北京城区相继多次降雹的一次强雷暴的闪电特征

受东北冷涡和低层暖湿气流影响,2016年6月10日北京午后爆发了相继5次降冰雹的一次强雷暴天气过程。利用国家“973”项目“雷电重大灾害天气系统的动力—微物理—电过程和成灾机理（雷暴973）”2016年夏季协同观测期间获得的闪电全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了此次雹暴的闪电活动和雷达回波特征。此次雹暴过程包括三个孤立的单体相继发展、并合,所分析的4次降雹过程中,总闪电频数在降雹期间都有明显增多,最高可达179 flashes min?1。云闪占全部闪电的80%以上,其中3次降雹前出现正地闪突增,其比例升高,占全部地闪的比例最高达58%。降雹时雷达回波>45 dBZ的面积增大,顶高超过13 km。整个雹暴过程,闪电辐射源主要分布在6～10 km的高度区域,与强回波具有一致性。所分析的4次降雹过程均出现明显的总闪频数跃增,并通过2σ阈值检验,其中3次提前时间为8～18 min,说明总闪频数对于降雹过程有一定的预警能力。     

北京一次大雹天气过程的闪电活动特征分析

由于受闪电监测系统限制,已有研究多局限于强对流天气的地闪(cloud-to-ground lightning,CG)活动特征。本文利用VLF/LF三维闪电监测定位资料,结合雷达观测等资料对北京地区一次典型大雹天气过程的全闪活动特征进行了分析。结果表明:降雹发生前,闪电活动主要分布在对流系统的后部,闪电数较少,且以负地闪活动为主;降雹期间,闪电频数显著增加,云闪(intracloud lightning,IC)及正地闪活动明显加强,该阶段闪电活动主要集中在对流系统强回波中心及其前部雷达反射率因子梯度较大的区域;降雹结束之后,强回波中心基本移出北京,北京范围内的闪电频数明显减少。正闪比例在降雹发生前逐渐增大,在降雹期间稳定维持在较大值,降雹结束后迅速减小;云闪比(云闪频数/总闪频数)表现为降雹发生前和降雹结束后逐渐增大趋势,在降雹期间基本维持稳定少变。闪电的电流强度主要集中在5—50 kA之间,20 kA以下的低雷电流强度的云闪和地闪多发生在降雹期间及降雹结束后,而20 kA以上的高雷电流强度的云闪和地闪在降雹发生前占有很大比例,小于5 kA的云闪在大雹发生期间所占比例明显高于地闪。降雹发生前及降雹结束后云闪发生高度在2-6 km,降雹期间有所抬升,约为2-8km。闪电频数峰值超前于降水峰值5-20 min。     

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。     

一次雹暴过程的地闪特征分析

跟踪鄂西北一次雹暴的发生、发展和消亡过程,综合利用湖北ADTD型二维地闪定位系统和多普勒天气雷达资料,针对地闪频数演变与雷达资料(CR、VIL、ET)之间的相互关系进行了分析。结果表明：（1）雹暴生命史不同阶段地闪频数及所处位置不同,本次雹暴过程以负地闪为主,零星正地闪出现在雹暴减弱消亡阶段。（2）降雹发生前,CR和ET呈线性增长且CR增加到65 dBZ以上,同时VIL增加到25 kg?m-2,地闪维持较高频数。CR和ET骤减且CR下降到60 dBZ以下,同时VIL略增后骤减,伴随地闪频数骤增到峰值,降雹结束。（3）正、负地闪均分布在雹暴附近25 dBZ～55 dBZ区域,≥65 dBZ的降雹区域地闪很少发生。     

一次雹暴过程的闪电活动特征及其与雹暴结构的关系

利用闪电定位和双多普勒雷达资料,对华南一次产生冰雹和大风的雹暴过程的闪电活动及其与雹暴动力和微物理条件的对应关系进行分析和讨论。结果表明,此次过程中地闪活动在降雹阶段和降雹后阶段表现出明显差异:降雹阶段地闪频次增减交替,较为活跃;降雹后阶段地闪活动减弱后很快再次增强,地闪频次峰值（503个/6 min）远超过降雹阶段的峰值（268个/6 min）。在分析时段中,负地闪占主导地位,正地闪比例在降雹阶段呈上升趋势。地闪活动的强弱与60 dBZ强反射率的高度变化、70 dBZ回波的出现和消失有较好的相位对应关系。对应降雹阶段,雹暴内具有更强的上升气流和更高含量的冰相粒子。降雹阶段,强上升气流区以及降雹区内地闪活动较少,降雹结束后,原降雹区域的地闪活动明显增加。研究还发现,地闪更多地出现在弱上升、弱下沉气流以及二者交界区域附近。      

一次冰雹云形成发展与闪电演变过程分析

2004年4月23日,江西中部和南部出现了大范围的冰雹强对流天气过程。通过分析这次强对流天气过程发生前的天气形势和云图特征,并应用闪电定位系统、卫星和多普勒天气雷达观测资料,对这次过程的闪电特征进行了研究。结果表明,在雹云的形成发展和减弱阶段,每10min闪电频数<60次,正闪电频数明显低于负闪电。在雹云成熟阶段,闪电频数每10min平均值>60次,负闪电频数大于正闪电。在降雹前10min,闪电频数有跃变现象,其正闪增加速率和降雹呈正相关关系,降雹的起始时刻与总闪电和正闪电每10min频数出现较大值的时刻有明显的一致性。     

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.     

辽宁省一次强对流天气的地闪特征

利用闪电定位系统、多普勒雷达和加密自动站资料对辽宁一次冷涡天气中暴雨、冰雹过程的地闪变化特征进行分析。结果表明,暴雨和冰雹过程均出现了地闪密集区,冰雹过程中正地闪占总地闪比例高于暴雨过程;暴雨过程以负地闪为主,主要分布在45 dBz以上的强回波区内,和暴雨持续时间相当,负地闪最密集区位于风暴的核心部位。负地闪频数比强回波面积提前30至70分钟到达峰值,对于短时暴雨预报预警具有一定意义。冰雹过程中,负地闪集中在雹云前部,正地闪位于雹云核心部位,与降雹区一致,正、负地闪发生区域分离。正地闪提前降雹30分钟左右发生,总地闪、正地闪频数在降雹前明显增加;降雹出现在总地闪、正地闪频数和强回波面积达到峰值及从峰值迅速下降时间段内;雹云减弱消散阶段总地闪次数减少但正闪增加。     

一次雹暴的闪电特征和电荷结构演变研究

综合利用SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪定位资料与雷达结合对2005年5月31日发生于北京的一次冰雹过程的闪电活动和电荷结构演变特征进行了综合分析.结果表明:该雷暴的闪电活动有两次活跃期,第一个活跃期产生了降雹,降雹结束后,闪电活动突然减少,之后的活跃期产生了更多的闪电,其中一部分处于云砧区.闪电活动峰值超前降雹5 min左右,闪电活动中的地闪仅占6.16%,但正地闪占总地闪的比例达20%,且降雹前的正地闪比例较降雹后要高·降雹发生后,正地闪很少发生.降雹阶段,参与放电的主要电荷区表现为反极性结构,-40℃左右区域为参与放电的主负电荷区,-15℃左右区域为参与放电的主正电荷区,在正电荷区之下,短暂存在一个较弱的负电荷区.降雹结束后,电荷结构经历了持续的快速调整过程,在第2次闪电活跃期,参与放电的主要区域表现为正常的三极性结构,即上正-中负-下正,受西风气流的影响,此三极性结构出现倾斜.动力和微物理过程的分析表明,闪电活动和电荷结构的特征与雷暴云内的动力、微物理过程紧密相关.文中对反极性电荷结构形成的可能机理进行了讨论,并且认为,具有强烈上升气流的灾害性天气可能更易形成反三极性的电荷结构,并在下部两个电衙区的作用下产生较多的正地闪.     

冰雹过程中闪电演变和雷达回波特征的综合分析

应用闪电定位网的资料和多普勒雷达资料,分析西北地区的降雹过程,详细讨论了2004年5月15日发生在兰州皋兰的一次降雹雷雨云的闪电演变、雷达回波特征和云特定参数之间的相互关系,对此雷雨云的闪电机制和电结构进行了分析推断。在皋兰产生降雹的个例分析表明,云中液态水含量是否出现高值区,是识别降雹开始的重要因子。在雷雨云移动路径上,总闪和云闪为线状分布,地闪集中分布在降雹区,云闪最多,地闪中绝大多数为负闪。综合计算降雹时段云参数分析表明,云中降水率和含水量对产生闪电相对敏感,推断这次雷雨云的电结构可能属于上正下负的偶极子型。     

2009—2012年中国闪电分布特征分析

运用全国雷电监测定位系统ADTD获取的2009年1月至2012年12月云地闪电资料,对我国闪电的时空分布特征进行统计分析。结果表明:地闪中负地闪占闪电总数的94%以上,正地闪占5%左右,我国闪电主要发生在5 9月,7、8月是闪电高发期,同雨带的推进有较好的对应关系。随着季风的推进,闪电从南向北,从东向西逐渐增多。闪电在夏季达最大,春秋季次之,冬季最小;闪电频次日变化主要呈单峰分布,全国闪电多发时段在16 17时,同强对流天气多发时段相对应。闪电总体分布南部比北部多,东部沿海比西部内陆多;闪电密度分布呈明显的地域性差异,其中华南地区、中东部地区以及四川盆地为我国闪电密度高值区;闪电白天主要发生在江浙以及广东沿海一带,夜间则主要发生在云贵、川渝内陆地区。午后至傍晚(14—20时)闪电最活跃,上午(08—14时)最不活跃。三个闪电高发区的闪电峰值所在月份不同,华南地区主要在6月,四川盆地主要在7月,而中东部地区则在8月出现最大值。春季闪电最活跃的区域是华南,这和该区域的前汛期降水密切相关。正负闪电强度主要集中在10~40kA,累计概率在60%以上的正、负地闪电强度分别小于60 kA和35 kA;累计概率在90%以上的正、负地闪强度分别小于140 kA和65 kA,闪电强度的低值区主要分布负闪,而正闪主要分布在闪电强度的大值区。     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。     

CHARACTERISTICS AND RELATIONS OF LIGHTNING AND RADAR ECHOES FOR STRONG CONVECTIVE RAINSTORMS IN YUNNAN

Based on cloud-ground lightning data and Doppler weather radar echo products, both thecharacteristics and the relations of lightning and radar echoes for strong convective rainstorms over Yunnanare analyzed during the flood season of 2007. The results show that most rainstorms are convective in whichlightning is mostly negative and the negative lightning number accounts for more than 90% of the total.Although the correlation between precipitation and the lightning number is small on the rainstorm day, thelarge day-lightning frequency usually produces heavy precipitation. Hourly evolution of precipitation andlightning frequency shows peak-style characteristics. And their evolution is very coherent in strongrainstorm, but lightning often occurs before precipitation, whose peaks are in phase with or 1-to-2-hourlagged behind that of lightning frequency. Meanwhile the peaks of positive frequency are in phase with orfall behind that of precipitation. When the wind field is heterogeneous in radial velocity, it is conducive toboth the development of convection echoes and occurrence of lightning. Strong lightning-producingconvective rainstorms correspond to strong echo fields and usually result in reflectivity above 30 dBZ andecho top ET of more than 9 km, respectively.     

青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系

基于2014—2015年5—9月西藏那曲地区多普勒天气雷达数据,结合地闪观测数据,识别雷暴单体样本,统计分析了地闪位置附近的雷达回波分布特征,并研究了高原雷暴的雷达参量与地闪频次的相关关系。结果表明:那曲地区地闪发生位置附近的雷达最大反射率因子呈正态分布,峰值分布区间集中于34~41 dBZ。发生地闪位置附近的20 dBZ回波顶主要集中于11~15 km高度,30 dBZ回波顶高分布的峰值区间则为8.5~12 km。分析表明:表征局地雷暴对流发展强度的雷达参量与地闪频次之间一对一的相关关系较差,但相关性随地闪频次增加而增强。基于雷达参量分段统计得到的对应分段平均地闪频次与雷达参量之间表现出较强相关关系,体现了宏观上闪电活动强度与雷暴发展强度之间的正向关系。其中,基于原始数值进行区间划分的强回波（组合反射率因子不小于30 dBZ）面积与平均地闪频次的线性相关系数达0.75,基于对数数值区间划分的7~11 km累积可降冰含量的对数值和地闪频次的线性相关系数达0.95。文中对比了多个雷达参量和地闪频次线性拟合与幂函数拟合结果,整体上幂函数拟合略好于线性拟合。     

Investigations of the development of thunderstorm with hail. Part 2. Analysis of methods for the forecast and diagnosis of the electrical properties of clouds

The results of observation of the development of a high-depth thunder-hail storm is presented. The measurements were carried out with the MRL-5 weather radar and LS8000 lightning detection system. The electrical parameters of the investigated cloud obtained with LS8000 as well as their relations to radar-derived cloud characteristics and to the indirect criteria of electrical conditions computed on their basis are analyzed. The possibility to forecast thunderstorm based on different thermodynamic criteria is investigated. The high correlation was revealed between the total lightning current in the LF range and the lightning flash rate in the LF and VHF ranges. The total charge transferred by negative lightnings from this cloud to the ground is equal to 387 C; the average value of charge per one lightning is 0.44 C. Regression equations linking the radar criteria of lightnings and the lightning flash rate are presented.     

基于大气层结和雷暴演变的闪电和降水关系

选取2006—2008年发生在北京及其周边地区的28次雷暴过程,基于大气不稳定度参数和雷达参量对雷暴过程进行分类,分析了不同分类条件下的总闪电活动 (SAFIR3000三维闪电定位系统观测) 和对流降水 (雷达反演) 的关系。结果表明:整体而言,总闪对应降水量的平均值为1.92×107 kg·fl-1。依据对流有效位能和抬升指数对雷暴进行分类的分析表明,较强的不稳定状态对应了较小的总闪对应降水量,同时总闪频次和对流降水量的相关性更好。基于雷达特征参数的分类分析表明,总闪对应降水量在对流运动较弱情况下最小,其次是对流运动较强的情况下,而对流运动适中时最大。     

湛江市东海岛一次强雷暴天气过程分析

利用广东省闪电探测系统资料、卫星云图资料、探空资料及雷击点附近的风廓线雷达、多要素自动站等资料,对发生在湛江市东海岛气象综合探测基地内的一次强雷暴天气过程进行综合分析。结果表明：该次强雷暴天气发生在受高空槽和弱冷空气共同影响的天气过程中,雷击电流强度一54．46366kA,雷电流上升陡度28．66508kA／μs。雷击点在低涡云团内,雷击点雷达回波强度超过45dBZ,风向从底层向上随时间顺转,雷击发生前后雷击点附近的降雨量、风向风速、本站气压和能见度等气象要素产生了明显的突变。发生雷击的当日是处在大气层结由不稳定转变为稳定的过渡时段,弱冷空气、强降水和雷暴的共同作用消耗了大气中的能量和水汽,使大气层结回复到相对稳定状态。     

飑线系统中的闪电活动与雷达回波特征的相关性研究

基于北京宽频带闪电网（Beijing Broadband Lightning Network,简称BLNet）获得的全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了2015～2017年北京暖季7次强飑线过程的闪电活动与雷达回波强度之间的关系。结果表明,闪电主要发生于前部线状对流云区内且集中分布在30 dBZ以上的强回波区域,少部分的闪电分布在后部的层状云区域内。从闪电辐射源三维分布结构可以发现,闪电活动大部分处在6～11 km的高度范围。将能够同时反映强回波深度和面积的0～?30°C温度区域内大于30 dBZ雷达回波体积（V_30dBZ）作为强回波指标,并与闪电活动进行统计分析发现,整体上在7次飑线过程中,总闪频数和V_30dBZ存在较好的相关性,其中5次过程的闪电频数峰值同时或提前于V_30dBZ的峰值出现,二者的时滞相关系数超过0.61,提前时间为0～96 min。另外两次过程中闪电峰值落后于V_30dBZ峰值,落后时间分别为30 min和60 min。研究结果不仅对认识闪电与对流活动的关系有重要的科学意义,也可为闪电资料在数值模式中的同化应用提供科学依据。     

南疆阿克苏冰雹天气的判识指标研究

利用常规气象资料和CINRAD/CC雷达资料对2009~2012年34个冰雹天气个例进行了分析,统计归纳出南疆阿克苏冰雹天气发生前的环境条件和雹云雷达回波判识指标。结果表明:冰雹发生前期,当850 hPa与500 hPa温差≥30℃,地面露点温度≥10.2℃时,预示冰雹天气发生的可能性较大;对流有效位能在冰雹尺寸相对较大(≥10 mm)时指示效果较好,但对小范围局地冰雹的预报具有一定局限性;0~6 km较弱的垂直风切变也能形成冰雹天气;适宜的0℃层和-20℃层高度有利于冰雹的产生。雹云雷达回波具有的特征:组合反射率因子达到50 dBZ以上;径向速度场往往伴有逆风区出现,部分还出现风暴顶辐散特征;45 dBZ强回波核高度≥9 km,垂直剖面出现前悬回波、穹窿等冰雹特征回波;回波顶高6~8月超过12 km,5月和9月超过11 km;垂直积分液态水含量阈值5月为18 kg·m-2,其它月份为30 kg·m-2;冰雹指数产品至少持续5个体扫出现实心大三角标识。     

石河子地区一次强对流天气综合分析

针对2008年主汛期期间7月25—26日在新疆石河子地区出现的冰雹、雷暴、短时强降水等强对流天气过程,对大尺度的天气形势、卫星云图和新一代天气雷达产品进行分析,剖析了石河子地区出现强对流天气的环流背景以及雷达产品的特征。结果表明：此次过程中高空有明显的低槽不断向该地区分裂干冷空气,并与槽前西南气流和中低层的辐合系统相配合,使得对流有效位能不断积累,不稳定指数不断增大,为这次强对流天气过程提供了有力的动力、热力条件。局地出现的冰雹、雷暴、短时强降水与大于50dBz的回波强度、9km以上的云顶高度和45—50kg／m^2的VIL回波特征,在雷达图上均有较好的对应,且发生地与回波的移动方向相一致。