雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

“12·14雷打雪”过程的闪电特征及成因

2023年12月14日在山西和河北南部、河南北部、山东西部出现一次大到暴雪过程,并伴随频繁的闪电活动。利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）第五代大气再分析（ECMWF Reanalysis v5,ERA5）资料以及闪电、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达等观测资料对此次“雷打雪”天气过程进行详细分析,得到以下研究结果：（1）此次“雷打雪”是一次明显的高架对流天气过程,低层一直存在逆温层,850~600 hPa为显著的暖湿平流,925 hPa以下近地面东北风形成的“冷垫”楔入到条件性对称不稳定层结下方,抬升暖湿空气,触发对流天气,释放不稳定能量,产生较强的上升运动。（2）降雪过程的雷电活动比较活跃,闪电频数高达99次·（10 min）^-1,云闪和地闪比例为1.7∶1,正地闪的占比为19.4%。此次“雷打雪”天气过程的闪电空间分布和走向与强降雪落区表现出良好的一致性,闪电密集区域对应强降雪区域,74%的暴雪站周围30 km范围内出现闪电,100%的大暴雪站周围30 km内发生了闪电。（3）高空正K_DP区域与地面降水率的增大密切相关。总闪电与6 km等高层雷达回波的空间一致性很好,基本分布在大于20 dBZ的云区内,闪电落区的回波顶高几乎都在5 km以上。雷达发现在5~8 km的高度范围出现Z_DR和K_DP的正值区,揭示云内存在明显的垂直上升运动和过冷却液态水,存在良好云内起电条件,结合地面电场观测资料和闪电资料,推测此次降雪云系的电荷结构为上正下负的电荷结构。     

华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究

利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料, 分析了一次具有前部对流线和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。整个MCS生命史中负地闪占主导地位, 正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1, 地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域; 负地闪主要密集地分布在大于40 dBZ的回波范围内; 正地闪则稀疏地分布在30～40 dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多, 而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演, 发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应, 并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

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。     

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达,微波成像仪,闪电成像仪等探测数据,研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统(MCS)的降水结构和闪电活动之间的关系.结果表明:MCS在发展阶段,对流云降水面积与层状云降水区相当;在减弱阶段,层状云降水区面积远大于对流云降水区.MCS的生命史中,大部分闪电发生在对流云区,仅有少数闪电发生在层状云区,在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中.发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明:在MCS的发展成熟和减弱中在4 km高度,层云降水率都达到最大值;在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度(顶高达17 km)有关.研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45 dBz之间,并非回波越强闪电越多.闪电主要发生在40～50 dBz之间,且明显向强回波区趋近,这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义.     

Case studies of sprite-producing and non-sprite-producing summer thunderstorms

Three summer thunderstorms in the eastern region of China were analyzed in detail using multiple data, including Doppler radar, lightning location network, TRMM （Tropical Rainfall Measuring Mission）, MT- SAT （Multi-Function Transport Satellite） images, NCEP （National Centers for Environmental Prediction） Reanalysis, and radiosonde. Two of the three storms were sprite-producing and the other was non-sprite- producing. The two sprite-producing storms occurred on 1 2 August and 2~28 July 2007, producing 16 and one sprite, respectively. The non-sprite-producing storm occurred on 29-30 July 2007. The major ob- jective of the study was to try to find possible differences between sprite-producing and non-sprite producing storms using the multiple datasets. The results showed that the convection in the 1-2 August storm was the strongest compared with the other storms, and it produced the largest number of sprites. Precipitation ice, cloud ice and cloud water content in the convective regions in the 1-2 August storm were larger than in the other two storms, but the opposite was true in the weak convective regions. The storm microphysical prop- erties along lines through parent CG （cloud-to-ground lightning） locations showed no special characteristics related to sprites. The flash rate evolution in the 1-2 August storm provided additional confirmation that major sprite activity coincides with a rapid decrease in the negative CG flash rate. However, the evolution curve of the CG flash rate was erratic in the sprite-producing storm on 27-28 July, which was significantly different from that in the 1 2 August storm. The average positive CG peak current in sprite-producing storms was larger than that in the non-sprite-producing one.     

冰雹云形成发展与闪电演变特征分析

1998年4月23日下午在中尺度对流系统(MCS)的影响下，山东潍坊地区出现了一次大范围的冰雹强对流天气。应用闪电定位系统、卫星和雷达观测资料，研究了这次降雹过程形成和发展不同阶段闪电的变化特征。分析发现雹云在形成发展和减弱消亡阶段，每5分钟闪电频数低于20次，且正闪电频数明显低于负闪电；雹云在成熟阶段，闪电频数每5分钟平均值大于20次，且正、负闪电频数相当，而在强降雹前短时会出现正闪电频数超过负闪电现象。此外还发现，在降雹前20～30分钟闪电频数有跃增现象，其增加速率和降雹强度呈正相关关系，降雹的起始时刻与总闪电和负闪电每5分钟频数出现极大值的时刻有明显的一致性。     

冰雹云形成发展与闪电演变特征分析

1998年 4月 2 3日下午在中尺度对流系统 (MCS)的影响下 ,山东潍坊地区出现了一次大范围的冰雹强对流天气。应用闪电定位系统、卫星和雷达观测资料 ,研究了这次降雹过程形成和发展不同阶段闪电的变化特征。分析发现 :雹云在形成发展和减弱消亡阶段 ,每 5分钟闪电频数低于 2 0次 ,且正闪电频数明显低于负闪电 ;雹云在成熟阶段 ,闪电频数每 5分钟平均值大于 2 0次 ,且正、负闪电频数相当 ,而在强降雹前短时会出现正闪电频数超过负闪电现象。此外还发现 ,在降雹前 2 0～ 30分钟闪电频数有跃增现象 ,其增加速率和降雹强度呈正相关关系 ,降雹的起始时刻与总闪电和负闪电每 5分钟频数出现极大值的时刻有明显的一致性。     

一次冷涡强风暴过程分析

2001年6月15日山东出现了一次强风暴天气过程，本文从天气背景、多普勒雷达回波特征、地面风场等方面进行了综合分析，结果表明：此次强风暴是一次飑线过程，冰雹灾害出现在飑线带状回波“人”字型波动弯曲左端，在雷达速度图上，波动处有中小尺度的气旋性辐合，并与地面中尺度辐合相对应。