中尺度对流系统层云区域电荷结构的穿云观测实验研究

This project will develop the multi-balloon synchronous sounding technology based on the newly developed three-dimensional (3D) thunderstorm electric field sounding system, and design field experiments to obtain electric field and meteorological elements data in the stratiform region of mesoscale convective systems at different positions and stages. Based on the sounding data, the distribution and evolution characteristics of charge structure in the stratiform are analyzed. Besides, the sounding data and other synchronous data (dual-linear polarization Doppler radar, 3-D lightning location and so on) will be used to study the possible formation mechanism of charge structure in the stratiform region and improve the mesoscale WRF model coupled with electrification and discharge processes (WRF-Elec). Then through the complete observation data, WRF-Elec numerical simulations and sensitivity tests of typical cases, the formation mechanism of charge structure will be discussed, especially the contributions of in-situ mechanism and charge advection mechanism to the charge structure in the stratiform region. The study is hopeful to fully know the true distribution and deeply understand the formation mechanism of charge structure in the stratiform region, but also helpful for developing the WRF-Elec model suitable to study the stratiform of mesoscale convective systems in North China Plain.

本项目拟在研究团队最新成功研制的雷暴三维电场探空仪的基础上，开发多探空仪同步探测技术；并以此为基础，设计、开展外场立体化穿云观测实验，获取华北平原地区中尺度对流系统层云区域不同位置、不同阶段的电场-气象要素综合探空数据，研究层云区域电荷结构的真实分布和时空演变特征。基于云内三维电场-气象要素探测和地面多普勒双偏振雷达、闪电辐射源三维定位等同步探测资料，深入研究层云区域电荷结构的形成机制，并改进雷暴电耦合数值模式。通过典型个例综合观测、数值模拟和敏感性测试，认识局地电荷生成和对流区电荷平流输送两种机制对层云区域电荷结构的贡献程度。研究结果不仅有望详细了解层云区域真实的电荷结构分布规律，深化认识层云区域电荷结构的形成机制，而且有助于发展适用于华北平原地区层云区域研究的雷暴电耦合数值模式。

雷暴云内的电荷结构是云内复杂的动力、微物理过程相互作用的结果，决定了雷暴云内部及其周围的空中电场分布，并在很大程度上决定着闪电的发生、发展及类型和强度。项目在自主研发的双金属球三维电场探空仪基础上，进一步技术研发，实现了多探空仪同步探测技术；发展和完善电场探空实验平台。克服雷暴条件下开展探空实验的困难，通过穿云原位探测，获得华北地区宝贵的雷暴云内电场和温度、湿度廓线。发展了雷暴云内电荷垂直分布的反演算法，首次探测给出该地区雷暴云内的电场和电荷结构分布特征。结果分析表明，该地区中尺度对流系统中大部分闪电发生于对流区，而少部分发生于层云区域。在层云区域成熟阶段，云内存在6个正、负极性交替的电荷区，主正电荷区的高度范围为8.2-9.5km，对应温度层-20~-14°C；主负电荷区高度范围为7.4-8.2km（-14~-10°C）；探空下降阶段（间隔约1h）获取的层云区域电荷分布与上升阶段大致对应，但电荷层所处高度以及厚度和电荷密度均有所差异。在l雷暴减弱阶段，层云区域内垂直方向存在至少五个正、负极性交替的电荷区，且有的电荷区包含多个不同强度、不同厚度的电荷层。不同雷暴或雷暴不同发展阶段的电荷结构存在差异，呈现时空不均匀性和复杂性。结合天气雷达和闪电定位等观测资料，以及数值模拟结果对云内电荷结构分布的形成原因进行了探讨。已发表论文5篇，其中SCI刊物论文3篇；获授权专利1项，软著1项。项目获得了宝贵的雷暴云内电场和温度、湿度等第一手原位探测资料。研究结果不仅促进对雷暴云电荷结构分布特征的认识，有助于雷暴电耦合数值模式的验证和发展，对临近空间飞行器安全活动指导等有应用价值。