高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验

为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。     

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅰ:模式及其电过程参数化方案

为了研究风暴中的动力、微物理和电过程三者间的相互作用 ,在已有的工作基础上 ,建立了一个三维强风暴动力 电耦合数值模式。模式中将云中水物质分为水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹 7类 ,各种粒子采用双变参数谱。考虑了详细的起电过程 ,它们包括扩散、电导、感应和非感应以及次生冰晶起电机制。此外 ,在模式中加入了云内放电参数化过程和云顶处屏蔽电荷层形成的参数化方案用以研究整个雷暴生命史内的电活动特征。最后利用CCOPE(CooperativeConvectivePrecipitationExperiment)计划中 1981年 7月 19日的风暴资料对模式的性能进行了验证 ,模拟结果显示此模式可以较好地描述风暴中动力、微物理和电结构的发展演变过程。     

湖北地区一次雷暴云电荷结构和放电特征的数值模拟研究

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入非感应起电参数化方案、感应起电参数化方案以及放电参数化方案,对湖北宜昌2014年6月19日一次闪电过程中雷暴云电荷结构和放电特征进行了模拟分析。模拟结果表明,当云内粒子增多、增大,大部分霰粒子逐渐降落到中低层,上部正电荷区减小,底部正电荷堆范围开始扩大,中部负电荷区和底部正电荷区成为主要的起电区域,这种底部正电荷区较厚的三极性电荷结构不利于地闪的产生。在粒子带电分析中,霰与冰晶粒子携带的电荷量均大于云滴,说明霰与冰晶之间非感应碰撞是云中主要的起电过程。虽然云滴的电荷量较小,但霰与云滴之间感应碰撞的作用不可忽视。结合电荷结构的分布,发现底部正电荷堆的垂直分布高度与霰粒子、云滴的电荷浓度的分布有关,且霰与云滴电荷浓度的累积区与底部正电荷堆相一致。     

云凝结核浓度对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文将非感应起电机制耦合到WRF中尺度模式中,选取Morrison双参数微物理方案,采用整体放电参数化方案,改变初始云凝结核（CCN）浓度（浓度变化从500 cm-3到4000 cm-3）,共模拟15组试验,讨论了CCN浓度（n_CCN）对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随n_CCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,导致霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,导致冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。     

冰相粒子的相对增长对非感应起电影响的模拟研究

为了深入认识不同条件或不同区域中冰相粒子相对增长状况对雷暴云内非感应起电过程的影响,将基于S91非感应起电参数化方案引入到三维强风暴动力-电耦合数值模式中,模拟分析了一次典型雷暴过程的霰粒和冰晶的生成和消耗过程以及随高度的分布特征;同时分析了雷暴云成熟时期不同时刻霰粒子和冰晶的比含水量等的增长变化状况,将不同时刻霰粒子-冰晶之间非感应起电的电荷转移极性和量级,与霰粒子和冰晶的相对增长状况作对比分析。结果表明,霰粒和冰晶由于所处环境的不同温度和液水含量条件而通过不同的微物理过程增长或消耗;细微的温度或液水含量条件的差异都会影响两类粒子的相对增长快慢;而两类冰相粒子中相对增长更快的粒子荷正电,增长更慢的粒子荷负电,相对增长的快慢决定了两种冰相粒子在非感应起电过程中所带电荷极性和量级。     

强雷暴云中电荷多层分布与形成过程的三维数值模拟研究

通过建立云物理耦合电过程的冰粒子分档模式, 对北京一次强雷暴天气的云中空间电荷结构分布、 形成机制及放电过程进行了模拟分析研究。结果表明: (1) 云水含量主要通过感应起电来影响云水、 霰粒子之间的电荷转移, 然后再影响空间电荷分布。而包含了雨水后的液水含量主要通过非感应起电在不同含水量条件下的起电机制影响霰粒子同雪粒子 (或冰晶) 碰撞后转移电荷的极性与大小, 从而影响空间电荷结构。 (2) 微物理过程的不均匀性将导致水成物含水量源汇项的不均匀性。而这种不均匀性首先会使得水成物在不同垂直剖面上的分布也不均匀, 从而使得感应、 非感应起电变得更复杂。源汇项的不均匀性还会导致水成物之间因质量转移而产生的电荷转移也不均匀。 (3) 强的上升气流将冰相物携带到较高处, 从而使得水成物间发生电荷转移的高度也比较高。雪粒子在强上升气流上部及两侧区域出现多个含量中心, 霰粒子含量分布相对均匀, 而质量中心向背风侧倾斜。因此, 非感应起电过程主要发生在背风侧的辐散区域, 从而导致空间电荷也主要分布在该区域。强上升气流使得冰相水成物在不同区域出现含量中心, 使得同一冰相物在不同区域携带不同电荷 (尤其是在强风暴的成熟期), 从而使得空间电荷易于出现多层结构。 (4) 由于放电会改变空间电荷结构, 放电通道中的感应电荷会重新分配到各个水成物表面, 所以在微物理过程和动力过程等作用下, 在水成物质量转移过程中发生的电荷转移将会更加复杂, 从而使得空间电荷浓度分布更加复杂。但是该作用的重要性还需要进一步的研究。以上因子均是造成空间电荷多层分布的重要原因。     

一次飑线过程的云微物理参数化方案数值试验及其成因分析

利用WRF模式6种适合高分辨率且包含多种固态水成物粒子的云微物理参数化方案,分别对2012年5月16日江苏北部一次飑线过程进行数值试验,结果表明:LIN方案模拟的飑线回波反射率、强降水TS评分、结构和强度等均要优于其余5种微物理参数化方案。分析不同参数化试验结果中不同水成物粒子占比随时间的变化特征,并针对LIN方案采取敏感性试验和水成物转化微物理过程分析指出,在此次飑线过程中的各水成物粒子中,霰/雹粒子占比最大,是降水过程中最重要的粒子;地面降水直接来源是雨水,雨水主要来源于中层霰/雹粒子的融化,小部分来源于云水的自动转化;中层霰/雹粒子最主要来源是通过雨霰转化过程中的雨水撞冻冰雹微物理过程,其次是霰撞冻云水的微物理过程,而冰相物质雪晶和云冰的碰并、撞冻和自动转化过程微乎其微。     

云微物理过程对强对流风暴的影响之数值模拟研究

本文运用三维对流云模式对美国SPACE计划(South Park Area Cumulus Experiment)1977年7月19日South Park地区一例强对流风暴进行了模拟,目的是考察不同云微物理过程对风暴的影响.不同微物理方案模拟对比有助于我们加深对风暴内部微物理过程的了解.结果表明,不同微物理方案模拟的风暴内部动力场、强度有所不同.不考虑冰相过程的暖雨方案,模拟的风暴最弱;冰相过程中仅考虑冻结/融化潜热释放,模拟的风暴强度在后期稍弱.由于降水绝大部分由霰、雹转变而来,以及霰、雹粒子对运动场的影响及其相变潜热作用,冰相过程中如果不考虑霰、雹的模拟方案,模拟风暴的动力场及降水场都发生改变.     

气溶胶对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟

将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

基于WRF模式对华北一次飑线过程中雷电活动的间接和直接模拟研究

将非感应起电机制和放电参数化方案耦合到WRF模式的Morrison双参数微物理方案中,并在模式中引入了闪电潜势指数LPI,在此基础上模拟了2009年6月16日华北一次飑线过程,讨论模式对闪电活动再现能力。模拟结果显示,模式能够较好地再现雷达回波和降水分布特征,说明模式对此次飑线过程的宏观和微观特征具有一定的模拟能力。利用计算闪电潜势指数LPI的间接模拟,能够指示出大致的闪电分布特征,但闪电潜势指数LPI分布范围明显大于实际闪电落区;而通过耦合电过程的WRF模式直接输出闪电密度的直接模拟,模拟结果与实际闪电密度分布的对应关系较好,但由于模式中输出的闪电密度为总闪电密度,与观测地闪密度资料相比,模拟的闪电密度偏大。     

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.     

2017年北京北部一次罕见强弓状飑线过程演变和机理

2017年7月7日下午至午夜,河北西北部和北京中北部发生了一次罕见的最大瞬时风力将近12级并伴有大冰雹的强弓状飑线过程,其触发、演变和维持机制等具有较高研究价值。综合多种观测资料和NCEP分析资料,利用“配料法”分析了该次飑线过程的环境条件、触发、演变、风暴结构和弓形回波的形成与维持机制。飑线发生在500 hPa冷涡西南部的前倾槽和低空急流形势下;超过2000 J/kg的对流有效位能（CAPE）、强0—6 km和0—3 km风垂直切变为弓状飑线及其相关超级单体的生成和维持、大冰雹和地面强风的形成提供了有利条件;较低的湿球温度0℃层（~3.8 km）是有利于大冰雹形成的融化层高度;对流层中层高达30℃温度露点差与大的垂直减温率造成环境大气具有强的下沉对流有效位能（DCAPE）,利于弓形回波和地面大风的形成。初始对流形成于西北风和西南偏西风之间的地面辐合线附近。地面大风和冰雹主要分布于低黑体亮温（TBB）和以正闪为主的闪电活跃处。雷达回波显示飑线先由线状对流系统发展成为团状超级单体对流系统,最后演变成弓状飑线。超级单体阶段和飑线阶段都有明显的回波悬垂、弱回波区、中气旋（飑线成熟后期为中涡旋）、强后侧入流及其伴随的入流缺口等;对流层中层急流和大的温度露点差是形成强下沉气流并发展出弓状特征的主要原因;大的对流有效位能和下沉对流有效位能以及强风垂直切变是飑线维持的原因。      

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.     

一次致灾超级单体雹暴过程数值模拟和发展机制分析

利用高分辨率中尺度数值模式WRF,模拟了2019年3月21日发生在浙江省的一次大范围致灾超级单体雹暴过程,结合多普勒雷达探测产品,分析了风暴的雷达回波结构、流场结构、各类水成物等特征及其演变,并探究冰雹形成的物理机制。结果表明:此次雹暴过程是在高空急流轴右侧和低层切变线相重叠的区域发生和发展的,强垂直风切变有利于雹暴的维持和发展。实况超级单体雹暴在雷达回波上呈现出钩状回波、持久深厚的中气旋、典型的高悬强回波、有界弱回波区和三体散射现象。模拟试验成功地模拟出了雹暴云团的水平演变和垂直结构特征。合适的0℃和-20℃高度以及-20~0℃层厚度有利于雹粒的增长。雹粒子主要由云水、过冷雨水和雪粒子转化形成,再通过碰并过冷云水、冰晶、雪粒子而不断增长。     

强风暴中反极性电荷结构研究进展

反极性电荷结构是强风暴系统中一种常见的电荷结构配置,它是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一,同时也往往与灾害性天气相联系。人们对云内电荷结构的认识随电场探空、多种地面观测手段的发展而深入。反极性电荷结构并非在强风暴的起始阶段就出现,而存在一个演变过程,出现在风暴发展的特定阶段。宽广强烈的上升气流被认为在反极性电荷结构的形成中起关键作用,它使得上升气流区液态水含量等微物理条件发生改变,进而影响大小粒子碰撞的起电过程,使风暴内主要起电区霰粒子荷正电,冰晶等粒子荷负电,从而形成反极性电荷结构。强风暴中气流的动力输送、风切变等也被认为是反极性电荷结构形成的可能原因。利用数值模式,在真实的气象背景场下再现强风暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征,也是研究反极性结构形成的有效途径之一。针对正地闪大量发生的强风暴开展大规模外场观测试验,并将观测结果与数值模拟相结合,将有利于理解强风暴中反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系。     

南昌地区雷击事件雷达回波特征分析

【目的】南昌地区地处亚热带地区,为了更好地监测预警雷电天气,提醒人们减少雷击事件的发生。【方法】使用南昌市历史雷击事件资料、江西雷达拼图资料和南昌、九江SA雷达基数据等资料,采用天气学、雷达气象学等原理及方法,对南昌地区雷击事件的雷达回波特征进行分析。【结果】（1）2013—2022年雷击事件共出现23次,孤立单体回波有2段闪电高发期,超级单体、飑线回波带和短带回波只有1个闪电高发期。（2）500 hPa高空槽、中层切变及西南急流等天气系统重叠最易产生雷击事件。（3）飑线回波带是由多个对流单体、强回波单体甚至超级单体回波排列组成的带状回波;短带回波长度比飑线回波带要短,回波强度也偏弱。【结论】上述结论为南昌地区雷电天气的监测预警提供分析依据。     

The Predictability of a Squall Line in South China on 23 April 2007

This study investigated the predictability of a squall line associated with a quasi-stationary front on 23 April 2007 in South China through deterministic and probabilistic forecasts. Our results show that the squall-line simulation was very sensitive to model error from horizontal resolution and uncertainties in physical parameterization schemes. At least a 10-km grid size was necessary to decently capture this squall line. The simulated squall line with a grid size of 4.5 km was most sensitive to long-wave radiation parameterization schemes relative to other physical schemes such as microphysics and planetary boundary layer. For a grid size from 20 to 5 km, a cumulus parameterization scheme degraded the squall-line simulation (relative to turning it off), with a more severe degradation to grid size <10 km than >10 km. The sensitivity of the squall-line simulation to initial error was investigated through ensemble forecast. The performance of the ensemble simulation of the squall line was very sensitive to the initial error. Approximately 15% of the ensemble members decently captured the evolution of the squall line, 25% failed, and 60% dislocated the squall line. Using different combinations of physical parameterization schemes for different members can improve the probabilistic forecast. The lead time of this case was only a few hours. Error growth was clearly associated with moist convection development. A linear improvement in the performance of the squall line simulation was observed when the initial error was decreased gradually, with the largest contribution from initial moisture field.     

北京一次强飑线过程的闪电辐射源演变特征及其与对流区域和地面热力条件的关系

利用2015年夏季北京闪电综合探测（BLNET）总闪辐射源定位、多普勒天气雷达、地面自动气象站和探空资料等多种协同观测资料,详细分析了2015年8月7日北京一次强飑线过程不同阶段的闪电特征,并探讨了闪电与对流区域和地面热力条件之间的关系。飑线过程整体上以云闪为主,根据雷达回波和闪电频数可以将飑线过程分为发展、增强及减弱三个阶段。发展阶段表现为多个孤立的γ中尺度对流降水单体,随着北京城区降水单体的迅速发展,强回波顶高延伸到-20℃温度层高度,闪电辐射源高度也逐步增加,闪电明显增多,但总闪电频数整体低于80次/min。增强阶段单体合并,闪电频数快速增长,0℃层以上及以下的强回波（＞40 dBZ）体积明显增大,飑线形成后,总闪和地闪均达到峰值,分别约248次/min和18次/min,负地闪占总地闪比例为90%,辐射源主要分布在线状对流降水区内,辐射源数量峰值出现在5～9 km高度层。减弱阶段飑线主体下降到0℃以下并迅速衰减,辐射源分布明显向后部层云降水区倾斜。95%的闪电发生在对流线附近10 km范围内,即对流云区和过渡区。在系统发展和增强阶段,对流云区与层云区辐射源的活跃时段基本一致;系统减弱阶段,对流降水云区辐射源数量迅速减少。在系统的不同发展阶段,闪电活跃区域对应于冷池出流同平原暖湿气流在近地面形成的相当位温强梯度带内。