热带气旋的闪电活动特征及其闪电资料在预报模式中的应用

本研究利用全球闪电定位网(world wide lightning location network,WWLLN)，获取全球热带气旋的闪电时间和位置资料，并结合TRMM卫星上的闪电和降水雷达等资料，系统分析全球特别是西太平洋地区热带气旋闪电活动的时空演变规律；研究闪电活动与热带气旋上升气流速度以及水成物粒子等动力过程和微物理过程之间的关系，探讨闪电活动与热带气旋强度之间的联系及物理机制。在此基础上，基于中尺度WRF模型，采用集合卡尔曼滤波的方法，建立闪电资料的数据同化方案，探讨闪电资料在热带气旋预报模式中应用的可能性。研究结果不仅能加深我们对热带气旋闪电活动特征和规律的认识和理解，促进闪电资料在天气预报模式中的应用，而且有可能为改进热带气旋的强度预报提供一种补充手段，因此具有重要的科学意义和实际应用价值。

热带气旋是地球上最具破坏力的自然灾害之一。因此，研究热带气旋内部结构和外部过程有助于了解热带气旋的发生、发展机制，改进台风的预报效果。闪电活动由于与云内的对流和微物理过程密切相关，因此在一定程度上可以提供云中的微物理结构和动力过程相关的有效信息。本项目以研究西北太平洋地区热带气旋中的闪电活动特征以及成因为目的，从观测资料分析和数值模拟两方面开展研究得到以下结论：首先，西北太平洋地区台风成熟时平均闪电密度呈现出明显的三圈结构：眼壁和大于200 km的外雨带是闪电的高发区，距台风中心80～200 km闪电频数接近于零。台风中外雨带中的闪电具有不对称分布，闪电成簇出现，主要发生在深厚对流区域。眼壁闪电存在阶段性变化。在台风中心最大风速急剧增大的阶段，眼壁上的闪电爆发，而在眼壁闪电爆发之后的几个小时后中心风速达到最大值。69个台风中，外雨带日均闪电数最少的仅为10次，而最大日均闪电数高达15666次。日均中心闪电数从1到1200不等。从均值上比较，弱台风外雨带日均总闪电频率明显要高于强台风外雨带的日总闪电频率，但是强台风中心闪电活动要强于弱台风；其次，台风闪电最大峰值与台风最大风速峰值之间存在超前、同步和滞后的关系。32个弱台风中12小时累积闪电数超前最大峰值风速最大峰值比例为56%，平均超前60小时；而37个强台风的超前比例为78%，平均超前30小时。弱台风和强台风12小时累积闪电与最大风速的相关系数平均值分别为0.81和0.74；最后，最强垂直上升速度和由上升速度决定的霰、云水最大含量都出现在眼壁，模拟得到的外雨带上升速度较弱，各类水成物粒子含量都比较低。台风眼壁外的层状云区(内雨带)主要由冰晶和雪晶组成，其中缺乏云水(过冷水)，导致闪电很难发生，与该区域内观测到闪电密度接近于零基本一致。模拟台风前期，由于云水主要分布在台风低层，冰相粒子存在于台风上部，不存在混合相区，根据非感应起电机制，难以产生闪电。而随着台风的发展，上升速度增强，过冷水能够到达比较高的高度，过冷水区内存在冰晶、霰等冰相粒子，闪电可以发生。模拟结果发现，在其他水成物粒子含量差别不大的情况下，眼壁上升气流强度和其中霰含量可能对闪电频数起到决定性的作用。