湖北省一次强雹暴闪电和雷达回波特征分析

利用湖北省闪电定位系统监测资料与武汉市多普勒天气雷达资料同步叠加,对2010年4月12日湖北省东南部地区一次强对流过程的两个致灾雹暴单体进行分析。结果表明：雹暴生消的不同阶段,正地闪和负地闪频数及在雷达回波中的分布呈不同的变化特征,通过地闪频次和地闪在雷达回波中位置的变化可以识别雹暴生命史演变的不同阶段。雹暴Ⅰ产生小冰雹,是一个普通对流单体,闪电以负地闪为主,闪电频率最大为15次·（6 min）－1;正地闪落在风暴发展和消亡阶段,负地闪主要落在35—55 dBz强回波边缘,零星正地闪分布在强回波周围层状云中,雹暴移动路径前侧的负地闪对雹暴移动有一定的指示意义。雹暴Ⅱ是一个典型超级单体,产生直径超过3 cm的大冰雹,闪电频率最大为44次·（6 min）－1,风暴成熟阶段正地闪活跃,16—17时正地闪频繁出现时间与大冰雹持续时间一致;负地闪与25—55 dBz强回波区域吻合较好,正地闪分布在强回波30—55 dBz中心及层状云边缘。对比地闪频数和雹暴成熟阶段的回波强度可以发现,降雹均出现在风暴的成熟阶段,小冰雹发生时地闪频数下降幅度较小,大冰雹发生时地闪频数下降幅度较大,且正地闪比例明显增大。     

一次雹暴过程的闪电活动特征及其与雹暴结构的关系

利用闪电定位和双多普勒雷达资料,对华南一次产生冰雹和大风的雹暴过程的闪电活动及其与雹暴动力和微物理条件的对应关系进行分析和讨论。结果表明,此次过程中地闪活动在降雹阶段和降雹后阶段表现出明显差异:降雹阶段地闪频次增减交替,较为活跃;降雹后阶段地闪活动减弱后很快再次增强,地闪频次峰值（503个/6 min）远超过降雹阶段的峰值（268个/6 min）。在分析时段中,负地闪占主导地位,正地闪比例在降雹阶段呈上升趋势。地闪活动的强弱与60 dBZ强反射率的高度变化、70 dBZ回波的出现和消失有较好的相位对应关系。对应降雹阶段,雹暴内具有更强的上升气流和更高含量的冰相粒子。降雹阶段,强上升气流区以及降雹区内地闪活动较少,降雹结束后,原降雹区域的地闪活动明显增加。研究还发现,地闪更多地出现在弱上升、弱下沉气流以及二者交界区域附近。      

暴雨和雹暴个例中闪电特征对比

暴雨与雹暴过程中对应的闪电活动特征显著不同,为了对比这两类对流过程中的闪电活动特征差异,该文选取了两种比较有代表性的雷暴个例——暴雨过程和雹暴过程,利用全闪（包括云闪与地闪）定位数据,分析了两者闪电活动特征以及闪电活动与对流降水之间的关系。研究发现:暴雨过程中地闪频次和正地闪比例均低于雹暴过程;相对于暴雨过程,雹暴过程的主正电荷区放电高度更高,主正电荷区所处的温度偏低;暴雨过程中,总闪频次与对流降水量、总闪频次与对流降水强度的相关性均优于雹暴过程。总体而言,雹暴过程中闪电活动特征及其与降水的关系更为复杂,这可能与雹暴过程具有更为复杂的动力和冰相过程有关。     

蒙古东部冷涡造成河北中南部雹暴过程的地闪特征分析

应用地面闪电定位系统、多普勒雷达、加密自动雨量站资料,对2007年7月8～9日蒙古东部冷涡天气系统下,发生在河北中南部的两次雹暴过程进行了分析.结果表明:两次雹暴均产生大量地闪活动,且以负地闪占优势,闪电集中发生时段与强对流发生及维持时间相当.雹暴和强降水在时空分布上对应的地闪极性有明显差异,降雹发生在雹暴云团中正地闪最活跃的阶段,正地闪集中出现在强回波中心及其邻近区域,降雹点落在正地闪聚集区附近;对流性强降水云团中负地闪频繁发生,强降水区出现在负地闪密度高值中心附近,负地闪簇集区域预示着对流性强降雨的落区.多单体风暴中:闪电的频率及聚集区域主要取决于雷暴单体的数目、强度和相互接近的程度,其造成的强降雹主要发生在总地闪的活跃期.本次个例分析显示,总闪电频数跃增、正闪频数突增,仅先于降雹数分钟(几乎同时)发生.因此,根据闪电频数变化可监测对流强度的演变和冰雹天气的发生.     

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。     

一次强对流天气过程的闪电与雷达回波特征

利用贵州省三维闪电定位资料、C波段Doppler天气雷达资料及探空资料对2017年贵州一次强天气过程中闪电特征及雷达回波特征的相关性进行分析。结果表明：回波顶高与闪电频数的相关性优于回波强度与闪电频次的相关性;不同温度层上,大于等于30dBz的回波面积与总闪频次和负地闪频次相关性都比较好,其中零度层高度上大于等于30dBz的回波面积与总闪频次相关性最好,且多项式拟合效果优于线性拟合;最大回波强度 、回波顶高 以及30dBz强度回波发展高度对闪电的发生具有一定的指示意义。     

一次强对流天气过程的闪电与雷达回波特征分析

利用贵州省三维闪电定位资料、C波段Doppler天气雷达资料及探空资料对2017年贵州一次强天气过程中闪电特征及雷达回波特征的相关性进行分析。结果表明:回波顶高与闪电频数的相关性优于回波强度与闪电频次的相关性;不同温度层上,≥30 dBz的回波面积与总闪频次和负地闪频次相关性都比较好,其中零度层高度上≥30 dBz的回波面积与总闪频次相关性最好,且多项式拟合效果优于线性拟合;最大回波强度、回波顶高以及30 dBz强度回波发展高度对闪电的发生具有一定的指示意义。     

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。     

包含三次降雹的雹暴过程地闪活动特征分析

为研究雹暴的地闪活动特征,利用地闪资料与3组双雷达探测资料反演的风场,对包含3次降雹的一次雹暴过程的地闪活动特征及其与雹暴动力、微物理条件的关系进行了分析与讨论。主要结果为:(1)整个雹暴过程中发生了3次持续降雹事件,并伴随着3次地闪活动出现峰值,在降雹前地闪频次均有跃增现象。降雹开始后,地闪频次均迅速减少。(2)整个雹暴过程中对应地闪接地位置的0℃层、-20℃层高度的垂直速度范围分别集中在-2—2 m/s和-10-10 m/s。但3次降雹时段的地闪接地位置分别对应-20℃层高度的强下沉气流区附近、强上升与下沉气流区的交界区和弱的下沉气流区。(3)选取的雹暴内最大反射率(Zmax)、-20℃层高度最大反射率(Z_(max)_-20℃)、-20℃层高度大于40 dBz格点数(Sum_((Z_(-20℃)40dBz))3个雷达回波参量与地闪频次变化趋势一致,其相关系数分别为0.64、0.64、0.76。选取的对应地闪接地位置-20℃层高度的最大垂直速度绝对值(|W|_(max-20℃))和-20℃层高度以上垂直速度绝对值大于5m/s的体积(|V_(5m/s↑-20℃))两个垂直速度参量与地闪频次成正比,且阶段最大值与地闪频次阶段最大值对应,相关系数分别为0.72、0.65。综合考虑动力和微物理影响的可降冰质量通量(F)与地闪频次的相关最显著,相关系数达0.85。整个雹暴过程发展最旺盛的第2次降雹阶段的地闪频次较低,推测强动力过程作用下的电荷结构特征不利于地闪发生。但动力过程在整个雹暴过程中具有正向支配作用,上升气流变化超前于冰晶质量和闪电频次变化,影响着雷达回波变化。     

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。     

贵州中西部冰雹云中闪电特征观测研究

利用贵州省三维闪电监测网资料、新一代天气雷达资料、地面观测资料,对贵州省中西部地区13次冰雹天气过程中闪电特征进行了分析。结果表明：雹暴整个生命史内主要以负地闪为主,且伴随强降水。冰雹云发展阶段,降雹区域闪电频次增加明显,降雹前闪电频次变化均出现“跃增”,部分降雹点出现闪电频次二次跃增;冰雹云消散阶段,闪电频次显著减少。冰雹云总闪、正闪均高于雷雨云,5 min闪电频数大于16次且闪电频次上升度大于12次/5 min可作为识别冰雹云的参考指标。另外,降雹落区与闪电密度中心区域较为吻合,闪电密度中心位置略偏降雹位置之前,闪电逐时分布标识出冰雹云的发展移动方向。以上这些特征可以为冰雹识别、冰雹短时预警预报及人工防雹作业提供参考。     

基于X波段双线偏振雷达的贵州威宁雹胚演变特征研究

为探究贵州省威宁地区雹暴过程中雹胚粒子的演变特征,本文在对X波段双线偏振雷达数据经过退折叠、滤波、自适应衰减订正后,运用Barnes插值方法对偏振参量进行插值,并结合模糊逻辑算法进行水成物粒子识别,然后对威宁县的两次典型雹暴过程进行了系统的分析,得到以下结论:(1)两次过程中高密度霰的来源均为冰晶聚合物和冻滴,低密度霰...     

A multiparameter radar case study of the microphysical and kinematic evolution of a lightning producing storm

Summary We examine the co-evolving microphysical, kinematic, and electrical characteristics of a multi-cell thunderstorm observed on 21 May 1993 along the Front Range of Colorado using data collected with the 11 cm, multiparameter, CSU-CHILL Doppler radar. The measured polarimetric variables provide information on the size, shape, orientation, and thermodynamic phase of hydrometeors. Recent modeling and observational advances in weather radar polarimetry now permit the inference of bulk-hydrometeor types and mixing ratios, and the measurement of precipitation rate in mixed-phase (i.e., hail and rain) environments. We have employed these and other radar techniques, such as dual-Doppler analyses, to investigate the correlation between the convective life cycle of a multi-cell storm and the evolution of lightning type and flash rate.The observations suggest a strong correlation between the radar-inferred graupel volume suspended in a vigorous updraft in upper-portions of the storm and the in-cloud (IC) lightning flash rate. Our analyses reveal that maxima in the hail rate are related to peaks in the cloud-to-ground (CG) lightning flash rate. Both correlation's are consistent with the non-inductive charging mechanism which relies on collisions between graupel/hail particles and ice crystals in the presence of supercooled water. Peaks in storm outflow are shown to either lag or to coincide with maxima in both the CG flash rate and hail rate. The amount and vertical location of ice in this storm was also related to the strength and polarity of the electric field through observations of a Field Excursion Associated With Precipitation (FEAWP) and a subsequent microburst. We demonstrate that the FEAWP was coincident with the descent of graupel and small hail below the charge reversal level as explained by the non-inductive charging mechanism, and that the further descent of graupel and small hail below the melting level aided in the generation of a microburst near the surface. Using observations of the FEAWP, we present some comparative speculation on the microphysics of the associated lower positive charge center and the applicability of various laboratory charging studies.With 14 Figures     

山东省一次冰雹云过程的数值模拟

利用中国气象科学研究院的三维对流云模式,对发生在山东省的一次强降雹天气过程进行了数值模拟,并将模拟结果与雷达观测资料进行了检验.分析了风暴各发展阶段的流场结构和回波结构特征及微观物理量的分布及其演变.结果表明:雹胚源区出现在主上升气流前侧上升气流向辐散下沉气流的转向处,在垂直方向上位于最大上升速度上方;冰晶碰并过冷水形成霰和冰雹,冰雹粒子在气流循环处生长.研究结果对实际防雹业务有一定参考意义.     

Investigating Lightning Characteristics through a Supercell Storm by Comprehensive Coordinated Observations over North China

Electrical characteristics of an isolated supercell storm observed on 13 June 2014 over Beijing were investigated using lightning data obtained from the Beijing Lightning Network, radar reflectivity, and hydrometeor retrievals during the 6-h lifetime. Positive cloud-to-ground(+CG) lightning took a high percentage of CG lightning. Before and during a hail event,+CG lightning was more frequent than negative cloud-to-ground(-CG) lightning, except that +CG lightning took a high percentage at the beginning and in the dissipating stage. After the hail event ended,-CG lightning dominated and reached its maximum value. An analysis of hydrometeors retrieved by X-band polarimetric radar revealed that the discharge concentrated in the convective region with graupel particles and hailstones, whereas graupel, snow and ice crystals in the stratiform region. Lightning radiation sources were located mainly in the convective region, some of which were distributed along a gradient of radar reflectivity from the convective region to the stratiform region. The indication is that the supercell demonstrated an inverted tripole charge structure before the hail event, which converted to a normal tripole structure after the hail event.     

深圳云地闪时空分布特征研究

利用1997-2011年云地闪电定位探测资料和深圳国家基本气象站1953-2011年的观测资料,对深圳云地闪电（简称地闪）时空分布特征和雷暴日变化趋势进行分析。结果表明：深圳雷暴日数近59 a来呈下降趋势,小波分析显示年雷暴日数存在5 a周期和10-15 a的次周期;年内地闪频次特征表现为6月和8月双峰形特征,8月为全年地闪次数最多的月份;雷暴的活跃程度与太阳辐射热力条件密切相关,地闪活动高峰出现在14-18时;深圳地闪密度呈现西北多、东南少,内陆地区多、沿江沿海地区少的分布特征,地形、海陆分布是影响地闪空间分布的重要原因;地闪强度的分析表明,正、负闪月平均强度峰值分别出现在2月和6月,负闪强度低于正闪,正、负闪日强度峰值均未出现在频次峰值时段。     

山东北部一次夏末雹暴地面降水粒子谱特征

为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征,利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品,分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱(包括直径2～5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹)的识别以及雨滴谱的演变特征,结果显示:济南双偏振天气雷达0....     

Comparison of lightning activity and radar-retrieved microphysical properties in EULINOX storms

A combined analysis of microphysical thunderstorm properties derived by C-band polarimetric Doppler radar measurements and lightning observations from two ground-based systems are presented. Three types of storms, a multicell, a supercell, and a squall line, that were observed during the European Lightning Nitrogen Oxides project (EULINOX) are investigated. Correlations are sought between the mass of rain, graupel, hail, and snow derived form radar observations at different height levels and the electrical activity, represented either by cloud-to-ground or intracloud flashes. These relationships are explained by connecting the radar-derived properties with the non-inductive charging process. For the multicell and the supercell storm, the lightning activity can be linearly correlated to both the hydrometeor total mass and class specific mass in the upper part of the storm. It is shown that the fractions of graupel and hail above the −20 °C-level in these storms positively correlate with the intracloud flash activity in the supercell, and negatively for the cloud-to-ground lightning frequency in the multicell. No such relation can be established for the squall line, indicating that the convective organization plays a crucial role in the lightning development. The analysis of the masses in the different storms shows that lightning activity cannot be parameterized by total mass alone, other parameters have to be identified. The results provide important information for all lightning studies that rely on bulk properties of thunderstorms, e.g., the parameterization of lightning in mesoscale models or the nowcasting of lightning by radar.