地面湿度对雷暴云电过程的影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

初始冰晶浓度对雷暴云微物理和起电过程的影响

为了研究雷暴云中高温区次生冰晶浓度对雷暴云微物理过程和电过程的影响,根据模拟个例的地理位置,更新了原有的三维强风暴动力-电耦合数值模式中的初始冰晶核化公式;并在模式中的-5℃温度层结上均匀播撒了3.0 km×3.0 km×0.5 km的低中高三组浓度的自然冰晶,从而影响了云中次生冰晶的产量。结果表明:1初始冰晶的播撒量与次生冰晶的产量呈正相关;2繁生冰晶的增加使得云中冰晶粒子分布区域向雷暴云上部发展,霰粒子分布区域向雷暴云下部发展,从而增加了雷暴云中冰晶和霰的混合区域;3高播撒的初始冰晶会改变闪电的出现时刻并使得闪电频次明显增多。模拟中算例2和算例3闪电分别增多了24.4%和46.9%。     

温湿层结对雷暴云起电过程及闪电活动的影响

为了探究环境温湿配置对雷暴云微物理、电过程及闪电的影响,本文利用法国三维非静力中尺度数值模式Meso-NH,通过改变该模式初始各层的环境温度和相对湿度,对南京地区雷暴云云微物理过程及闪电活动的发生情况进行了模拟。研究发现:大气低层、中低层环境温度和湿度的改变对雷暴云中对流强度,电场强度及分布,4种水成物粒子(雨、冰晶、雪、霰)的分布及其所带电荷量和总闪电数造成了较大影响;在低层和中低层增湿对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于增温;在中层和中高层,降温对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于降湿。结果表明,对低层、中低层大气环境温湿层结的影响能显著地改变雷暴云的云微物理过程,影响起电和放电,并剧烈地改变闪电活动的强度。     

中国内陆高原雷暴云底部正电荷区的形成机制

为了进一步了解我国内陆高原雷暴的特殊性,本文基于以往高原雷暴存在范围深厚的底部正电荷区的观测及模拟事实,利用WRF模式对2017年6月20日一次内陆高原雷暴过程进行模拟,分析高原雷暴成熟阶段的底部正电荷结构特征并从微物理和动力角度对其形成机制进行讨论。模拟结果表明,内陆高原地区雷暴云成熟阶段主要呈倾斜的三级性电荷结构,其中底部正电荷区的范围和电荷密度均较大。底部正电荷区主要是由霰和冰雹等固态大粒子与冰晶、雪晶等固态小粒子非感应碰撞起电携带的正电荷以及霰粒子与云滴之间的感应碰撞起电携带正电荷组成,此外霰粒子与雹粒子降落过程中融化成携带正电荷的雨滴也对深厚的底部正电荷区存在一定的作用。     

雷暴单体的对流强度对电荷结构的影响

利用三维雷暴云动力—电耦合数值模式,通过改变中心扰动位温,设置敏感性试验组,分析探讨雷暴单体对流强度对电荷结构的影响。结果表明:雷暴单体对流强度随着扰动位温的增加而增加。对流强度不同,其空间电荷结构也明显不同,但始终存在底部次正电荷区。当对流较弱时,雷暴电荷结构简单,只有主负电荷区和次正电荷区,无主正电荷区。在中等强度的对流雷暴中,雷暴内基本呈正常三极性电荷结构,且主负电荷区有上、下两个明显的电荷中心,上部中心的电荷密度更大。在强雷暴单体中,除了正常的三极性结构以外,次正电荷区以下出现了小范围弱的负电荷区,云顶出现了负屏蔽层,从下到上呈现出正负交替的五层,是电荷结构最复杂的阶段。这主要是由于云上部的正电荷区持续时间较长,电荷密度较大,增强了对周围大气中自由离子的吸引,自由离子被吸引到云边界附着到粒子上,在云顶形成了负屏蔽电荷层。同时,由于对流强,霰粒子可以得到更快的增长,固态降水增强,下沉气流中的霰通过与云滴的感应碰撞形成了云底部短时的弱负电荷区。     

厦门市雷暴时间分布特征分析

雷暴是由发展旺盛的积雨云引起闪电、雷鸣等现象的局地对流性天气。当大气中的层结处于不稳定时容易产生强烈的对流。云与云、云与地面之间电位差达到一定程度后就要放电,有时雷声隆隆、耀眼的闪电划破天空,常伴有大风、冰雹、阵性降雨或暴雨。雷暴可分为热力雷暴和锋面雷暴两种类型;热力雷暴属气团内部热力发展所致强烈对流而形成,以夏季最为多见;     

青藏高原东部地区雷暴及其地闪活动特征分析

为进一步了解青藏高原地区雷暴及其地闪特征,对2013～2017夏季(6～8月)青藏高原东部地区典型强雷暴过程的地闪和雷达资料进行了综合分析,重点研究了24次以负极性闪电为主的强雷暴过程,分析表明:所有雷暴最大回波顶高均超过7 km,第一次地闪为正地闪的雷暴其组合反射率和回波顶高明显高于第一次地闪为负地闪的雷暴过程。以地闪极性和频数差异将雷暴分为负地闪雷暴、正地闪雷暴、多地闪雷暴三种类型。负地闪雷暴过程中闪电数量较少且大多发生在雷暴成熟阶段;正地闪雷暴过程中闪电数量在几十次左右,主要发生在成熟阶段后期和消散阶段;多地闪雷暴在初始阶段、成熟阶段和消散阶段都有闪电发生,但主要集中在成熟阶段和消散阶段。三类雷暴强反射率中心移动距离和移动速度也有不同,地闪数量多的雷暴比地闪数量少的雷暴有更长的移动距离,负地闪雷暴较正地闪雷暴有更快的移动速度。     

卫星云分类产品在低纬高原强雷暴过程中的闪电特征分析

利用卫星云分类产品资料和云南省地闪资料,对云南省4次强雷暴过程进行分析,得出:对于闪电产生时,积雨云生成0~1h,开始有闪电活动;对于强闪电时段,积雨云也是发展阶段,积雨云面积不断增加,形状为椭圆形或带状,而且闪电均发生在积雨云移动发展方向的边缘区域;对于闪电减弱阶段,积雨云也逐渐减弱,面积不断减小,在闪电结束时,积雨云的面积发生剧减或者积雨云面积剧减且积雨云发生断裂.同时强闪电活动与积雨云的发展移动有一定的对应关系,主要是闪电的移动、发展与积雨云的移动发展基本保持一致,这样可以用云分类资料来判别闪电的发展减弱,进行闪电监测及预警.通过强雷暴个例分析,把云分类产品也加入到闪电分析资料中,拓宽闪电预警的资料使用,同时也是云分类产品资料在低纬高原的适用研究.     

强雷暴中人工触发闪电获得成功

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所近日实现了在强雷暴中人工触发闪电,这是中国科学家在强雷暴中首次人工触发闪电获得成功。科研人员在实验中引进国际先进雷电流测量系统以及新型彩色高速摄像系统,采用了所内技术人员自行研制的多站大气平均电场仪、宽带闪电快慢电场变化仪等,获得了精确的闪电电流和光、电、磁的同步观测数据以及雷暴中云地闪高分辨率三维时空演变过程的图像。     

中国不同地区闪电活动和气溶胶的相关性研究

基于10年(2002~2011)卫星观测资料,研究气溶胶浓度(以气溶胶光学厚度AOD代替),地面温度,相对湿度,海拔高度以及其他数据对中国两个不同地区夏季闪电活动的响应。结果表明,不同地区闪电活动主要影响因素不同。对于气溶胶浓度低的地区(AOD_(ave)=0.14),地面温度(偏相关系数为0.745)、海拔高度(偏相关系数为-0.613)可能是影响该区域闪电活动的主要因素;对于气溶胶浓度高的地区(AOD_(ave)=0.60),地面温度(偏相关系数为0.87)、气溶胶浓度(偏相关系数为-0.823)、相对湿度(偏相关系数为0.818)可能是影响该区域闪电活动的主要因素。另外气溶胶浓度低和高的两个地区气溶胶对闪电活动的影响是相反的。对于气溶胶浓度低的地区,闪电密度与AOD,冰粒子光学厚度(IOT)呈明显正相关(R=0.81,0.82),气溶胶可能主要通过微物理过程增加云滴数量,随之冰粒子含量增多,增强雷暴云活动,促进闪电活动的发生;对于气溶胶浓度高的地区,闪电密度与AOD呈明显负相关(R=-0.78),地面气温与AOD呈负相关(R=-0.29),而IOT与闪电密度无相关性(R=0.09),表明气溶胶可能通过辐射效应,使到达地球表面的太阳辐射降低,地面温度降低,雷暴云强度减弱,使冰粒子含量减少,导致闪电活动减弱。     

Spatial and temporal characteristics of VHF radiation source produced by lightning in supercell thunderstorms

The three-dimensional temporal and spatial characteristics of VHF radiation events produced by lightning discharges in three supercell thunderstorms have been analyzed based on the data measured by the lightning mapping array system with high time and space resolution. The results indicate that lightning hole (lighting free region) with about 5-6km in diameter or lighting ring (annular lighting free region) is associated with the strong updraft in thunderstorm.The lasting time of lightning holes is either short or long, being about 20min in a tornado-producing thunderstorm. The lightning holes appear before the occurrence of tornado.The lightning hole is the most obvious during the occurrence of tornado and some self-existent lighting radiation events appear at a height of 15-16km. The lightning channels of inter-cloud (IC) lightning discharge exhibit clockwise rotary structures and do not have clear bilevel structures in the vicinity of the tornado.The lightning holes are corresponding to the strong updraft region.The temporal and spatial distribution of lightning radiation events reveals the structure of strong updraft in supercell thunderstorms.Positive cloud-to-ground (CG) lightning discharges dominate in these thunderstorms and the peak of positive CG lightning flash rate appears, with the maximum of 6 per minute,after or before the occurrence of tornado.     

Charge structures and cloud-to-ground lightning discharges characteristics in two supercell thunderstorms

The characteristics of CG lightning discharges have been studied because they often result in the disaster and are easier to be observed than intracloud discharge. In early stage, the locations of charges in cloud are de- termined based on the multi-stati…     

Simulation study of discharge processes in thunderstorm

The discharge characteristics in thunderstorm have been calculated by using a numerical cloud model. The results indicate that discharge processes occur when simulated thunderstorm developed at the stage of 30-45 min and initial locations of discharge mainly distributes between 4.4-4.8 km and 6.4-6.8 km above the ground (corresponding to ambient temperature of - 10℃ and -25℃. In simulated thunderstorm with a tripole electric structure, 10% of discharges occur between upper positive charge area and middle negative charge area and propagate upwards (from middle negative charge area to upper positive charge area); while, 90% of discharges occur between lower positive charge area and middle negative charge area and propagate downwards (from negative charge area to lower positive charge area). There is a positive correlation between updraft and discharge. The occurrence of discharge process needs hydrometer with a specified concentration and size in cloud (corresponding to ≥ 5 mm/h for precipitation on the ground). The maximum value of precipitation lags the peak of discharge number by a period of about several minutes. The discharge and its variation in thunderstorm are an important factor for monitoring and forecasting thunderstorm.     

基于浙江省三维闪电监测系统的多回击闪电参数的特征分析

为深入了解浙江地区地闪和云闪的雷电活动,基于2019—2020年浙江省三维闪电定位探测资料,分析研究了该地区多回击地闪和云闪相关参数特征。结果表明:两年内浙江省共发生地闪回击数和云闪回击数98万和38万余次,多回击地闪和云闪分别占28.1%和8.01%,其中负闪占总闪比重大于正闪;地闪和云闪频数存在明显的月变化和地域分布,夏季和浙南地区更易发生多回击过程;云闪平均回击次数为1.10次,低于地闪的1.59次。地闪和云闪回击平均强度随回击数的增加而下降,其中正闪下降趋势更为剧烈;超一半的多回击地闪和云闪至少有一次继后回击电流强度大于首次回击电流强度,地闪和云闪继后回击与首次回击强度的比值呈对数正态分布,集中在0～2,其中云闪分布更为集中。地闪和云闪回击间隔时间算术平均值相当,约115 ms,几何平均值地闪明显大于云闪;回击间隔时间呈对数正态分布,其云闪分布更为集中,且集中区域对应的回击间隔时间更小。不同回击次数的云闪和地闪平均间隔时间随回击数增加而减少。地闪和云闪间隔距离分布相似,地闪平均间隔距离明显小于云闪,且分布更为集中。     

Red sprites over thunderstorms in the coast of Shandong Province,China

Red sprites, different from lightning flashes occurring in the troposphere, are large and brief dis-charges which appear in the altitude range from about 40 to 90 km above large thunderstorms and are usually caused by cloud-to-ground lightning discharges （CGs）. A total of 17 sprites over two thunder-storms were first observed during the summer of 2007. One of the sprites occurred on July 28 above a thunderstorm in Guan County and the center of the storm was about 272 km from the observation site. The other sprites were recorded at the late night of August I and in the early morning of August 2, and the storm center was about 315 km away. All of the observed sprites occurred in cluster, and their appearances were very different, including ‘columniform sprites＇, ‘columniform sprites＇ with angel-like wings, ‘carrot sprites＇,‘dancing sprites＇, etc. The duration of the sprites varied from a minimum of 40 ms to a maximum of 160 ms with a geometric mean （GM） of 61 ms. The time delay between parental positive cloud-to-ground lightning flashes （＋CGs） and the associated sprites varied from 3.4 to 11.8 ms with a GM of 7.1 ms. The ratio of the number of ＋CGs to the total number of CGs during the time period with sprites was 7 times larger than that when no sprites occurred. Sprites did not appear frequently at the time when the convective activity is strong but when the thunderstorm starts to become weak.     

卫星闪电定位校正

从卫星资料处理出发，分析了雷暴云在多通道卫星云图上的基本特征，提出了利用多通道数字化卫星云图判识雷暴云的方法。在判识出雷暴云的基础上，对其中心进行定位，并利用其定位结果，对闪电定位仪测得的闪电资料进行校正，以提高闪电定位仪的定位精度及卫星资料判别雷暴云的正确率。初步分析表明，利用卫星定位对闪电定位进行校正，对闪电资料的定位精主工有较大的提高，得到了较好的结果。     

内蒙古巴彦淖尔市冰雹天气云地闪电特征分析

利用闪电定位数据和雷达数据,对内蒙古自治区巴彦淖尔市地区2009~2015年37次冰雹过程的地闪特征进行分析。地闪数据的统计分析结果表明,正地闪占总地闪比例大于25%。正地闪强度较大,负地闪强度较小,地闪发生频数在降雹前一般低于3 fl/5 min,降雹后负地闪频数有明显增大。雷达和地闪定位数据的个例对比分析表明,降雹前强回波区附近以正地闪为主,地闪频数低,地闪的空间分布与对流云系的发展阶段有一定关系。地闪的空间分布可能指示云系移动方向,强回波区正地闪的时空分布可能对冰雹天气的预判有一定帮助。     

利用地面大气电场和雷达资料进行雷电临近预报方法

 根据雷暴云电场特征,结合雷达等观测资料,本文提出一个利用电场幅值阈值和差分阈值方法,为进行电场测站的首次地闪的雷电临近预报方法。该方法首先判断电场是否达到设定的幅值阈值或者差分阈值。如果电场达设定阈值,认为此时测站周围云中电荷量较大,发生闪电的概率也较大,进而判断该时刻之前的雷达资料是否达到设定的阈值。如果雷达资料达到设定的阈值则发出预警;如果未达要求则继续查看下一体扫的雷达情况,直到发出预警或者电场阈值取消为止。利用此方法对2009年南京周边观测区7个站点数据进行预警检验,得到其探测概率约为80%,平均预警时间约为14min。同时,本文尝试用该预报方法对雷暴云移过测区的整个过程进行区域性雷电临近预报。结果发现区域雷电预警可以直观呈现雷暴云和闪电发生发展情况,对发生闪电潜在区域也能够直观判断,并收到较好的预警效果。区域预警不仅能实现对一个地区的监测预警,而且能对雷暴云的整个过程进行监测预警,具有单站电场所没有的优势。