雷暴初生闪电特征及其动力微物理条件研究

In order to solve the problem of early warning of the first lightning, the thunderstorms which occurred at Pearl River delta and its vicinity are chosen to study, based on the historical data and field experiments. Three-dimensional total-flash detection data, phased array radar and dual polarization radar data will be comprehensively used to analyze the characteristics of the first lightning (including intra-cloud (IC) flash and cloud-to-ground (CG) flash), such as initial location, channel extension, return stoke number (CG), peak current (CG) and so on, investigate the evolution of thunderstorm structure before and after the occurrence of first lightning, reveal the space-time structure of the air flow field and hydrometers causing the first lightning, and clarify the key radar parameters responsible for the occurrence of the first lightning. This study will further deepen the understanding of thunderstorm dynamics, microphysical conditions and physical mechanisms on which thunderstorm early electrification process depends, and provide an important scientific basis for early warning of the first lightning occurrence based on radar multi-parameter fusion.

针对雷电临近预警技术中雷暴初生闪电预警的难题，本研究拟结合观测试验和历史数据，以珠三角及其附近地区为主要分析区域，基于三维全闪探测数据、相控阵雷达数据、双偏振雷达数据等，研究雷暴初生闪电（含云闪和地闪）起始位置、通道延展、回击次数（地闪）、电流强度（地闪）等特征，分析初次闪电发生前后雷暴结构的演变，揭示决定闪电初生的雷暴流场结构和水成物粒子时空演变规律，明确影响初生闪电发生的关键雷达参量。通过该研究，将进一步深化对雷暴初始起电过程所依赖的雷暴动力、微物理条件和物理机制的认识，为基于雷达多参量融合开展初生闪电发生的临近预警提供重要的科学基础。

雷电是对流云发展到一定阶段才会出现的天气现象，对流云中何时、何地发生第一个闪电，即雷电的初生预警是雷电临近预警技术发展中的主要瓶颈和最大难点。只有利用先进的探测资料深入开展雷暴初期起电过程研究，才能揭示风暴初生阶段中影响闪电初生的关键物理特征和微物理过程。研究基于集合经验模态分解方法发展了新的闪电定位算法(DBM_EEMD)，有效提升了闪电低频电场变化探测阵列(LFEDA)对雷电弱放电信号的准确提取和定位能力。研究还改进了双偏振雷达观测的降水粒子识别算法，改善了强对流中降水粒子相态识别的效果。研究利用双偏振雷达及闪电定位资料分析了首次闪电前的雷暴湍流特征，明确了雷暴与非雷暴在云内垂直结构上湍流特征的显著差异，进一步的探讨了湍流的强度和延伸高度对云内起电过程和首次闪电发生的影响。研究开展了雷暴与非雷暴雷达观测参量及微物理特征的对比研究，揭示了决定闪电初生以及影响初生闪电特征的雷暴微物理过程。研究利用连续波雷达等观测探讨了闪电活动与雷暴云垂直结构的关系，揭示了有、无闪电降水云柱在雷达参数、云微物理垂直结构以及降雨特征上的差异。本项目研究所揭示的风暴初始阶段的关键物理特征及雷达参量阈值，不仅有利于加深对于风暴演变过程的认识，同时对于发展初生闪电及闪电的临近预警方法也具有重要的应用价值，研究也建立了相应的初生闪电预警方法。