Thunderstorms,Lightning, Sprites and Magnetospheric Whistler-Mode Radio Waves

Thunderstorms and the lightning that they produce are inherently interesting phenomena that have intrigued scientists and mankind in general for many years. The study of thunderstorms has rapidly advanced during the past century and many efforts have been made towards understanding lightning, thunderstorms and their consequences. Recent observations of optical phenomena above an active lightning discharge along with the availability of modern technology both for data collection and data analysis have renewed interest in the field of thunderstorms and their consequences in the biosphere. In this paper, we review the electrification processes of a thunderstorm, lightning processes and their association with global electric circuit and climate. The upward lightning discharge can cause sprites, elves, jets, etc. which are together called transient luminous events. Their morphological features and effects in the mesosphere are reviewed. The wide spectrum of electromagnetic waves generated during lightning discharges couple the lower atmosphere with the ionosphere/magnetosphere. Hence various features of these waves from ULF to VHF are reviewed with reference to recent results and their consequences are also briefly discussed.     

能量参数在中川机场雷暴预测中的应用

我国目前的大气探空网, 其时空观测密度尚不足以捕捉强对流天气信号.采用中尺度数值模式MM5对发生在兰州中川机场的5次雷暴天气进行模拟, 利用模拟结果并结合地面观测资料, 计算、分析了雷暴发生、发展过程中一些对流活动指数的变化, 结果表明, 对流有效位势能量(CAPE)和对流抑制能量(CIN)对中川机场雷暴预测有较好的指示意义, 当CAPE＞20 J·kg -1 时就可能出现雷暴, ＞100 J·kg -1 时雷暴较强;经过地面资料修正的CAPE能够更准确地预测雷暴发生时间, 描述雷暴发展过程中的能量积累和释放过程;同时指出, 使用数值模式预测雷暴时, 积分时间不易过长.     

雷暴激发的环状重力波在中高层大气中的传播特征

本文使用中国科学院国家空间科学中心——子午工程朔州观测站的全天空气辉成像数据,以及FY-2气象卫星云顶亮温数据（Black Body Temperature,TBB）,气象再分析数据和地闪数据,研究了2013年8月10日（LT）发生在内蒙古地区的雷暴活动激发的中高层环状重力波（Concentric Gravity Waves,CGWs）事件.根据最小二乘法的拟合结果和色散关系理论曲线,确定了激发中高层环状重力波的强对流系统,该对流中心位于内蒙古自治区中部（108.9°E,40.47°N）,重力波激发于雷暴初期,此时TBB低于220 K的深对流面积较小,随着时间的推移,该次雷暴活动越来越强,深对流面积在23：00达到最大,在23：30-24：00 LT时闪电频数最高,达到120.7 fl/min,随后深对流逐渐消散.在中高层87 km处OH（羟基）气辉层观测到的一次CGWs事件的两组波纹,分别沿水平方向传播了149.64 km和174.25 km,相应位置处的水平波长分别为12.67 km和16.75 km,周期分别为8.56 min和10.72 min,激发时间分别为19：34 LT和19：40 LT;随着水平传播距离的增加,CGWs水平波长增大.     

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。     

东北冷涡内部中尺度涡旋引起的冰雹天气数值模拟

利用NCEP格点资料模拟了2011年8月21日沈阳地区的冰雹天气过程,结合机场自动观测数据、多普勒雷达资料和卫星云图等分析了冰雹的形成机制。结果表明：此次冰雹天气是由冷涡内部的中尺度涡旋引起的,卫星云图上的中尺度云团是中尺度涡旋的产物;0℃等温线位于600 hPa,-20℃位于450 hPa附近,两者之间厚度在2KM左右;冰雹发生前,斜升气流的最大上升速度为20 m·s^-1以上,水汽累积区位于0℃层以上,保证了水分累积区都由过冷水滴组成;高层干冷空气倾斜下侵到中低层的暖湿空气中,对强对流的发生发展起到了至关重要的作用;低层MPV1为强对流提供了对流不稳定机制,中层MPV2为强对流提供了对称不稳定机制,高层两种不稳定共存,均为对流发展贡献力量;对流有效位能积累、释放随时间的演变对冰雹的出现有一定的指示意义;10:30多普勒雷达图显示回波强度随高度增强,速度图上存在西南低空急流,有利于对流的发展。     

深圳市雷暴天气气候变化特征分析

利用深圳市1953～2005年逐日雷暴资料，通过数理统计、线性分析、突变分析、小波分析等方法，得出了深圳市雷暴天气的气候变化特征。结果表明：深圳市属于雷暴多发区，53a平均雷暴日数为68．2d；年雷暴日数年际变化辐度大，最多年为103d，而最少年仅为47d，最大值与最小值相差1倍多；初雷一般出现在3月上旬，终雷一般出现在10月中旬，而且初雷的发生，有越来越早的趋势，终雷结束时间有越来越晚的趋势；全年各月均有出现雷暴的可能，但雷暴的出现有着明显的季节性变化，主要集中出现在夏季，冬季雷暴出现的概率非常低，且53a来雷暴的发生有逐渐减少的趋势，气候倾向率为-1．8d／10a。另外深圳市雷暴的年际变化存在着准3a较短周期和11a、19a左右的长周期振荡。     

Observations of NO2 and O3 during thunderstorm activity using visible spectroscopy

Simultaneous observations for the total column densities of NO2, O3 and H2O were carried on using the porta-ble Spectrometer (438-450 nm and 400-450 nm) and the visible Spectrometer (544.4-628 nm) during premonsoon thunderstorms and embedded hail storm activity at Pune (18o32’N & 73o51’E), India. These observations confirm the fact that there is an increase in O3 and NO2 column densities during thunderstorms. The increase in O3 was observed following onset of thunderstorm, while the increase in NO2 was observed only after the thunder flashes occur. This implies that the production mechanisms for O3 and NO2 in thunderstorm are different. The observed column density of NO2 value (1 to 3 × 1017molecules · cm-2) during thunderstorm activity is 10 to 30 times higher than the value (1 × 1016molecules · cm-2) of a normal day total column density. The spectrometric observations and observations of thunder flashes by electric field meter showed that 6.4 × 1025molecules / flash of NO2 are produced. The increased to-tal column density of ozone during thunderstorm period is 1.2 times higher than normal (clear) day ozone concentra-tion. The multiple scattering in the clouds is estimated from H2O and O2 absorption bands in the visible spectral re-gion. Considering this effect the calculated amount of ozone added in the global atmosphere due to thunderstorm ac-tivity is 0.26 to 0.52 DU, and the annual production of ozone due to thunderstorm activity is of the order of 4.02 × 1037 molecules /year. The annual NO2 production may be of the order of 2.02 × 1035molecules / year.     

南京地区城市下垫面特征对雷暴过程影响的数值模拟

本文选取2011年7月23日发生在南京的一次雷暴个例, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model),耦合Noah/UCM,并采用NCEP FNL 1°×1°每日4次的全球分析场资料作为初始场及南京自动站观测数据等,对南京地区城市下垫面特征对雷暴过程的影响进行了数值模拟。结果表明:模拟的雷暴发生发展过程与该地区城市下垫面有着密切的联系。首先,雷暴发生前期,南京地区热岛效应明显。其次,城市上空的感热通量较高,结合城郊下垫面热力差异造成的城市热岛环流,加强了城区的辐合上升,为雷暴的形成提供了重要的抬升作用。城市下垫面扩张,使其上空边界层高度相应提升,垂直混合高度增加,有助于对流云的发展。此外,城市下垫面加强了大气低层的扰动位温,为雷暴提供了不稳定的层结条件。最后,城市地表较大的粗糙度使雷暴降水在城区低层的迎风面一侧明显增强。     

陕西两次阵风锋的多普勒雷达和自动气象站资料分析

对2004年7月发生在陕西中部的两次雷暴系统产生阵风锋的多普勒雷达观测和自动气象站资料进行了分析,结果表明:阵风锋位于雷暴前部10~50 km处,呈弧状;阵风锋的水平尺度为50~100km,宽度3~5 km,回波强度15~25 dBz,生命史1~5 h;阵风锋的典型速度为10 m.s-1;阵风锋过境时地面温度下降,风向转变、风速突增的现象明显;阵风锋的强度取决于雷暴的强度,雷暴群产生的阵风锋生命史更长;阵风锋对近距离的单体雷暴有显著的负反馈作用,对雷暴群的负反馈作用不明显;多普勒雷达径向速度场对阵风锋有较强的预报能力。     

平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。