西北太平洋热带气旋眼壁闪电爆发特征研究

Due to the lack of supercooled water and ice particles, electrification is relatively inadequate in tropical ocean convections. However, in recent years, research found that lightning occur in tropical cyclones (TCs), and the eyewall lightning had a phenomenon of sudden increase (i.e. eyewall lightning outbreak).Increased lightning activity indicates the enhanced internal convection in TCs, thus is intrinsically related with changes of TC intensity and trajectory.Lightning outbreaks in the eyewall region will be investigated in this study. With lightning data from the World Wide Lightning Location Network (WWLLN), combined with the clound-to-ground lightning data from China, the study will firstly develop an identification method of eyewall lightning outbreak and analyze the statistical relationship between the frequency and duration of the outbreak and TC evolution stages and intensity levels. Secondly, characteristics and variations of temporal and spatial distribution of eyewall lightning outbreaks during the periods of TC changes on intensity and trajectory will be studied respectively. Spatial relationship between the eyewall lightning and environmental field values (e.g. wind shear) will also be studied. Finally, satellite data combined with numerical simulation will be used to reveal the characterristics and changes of inner convective structure prior to and after the outbreak and discuss the mechanism of the eyewall lightning outbreak from the aspect of microscopic cloud physics. The findings of this study will not only enhance our understanding of characteristics and regularity on eyewall lightning outbreak, take full advantage of its indication on the evolution of inner structure and TC stages, but also provide fundamental research for the assimilation of lightning data into TC forecasting models.

热带海洋对流由于过冷水和冰晶的缺乏，电化程度相对较弱。但最近研究发现，热带气旋（TC）眼壁有闪电频次突然增多（即眼壁闪电爆发）的现象。闪电爆发表明TC内部对流的加强，这应该与TC强度和路径的变化存在内在联系。本项目以TC眼壁闪电活动为主要研究对象，利用全球闪电定位资料（WWLLN），结合我国地基闪电监测资料，建立闪电爆发判别方法，研究眼壁闪电爆发（爆发频次、持续时间等）与TC发展阶段和强度等级的统计特性；研究TC增强、减弱、路径转向等不同变化过程中，闪电爆发的时空分布特征和分布差异及其与环境场特征量的关系；利用卫星探测资料并结合数值模式，研究闪电爆发前后的TC对流结构变化，探讨眼壁闪电爆发的动力和微物理机理。研究结果不仅能够加深我们对TC眼壁闪电爆发特征和规律性的认识，揭示闪电活动对TC强度和路径演变的指示作用，同时能够为闪电资料在TC预报模式中的应用提供研究基础。

近年来研究发现热带气旋（TC）内核/眼壁闪电在某些特定阶段频次突然增多、活动异常活跃的现象，即眼壁闪电爆发。为了揭示西北太平洋热带气旋内核/眼壁闪电活动的特征，本研究整理了西北太平洋热带气旋闪电综合观测资料集，建立了闪电爆发的判别方法和指标。利用全球闪电观测资料（WWLLN）和TRMM-LIS全闪探测资料，分析了西北太平洋热带气旋闪电活动的总体统计特征，发现TC内核闪电密度最大，强度较弱的热带低压和热带风暴相对容易发生闪电。TC闪电的两个大值分布区分别为菲律宾东部和我国南部的沿海地区。. 研究分析了热带气旋闪电活动与气旋强度变化特别是强度突变的关系，发现处于增强过程的热带气旋，其闪电活动强于减弱过程。当TC强度迅速增强时，内核闪电活动最强。内核闪电活动对气旋强度的迅速加强具有一定的指示作用，因此可以尝试利用内核的闪电活动来预警TC强度的快速变化。. 结合MTSAT-1R、SSMIS和TRMM卫星反演的对流参数，深入分析了内核闪电的时空分布特征与气旋对流演变的关系，发现气旋增强阶段，内核区域的对流深度、冰粒子含量、云顶亮温等对流参数增加，而全闪电密度和对流强度参数减弱。该结果与地基闪电探测网观测结果不一致，说明热带气旋中的全闪电活动可能反映出更多信息。内核闪电爆发的时间、方位、强度等特征与气旋内部结构和环境变量（如眼壁置换、最大风速半径、垂直风切变等）的配置关系，能够为TC强度和路径的变化提供有用信息。. 利用WRF中尺度数值模式，对热带气旋的电荷结构演变进行了模拟，探讨了闪电发生和发展的动力和微物理机理。研究揭示出内核和外螺旋雨带在台风不同发展阶段的电荷结构存在差异，并分析了登陆过程对台风电荷结构发展的影响。最后，研究尝试了将闪电资料同化在台风预报模式中，分析了闪电资料同化对台风内部结构的影响，并对闪电资料的同化方法和技术提供了建议。