青藏高原雷暴云内电场及水成物粒子的观测研究

This project is about to measure the electric fields and charged hydrometeors in thunderstorms on Tibetan plateau by utilizing self-designed balloon-borne instrument, including the type of hydrometeors by camera imagings and charge on individual particle. The sounding data will be used to analyze the charge structure of thunderstorm, the vertical distribution and density of hydrometeors， charge polarity and charge on individual particle, respectively. The main purpose of the observation is to study the relationship between charge structure and charged hydrometeors and try to find the predominant charged hydrometeors in charge region. In addition, In order to analyze the distribution and evolution of each type hydrometeors in whole thunderstorm, a vehicle-mounted X band dual polarization Doppler radar will also be involved in field observation, and the fuzzy logic hydrometeor classification method is applied to distinguish the type of hydrometeor, This is helpful to analyze the predominant particles in different charge region and well understand the charging mechanism. Based on observations, a 3D cloud dynamic model coupled with charging mechanism will be employed to further study the interrelationship between charge structure, microphysical and dynamical field of thunderstorm.The study results have important scientific value on understanding the origin of charge structure and charging mechanisms of thunderstorm.

本项目拟利用自行研制的"雷暴云内电场-带电水成物粒子摄像系统"对青藏高原地区的雷暴过程进行穿云观测，获取云内探空路径上的电场信息和荷电水成物粒子的图像信息，分析雷暴云内电荷区分布特征，研究水成物粒子的垂直分布特征、粒子的荷电极性和电荷量，对比分析雷暴云电荷结构与水成物粒子浓度、荷电极性及电量之间的关系，探寻对电荷区贡献最为显著的优势荷电粒子。利用车载 X波段双线偏振多普勒雷达对雷暴过程进行同步监测，采用模糊逻辑判断法反演雷暴云内水成物粒子类型，分析雷暴云内水成物粒子的分布及其演变特征，结合探空观测结果进一步研究云内不同电荷区内的优势水成物粒子类型和分布特征；在此基础上，利用三维时变积云动力-电耦合模式对雷暴云内的电结构、微物理场和热动力场之间的相互作用进行理论方面的综合研究。研究结果将对雷暴云电荷结构成因以及优势起电机制的探讨具有重要的科学意义。

受青藏高原大地形的影响，高原雷暴云的电学特征有别于低海拔地区常规夏季雷暴，具有显著的地域性。本项目主要研究内容是利用自行研制的“雷暴云内电场-带电水成物粒子摄像系统”对青藏高原地区的雷暴过程进行穿云观测，获取云内探空路径上的电场信息和荷电水成物粒子的图像信息，分析雷暴云内电荷区分布特征，研究水成物粒子的垂直分布特征、粒子的荷电极性和电荷量。项目执行了三年的野外观测实验，获得了部分雷暴云内的电场资料和粒子图像资料，但获取到的图像资料都不完整。对青海地区和甘肃平凉地区雷暴云内电场探空资料进行了详细的分析，总结发现雷暴成熟阶段的电荷结构呈多极性，最下部为强度较大的正电荷区，冰相粒子也出现在该电荷区下边界以上的混合相区域；在成熟阶段后期及消散阶段前期，云内电荷区会出现部分区域的下沉，这时会在暖云区内观测到冰相粒子的出现，推断当携带负电荷的粒子在局部下沉气流的作用下被拖曳至暖云区内，从而在下部正电荷区下部出现负电荷区，这种电荷配置有利用正地闪的发生；随着雷暴的近一步发展，下沉气流的加强，电荷区随降水逐次下沉并最终消散。这对了解和认知内陆高原雷暴电荷结构特征，特别是消散阶段的电荷结构演变具有重要的科学意义。另外，利用双偏振雷达资料对沿海地区一次飑线过程云内的水成物粒子进行识别，并结合地闪活动探讨了雷暴云内各种冰相粒子与地闪的关系，发现大部分的地闪发生与对流区内，而对流区内的四种优势冰相粒子与地闪频数呈较好的正相关关系，这对进一步研究雷暴地闪活动及雷电预警技术的发展具有重要的应用价值。