热带地区雹暴的闪电活动-动力-微物理特征研究

基于低频电场变化探测阵列三维闪电定位系统和S波段双偏振天气雷达数据, 对海南岛2021年6月24日一次雹暴过程的闪电活动和云内动力与微物理特征进行了详细的分析.结果显示: 该雹暴闪电活动以云闪为主, 占总闪的85.38%.降雹前发生的地闪以正地闪为主, 在降雹前25 min内, 正地闪频数占总地闪频数的60%, 高于一般雷暴正地闪活动比例.在雹暴成熟阶段, 上升气流出现两次增强, 而闪电频数的增加均滞后于上升气流增强的时段, 同时, 闪电频数的增加也可能与对流单体的合并有关.结合模糊逻辑判断法对云内降水粒子的识别, 计算了总闪与冰相粒子的相关系数, 其中霰和冰晶粒子与总闪相关性较高, 相关系数分别为0.76和0.83.根据闪电辐射源的空间分布特征, 推测该雹暴降雹前为反三极性电荷结构, 正电荷区位于约7~9.5 km(~-10 ℃至-25 ℃).

泰山一次强雹暴微物理特征双偏振雷达和雨滴谱观测分析

为了研究雹暴的微物理特征,利用双偏振雷达和雨滴谱仪探测资料,结合粒子相态分类算法,对2020年6月1日发生在泰山的一次降雹天气进行了分析,获得了雹暴云影响泰山站时附近区域雷达参量、水凝物粒子、降水粒子谱分布特征。研究表明:雹暴云前缘开始影响泰山站时,反射率因子(ZH)梯度大值区紧邻泰山站,与差分反射率(ZDR)弧位置大致重合,此处主要为大滴粒子,由上空霰粒子融化形成;雨滴谱为双峰结构,对降水贡献较大的为2~3 mm粒子。当雹暴云主体影响泰山站时,其前侧径向出现三体散射,上空出现悬垂回波,泰山站附近区域主要识别为雹粒子;泰山站南侧出现有界弱回波,该处辐合升运动增强,被ZDR大值半环绕,主要分布大滴与雹粒子,夹杂霰与湿雪粒子;归一化等高频率(CFAD)显示冰相过程增强;-10℃层以下雹粒子主要由-10~0℃层的霰粒子凇附上升气流携带的大滴与中小雨粒子形成,这些粒子无法下落碰并形成尺寸较大的降水粒子,雨滴谱变为单峰结构,对降水贡献最大的为14~16 mm粒子。雹暴云主体离开泰山站,CFAD显示冰相过程减弱,冰晶凇附过冷云滴转化成霰的效率降低,泰山站上空识别出大量的冰晶与干雪粒子,出现层状云降水特征;雨滴谱再次变为双峰结构,第二峰值为2~3 mm粒子,对降水贡献最大。

我国西南地区春季典型雹暴观测与数值模拟研究

为了进一步厘清我国西南地区春季典型雹暴宏微观物理过程及成雹机制,本文选取X波段双偏振天气雷达资料、ADTD闪电定位系统监测资料以及地面降雹观测资料,运用模糊逻辑算法和耦合了NSSL双参方案的WRF-Elec模式,对2018年3月13日一次典型的雹暴单体降雹过程中热动力、微物理和闪电活动特征进行对比分析,并构建了单体雹暴过程各阶段的微物理模型。结果表明:(1)发展和成熟阶段是雹暴过程的关键阶段,霰粒子继续通过液滴与冰晶和雪与液滴的碰撞生成,而雹在“累积带”区域由液滴-低密度霰碰撞形成,并通过液态水的吸积而增大。(2)正地闪发生阶段与上升气流位置、雹含量和地闪的快速增加阶段相对应,反三极性电荷结构是正地闪在此次雹暴过程中占优的重要原因,它主要表现为对流起电机制作用,在云上部感应出一个较弱的负电荷区而生成,持续时间较短。(3)此次雹暴过程中强烈的上升气流对雹胚增长、冰雹形成、反极性结构的形成起主要作用,利用数值模式可以再现雹暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征。(4)基于观测结果与数值模拟构建的单体雹暴过程各阶段微物理模型,有利于理解雹暴中热动力过程、微物理过程、反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系,对我国西南复杂地形区域的雹暴预报具有一定的指导意义。

重力波对一次雹暴天气过程演变的影响

利用北京地区雷达、风廓线仪和稠密的自动站观测资料,对2005年5月31日午后多次出现雹暴现象的飑线天气过程进行了中小尺度诊断研究,揭示了雹暴系统的发生、发展和再生过程与地面气象要素分布之间的关系,重点分析了重力波对雹暴单体、雹暴群演变、移动的影响。结果表明:(1)在有利于强对流发生的大气环流背景下,由地形、强雹暴产生的重力波,不仅催生新的风暴单体,而且对风暴单体的移动、发展或减弱产生直接影响;(2)不同强迫源(地形、强雹暴)引发的、具有不同振幅、波长和波动周期的中尺度重力波之间通过复杂的相互作用过程对多个风暴单体的演变产生了重要影响,有利于雹暴群的形成。

局地强雹暴的雷达回波特征

利用 1 998、1 999两年来观测到的局地强雹暴的雷达回波资料 ,分析出了

一次海风锋触发的多单体雹暴及合并过程的观测分析

综合利用雷达、SAFIR3000三维闪电定位系统、微波辐射仪和加密气象自动站等多种观测资料,针对一次与海风锋有关的多单体雷暴造成的大冰雹事件,通过雷达图像和多种雷达、闪电参量的定性、定量分析得到以下结论:(1)地面局地不稳定区配合湿冷的海风锋是触发雷暴并促进其发展的机制,局地背景条件对雹暴发生的预警时间达2h。(2)γ中尺度或小的β中尺度对流单体间的合并主要出现了2种类型,即独立型合并和喂养型合并。对流单体合并时,云桥有时在单体间的中空(4—6km)、有时在高空(9—10km),而二者成因的物理机制截然不同。(3)独立型合并的瞬间(约12min内),雷暴整体上升的发展趋势受到抑制;合并后,上升重新加强发展。降雹和云闪频数峰值出现在独立型合并之后,而喂养型合并处在雷暴消亡阶段,闪电频数平稳下降。(4)雷达参量Zmax、Zmean15、V40、V50等可以定量地描述雹暴三维结构变化,并且,能间接地反映云体发展空间大小、上升气流强弱、水成物粒子多少及其相态。雷达参量V40-Fup、V40-Fdown、SET11能描述合并、降雹、闪电活动时雷暴结构变化。

一次冷涡天气系统中雹暴过程的地闪特征分析

利用地面雷电定位系统、多普勒雷达和卫星观测资料,对2002年6月1日山东地区冷涡天气系统下的3个雹暴过程的地闪特征进行了详细分析,结果表明,在同样的天气条件下,产生冰雹的3个强雷暴在不同的发展阶段表现出明显不同的地闪分布特征。通过云图和地闪资料的综合分析发现,地闪主要出现在云顶亮温低于-50℃的云区内,其中负地闪分布比较集中,且偏向云顶亮温水平梯度大的一边,而正地闪则分布比较分散。地闪主要发生在大于40 dBz的区域内,负地闪通常簇集在强回波区(大于50 dBz)或邻近区域,有时密集的正地闪也出现在强回波区或临近区域,但稀疏的正地闪通常发生在强回波外围10-30 dBz的范围内,属于稳定性降水区。结合地面降雹观测资料发现降雹发生在正地闪比较活跃的阶段,正地闪频数峰值略微超前降雹时刻。比较密集的正地闪发生,通常预示着强对流天气(如冰雹、大风等)的发生。强雷暴在发展旺盛阶段通常表现的低地闪频数,可能是由“电荷抬升机制”造成的。

北京一次强单体雹暴的三维数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式 ,模拟了1 996年 6月 2 9日发生在北京东北部京冀交界地区的一次强单体雹暴过程 ,并结合多普勒雷达探测资料 ,分析了风暴的流场结构、雷达回波结构特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变。模式模拟出了超级单体风暴云的一些典型特征 ,如悬垂回波、弱回波区、回波墙等。同时 ,模拟分析了冰雹形成的微物理过程 ,结果表明 ,本个例模拟雹云中 ,冰雹粒子主要由冻滴 (CNfh)和霰 (CNgh)转化形成 ,但冻滴对冰雹形成的贡献比霰大得多 ,冰雹含水量中心的发展演变与冻滴含水量中心的发展演变相一致 ,冰雹主要是通过撞冻过冷水过程 (CLch、CLrh)而进一步长大的。

一次强烈雹暴的三维结构和形成机制的单、双多普勒雷达分析

利用单多普勒天气雷达的反射率因子、径向速度数据和双多普勒雷达反演的三维风场,分析了一次强烈雹暴的产生、发展和维持机制。主要结果为:该雹暴是产生于中等偏上垂直风切变和较大的对流有效位能条件下的右移风暴,它在旧无序多单体风暴的右侧产生。旧的多单体风暴和雹暴初始阶段主要雷达回波区域负的径向速度(向着雷达的速度)占主导地位,随着风暴的发展,特别是地面出现小冰雹后,雹暴中出现正径向速度(远离雷达的速度)区并且迅速增强,正径向速度与环境的负径向速度在强回波附近形成强烈辐合,促使雹暴发展和维持;旧多单体风暴低层的水平辐合风场主要是弱东北—东南风转西北—西南风,雹暴的水平辐合风场是由东北风和西南风组成,邻近雹暴的雷暴单体和雹暴自身在低层的风场形成半圆形的反气旋性环流。垂直风场结构表明,雹暴在高层的辐散气流与邻近雷暴单体高层气流结合后形成的下沉辐散气流,是该雹暴北风入流的主要产生原因;雹暴与邻近雷暴间通过高层和低层风场间的相互作用,促进了雹暴的产生、发展和维持。

偏振雷达观测强对流雹暴云

根据偏振雷达原理，用Ｃ波段双线偏振天气雷达观测得到４例强对流雹暴演变过程的水平反射率Ｚ_Ｈ（ｄＢＺ）和差分反射率Ｚ_（ＤＲ）（ｄＢ）垂直剖面ＲＨＩ定量回波资料，分析了这些雹云不同演变阶段的回波参量和偏振特性的关系，说明Ｚ_Ｈ、Ｚ_（ＤＲ）双参量对判别降雹有着明显优势，用雨滴谱的Ｚ_Ｈ－Ｚ_（ＤＲ）分布边界关系对这些雹云回波进行判别降雹分析，给出我国用偏振雷达观测和识别冰雹的研究结果。

北京地区雹暴气流结构的研究

应用单多普勒天气雷达观测资料、天气实况和卫星云图对１９９５年６月２２日出现在北京地区的冰雹天气过程进行了分析．从单多普勒雷达资料反演出的水平流场和垂直气流结构可以看出这次过程沿着辐合带发生，垂直剖面上的气流有良好的组织，表现出强烈的旋转和上升．这种气流结构不同于传统的超级单体雹暴中的气流模式，有其局地地形特点．

一次强单体雹暴结构和成雹机制的数值模拟研究

利用NCEP再分析资料、L-波段雷达探空资料,分析了2010年6月15日发生在大连地区的强雹暴过程的环流形势和垂直气流结构;并利用中国科学院大气物理研究所的完全弹性三维雹云数值模式,模拟了该过程的雷达回波结构特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变,着重分析了冰雹云的成雹机制。结果表明,模式较成功地模拟出了雹云回波的强度和发展高度,并模拟出了回波墙、弱回波区及悬垂回波等一系列强冰雹云的回波结构特征。该雹云的冰雹主要由冻滴转化形成,冰雹的增大主要依赖于与云滴、雨滴的撞冻过程,即冰雹主要是通过撞冻过冷水长大;冰雹与霰粒和雪花的碰并过程比较强,而与冰晶的碰并增长量很小。

2019年8月16日山东诸城一次罕见强雹暴结构和大雹形成的观测分析

为研究雹暴结构和大冰雹的形成机制,利用潍坊CINRAD/SA新一代天气雷达、青岛S波段双偏振多普勒天气雷达探测数据,结合探空、地面气象观测站观测和实地冰雹调查资料,对2019年8月16日发生在山东诸城的一次罕见强雹暴过程的天气背景、风雹灾害、雷达回波演变、雹云结构及大冰雹形成机制进行分析。结果表明,受冷涡天气系统影响,鲁中山区、鲁东南地区低层暖湿、高层干冷,0—6 km高度风矢量差为30.3 m/s,十分有利于强雹暴的发展。雹云发展迅速,历经发生、跃增、酝酿、降雹和消亡等5个阶段,在发生阶段即观测到中气旋、有界弱回波区等结构并不断增强,长时间维持;降雹阶段的雹云具有典型的有界弱回波区—悬垂回波—回波墙和“S”型水平流场等特征,有界弱回波区与旋转上升气流和水平速度为0的“0线”结构相关联,“0线”穿过悬垂回波和有界弱回波区顶部强回波区,指向雹云对流上冲云顶,具有特定的成雹功能;强降雹时段,雹云有界弱回波区北侧回波墙及其上方强回波区的水平反射率因子大于60 dBz,对应的差分反射率因子大多为−1—0 dB,表明为大冰雹的聚集区。依据对成熟阶段雹云雷达回波形态、径向速度和三维风场的分析,给出了实例雹云内主上升气流框架和具有成雹功能的“0线”结构示意图,有助于理解“0线”结构在大雹循环增长中的可能作用机理。

山东北部一次夏末雹暴地面降水粒子谱特征

为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征,利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品,分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱(包括直径2~5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹)的识别以及雨滴谱的演变特征,结果显示:济南双偏振天气雷达0.5°仰角PPI上在德州和陵县观测点附近识别的粒子主要为雨滴,临邑为冰雹加大雨;安装在3个观测点的降水现象仪均识别出少量冰粒子,3个观测点的冰粒子谱数密度低、分布不连续。雹暴降水开始阶段,出现少量大雨滴,这是风的筛选和蒸发作用导致的雨滴谱,具有低的小粒子数密度和较多大雨滴;雹暴强降水增大阶段,雨滴谱特征是小雨滴数密度偏低、大雨滴较多,即总的雨滴浓度低、雷达反射率因子高;雨强减弱阶段,小雨滴数密度显著增大、大雨滴数密度偏少,即总的雨滴浓度显著增大,但雷达反射率因子偏低。

冷涡雹暴闪电特征分析

分析１９９６～１９９７年４次冷涡雹暴过程中获取的闪电定位和７１３雷达回波资料。其结果表明：在降雹前１５分钟，闪电次数存在一个酝酿和跃增过程，到降雹出现时，闪电次数达到最大值；降雹过后，闪电次数缓慢下降。其中云内闪电和总闪电频数分布与这一现象对应较好。通过对闪电闪击区域与地面降雹位置进行叠加和比较，发现两者吻合较好。应用闪电位置和强度资料与雷达回波图象相叠加，发现闪电出现频繁的区域，正好对应于雷达强回波区。

蒙古东部冷涡造成河北中南部雹暴过程的地闪特征分析

应用地面闪电定位系统、多普勒雷达、加密自动雨量站资料，对2007年7月8～9日蒙古东部冷涡天气系统下，发生在河北中南部的两次雹暴过程进行了分析。结果表明：两次雹暴均产生大量地闪活动，且以负地闪占优势，闪电集中发生时段与强对流发生及维持时间相当。雹暴和强降水在时空分布上对应的地闪极性有明显差异，降雹发生在雹暴云团中正地闪最活跃的阶段，正地闪集中出现在强回波中心及其邻近区域，降雹点落在正地闪聚集区附近；对流性强降水云团中负地闪频繁发生，强降水区出现在负地闪密度高值中心附近，负地闪簇集区域预示着对流性强降雨的落区。多单体风暴中，闪电的频率及聚集区域主要取决于雷暴单体的数目、强度和相互接近的程度，其造成的强降雹主要发生在总地闪的活跃期。本次个例分析显示，总闪电频数跃增、正闪频数突增，仅先于降雹数分钟（几乎同时）发生。因此，根据闪电频数变化可监测对流强度的演变和冰雹天气的发生。

湖北省一次强雹暴闪电和雷达回波特征分析

利用湖北省闪电定位系统监测资料与武汉市多普勒天气雷达资料同步叠加,对2010年4月12日湖北省东南部地区一次强对流过程的两个致灾雹暴单体进行分析。结果表明:雹暴生消的不同阶段,正地闪和负地闪频数及在雷达回波中的分布呈不同的变化特征,通过地闪频次和地闪在雷达回波中位置的变化可以识别雹暴生命史演变的不同阶段。雹暴Ⅰ产生小冰雹,是一个普通对流单体,闪电以负地闪为主,闪电频率最大为15次·(6 min)-1;正地闪落在风暴发展和消亡阶段,负地闪主要落在35—55 d Bz强回波边缘,零星正地闪分布在强回波周围层状云中,雹暴移动路径前侧的负地闪对雹暴移动有一定的指示意义。雹暴Ⅱ是一个典型超级单体,产生直径超过3 cm的大冰雹,闪电频率最大为44次·(6 min)-1,风暴成熟阶段正地闪活跃,16—17时正地闪频繁出现时间与大冰雹持续时间一致;负地闪与25—55 d Bz强回波区域吻合较好,正地闪分布在强回波30—55 d Bz中心及层状云边缘。对比地闪频数和雹暴成熟阶段的回波强度可以发现,降雹均出现在风暴的成熟阶段,小冰雹发生时地闪频数下降幅度较小,大冰雹发生时地闪频数下降幅度较大,且正地闪比例明显增大。

陕北地区左移强雹暴

本文采用了schmid ,house ,schiesser与fovell左移雹暴和右移雹暴的定义 ,对河套区左移强雹暴的天气形势和物理量场进行分析 ,得出左移雹暴和右移雹暴产生的有利天气尺度及中尺度主要特征。论述了左移和右移雹暴传播活动和雷达回波特征。

一次超级单体强雹暴发展演变过程的观测分析

利用FY-2D/E卫星和TITAN雷达观测,对2011年4月17日广东一次超级单体强雹暴发展演变过程进行了综合分析。由卫星云图和地面监测实况资料,可分析出云体初生、发展、成熟至消亡的整个生命史,从初生到消亡移动距离达到了600 km以上,维持了10 h以上,造成广东境内6个区县发生了降雹;云体在成熟期一直保持着一个孤立的椭圆形云团向东南方向不断移动,云体覆盖面积很大,长度达300 km以上,宽度达100 km以上,云体局部最低亮温达-75℃以下,为典型的超级单体强雹暴。从雷达回波演变图上看到,10-14时成熟期的回波一直保持"弓形",且"弓形"回波在整个过程中断裂过两次;雷达回波组合反射率图上出现"V"型缺口;整个成熟期出现了典型的有界弱回波区(穹窿)和其上的强大回波悬垂,以及有界弱回波区左侧回波墙;速度场上,东风和西风辐合是造成穹窿结构维持的原因,呈现了典型的超级单体特征。通过TITAN计算得到冰雹指数及风暴属性显示,该超级单体具有降强冰雹的潜势,其中降雹概率POH在10:10-14:10一直维持100%,这对超级单体风暴降雹的短时临近预报及人工防雹作业有重要的指示意义。

一次雹暴过程的地闪特征分析

跟踪鄂西北一次雹暴的发生、发展和消亡过程,综合利用湖北ADTD型二维地闪定位系统和多普勒天气雷达资料,针对地闪频数演变与雷达资料(CR、VIL、ET)之间的相互关系进行了分析。结果表明:(1)雹暴生命史不同阶段地闪频数及所处位置不同,本次雹暴过程以负地闪为主,零星正地闪出现在雹暴减弱消亡阶段。(2)降雹发生前,CR和ET呈线性增长且CR增加到65 d Bz以上,同时VIL增加到25 kg·m-2,地闪维持较高频数。CR和ET骤减且CR下降到60 d Bz以下,同时VIL略增后骤减,伴随地闪频数骤增到峰值,降雹结束。(3)正、负地闪均分布在雹暴附近25耀55 d Bz区域,逸65 d Bz的降雹区域地闪很少发生。