浓度对闪电频数影响的数值模拟研究

假定在软雹和冰晶碰撞的非感应起电机制为主要的起电机制成立的条件下，数值模拟研究了国际上公认的Fletcher和H—M冰晶产生机制以及云中的液态水含量对雷暴云放电过程（区分了云闪和地闪）的影响。结果表明，随着气压和温度的变化，在两种冰晶产生机制假定下，冰晶浓度分布有很大差异，这直接导致了雷暴云内电活动的差异。液态水含量的增加将使得首次放电时间延迟，同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少。     

广东一次飑线过程中一个雷暴单体成熟阶段的电荷结构演变特征的数值模拟

为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。