雹暴云电荷结构和放电过程综合观测研究

以北京地区经常发生的雹暴云的电荷结构和放电过程为研究重点，开展综合观测试验和数值模拟研究，利用闪电VHF辐射源三维定位系统和具有云闪和地闪探测功能的多站地面闪电电场变化和电场仪组网等多种设备，结合多谱勒天气雷达、双线偏振雷达和地面气象观测手段，通过综合观测试验，分析雹暴云中雷电活动特征和放电通道三维结构的演变，以及相应的降水结构和流场特征；研究雹暴云内电荷结构与闪电频数、类型、极性等特征变化的关系，特别是雹暴云闪电活动与降雹过程的时空相关性，在此基础上研究发展高时空分辨率的雷暴云起电放电模式与中尺度数值预报模式嵌套耦合技术方法，探讨云内电荷结构的形成机制和闪电激发过程，以揭示雹暴云电荷结构和闪电放电活动的特殊性，深化对云内起电和放电机制的科学认识，并提高对雷电活动与云内宏微观气象条件相互关系的理解，为冰雹灾害天气预警预报方法和技术的改进奠定科学基础。

项目组在北京和青海地区开展了强风暴闪电活动综合观测试验，获取了一批雷暴过程三维闪电活动和雷达等综合观测资料，开发了“强风暴综合分析系统”，基于试验数据和历史数据针对雹暴过程闪电活动特征及其产生机理开展了较深入的研究。研究结果表明，雹暴过程中地闪频次通常偏低、正极性地闪比例普遍较一般雷暴高，部分雹暴的正极性地闪比例甚至超过50%。研究发现一类新的雹暴过程，其生命史可以分为两个阶段：第一个阶段对应雷暴的快速增强和降雹过程，正极性地闪比例高；第二个阶段起始自降雹导致的雷暴减弱后，闪电活动频次强于第一阶段，但以负极性地闪为主，雹暴过程的这个特征先前较少被报道。研究指出，雹暴的闪电极性与降雹的尺度存在一定的关联，正极性地闪主导的雹暴更易产生大尺度的降雹。在降雹发生前，闪电频次通常具有跃增现象，基于2σ闪电跃增阈值算法，发现闪电频次跃增可以在一定程度上预警降雹的发生，该研究在国内属于新工作。研究揭示了降雹超级单体过程中闪电起始位置对应的粒子相态分布、闪电起始点密度和高度以及闪电尺度等分布与雷暴结构的关系，并建立了闪电起始特征与雷暴结构配置的概念模型，这属于创新性的工作。研究发现，雹暴中的反三级性电荷结构和正常的偶极性电荷结构都可能引起地闪的主导极性为正。而反极性电荷结构的形成，除了通常认为的在高液态含水量条件下霰的反极性起电机制外，项目组还新发现，在正常极性起电条件下，雹暴内部动力过程的作用也可引起反极性结构。雷暴电荷结构在前面提到的雹暴两个发展阶段中具有明显变化，可能是引起两个阶段闪电活动差异的主因。研究还指出，在降雹超级单体的右侧及后侧云砧区和主上升气流区附近存在小区域电荷结构，导致这些区域的闪电尺度明显较小。项目组还研究了雷暴过程中闪电活动与降水、雷达回波特征参量、垂直气流速度等参量的关系，并建立了参数化方程。以相关研究为基础，在WRF中尺度模式中引入了起电、放电参数化方案，发展出中尺度雷电模式，实现了对雷暴电活动的模拟。