雷暴系统的电过程观测及其同化方法研究

雷暴是多种灾害相伴生的一种高影响天气事件，而动力、微物理和电活动则是雷暴中同时存在又密切相关的三类主要物理过程。本项目拟利用最新研制的高时空分辨率闪电探测和辐射源三维定位系统（BLNET）、3cm多普勒双偏振雷达等探测设备，以及耦合了起电和放电过程的三维雷暴云模式，通过高时空分辨率的综合同步观测、资料分析和理论研究相结合的方法，系统研究不同雷暴系统的闪电（总闪、地闪）物理过程和辐射源时空分布特征，分析揭示雷暴云内的主要起电区域；结合多普勒双偏振雷达对雷暴云动力和微物理特征的反演以及起电过程的数值模拟与观测结果的对比，探讨雷暴云内的优势起电机制，揭示不同降水特征雷暴的起电和闪电活动差异的动力和微物理成因；建立有物理基础的闪电观测资料同化方法。研究结果不仅对雷暴中起电和放电机制与成因的认识有重要的科学意义，而且对改进强雷暴降水预报也将有重要的实际应用价值。

强雷暴系统不仅产生短时强降水、破坏性大风、冰雹，还伴随强烈的闪电活动，是多种灾害相伴生的一种高影响天气事件。雷暴系统内存在复杂的动力过程、微物理过程和电过程以及他们之间复杂的相互作用，虽然目前对雷暴动力过程已经有了相对较好的认识，但是对其闪电活动特征及其与动力过程、微物理过程关系的了解还十分欠缺，从而严重制约了对灾害性雷暴的精细预报。本项目通过四年的观测实验研究,在5个方面取得了重要进展：1) 通过发展先进的闪电探测技术和定位算法,建立了高精度的闪电探测网络，获得了闪电定位、多普勒双偏振雷达的雷暴高时空分辨率综合观测资料，建立了北京地区的强雷暴观测资料数据库。2）基于闪电定位资料、多普勒雷达、TRMM卫星、全球闪电定位等观测资料等，对常规中尺度对流系统、飑线、冰雹云、台风等几类不同雷暴系统的闪电时空演化规律有了深入认识。飑线系统中对流云区以云闪和负地闪为主，而层云区可产生少量的强烈正地闪，并可诱发雷暴云和电离层之间的中高层大气放电事件Sprite；冰雹云中通常具有较高的正地闪比例，正地闪频数的跃增可以指示降雹的发生；台风在眼壁和外雨带具有较多的闪电，眼壁闪电爆发或较高的台风闪电活动频数对台风增强均有指示意义；3）建立了一个基于RAMS的中尺度雷暴云电耦合模式，基于观测结果与数值模拟，对闪电活动和雷暴云内的动力、微物理过程之间的关系有了深入的认识，闪电多发生与云中呈气旋性风切变的区域，并与冰相粒子含量之间有很好的正相关，飑线多呈现出正、负电荷区交替出现的多极性电荷结构，优势起电机制为冰相粒子之间弹性碰撞的非感应起电机制； 4）基于闪电和冰相粒子之间的密切关系，建立了闪电观测资料的Nudging同化方法，利用中尺度WRF数值模式对北京一次强降水过程的模拟表明，闪电资料同化可明显改进强对流的位置和降水的短时预报。5）基于先进的闪电探测设备，开展了强雷暴天气系统的雷电物理过程和机理研究，提出了一种新的云对地电荷转移方式，即回击-M分量过程，建立了一种改进的M-分量过程的传输物理模型，揭示了正极性先导存在与负极性先导类似的梯级发展特征。目前为止，项目共出版专著1部，发表论文49篇，其中SCI收录论文23篇，EI收录论文4篇，国内核心期刊收录论文22篇。项目共培养博士后1名，博士生12名，硕士生3名。