雷暴云顶和低电离层之间的大气放电现象研究进展

雷暴云顶和低电离层之间的大气放电是20世纪90年代(1989年)新发现的一类大空间尺度(垂直尺度几十千米,水平尺度甚至达到几百千米)放电现象,由于它们的持续时间比较短(ms量级),因此又被称为瞬态发光事件(Transient Luminous Events,TLEs)。由于瞬态发光事件连接对流层、平流层、中间层、低热层等多个大气层,因此是对流层与上层大气之间物质能量交换的重要瞬态物理过程,对这类放电现象的研究,有助于揭示整层大气间的耦合机制问题。瞬态发光事件对中高层大气的物理性质、化学性质、空间电磁环境及临近空间内飞行器的安全运行有直接影响。截至目前,已经发现的瞬态发光现象包括红色精灵(又称为"红闪",sprites)、淘气精灵(elves)、蓝色喷流(blue jets)、蓝色启辉器(blue starters)、巨大喷流(gigantic jets)和光晕(halos)等多种形式。以上述几种放电现象为主线,对相关研究成果进行了介绍,同时对未来的研究工作进行了展望。     

雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

雷暴中的闪电放电能够产生强静电场以及电磁辐射场,从而对空间电离层产生重要影响,引起电离层电子密度分布的扰动。研究表明:闪电放电引起电离层扰动的方式有两种:直接耦合和间接耦合。其中,直接耦合主要来自于闪电产生的准静电场及电磁场的作用,在甚低频 (VLF) 反射信号上表现出快VLF事件, 而间接耦合主要是闪电低频电磁波在传播过程中与磁层相互作用,在辐射带产生闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。雷暴闪电活动能够改变电离层从D层到F层的电子密度分布,影响对流层大气和电离层之间的场,导致中高层瞬态放电淘气精灵 (elves) 及红闪 (sprite) 等现象的激发。闪电VLF传输反射信号可用于反演电离层密度的变化,目前已成为一种探测电离层扰动的常用方法,而引起电离层扰动的强度不但和闪电放电参量密切相关,也和闪电放电过程、类型有关。该文重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合作用以及导致的相关现象。     

西藏地区雷暴与大气热源关系研究

利用1979～2008年NCEP/NCAR全球再分析月平均资料和雷暴记录资料, 运用相关分析和合成分析等方法分别对西藏地区大气热源和雷暴日数的关系以及热源强弱不同时期雷暴日数变化特征进行了分析。结果表明, 大气热源与雷暴日数存在着明显的正相关关系, 月相关系数高达0.86。在雷暴高发区的那曲东部、拉萨、日喀则中部、山南地区东北部和林芝地区西北部, 相关系数均超过了0.4。进一步分析表明, 当大气热源强值年时, 整个日喀则地区、拉萨地区、山南地区、那曲中西部和东部地区以及昌都地区中西部, 雷暴日数是偏多的。当大气热源偏弱时, 雷暴日数在日喀则中部地区减少最为明显, 其次在日喀则南木林县东北部和林芝西北部地区。     

雷暴云中闪电放电条件下的雨滴增长

从考虑雷暴云中电场力作用的水滴运动方程出发，利用球的正面阻力系数ψ和雷诺数Ｒｅ的实验关系，计算出水滴在外力作用下的瞬时运动速度，从而计算出环境电场作周期性变化时水滴增长的规律。     

基于大气不稳定参数的广东地区雷暴特征分析

利用广东省清远地区2011、2012和2014年6—8月地闪定位资料将每天发生的雷暴情况进行分级,并结合对应的探空资料,计算对流有效位能、沙氏指数、K指数等反映大气稳定性或能量关系的参数,分析其在发生时间和强度不同的雷暴发生前的分布情况。结果表明,沙氏指数、抬升指数、K指数、全总指数、强天气威胁指数和对流有效位能与雷暴强度有一定的相关性,而对流抑制能量、粗理查森数与雷暴强度间没有发现较好的相关性。广东地区雷暴发生前沙氏指数小于0℃,抬升指数小于-2℃,K指数大于30℃,对流有效位能大于500J/kg,更容易产生中强雷暴。广东地区的K指数高于青藏高原地区20℃左右,对流有效位能的平均值高于青藏高原及陕甘宁地区约300J/kg,其余参数分布特点与部分地区相似,进一步反映了广东地区雷暴特征的特殊性,加深了对广东地区雷暴特征的认识。     

我国部份地区雷暴活动、大气电场等与太阳活动的关系

本文用时序迭加法统计分析了1976—1985年太阳黑子一个完整周期内太阳活动与雷暴活动及地面大气电场之间的可能相关性。结果表明:高纬度地区有较好的相关性,耀斑爆发以后雷暴指数有明显增大趋势,最大关联日在+5日以后。中、低纬度地区几乎不存在相关性。随着耀斑强度增强,相关性也增大,且影响区域从高纬度向中、低纬度移动。在耀斑爆发后2天左右,地面电场强度增大,其关联日比雷暴指数提前。太阳黑子数和雷暴活动之间的相关性很微弱。本文又从全球电路概念出发,简单地解释了形成上述相关性的可能原因。     

大气电场的FFT频谱分析及雷暴预报研究

采用傅里叶变换方法将时域数据转换到频域,针对首次地闪发生(简称“雷暴天气”)和首次地闪不会发生(简称“非雷暴天气”)的大气电场强度数据做了幅度谱分析.研究发现,首次地闪前0.5h的大气电场数据与非雷暴天气中任意时段0.5h的大气电场数据的幅度谱分布具有明显差异,两类天气的幅度谱分布有一定规律可循.在此基础上对样本整理分类,将两类天气的平均幅度谱视为判别标准,利用欧氏距离判别法,对63个未知天气样本进行判别分类和效果检验,结果表明,此方法可供短时临近的首次地闪预警工作中予以参考.     

雪崩、分形与雷暴放电中强闪的自组织演化

强调了雪崩、分形与远离平衡系统自组织演化的联系。利用2003年夏季青藏高原中部地区雷暴放电的地面电场野外观测资料,基于近年来发展的分形及多重分形分析中的去势涨落分析(detrend-ed fluctuation analysis,DFA)方法,对强闪前电场信号的关联及多重分形特征进行了分析,发现强放电前过程具有明显的分形和多重分形特征,多重分形谱与推广的二项倍增串级模式符合。分析在一定程度上表明了雷暴强放电发生的可能的自组织演化性。     

珠三角冬季雷暴的大气环流特征及海温异常背景

利用珠江三角洲14站1月份的观测资料,进行珠三角地区冬季雷暴的气候统计,得出上世纪80年代后有出现次数增加的趋势。根据历史天气图以及NCEP/NCAP再分析资料,引发珠三角冬季雷暴的天气特点是:500 hPa多为南支槽和西风槽叠加,地面为静止锋或冷空气配合锋面南下、低压槽维持在华南;冬季雷暴发生前珠三角地区上干下湿配置明显,850、500 hPa上K和S i指数呈逐日较大增长趋势。对比1961~2003年珠三角地区冬雷年、非冬雷年1月的500 hPa平均高度距平合成图,分析形成珠三角冬季雷暴的大气环流特征,发现冬雷年的500 hPa大尺度环流背景是:欧亚中高纬平均高度距平从西到东呈“正负正”分布,即乌拉尔山附近有阻塞高压,欧洲长波槽深而活跃,蒙古、中国多低槽、冷空气活动,副热带高压偏强;相反,非冬雷年500 hPa的欧亚中高纬平均高度距平从西到东呈“负正负”分布,欧洲长波槽偏北,乌拉尔山附近没有稳定阻高建立,冷空气势力偏弱。同时,冬雷年1月的海温特征是:赤道东太平洋170~80°W附近为正海温距平区。     

雷暴预警预报的研究进展

雷暴作为极端天气事件中的一种,不仅常产生强降水、破坏性大风和冰雹等严重的天气灾害,而且还伴有雷电,造成雷击灾害,给工农业生产和人民生活都可带来严重的损失。因此对雷暴的预警预报研究变得尤为重要,也促使其理论、技术及应用都取得了很大的发展。本文对有关雷暴预警预报技术的一些研究结果和进展如雷暴的潜势预报、雷暴的临近预报、雷电活动的观测信息在雷暴天气预警中的指示作用及雷暴云的数值模拟等方面进行了归纳和综述,总结了各方面研究所涉及的重要问题及主要进展,并对未来发展进行展望。     

放电后电荷重置对雷暴云电荷结构及闪电行为的影响

为探究放电后电荷重置对雷暴云电过程的影响,在已有的三维雷暴云起、放电模式中分别加入两种不同的电荷重置方案:一种是植入法即放电后闪电通道上的感应电荷与原空间电荷叠加(简称ZR方案);另一种是中和法即放电后直接按一定比例降低闪电通道处的空间电荷浓度(简称ZH方案)。利用长春一次探空个例进行敏感性试验,发现放电后重置方式的不同会导致闪电特征存在明显差异:1)ZR方案下的云闪发生率比ZH方案下的云闪发生率少。闪电放电后ZR方案在云中植入异极性电荷,对雷暴云中电荷的中和量比ZH方案多,摧毁云中电场的能力更强;2)ZR方案下的正、负地闪发生率均比ZH方案多。相对于ZH方案,ZR方案中主正电荷区的分布范围大于主负电荷区,导致其出现了更多的正地闪;ZR方案中的云顶屏蔽层与主正电荷区的混合程度高,混合时间长,导致ZR方案在主正电荷区与主负电荷区之间触发了更多的负地闪;3)ZR方案下的闪电通道长度比ZH方案下的闪电通道长度短。ZR方案在云中植入异极性电荷,导致云中难以形成大范围同极性电荷堆,闪电通道传播局限在一对较小的异极性电荷堆内,而ZH方案不改变云中电荷分布,存在大范围同极性电荷堆,闪电通道传播范围较大。     

雷暴探测研究的进展

雷暴是指伴有雷鸣和闪电的强对流性天气系统,它一方面是春末和夏季许多地区主要的降水源,另一方面在全球范围内每年都要造成重大的人员和财产损失,因此是天气学、气象学和大气科学中的重要研究对象.雷暴发生和发展机制与条件的研究,雷暴(潜势)的数值天气预报,雷暴的临近预报预警,都需要多种技术手段获取的观测资料来支撑.过去半个多世纪...     

Ground-Based Observations of Unusual Atmospheric Light Emissions

Unusual atmospheric light emissions were observed from a station located in Shandong Province of East China. The main morphology of these events includes a bright glowing spot, which differs distinctly from any type of transient luminous events （TLEs） well recognized in literature, such as sprites, halos, elves, gigantic jets, blue jets, and blue starters. A comparison between the observations of four such light emission events and the data from lightning detection networks reveals no correlation between these events and the intense lightning activity in the adjacent area. The events reported in this paper may imply the existence of a new phenomenon with a mechanism that remains to be investigated with further observation and complementary lightning measurement.     

地闪回击辐射场波形的重构及地闪放电参量的估算

根据地闪回击传输线电流模式重新确立了地闪回击辐射场与电流之间的关系式,并在观测实验的基础上,重构了不同距离范围内(15～50km,50～100km,100～150km)的地闪回击辐射场波形,重构波形与实测波形之间有很好的一致性。同时在合理的假定下,将回击辐射电场与电流之间的关系进一步推广到先导过程,并估算了地闪先导放电过程中的三个参量。发现首次回击前最后一个先导脉冲电流为2.7kA,通道的电荷密度为(0.135～1.35)×10-3C·m-1,负地闪回击过程中和电荷量为2.06C。     

极端降水事件变化的观测研究

回顾了气候变化背景下的极端降水事件变化观测研究的主要进展,结合全球变化的特点,重点讨论了中国极端降水事件的变化特征。指出：最近50多年,我国降水强度普遍趋于增加,降水日数除西北地区外其他大部分地区显著减少。极端降水与总降水量变化之间的关系很密切,西北西部、长江及长江以南地区极端强降水事件趋于频繁,华北地区虽然极端降水事件频数明显减少,但极端降水量占总降水量的比例仍有所增加。连阴雨产生的年降水量在华北、东北东部和西南东部地区明显减小,在青藏高原东部和一些东南沿海地区则增加。降水日数和微量降水日数减少是近年来我国干旱化趋势发展的一个重要特点。     

2007年全球气候变化回顾

 以世界气象组织发布的2007年全球气候变化报告为基础,结合全球其他气候资料,总结了2007年全球的气候变化特征：2007年北极海冰面积为有记录以来最低,导致加拿大西北航道有记录以来首次贯通;南极臭氧空洞相对较小;赤道太平洋中东部拉尼娜发展;世界许多地方发生破坏性洪水、干旱和风暴。     

2007年全球气候变化回顾

以世界气象组织发布的2007年全球气候变化报告为基础,结合全球其他气候资料,总结了2007年全球的气候变化特征：2007年北极海冰面积为有记录以来最低,导致加拿大西北航道有记录以来首次贯通;南极臭氧空洞相对较小;赤道太平洋中东部拉尼娜发展;世界许多地方发生破坏性洪水、干旱和风暴。     

Mistreatment of the economic impacts of extreme events in the Stern Review Report on the Economics of Climate Change

The Stern Review on the Economics of Climate Change has focused debate on the costs and benefits of alternative courses of action on climate change. This refocusing has helped to move debate away from science of the climate system and on to issues of policy. However, a careful examination of the Stern Review's treatment of the economics of extreme events in developed countries, such as floods and tropical cyclones, shows that the report is selective in its presentation of relevant impact studies and repeats a common error in impacts studies by confusing sensitivity analyses with projections of future impacts. The Stern Review's treatment of extreme events is misleading because it overestimates the future costs of extreme weather events in developed countries by an order of magnitude. Because the Stern Report extends these findings globally, the overestimate propagates through the report's estimate of future global losses. When extreme events are viewed more comprehensively the resulting perspective can be used to expand the scope of choice available to decision makers seeking to grapple with future disasters in the context of climate change. In particular, a more comprehensive analysis underscores the importance of adaptation in any comprehensive portfolio of responses to climate change.     

我国前冬和后冬的划分及其气温的年际变异

基于我国762站均一化逐日平均和逐日最低气温数据集，对我国年最低气温的概率密度分布的分析表明，我国年最低气温的概率密度呈现清晰的双峰分布特征。进一步考察其原因发现东亚冬季风盛行期间我国年最低气温的分布具有显著的地域性差异，以冬季气候态气温的0℃为界大致可以分为两种气候区。综合不同气候区内年最低气温所在日期的概率密度分布的结果，将11月16日至次年1月15日划分为前冬，次年1月16日至3月15日划分为后冬。在此基础上，通过依赖于季节的经验正交函数分解方法分析了近56年我国前冬和后冬气温在年际变异上的特征，并进一步利用NCEP/NCAR全球日平均再分析资料通过合成分析的方法研究了其对应的大气定常波和瞬变波特征。结果表明:年际变化时间尺度上，我国前冬和后冬气温演变仍表现为前、后冬同相演变和反相演变这两个主要模态。同相演变模态环流异常的空间形态在前冬和后冬较为一致，并随着前冬向后冬的推移其环流异常的强度在不断加强；反相演变模态则对应了环流异常在前冬和后冬的相反变化，且其环流异常的空间形态在前冬和后冬有较大不同。对大气波动特征的分析表明，瞬变波的动力和热力的强迫作用以及定常波能量向下游的频散对北大西洋至欧亚大陆上定常波列的维持和发展具有重要作用。同相演变模态中，北大西洋上的波列将能量从北美向欧洲地区传播，加强了后冬欧洲地区的高压异常，该中心在后冬向下游的能量频散显著增强，形成了一个自欧洲经喀拉海以东至贝加尔湖附近的定常波列，大气瞬变波所引起的动力和热力强迫对该波列位于欧洲和贝加尔湖地区的大气活动中心的维持和发展具有正的贡献。反相演变模态中前冬的波动特征与同相演变模态后冬基本一致，而后冬则表现为从北大西洋中部向格陵兰岛传播，并进一步向东经乌拉尔山附近传向青藏高原北部的波列，风暴轴移动所引起的大气瞬变波的动力和热力强迫对该波列位于北大西洋地区南侧的中心有维持作用。     

大气污染资料同化与应用综述

我国正面临以高浓度臭氧和细颗粒物为典型特征的大气复合污染问题,对其进行模拟和预报是有效应对大气污染的关键。大气复合污染预报的不确定性来源复杂,同时存在化学非线性的影响,各种模式输入不确定性对模拟预报影响的时空差异较大,从而导致很多不确定性约束方法难以确定关键的不确定性因子而进行有针对性的约束和订正。利用资料同化方法融合模式、多源观测等信息,减小模式输入数据的不确定性成为提升大气污染模拟预报精度的关键。本文将简要介绍大气污染资料同化相关的模式不确定性、同化算法以及污染物浓度场同化、源反演研究上的进展,探讨大气污染资料同化面临的主要挑战和发展趋势。