雷暴闪电活动特征研究进展

从一般雷暴、灾害性雷暴和台风的闪电活动特征以及雷暴闪电尺度特征四个方面对相关研究进行梳理。一般雷暴通常具有正常极性电荷结构,云/地闪比例在3左右(中纬度地区),地闪中正地闪占比为10%左右,负地闪位置往往更集中于对流区。灾害性雷暴倾向具有活跃的云闪,低比例的地闪,易出现反极性电荷结构,正地闪比例偏高。闪电活动与灾害性天气现象之间存在关联性,部分雹暴过程具有两次闪电活跃阶段。台风中大部分闪电发生在外雨带,眼壁/外雨带闪电爆发很可能预示气旋强度的增强以及路径的改变。由闪电持续时间、通道空间扩展所表征的闪电尺度与雷暴对流强度相关。弱对流雷暴或雷暴的弱对流区域可能由水平扩展、垂直分层的电荷分布形态主导,闪电频次低,闪电空间尺度大;强对流雷暴或雷暴的强对流区域可能由交错分布的小电荷区主导,闪电频次高,闪电尺度小。      

2007—2015年京津冀地区闪电分布特征

利用2007—2015年京津冀地区闪电定位系统地闪监测资料和地面雷暴观测资料,对京津冀地区闪电的分布特征进行了统计和对比分析。结果表明:2007—2015年京津冀地区人工观测的雷暴总数与闪电定位系统观测的总地闪数值不同,但二者时间分布具有较好的一致性;地面人工雷暴观测受观测规范的限制,主要反映雷暴日的概念,对比而言,闪电定位系统观测的地闪更接近实际闪电的分布。2007—2015年京津冀地区正地闪占总地闪的比例为7.8%,不同季节和不同地区正地闪占总地闪的比例不同。各月正地闪分布相对均匀,与总地闪和负地闪不同,但总地闪、正地闪和负地闪的日变化特征无明显区别。京津冀地区地闪高密度区集中出现在山脉与平原过渡带和海陆交界处。     

暴雨和雹暴个例中闪电特征对比

暴雨与雹暴过程中对应的闪电活动特征显著不同,为了对比这两类对流过程中的闪电活动特征差异,该文选取了两种比较有代表性的雷暴个例——暴雨过程和雹暴过程,利用全闪（包括云闪与地闪）定位数据,分析了两者闪电活动特征以及闪电活动与对流降水之间的关系。研究发现:暴雨过程中地闪频次和正地闪比例均低于雹暴过程;相对于暴雨过程,雹暴过程的主正电荷区放电高度更高,主正电荷区所处的温度偏低;暴雨过程中,总闪频次与对流降水量、总闪频次与对流降水强度的相关性均优于雹暴过程。总体而言,雹暴过程中闪电活动特征及其与降水的关系更为复杂,这可能与雹暴过程具有更为复杂的动力和冰相过程有关。     

贵州2008—08—15强降水过程闪电特征浅析

利用闪电定位仪、常规地面观测、物理量场、雷达卫星资料来分析一次强降水过程的闪电特征。着重分析了地闪的时空分布、地闪潜势、地闪和雷达回波强度的关系,得出本次降水过程主要以负地闪为主,但不同降水时段正地闪所占比例不同,负地闪主要分布于贵州中部地区及东北部,正地闪分布较为分散,不稳定能量的积聚对闪电的发生起重要作用。雷达回波强度对闪电的发生有重要的指示作用,地闪主要发生在回波强度〉40dBz的地区及周围,但不同降水时段回波值不同,有的时段地闪主要发生在回波强度〉35dBz的地区及周围。     

2019年呼和浩特一次强雷暴天气过程综合分析

利用NCEP再分析资料、雷达、卫星资料以及闪电定位资料对2019年7月27日呼和浩特市一次强雷暴天气过程进行了综合分析。结果表明：此次雷暴过程主要受贝加尔湖低压中心和蒙古高原高空槽东移影响；雷暴发生前，K指数和CAPE等不稳定参数均超过阈值，大气层结呈现上干冷下暖湿的不稳定形势，并且垂直方向上低空辐合、高空辐散的结构与强烈的上升气流相配合，为雷暴天气的发生提供了有利条件；在整个雷暴过程中负地闪占主导地位，但雷暴的不同发展阶段地闪分布不同，在雷暴发展及成熟阶段，负地闪数明显多于正地闪数，而在雷暴消散阶段，正地闪数大幅增加，甚至超过负地闪；闪电多分布于强回波区域，但闪电频数最高的地方不一定与强回波中心相对应；地闪的落区主要位于云顶温度低于240 K的区域，对应的云顶相态为冰相和混合相。     

江西冰雹天气期间的闪电活动特征

利用江西省2003--2008年冰雹天气发生时的闪电探测资料,通过统计分析地面降雹前后的闪电频数和强度等物理量,得到了对江西降雹过程中的闪电活动分布及其演变特征。结果显示,对于江西大部分地区的雷暴过程,回波强度≥40dBz时,就有可能产生闪电。冰雹发生前后的短时间内正闪频数普遍远小于负闪频数,而且多数情况下正负闪频数比增大时,相应的冰雹直径也增大,即正闪比例的变化与冰雹成长过程有较好的关联。正闪强度大都强于负闪。降雹后负闪频数会减小,而正闪频数会有所增大。总闪频数和正负闪比例的分布及变化特征可被用来估算地面降雹时间。强对流天气过程中,若正闪平均强度越强,则发生冰雹天气的可能性就越大。     

强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析

利用粤港澳闪电定位系统、广州多普勒天气雷达和自动气象站等资料, 分析了2017年6月2日发生在广州市中北部的一次强雷暴天气过程的地闪变化特征及闪电与雷达回波特征的关系。(1)本次强雷暴天气是华南一起典型的以西南急流和切变线为环流背景的强对流天气过程。在整个雷暴生命史中以负地闪为主, 占69.3%;正闪在雷暴发展的初始和结束阶段占比较大。(2)闪电频数分布与强雷达回波区域存在着较好的对应关系, 闪电活动位置稍有提前, 地闪频数峰值的时间比雷达回波峰值时间平均提前了11.1 min。(3)回波顶高是产生闪电的先决条件, 闪电较多分布在回波顶高9~15 km范围内, 地闪频数峰值落后于回波顶高峰值12~18 min。      

北京及其周边地区夏季地闪活动时空特征分析

利用M-LDARS闪电定位系统对北京及其周边地区1995～1997年6～9月的闪电观测数据, 分析闪电活动的时空分布特征。结果表明:闪电活动在时间分布上存在两个峰值时段, 13 :00～21:00和23:00～次日05 :00。通过对总地闪、分时段及峰值时段的地闪密度分析, 发现北京及周边地区闪电活动有几个明显的集中区域, 地闪高密度区主要出现在下垫面为山脉和水体的地方, 闪电活动与下垫面的水汽条件关系密切, 且正、负地闪的空间分布也呈现较大差异, 表明雷暴云的电荷结构存在一定差异。     

蒙古东部冷涡造成河北中南部雹暴过程的地闪特征分析

应用地面闪电定位系统、多普勒雷达、加密自动雨量站资料,对2007年7月8～9日蒙古东部冷涡天气系统下,发生在河北中南部的两次雹暴过程进行了分析.结果表明:两次雹暴均产生大量地闪活动,且以负地闪占优势,闪电集中发生时段与强对流发生及维持时间相当.雹暴和强降水在时空分布上对应的地闪极性有明显差异,降雹发生在雹暴云团中正地闪最活跃的阶段,正地闪集中出现在强回波中心及其邻近区域,降雹点落在正地闪聚集区附近;对流性强降水云团中负地闪频繁发生,强降水区出现在负地闪密度高值中心附近,负地闪簇集区域预示着对流性强降雨的落区.多单体风暴中:闪电的频率及聚集区域主要取决于雷暴单体的数目、强度和相互接近的程度,其造成的强降雹主要发生在总地闪的活跃期.本次个例分析显示,总闪电频数跃增、正闪频数突增,仅先于降雹数分钟(几乎同时)发生.因此,根据闪电频数变化可监测对流强度的演变和冰雹天气的发生.     

雷暴单体中降水退屏蔽作用和正地闪之间的关系

为了验证雷暴单体中是否会由于降水退屏蔽作用导致正地闪的发生,建立了典型的雷暴云三极性电荷结构模型,利用现有的闪电放电参数化方案,通过改变中负和下正电荷区的高度和电荷密度进行的对比试验,对雷暴单体中降水退屏蔽作用和正地闪发生之间的关系进行研究。结果表明,在雷暴单体中发生降水时,引起的雷暴云中负和下正电荷区高度下降以及电荷密度的减小会使雷暴云中电场和电势的分布发生变化。当中负和下正电荷区的高度降低时,模拟域内最大电场强度降低,最大电场强度处电势增大,最大电场强度处和地面之间电势差增大,使正先导更容易发展到地面形成正地闪。当中负和下正电荷区的电荷密度减小时,模拟域内最大电场强度降低,最大电场强度处电势的绝对值先减小后增大,在电势增大过程中最大电场强度处和地面之间电势差增大,正先导也更容易发展到地面形成正地闪。因此,雷暴单体中降水退屏蔽作用对正地闪的发生是有利的。     

春季与夏季两次雷暴大气结构及地闪特征对比

利用NCEP再分析资料、探空资料、闪电定位资料和南京、常州多普勒雷达资料,通过对比分析南京2012年2月22日春季雷暴和2011年8月10日夏季雷暴两次过程,研究不同季节影响雷暴发生的大气结构以及强弱雷暴地闪特征的差异。结果表明:风矢位温(V-3θ)图揭示的大气动力热力水汽特征能够为雷暴的潜势预报提供先兆信息。两者相较而言,春季雷暴的动力抬升作用明显;夏季雷暴主要由热对流引起,对流层上层的动力抽吸作用不明显。春季弱雷暴正地闪在总地闪中所占比例较高。无论春季弱雷暴还是夏季强雷暴,地闪落点与辐合区对应关系明显,且地闪的落点也与雷达反射率因子有较好的对应关系:地闪主要分布在强回波区(大于40 d Bz)及其外围区域。但在较强雷暴云的发展阶段,地闪多发生在风暴体伸展方向的一侧,具有引导雷达回波移动的作用,夏季强雷暴地闪簇集在垂直风切变区域。     

２００６—２００９年江苏省地闪特征分析及应用

根据2006-2009年江苏省气象部门闪电定位系统资料,对江苏省地闪的总体特征、雷电流强度和地闪的时空分布特征进行了分析,并利用江苏13市雷暴日观测记录,统计了各市地闪密度公式.结果表明,江苏省以负地闪为主,正地闪的平均雷电流强度大干负地闪;地闪随时间变化明显,空间分布和地形密切相关,地闪密集区域应相应加强防雷工作;装设接闪器的建筑物也有遭受雷击的可能,江苏97.75%的地闪的雷电流强度都集中在100 kA以下;各市使用本地化的地闪密度计算公式比IEC公式计算得出的结果更符合实际.     

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。     

一次特大暴雨过程三维和二维系统闪电特征对比分析

利用三维(ADTD-2C)和二维(ADTD)闪电定位系统资料, 对比分析了湖北省一次特大暴雨过程中两套系统闪电活动特征, 得出以下结论: (1)本次过程中地闪多于云闪, 二者均以负极性为主。(2)三维系统正地闪在地闪中的占比低于正云闪在云闪中的占比, 高于二维系统正地闪在地闪中的占比。(3)三维系统雷电流幅值集中分布在0~30 kA, 较二维系统(10~50 kA)更集中, 三维系统的雷电流累积概率较湖北省多年统计结果明显偏小, 二维系统的雷电流累积概率略高于统计值。(4)两套系统总地闪和负地闪活跃时段基本一致。(5)两套闪电定位系统地闪密集区基本一致, 且和云闪密集区基本重合, 闪电分布集中程度高, 主要分布在槽前正涡度平流区。三维系统地闪密度大于二维系统, 最大值分别为5.78 fl/(km2·d)和2.39 fl/(km2·d)。三维系统中正、负闪电交错分布, 二维系统中正、负地闪局部存在空间分离现象。(6)云闪密度大小与二维地闪相当、水平分布特征与三维地闪一致。垂直方向上, 云闪主要发生在10 km以下, 其中2~4 km云闪分布密集, 占总云闪的47.24%。      

云南两次中尺度对流雷暴系统演变和地闪特征

在利用NCEP/NCAR再分析资料诊断分析2010年9月21—23日中尺度对流雷暴系统形成的环流背景基础上,通过云南省闪电定位系统地闪监测资料和FY-2E卫星云图资料的同步叠加, 分析两个中尺度雷暴系统的演变和地闪特征。结果表明:台风凡亚比 (1011) 西行减弱的热带低压为中尺度对流雷暴系统提供有利的暖湿和抬升动力环流背景,促使中尺度弧状对流云带、中尺度雷暴云团和中尺度对流复合体生成和发展。雷暴云团结构和地闪活动空间分布不均匀并随时间变化,且正、负地闪频数与云顶亮温 (TBB) 相关,当TBB降低和等值线密度变大,雷暴云团发展,低TBB中心偏于云团的前部云区,负地闪频数剧增;当TBB达最低值时,雷暴云团成熟,负地闪频数达峰值,正地闪出现;当TBB升高且等值线密度变小时,雷暴云团减弱,低TBB中心靠近云团中心,负地闪频数迅速减小,正地闪频数达到峰值;密集的负地闪出现在雷暴云团前部大的TBB梯度区和TBB不大于-56℃的低值中心附近,正地闪分散在TBB不大于-56℃的低值中心附近,偏于负地闪区域后部发生。     

华北一次强对流天气系统的地闪时空演变特征分析

利用地面雷电探测网,多普勒天气雷达和常规天气资料,分析了2005年8月1日发生在山东北部的一次具有前部对流线,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。结果表明:整个过程中负地闪占主导地位,最高频数达到260次/5min;与负地闪比较,正地闪呈现不活跃状态。负地闪主要落在>40 dBz的强回波区内部及其边缘区域,而正地闪则分布在前部云砧和后部层状云降水区内。对地闪位置与回波强度的进一步对比分析发现,45~55 dBz的回波是最有利于地闪发生的区域,回波强度低于这一区域,随着回波强度的增大,地闪活动呈递增趋势,地闪频数在50~55 dBz的回波区域内达到峰值,>55 dBz的回波区域内地闪频数明显降低。     

基于ADTD资料的浙江地区多回击地闪特征分析

利用2007—2018年浙江省ADTD闪电定位资料,分析了该地区多回击地闪分布及相关参数特征。结果表明:浙江省多回击地闪占总地闪的26.74%,其中正闪以单回击地闪为主;正、负闪平均回击数分别为1.04次和1.65次,最大回击数分别为5次和21次。回击数和地闪数存在较为一致的年际变化,正、负多回击地闪日变化分别呈多峰和单峰分布。正、负多回击地闪电流强度算术平均值分别为72.06kA和-36.89kA,回击平均强度随回击数的增加而下降,约40%的地闪过程中至少有1次继后回击强度比首次回击强;首次回击和继后回击的强度分布呈对数正态分布,集中在15～45kA之间。正、负地闪回击间隔时间算术平均值分别为125.47ms和138.14ms,几何平均值分别为56.73ms和98.95ms,回击间隔时间呈对数正态分布,平均回击间隔时间随回击数的增大而减小。多回击地闪继后回击与首次回击之间距离与回击数呈准正态分布,集中在距离为1km范围内。     

辽宁省雷电易发区及预警应对等级划分

基于辽宁省1981—2010年雷暴日数据、2012—2019年闪电定位数据和2015年公里网格GDP及人口数据,采用AHP法、风险矩阵法和ArcGIS空间分析方法,分析了辽宁省闪电活动时空特征,得出10km×10km网格区域雷电易发等级及应对等级。结果表明:辽宁省2012—2019年闪电活动日数总体呈下降趋势。闪电活动主要发生在6—9月,总闪和负闪最大值出现在8月,正闪活动最大值出现在6月;辽宁地区年平均雷暴日数的空间分布趋势呈现北部比南部多,东西部比中部多,从地形地貌上看,辽宁地区雷暴日数空间分布符合山地大于平原,平原大于沿海地区的分布规律。辽宁地区雷电易发区域呈自中部丘陵和平原地区向东西部山区逐渐递减的分布趋势,雷电易发区域与经济发达区大体重叠,需引起重视。     

中国内陆高原地区典型雷暴过程的地闪特征及电荷结构反演

利用2002年夏季在青海省大通县进行的雷暴及闪电综合观测实验中所获取的6站GPS同步闪电电场变化资料,对8月4日一次下部具有大范围正电荷区的典型性雷暴过程的雷电特征进行详细研究。利用点电荷模式对16次负地闪和2次正地闪所包含的共65次回击所中和电荷源进行的非线性最小二乘法拟合研究发现,负地闪所中和的负电荷距离地面的相对高度在3~5 km,而两次正地闪所中和的雷暴云电荷在5~6 km的高度,表明该雷暴云呈三极性电荷结构。负地闪单次回击所中和电荷量平均为1.48 C,而两次正地闪都为单次回击且中和的电荷量分别为1.37 C和2.68 C。     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。