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。      

冀南地区一次强雷暴过程分析

利用MTSAT卫星云图、雷达回波、常规天气资料和闪电资料,对2007年7月18日邯郸地区强雷暴天气过程进行了综合分析,结果表明:雷暴云的发展与水汽通量、不稳定区有较好的对应关系.雷暴初始阶段,地闪以负闪为主,正闪较少;随云系发展,闪电密度增大;云系发展成熟阶段,正闪密度变化不大,负闪密度明显减小.雷暴云回波强度＞36 dBz,就有闪电发生,且强回波区与闪电区一致.     

云南强对流暴雨的闪电和雷达回波特征及相关性

利用闪电监测资料和多普勒天气雷达探测资料,对2007年汛期强对流暴雨的闪电和雷达回波特征及相关性进行分析,结果表明:云南大多数暴雨属于强对流性暴雨,而且以负闪电为主,负闪电占总闪电的90 %以上;暴雨日降水量与日闪电数相关小,强的降水不一定有强的闪电活动,但大的日闪频数一般对应的暴雨日降水量大;伴随有闪电活动的强对流暴...     

柳州市强对流暴雨的闪电和雷达回波特征及相关性研究

利用闪电监测资料和多普勒天气雷达探测资料,对2015年汛期强对流暴雨的闪电和雷达回波特征及相关性进行分析,结果表明:柳州强对流性暴雨时的闪电以负闪电为主;暴雨日降水量与日闪电数相关小,强的降水不一定有强的闪电活动;伴随有闪电活动的强对流暴雨逐时降水量与逐时闪电频数演变曲线具有峰型特征和趋势一致,闪电先于降水之前开始,降水量峰值比闪电频数峰值落后1小时;径向速度不均匀风场结构存在利于对流回波的发展和闪电的发生,强对流暴雨的闪电活动与强回波区有较好的对应关系,闪电一般发生在反射率因子≥45dBz和回波顶≥6km的区域。     

低纬高原中部一次强对流天气过程的多普勒雷达和闪电特征分析

利用MICAPS资料、多普勒雷达资料和地闪资料,分析了2008年8月1日低纬高原中部一次强对流天气过程。结果表明:台风登陆和副热带高压北抬西伸导致外围的偏东气流带来充沛的水汽和热量,为强对流天气过程提供了有利的环流背景条件;在强对流发展过程中,前部始终有入流存在,多普勒雷达回波上具有"弓"型回波、前侧"V"型槽口、弱回波区、后侧"V"型槽口等特征,强回波区与多普勒雷达速度图上的逆风区和辐合区相关;-10℃层高度上雷达回波强度≥35dBz时,才开始有地闪活动发生,负地闪占整个地闪过程的99.6%,大多数负地闪出现在强度30dBz的强回波区,对应着强辐合上升气流区,正地闪出现在回波前部的云砧或回波后部的较弱回波区域,对应着辐散的下沉气流区域;整个雷暴云发展演变过程中负地闪电流强度呈现出先增大后减小的单峰型变化特征,而正地闪电流强度基本呈现逐渐增大的直线型变化特征。     

安徽闪电与雷达资料的相关分析以及机理初探

WSR-98D多普勒天气雷达和新型闪电定位仪是监测灾害性天气十分有效的手段,利用合肥多普勒天气雷达的物理量产品和中国科技大学研制的新型闪电定位仪资料,对2001年7月24日、2002年5月27日、2004年4月6日发生在安徽省的冰雹和强降水的3次天气过程的闪电与雷达回波特征做相关性分析和机理初探,发现一些有意义的统计规律：（1） 闪电发生的数目和变化与回波顶高（ET）有较好的对应关系, 而与垂直含水量积分（VIL）对应关系不明显;（2） 强对流天气的云地闪中正地闪与负地闪发生频次相当,甚至超过负地闪,但正地闪比较分散,负地闪比较集中,闪电发生的位置与强回波位置不一致,云下一般存在一个次正电荷层;（3） 强降水天气的负地闪占优势,闪电发生的位置比较集中并且与强回波位置一致,云下没有正电荷层;（4） 垂直累积液态水含量（VIL）和回波顶（ET）很小处出现的闪电是由云砧和对流云分裂的碎云产生的.     

一次云南强对流暴雨的中尺度特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料及常规观测资料与雷达、卫星等非常规观测资料,综合分析了2014年6月6日云南暴雨过程的天气成因及中尺度对流系统特征。结果表明:500hPa前倾槽、700hPa切变线及地面冷锋是此次暴雨过程的天气尺度影响系统;高能高湿的对流不稳定层结、明显的垂直风向切变是强对流天气形成的有利条件;在Q矢量散度辐合区内多个β中尺度对流系统(MCS)发生发展,短时强降水主要出现在MCS移动方前沿对流活跃的云顶亮温(TBB)等值线密集区,雨强变化与TBB等值线梯度变化密切相关;多普勒雷达及地闪资料显示多个γ中尺度对流系统是强对流暴雨产生的直接影响系统,雷暴易发生于回波强度在35~45dBz、回波顶高超过10km的区域,中尺度辐合线、第二类γ中尺度辐合区附近负地闪密集区与短时强降水、雷暴天气有很好的对应关系。     

一次全省性强雷暴天气的地闪特征

2009年6月26日浙江出现全省范围的雷暴天气,此次过程中出现的地闪频数是自2006年闪电定位系统建立以来出现最多的一次。利用闪电定位实测资料、加密雨量站雨量实况以及多普勒天气雷达产品,对这一过程的地闪特征进行了分析。结果表明:此次地闪以负地闪为主,负地闪广泛分布于25～55dBz雷电回波区域内,而正闪多出现在25～35dBz回波中;地闪多出现在回波发展和前进的一侧,且密集分布在回波的梯度最大处,强回波中心处地闪较少出现;在回波开始减弱到中心强度为35dBz左右的区域没有地闪发生。地闪频数与全省过程累积降水量有很好的相关性,地闪的出现及其频数的增加意味着影响某地的强对流风暴正在发展或正向本地移来,对于单站来说雨强峰值滞后于地闪频数峰值半个小时以上,对于全省累积降水量则提前1～2h。因此地闪资料可以作为强对流天气的短时强降水预报的预警依据。     

基于雷达、卫星资料对河南省一次雷暴过程的地闪演变分析

利用地闪探测系统资料、多普勒雷达资料和卫星云图资料,分析了河南省一次雷暴过程的地闪特征及其与云体结构的关系,结果表明:在雷暴整个生命史中负地闪占据主导地位,占总地闪的99.5%;地闪平均强度与地闪频次存在负相关关系;初次地闪出现时雷暴强度迅速增强;40 d BZ强回波顶高、6 km高度50 dBZ强回波面积以及5 km高度之上50 dBZ强回波体积与地闪频次存在明显的正相关关系,在整个雷暴过程中的相关系数分别为0.80、0.91和0.93,而在雷暴不同发展阶段3种雷达参量与地闪频次的相关性有不同的变化趋势;地闪一般分布在6 km高度雷达回波≥40 dBZ、云顶亮温≤200 K的区域,有助于识别强对流区。     

强对流天气雷达回波与闪电特征的个例分析

利用闪电定位资料和多普勒天气雷达强度产品,分析了2006年6月22日发生在南京西南140km处的一次强对流天气过程中闪电的演变特征及其与回波强度的关系。结果表明,地闪多发生于雷暴云中回波强度大于40dBz且回波强度梯度较大的区域;正、负地闪频次在强对流系统发展的不同阶段呈现出不同的特点,负地闪占总闪数的90％以上,正地闪出现在系统进入成熟阶段之后,且占总闪的比例在系统消散阶段明显增大;地闪强度越大,相应的地闪频次越小,除少数弱闪（1/1〈10kA）外,二者基本上呈反相位关系。     

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。     

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。     

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。     

OBSERVATION AND MODEL ANALYSES OF POSITIVE CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING IN MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS*

The analyses of spatial and temporal characteristics of positive cloud-to-ground(CG) lightning for four mesoscale convective systems and two severe local convective systems in 1989 and 1990 show that positive CG flash rate usually has two peak values.The major peak occurs during the developing stage of the storm and most of the positive CG flashes originate at the lower part of the storm.The minor occurs during the dissipative stage of the storm and most of the positive CG flashes originate at the upper part of the storm,especially in the region of the wind divergence in the storm anvil.The positive CG flash rate is almost an order of magnitude larger in the developing stage than in the dissipative stage.The appearing time of the peak of negative CG flash rate is in accordance with that of the valley of positive CG flash rate.The higher the intensity of the radar echo,the higher the positive CG flash rate.Most of the positive CG flashes occur when the weak echo area is larger,and mostly originate in the region where the radar echo intensity is about 10dBz and in the back region of the moving storms.The spatial distribution of the positive CG flashes is much more dispersive than that of the negative.The mesoscale analysis reveals a bipolar lightning pattern.The mean bipole-length reaches its minimum during the mature stage of the storm and reaches the maximum during the developing stage of the storm.The vertical distribution of the charge density is calculated by a one-dimensional charging model.Then,we discuss the producing condition of the positive CG lightning and forming cause of charge structure mentioned above.     

OBSERVATION AND MODEL ANALYSES OF POSITIVE CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING IN MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS

The analyses of spatial and temporal characteristics of positive cloud-to-ground(CG)lightning for four mesoscaleconvective systems and two severe local convective systems in 1989 and 1990 show that positive CG flash rate usuallyhas two peak values.The major peak occurs during the developing stage of the storm and most of the positive CGflashes originate at the lower part of the storm.The minor occurs during the dissipative stage of the storm and most ofthe positive CG flashes originate at the upper part of the storm,especially in the region of the wind divergence in thestorm anvil.The positive CG flash rate is almost an order of magnitude larger in the developing stage than in thedissipative stage.The appearing time of the peak of negative CG flash rate is in accordance with that of the valley of pos-itive CG flash rate.The higher the intensity of the radar echo,the higher the positive CG flash rate.Most of the positive CG flashes oc-cur when the weak echo area is larger,and mostly originate in the region where the radar echo intensity is about 10dBzand in the back region of the moving storms.The spatial distribution of the positive CG flashes is much more dispersivethan that of the negative.The mesoscale analysis reveals a bipolar lightning pattern.The mean bipole--length reaches itsminimum during the mature stage of the storm and reaches the maximum during the developing stage of the storm.The vertical distribution of the charge density is calculated by a one-dimensional charging model.Then,we discussthe producing condition of the positive CG lightning and forming cause of charge structure mentioned above.     

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远？本文对此进行了尝试, 即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式, 在只采用常规气象观测资料的条件下, 对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验, 分析了雷暴云的宏观动力、 微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明: 利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场, 完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展, 高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、 垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展; 用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调, 得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂, 更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性, 同时, 模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪, 且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合, 从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中, 水物质霰的最大质量比、 最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。     

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。      

雷暴天气过程中降水结构与闪电活动特征个例研究

为深入分析四川雷暴天气过程中降水和闪电活动特征,运用统计与对比方法,对四川东南部一次雷暴过程中闪电活动及降水结构之间的特征进行研究。结果表明,强降水易发生在低层辐合,高层辐散的流场中,局部地区最大降水强度发生在2~5km高度。降水开始1h后,地闪频数达到最高,地闪主要以负地闪为主,正地闪不活跃。对闪电活动与亮温分布关系知,闪电活动主要发生在低于220K降水云内,闪电活动发生的区域与降水落区一致。对总闪与地闪的分布知,负地闪主要分布在总闪的外围。通过对四川雷暴过程的研究,对雷暴预报有一定的指导意义。     

A comparison of lightning activity and convective indices over some monsoon-prone areas of China

Using 10-year lightning localization data observed by the TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) Lightning Imaging Sensor (LIS), the relationship between lightning activity and a series of convective indices was investigated over nine monsoon-prone areas of China in which high-impact weather (HIW) events are frequently observed.Two methods were used to verify and reconstruct LIS lightning data. First, LIS lightning flash data were verified by both surface thunderstorm reports and ground-based lightning detection data. Seasonal, monthly, and 5-day distributions of LIS observed lightning activity agree well with the surface reports and ground-based lightning observations. Second, due to LIS's low sampling frequency, a data reconstruction and compensation scheme for LIS lightning observations was designed using both LIS lightning seasonal diurnal cycles and surface thunderstorm reports. After data reconstruction, five lightning products were derived: daily mean and maximum LIS flash rate, daily mean and maximum LIS lightning cell rate, and number of lightning days per five day period.Then, a series of convective indices describing convection conditions were derived from radiosonde data according to atmospheric instability and convective potential analysis. Correlation analysis for each study region was done between 10-year lightning derived products and corresponding convective indices by 5-day periods. The correlation analysis results show that higher lightning flash rate and lightning probability are associated with more unstable air and smaller vertical wind shear in a nearly saturated lower layer in most of the study regions. But the correlation varies from region to region. The best correlation between lightning activity and convective indices was found in eastern and southern China, whereas the correlation is lowest in some inland or basin topography regions in which topographic effects are more significant. Moreover, ambient moisture plays a much more important role in the convective development of thunderstorms in southern China than other regions. Thunderstorm development mechanism differences among regions were also discussed.Based on the close relationship between lightning activity and convective indices, some regression equations for forecasting 5-day mean or maximum LIS lightning flash rate and lightning area (a thunderstorm cell) rate, and 5-day lightning days for the study regions were developed using convective indices as predictors. The verifications show that the convective index-based lightning forecast methods can provide a reasonable lightning outlook including probability and lightning flash rate forecasts for a 5-day period.     

江西不同类型强对流天气的地闪统计特征及与雷达回波特征对比分析

选取2004—2014年江西省11个ADTD雷电探测定位组网系统所得云地闪探测数据、省内多普勒雷达、探空和自动站资料,并结合重要天气报,将此11年的强对流天气分成短时强降水、有短时强降水伴随的雷雹大风和冰雹(以下简称风雹)和无短时强降水伴随的风雹这三种主要类型,分析它们发生前后的地闪活动特征及其与雷达回波的关系,结果发现,(1)江西省短时强降水、雷暴大风和冰雹分别主要发生在5—8、7—8月和3月;仅发生短时强降水时的站次远多于发生风雹天气时;除早春和盛夏无短时强降水伴随的雷暴大风发生站次较多外,风雹天气常与短时强降水相伴发生。(2)仅有短时强降水天气发生时,其站点地理位置越偏北、小时雨量越大,对应的地闪活动就越剧烈。不同小时雨量对应的地闪数存在较明显的季节性差异,表现为3、4月地闪数以小时雨量为50~55mm时最多;5—7月地闪数随着小时雨量增大总体呈增多趋势,尤以小时雨量为55~60mm时最多;8—9月则以小时雨量为40~45mm时最多。(3)就无短时强降水伴随的风雹天气而言,在3—5月雷暴大风和冰雹发生前30min内的地闪数差异不大,但平均电流强度后者大于前者;在6—9月雷暴大风发生前30min内的地闪数则为冰雹发生前的2~4倍,平均电流强度前者大于后者;该类风雹发生前的地闪数多于仅有短时强降水发生前,正地闪的平均电流强度前者也略强。(4)有短时强降水伴随的风雹发生前的平均正地闪数以8月为最多,而负地闪数则在6月最多;冰雹发生前1h内的地闪数随季节变化不大,而雷暴大风发生前的地闪数存在季节差异,夏季多于春季;另外冰雹的地闪数与冰雹直径存在较好的正相关性。(5)3—8月,有短时强降水伴随的风雹地闪数远多于无短时强降水伴随时;其平均电流强度前者大于后者;该类风雹天气发生前,地闪平均电流强度随季节呈先增大后减小的趋势,而无短时强降水伴随的风雹天气则无此特点。(6)强对流天气发生前,较强回波出现前的负地闪活动远比正地闪活跃,但其电流强度弱于正地闪;45dBz以上回波伸展高度越高,伴随的地闪数也越多,但其平均电流强度变化不明显。