中国华北雷暴降雪动力和云微物理机制的模拟研究

Thundersnow can easily induce disastrous heavy snowfall, which can result in partial paralysis of modern city. Electrified winter clouds may pose an aviation hazard. The lighting in the thundersnow could be an indicative factor for the prediction of snowfall, while the mechanisms responsible for the formation of lighting in the thundersnow are still unclear at present. In this project, we plan to systematically investigate the thundersnow through the climatic statistic and numerical simulation. First, the spatial and temporal distribution of thundersnow and its cloud-to-ground lightning characteristic will be examined from the climatic point of view. Then, the thundersnow occurred in North China will be simulated by using the mesoscale electrification and discharge model (WRF-Electric). Through the high-resolution numerical data, the dynamical, thermodynamical and cloud microphysical mechanisms for electrification and formation of lighting in the thundersnow will be investigated. A new insight could be supplied by the thundersnow to better understand the electrification processes in the cloud under the special dynamical and thermodynamic configuration.

雷暴降雪 (thundersnow) 容易造成暴雪等灾害天气，可以导致现代城市的部分瘫痪，作为冷季雷暴还会对航空器的安全造成影响。雷暴降雪中闪电对于降雪的预报具有指示性的意义，而目前对于雷暴降雪中闪电发生的物理机制还并不清楚。本项目拟通过气候统计与数值模拟的方法对雷暴降雪进行系统性的研究。首先开展中国地区雷暴降雪的气候学研究，统计分析这种天气事件在中国发生的时空分布规律和地闪活动特征。在气候统计基础上，利用中尺度起电放电模式，针对中国华北地区的雷暴降雪过程开展高精度的模拟研究，力图揭示雷暴降雪天气中产生闪电的热力、动力及云微物理机制。透过雷暴降雪这种特殊类型的冬季雷暴，为认识云内特殊热动力条件配置下的起电微物理过程提供新的途径。

雷暴降雪是一类特殊的雷暴过程，容易造成暴雪等灾害天气，导致现代城市的部分瘫痪，作为冷季雷暴还会对航空器的安全造成影响。雷暴降雪中闪电对于降雪的预报具有指示性的意义。本项目利用全国2474个地面观测站的积雪深度资料和全国地闪定位资料，获取了中国地区雷暴降雪事件的十年尺度(2008-2017)气候学特征，增进了对中国雷暴降雪的全貌性认识，同时建立了雷暴降雪事件数据集。为更好地模拟雷暴降雪中的电过程，研究基于WRF模式和双参数云分档微物理方案，搭建了一个新的中尺度起放电模式。四种水成物粒子电荷浓度的预报方程及相关的诊断变量被引入模式，起放电物理过程包含霰-冰晶、霰-雪的非感应起电以及整体放电过程。新的模型已经顺利通过理想飑线模型的测试。为改进模式放电参数化方案，项目利用基于邻域的ETS和FSS评估方法，客观的评估现有闪电参数化方案对闪电活动的预报能力。结果表明模式预报的闪电活动范围相对集中，闪电活动密度偏高。放电方案的设计应当考虑模式空间分辨率对云内电场强度的影响，合理降低放电阈值以扩大预报的闪电活动范围，单次放电中和电荷量也应当更符合观测事实。研究还提出了适合中尺度模式的闪电参数化改进方案。