高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验

为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。     

雷暴云宏观特性对其电过程影响的数值模拟研究

利用一维雷暴云起电放电模式,初步模拟了STEPS(夏季雷暴降水与闪电研究计划)一次雷暴个例的一些基本电学特性。模拟的电荷结构为:雷暴云上部为正电荷,下部为负电荷,即符合典型雷暴云的偶极性电场分布特征,放电层电场随时间变化规律呈锯齿状分布。在此基础上,对云底高度和温度垂直递减率进行了敏感性试验,研究这两种因子对雷暴电过程的影响。结果表明:当云底高度降低时,放电高度升高,闪电频数增加,首次放电时间随之提前,即放电过程变强。温度垂直递减率增大,闪电频数降低,首次放电时间随之延后,正负电荷的分布范围减小。     

冰雹云的闪电频数特征及其在防雹中的应用

本文总结了1976—1979年在甘肃平凉地区用双通道闪电计数器所观测的冰雹云闪电频数的特征。观测表明雷暴云的闪电频数与降水物有关:冰雹云的闪电频数远大于雷雨云;用5分钟累计的闪电数等于、大于100次这样一个简易指标可以识别测站40公里范围内有无冰雹云,其成功率为80％以上,漏报和空报率平均在10％左右。文中还将闪电频数随时间的演变与雷达强回波(36dbz)顶高随时间的演变进行了对比,发现二者有明显的正相关;雷达识别冰雹云指标和闪电计数器识别冰雹云指标在时间上也基本是一致的。这说明闪电活动程度在一定条件下可以代表雷暴云的强度,云合并时云体迅速发展、闪电数猛增也说明了这一点。此外,文中还对冰雹云闪电频数高的原因进行了初步讨论,並指出了闪电计数器观测中应注意的一些问题。     

一次夏季雷暴天气过程中闪电活动特征分析

利用探空资料、多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年7月30日发生在南京地区一次雷暴天气过程的雷达及闪电数据时空演变特征。结果表明：对流有效位能Ecap比起K指数（IK）等对于对流潜势预报具有更明显的指示作用,0 ℃层和-10 ℃层高度的降低有利于雷暴云的雷电活动;整个过程以负闪为主导,闪电强度越大,闪电频数也越高,每次闪电峰值后,都对应一次谷值;闪电数据与多普勒天气雷达回波叠加后分析发现,回波的生消演变对应着闪电频数和强度的生消演变,负闪主要落在强回波中心区域,正闪零星分布于回波强度梯度较大的区域;雷达径向速度图像特征变化更能揭示闪电发生发展的机制,逆风区对应雷暴中心区域,不仅是强降水的中心区也是闪电的中心区,对逆风区的识别监测能够更好的指导雷暴预警报工作;利用雷达数据计算的云底动能施力参量,能够很好的描述支持闪电起电的热动力特征,云底动能施力对雷电增长的贡献有一段持续传输过程,该参量峰值比频闪峰值和强度峰值都约有0.5 h的提前量。     

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.     

WRF模式对弱强迫系统中雷暴预报个例研究

用WRF2．2版本,针对2006年7月13日洛阳市区,发生在副高边缘偏东南暖湿气流中的雷暴进行了模拟预报,结果表明WRF模式能描述弱强迫天气尺度系统中的中小尺度对流系统,能捕捉到常规天气图上难以分辨出来的雷暴单体。模式输出的中尺度要素场可以确定雷暴发生的地点;模式探空的对流有效位能、抬升指数、沙瓦特指数、K指数随时间演变曲线的拐点,能指示雷暴发生的时间。个例分析表明WRF模式在预报弱强迫天气系统雷暴时具有较好的性能,用WRF模式来作雷暴的分析预报早一条可行的徐径。     

盛夏杭州湾一次海风锋触发雷暴的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、多普勒气象雷达资料、浙江省自动站加密资料、NCEP/FNL再分析资料,结合高分辨率中尺度数值模式WRF对杭州湾地区2016年7月28日一次海风锋触发雷暴天气的发生、发展演变特征进行数值模拟。结果表明:1)海风锋是此次强雷暴天气过程的主要触发系统。2)中尺度模式WRF较好地模拟出此次雷暴过程的降水和低层风场、温度场分布以及海风锋水平垂直结构。3)海风锋对局地比湿及涡度特征的加强有明显的促进作用,为雷暴的发生发展提供有利的水汽和动力条件。4)分析对流参数演变曲线的突变位置,对雷暴发生的时间有一定的指示和预报意义,杭州湾南侧单纯的海风锋也可以触发雷暴的发生发展。     

闪电先导三维自持发展模式的建立

为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用,该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时,进行自持发展模拟,计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中,其速度呈逐渐增加趋势,临近最后一跳发生前,上行正先导速度增加明显,整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级,电流强度随时间也具有逐渐增加趋势,该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。     

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。     

X波段多参数气象雷达对强风暴云雷电个例的探测研究

利用多普勒双偏振多参数气象雷达,结合地面LD-Ⅱ闪电定位仪资料,对一次中尺度对流强风暴云的雷电过程进行观测分析。结果表明,闪电发生前后,对流云上部的差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和差相移φDP有明显的变化,反映出云中冰相粒子排列取向随云中电场分布结构的变化而变化。这种闪电发生时冰相粒子排列取向存在明显变化的信息,说明用多参数气象雷达探测的技术以及开展雷电预警预报是可行的。     

雷暴中雷电活动与WRF模式微物理和动力模拟量的对比研究

利用WRF模式模拟发生在成都地区的典型雷暴天气过程,得到相应雷电活动过程中微物理和动力输出场,将其与雷电监测定位网所探测到的地闪资料进行对比分析,在电荷分离的微物理学基础上讨论了WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出的不同微物理及动力因子与地闪的相关性。结果表明:-10℃到-20℃之间的电荷分离区域内,冰晶粒子与霰粒子质量混合比最大值与地闪频数随时间变化趋势基本保持一致。在雷电活动中后期,霰、冰晶及雪晶粒子最大值位置与地闪密度大值中心位置对应性较好,空间上均能指示地闪发生区域。最大上升速度与风暴相对螺旋度可以指示地闪频数变化,风暴相对螺旋度空间上可指示地闪密度大值中心。模拟结果表明WRF模式微物理及动力输出场可以指示地闪活动的发生时间和位置,表现了日益成熟WRF模式进行雷电数值预报与研究的潜能。     

通道感应电荷对放电活动特征的影响

为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响,利用已有的三维雷暴云起放电模式,结合2011年8月12日发生在南京地区一次典型的雷暴个例,通过控制倍数改变闪电通道感应电荷量进行大量敏感性试验。模拟结果表明:闪电通道感应电荷量对空间电荷结构分布和云闪通道长度有明显影响。通道感应电荷量增加,即空间异极性电荷堆增多,加大空间电荷结构复杂程度;云闪通道在发展过程中难以穿越与自身极性相同的电荷堆,导致短通道云闪频次增加。通道感应电荷累积总量相同,不同闪电通道感应电荷量下云闪频次与通道电荷平均累积量呈负相关,即通道感应电荷平均累积量增大,云闪频次减少。而地闪频次、类型与通道感应电荷量相关性不明显。     

Charge structure of a summer thunderstorm in North China: Simulation using a Regional Atmospheric Model System

Electrification and simple discharge schemes are coupled into a 3D Regional Atmospheric Model System （RAMS） as microphysical parameterizations, in accordance with electrical experiment results. The dynamics, microphysics, and electrifi- cation components are fully integrated into the RAMS model, and the inductive and non-inductive electrification mechanisms are considered in the charging process. The results indicate that the thunderstorm mainly had a normal tripole charge structure. The simulated charge structure and lightning frequency are basically consistent with observations of the lightning radiation source distribution. The non-inductive charging mechanism contributed to the electrification during the whole lifetime of the thunderstorm, while the inductive electrification mechanism played a significant role in the development period and the mature stage when the electric field reached a large value. The charge structure in the convective region and the rearward region are analyzed, showing that the charge density in the convective region was double that in the rearward region.     

利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年（2015—2017年）的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6~12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期（6—8月）的预报临界成功指数（CSI）均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。     

Investigations of the development of thunderstorm with hail. Part 2. Analysis of methods for the forecast and diagnosis of the electrical properties of clouds

The results of observation of the development of a high-depth thunder-hail storm is presented. The measurements were carried out with the MRL-5 weather radar and LS8000 lightning detection system. The electrical parameters of the investigated cloud obtained with LS8000 as well as their relations to radar-derived cloud characteristics and to the indirect criteria of electrical conditions computed on their basis are analyzed. The possibility to forecast thunderstorm based on different thermodynamic criteria is investigated. The high correlation was revealed between the total lightning current in the LF range and the lightning flash rate in the LF and VHF ranges. The total charge transferred by negative lightnings from this cloud to the ground is equal to 387 C; the average value of charge per one lightning is 0.44 C. Regression equations linking the radar criteria of lightnings and the lightning flash rate are presented.     

强雷暴云中电荷多层分布与形成过程的三维数值模拟研究

通过建立云物理耦合电过程的冰粒子分档模式, 对北京一次强雷暴天气的云中空间电荷结构分布、 形成机制及放电过程进行了模拟分析研究。结果表明: (1) 云水含量主要通过感应起电来影响云水、 霰粒子之间的电荷转移, 然后再影响空间电荷分布。而包含了雨水后的液水含量主要通过非感应起电在不同含水量条件下的起电机制影响霰粒子同雪粒子 (或冰晶) 碰撞后转移电荷的极性与大小, 从而影响空间电荷结构。 (2) 微物理过程的不均匀性将导致水成物含水量源汇项的不均匀性。而这种不均匀性首先会使得水成物在不同垂直剖面上的分布也不均匀, 从而使得感应、 非感应起电变得更复杂。源汇项的不均匀性还会导致水成物之间因质量转移而产生的电荷转移也不均匀。 (3) 强的上升气流将冰相物携带到较高处, 从而使得水成物间发生电荷转移的高度也比较高。雪粒子在强上升气流上部及两侧区域出现多个含量中心, 霰粒子含量分布相对均匀, 而质量中心向背风侧倾斜。因此, 非感应起电过程主要发生在背风侧的辐散区域, 从而导致空间电荷也主要分布在该区域。强上升气流使得冰相水成物在不同区域出现含量中心, 使得同一冰相物在不同区域携带不同电荷 (尤其是在强风暴的成熟期), 从而使得空间电荷易于出现多层结构。 (4) 由于放电会改变空间电荷结构, 放电通道中的感应电荷会重新分配到各个水成物表面, 所以在微物理过程和动力过程等作用下, 在水成物质量转移过程中发生的电荷转移将会更加复杂, 从而使得空间电荷浓度分布更加复杂。但是该作用的重要性还需要进一步的研究。以上因子均是造成空间电荷多层分布的重要原因。     

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。     

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。