利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

大气探测高技术及应用研究进展

大气探测技术是支撑大气科学,特别是大气物理和大气环境学科发展的重要基础,其主要任务是发展新的探测和试验手段、原理和方法,为认识大气运动以及大气中各种物理、化学、生物过程的基本规律及其与周围环境的相互作用提供技术手段和方法。除了充分利用国内外已有的成熟技术和产品对大气科学发展提供支持外,大气探测还存在一系列科学与技术问题需要研究和开发,这也是大气探测科学与高技术的前沿。本文从强对流和降水探测技术、雷电探测技术、云特性探测技术、臭氧和气溶胶等大气成分探测技术、地基GPS观测反演大气和海洋参数、大气与环境综合探测平台六个方面综述近五年来中国科学院大气物理研究所在地面大气探测高技术研发、实验观测及相关研究领域所取得的一些主要进展,并对未来发展进行展望。     

山东地区冰雹云的闪电活动特征

利用山东电力部门提供的雷电定位资料,对10次冰雹过程的地闪活动特征进行了分析。通过分析发现,雹暴中正地闪占总地闪的比例平均为57.39％,远高于当地正地闪比例的气候特征值13.48％。地面降雹区基本出现在正地闪密集（活跃）区或邻近区域。在雹云快速发展阶段,地闪频数存在明显的“跃增”;在减弱消散阶段,地闪频数显著减少,但正地闪比例有所提高。负地闪频数峰值的出现通常提前于降雹0～20 min,正地闪频数峰值的出现一般滞后于降雹发生时间。整个降雹阶段对应于正地闪的活跃阶段。另外,结合对卫星观测的总闪电资料分析,发现冰雹云的云闪与地闪的比值远高于一般的雷雨过程,其云闪密度也远高于雷雨过程。以上这些特征对于冰雹的识别和对冰雹的超短时预报具有指示意义。     

北京地区闪电活动与气溶胶浓度的关系研究

基于2015—2017年北京闪电定位网（BLNET）总闪资料与35个自动空气质量监测站PM_2.5数据,分析了北京地区（39.5°N—41.0°N,115.0°E—117.5°E）夏季（6—8月）闪电活动与PM_2.5的时空分布特征,同时针对117次雷暴天气,探讨了气溶胶浓度变化对闪电活动的可能影响.结果表明：PM_2.5浓度及总闪密度均呈现自西北向东南升高的空间分布特征.闪电峰值在污染背景下出现的时间（19：00LT）晚于清洁背景下（15：00LT）约4 h,且总闪百分比（~20%）可达清洁背景下（~9%）的两倍.对雷暴前1~4 h的PM_2.5浓度与时间窗（12：00—22：00LT）内总闪数目的中位数进行相关分析,发现PM_2.5浓度低于130 μg·m^-3时,PM_2.5与总闪数存在明显正相关,此时气溶胶可能通过影响云微物理过程进而影响雷暴的对流发展,增强闪电活动;PM_2.5大于150 μg·m^-3时,总闪数随PM_2.5浓度的增加呈减少趋势,可能的原因是高气溶胶浓度下地面太阳辐射显著下降,对流活动受到抑制,导致闪电活动减少.当PM_2.5浓度在130~150 μg·m^-3时,两者关系不明显.

     

基于TRMM卫星多传感器资料揭示的亚洲季风区雷暴时空分布特征

利用16年（1998-2013）的热带降水测量任务卫星（TRMM）降水雷达和闪电成像仪等多传感器观测资料,分析了亚洲季风区内雷暴和强雷暴的空间分布、季节变化及日变化等气候特征.文中取闪电数大于1的雷达降水特征为雷暴,并将闪电频数在前10%的雷暴定义为强雷暴.结果表明：雷暴活动主要集中在陆地及近海区域,陆地与海洋上的雷暴密度之比约为4.4：1,强雷暴密度之比约为7.4：1.0-10°N纬度带内雷暴数占总雷暴的比例最大（占总数的31.7%）,而强雷暴则在20°N-30°N区间最为活跃（34.5%）.雷暴与闪电密度的空间分布在低纬度区域（0-30°N）较为一致,但在中纬度地区（30°N-36°N）呈现出不同的分布特征,即从西部的青藏高原向东部的江淮流域,雷暴密度逐渐减少但闪电密度逐渐增加;而强雷暴与闪电密度的空间分布基本一致.受亚洲夏季风活动影响,低纬度地区强雷暴更容易发生在春季,强中心位于喜马拉雅山南麓东端,次中心位于中南半岛,而中纬度地区在夏季最为活跃,强中心和次中心则分别位于喜马拉雅山南麓西端和中国江淮流域.陆地上雷暴主要集中在午后至傍晚,少数区域受局地环流和气象条件的影响夜雷暴活动频繁,而海洋上雷暴更易发生在午夜至清晨.

     

云闪放电通道内的粒子密度及分布特征

依据在中国西藏高原地区得到的6幅云闪放电通道的光谱,由谱线波长、相对强度和跃迁几率等信息,结合等离子体理论,计算了云闪放电通道的温度和电子密度;进而,利用Saha方程、电荷守恒和粒子数守恒方程,得到了粒子处于各电离级上的数密度、通道质量密度、压强和平均电离度等参数,并对云闪通道内部粒子数分布特点进行了分析.结果表明,与地闪回击通道类似,云闪通道接近于完全电离,通道内部以单次电离的离子为主,且NII离子数密度最高.具有较高温度的通道位置处,中性和一次以上电离离子数密度的绝对值和相对值都较高,但是,不同温度下NII、OII、ArII粒子的相对浓度变化不大.与地闪回击通道不同,云闪同一放电通道内不同位置处粒子数密度差异较大,且沿通道没有显示规律性变化,通道压强从零点几到几兆帕.     

区域闪电活动对地面相对湿度的响应

全球闪电活动表现出明显的地域差异,温度和湿度是造成这种差异的基本气象因素.本文利用美国全球水资源和气候中心提供的1995～2002年全球闪电资料和NCEP气象再分析资料,研究了区域闪电密度对地面相对湿度(RH)的响应.发现在平均相对湿度RH73%的经度带里,闪电密度与RH呈负相关;在RH>74%的赤道地区闪电活动与RH呈负相关, 而在RH<72%的中高纬地区闪电密度与RH呈正相关.得到结论：当地面相对湿度过大时,相对湿度的增加不利于闪电活动的发生;而当相对湿度较小时,相对湿度的增加有利于闪电活动的发生.地面相对湿度的临界值域约为72%～74%.此结论在不同经、纬度的几个典型区域均得到了验证,并探讨了过大的相对湿度抑制闪电活动发生的可能原因.     

青海地区闪电回击通道的温度特性

用无狭缝摄谱仪获得了青海高原地区云对地闪电回击过程的光谱,在谱线辨认和光谱特征分析的基础上,根据光谱线相对强度和跃迁参数值,用多谱线法,对回击通道不同高度处的温度进行了定量分析。结果表明,通道温度与闪电放电的强度密切相关,一般情况下,闪电放电过程越强,对应的通道温度越高;对通道不同高度处的数据分析发现,同一回击的通道温度随高度的增加略呈减小趋势。     

Influence of Topography and Large-scale Forcing on the Occurrence of Katabatic Flow Jumps in Antarctica： Idealized Simulations

The Regional Atmospheric Modeling System （RAMS）, which is a non-hydrostatic numerical model, has been used to investigate the impact of terrain shape and large-scale forcing on the Antarctic surface-wind regime, focusing on their roles in establishing favorable flow conditions for the formation of katabatic flow jumps. A series of quasi-2D numerical simulations were conducted over idealized slopes representing the slopes of Antarctica during austral winter conditions. Results indicate that the steepness and variations of the underlying slope play a role in the evolution of near-surface flows and thus the formation of katabatic flow jumps. However, large-scale forcing has a more noticeable effect on the occurrence of this small-scale phenomenon by establishing essential upstream and downstream flow conditions, including the upstream supercritical flow, the less stably stratified or unstable layer above the cold katabatic layer, as well as the cold-air pool located near the foot of the slope through an interaction with the underlying topography. Thus, the areas with steep and abrupt change in slopes, e.g. near the coastal areas of the eastern Antarctic, are preferred locations for the occurrence of katabatic flow jumps, especially under supporting synoptic conditions.     

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.