气象学报  2014, Vol. 72 Issue (5): 1054-1068   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.048
中国气象学会主办。
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郄秀书, 刘冬霞, 孙竹玲. 2014.
QIE Xiushu, LIU Dongxia, SUN Zhuling. 2014.
闪电气象学研究进展
Recent advances in research of lightning meteorology
气象学报, 72(5): 1054-1068
Acta Meteorologica Sinica, 72(5): 1054-1068.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.048

文章历史

收稿日期:2013-12-26
改回日期:2014-3-26
闪电气象学研究进展
郄秀书, 刘冬霞, 孙竹玲    
中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境重点实验室, 北京, 100029
摘要:闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾:在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,不同类型强对流天气系统的闪电活动特征,闪电活动与雷暴的动力、微物理结构的关系,雷暴电荷结构探测和数值模拟,以及闪电资料同化方法及其在强对流天气中的预警预报作用和闪电的预报等,并指出了中国闪电气象学今后的努力方向。
关键词闪电活动     闪电定位     电荷结构     闪电资料同化     对流天气系统    
Recent advances in research of lightning meteorology
QIE Xiushu, LIU Dongxia, SUN Zhuling    
Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation (LAGEO), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract:Lightning meteorology focuses on investigating the lightning activities in different types of convective weather systems and the relationship of lightning to the dynamic and microphysical processes in thunderstorms. With the development and application of advanced lightning detection and location technologies, lightning meteorology has been developed into an important interdiscipline between atmospheric electricity and meteorology. This paper mainly reviews the advances of lightning meteorology research in recent years in China from the following five aspects: (1) development of advanced lightning location technology, (2) characteristics of lightning activity in different convective systems, (3) relationship of lightning to the dynamic and microphysical processes in thunderstorms, (4) charge structure of thunderstorms, and (5) lightning data assimilation techniques and application to severe weather forecasting. In addition, some important aspects on future research of the lightning meteorology are proposed.
Key words: Lightning activity     Lightning detection     Charge structure     Lightning assimilation     Convective weather system    
1 引 言

闪电是对流性天气系统发展到一定程度的产物,不仅与动力过程和微物理过程的发展密切相关,而且可在很大程度上指示强对流的发生和发展。在热力、动力或者地形条件的作用下,对流不稳定环境中被抬升的气团形成积雨云(雷暴云),并伴随着强烈的上升气流和下沉气流。雷暴云中不同相态的水成物粒子由于运动速度的不同,不断发生碰并、分离并伴随着电荷的转移,从而使雷暴云内不同的水成物粒子携带不同极性的电荷,形成不同电荷区并最终导致闪电的发生。闪电气象学主要研究不同强对流天气条件下的闪电活动规律、闪电与云的动力过程和微物理过程的关系、闪电资料在强对流天气监测预警、预报中的应用以及闪电的预报问题等。

基于现代闪电探测技术的观测实验和资料的获取是详细了解强对流系统中闪电活动规律的基础,也是闪电资料在强对流灾害性天气预警预报中应用的基础。因此,本文首先对在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电定位技术的发展和现状进行简单回顾,然后介绍不同强对流天气中的闪电特征以及与云的动力、微物理过程的关系、雷暴的电荷结构、闪电资料的同化方法以及在强对流监测预警、预报中的应用和闪电的预报等。由于篇幅所限,不涉及闪电物理学及效应方面的研究进展。 2 现代闪电定位技术的发展

随着电子技术和信息技术的发展,20世纪70年代开始,美国、法国、中国等先后开始研发先进的闪电定位系统,从20世纪80年代研发成熟的地闪定位网,至90年代已研发出可以对闪电放电过程进行精确图示的甚高频(VHF)辐射源定位系统、全球闪电定位网络,以及基于卫星的空间闪电探测等。这些探测技术不断发展完善,并应用于一些有重要影响的国际研究计划,例如:2000年美国在中部大平原地区开展的“强雷暴起电和降水研究计划(STEPS)”,2004年开展的“雷暴起电和闪电实验(TELEX)”计划。2007年由法国倡议发起的欧洲为期10年(2010—2020年)的天气观测计划“地中海水循环实验(HyMex)”等,都采用了高时空分辨率的闪电甚高频辐射源三维定位技术。基于先进闪电探测手段开展观测实验,获得高时空分辨率的综合观测资料,研究不同强对流天气系统中的闪电活动特征及其与动力和微物理过程的关系是目前国际大气电学研究的一个活跃领域,并促进了闪电探测资料在灾害性天气监测预报中的应用。 2.1 地基闪电探测和定位技术

闪电放电过程产生频谱范围很宽的辐射电磁波,不仅在无线电频段有很强的辐射,甚至在X-射线和γ-射线高能辐射频段也有可探测到的辐射,从而为闪电遥感探测和定位提供了重要途径。应用最广泛的闪电定位系统是最早由美国亚利桑那大学发展起来的基于交叉环磁天线定向法的地闪定位系统(DF),工作在甚低频和低频(VLF/LF)频段,可以根据地闪回击产生的电磁辐射特征波形对地闪进行识别,从而实现对地闪的定位。随着全球定位技术(GPS)的发展,这种定位系统已经发展成为基于地闪定位系统和时间差(TOA)技术的联合地闪定位技术(IMPACT),并首先在美国进行业务运行(Cummins,et al,1998),称为美国国家闪电定位网络(NLDN),随后在整个北美、南美、欧洲和中国等许多国家都建设了类似的闪电定位网络。地闪定位网络探测效率约95%,定位精度优于500 m,时间精度约1 ms(Biagi,et al,2007)。中国气象部门和电力部门都建立了类似的地闪定位网络,地闪定位除了给出回击发生的时间、地点等信息外,还利用所探测的磁场峰值给出回击电流峰值的估算。在20世纪80—90年代,地闪定位系统在对强对流天气系统闪电特征的认识方面发挥了重要作用(Reap,et al,1989; Qie,et al,1993)。

美国新墨西哥矿业技术学院开发的闪电图示系统(LMA)是一种基于长基线时间差的闪电甚高频辐射源定位技术,也是当前国际上最精确的一种三维闪电定位技术(Rison,et al,1999)。最初的中心频率为63 MHz,带宽为6 MHz,根据所处区域的电磁辐射背景干扰情况,可以在甚高频频段选择不同的中心频率。该系统不仅能够探测占全部闪电不到1/3的地闪,而且也能够对占全部闪电2/3以上的云闪进行三维定位。闪电图示系统采用非线性最小二乘法反演计算辐射源的三维空间位置,能够对闪电的发生、发展过程进行详细描述。对一个孤立的闪电放电过程,闪电图示系统一般可以探测到几百至上万个辐射事件,可以精确地描绘闪电的三维发展结构。闪电图示系统已经在美国和欧洲多个与强对流有关的科学观测计划,如强雷暴起电和降水研究计划、雷电起电和闪电实验、深对流云和化学以及地中海循环实验等观测实验中作为主要的探测手段被应用。美国闪电探测与测距系统(LDARⅡ)采用与闪电图示系统类似的定位原理,可选择两个工作频段(60—66和222—228 MHz),也是目前探测效率和定位精度均较高的甚高频闪电辐射源三维定位系统。

中国也研制了与闪电图示系统类似的长基线时差法闪电甚高频辐射源三维定位系统(LMS),其中心频率为270 MHz,在网内及网络附近10 km左右的范围内,当辐射源发生高度为4—15 km时,水平误差不超过11 m,高度误差一般是水平误差的2—3倍,随着辐射源高度的降低,高度误差会增大(张广庶等,2010)。图 1给出的是由LMS观测得到的一次云闪辐射源的三维定位结果,可以清楚地看出闪电辐射源的传输路径,闪电首先在下部负电荷区始发,然后向上传输至正电荷区,并随后在上、下两个电荷区内发展。目前LMS还仅限于科学研究,未能实现对一次雷暴过程闪电过程的实时、连续定位,因此尚不能用于对强对流天气系统中闪电活动的业务化监测。

图 1 LMS对一次云闪发展过程的三维定位(张广庶等,2010) (a.闪电辐射源高度随时间的变化,b.南北方向上的立面投影, c.辐射源发生数目随高度的分布,d.平面投影,e.东西方向上的立面投影) Fig. 1 The 3D location of an IC lightning detected by LMS (a. The height of lightning radiation versus time,b. location projection in North-South,c. the number of lightning radiation sources versus height,d. location projection in East-West,e. east-westward vertical projection of lightning radiation sources; Different colors st and for time evolution, and the discharge started in blue; Zhang,et al,2010)

法国SAFIR(System d'Alerte Fondre par Interferometrie Radio electrique)是一种以干涉法为基础的甚高频闪电探测和定位系统。SAFIR接收信号的中心频率可在110—118 MHz范围内进行选择,带宽为1 MHz。SAFIR也具有三维定位的能力,可以给出闪电通道结构的发展情况,同时,SAFIR系统还集成有低频电场天线,利用300 Hz到3 MHz的电场信号来分辨云闪和地闪(Richard,et al,1986)。Liu等(2011)利用北京SAFIR3000闪电定位网以及多普勒天气雷达,分析了一次线状中尺度对流系统的闪电辐射源演变特征,发现探测网的中心辐射源与雷达回波有较好的一致性,但是也有较多辐射点的高度误差相对较大。

此外,中国还有基于干涉法的窄带干涉仪(张广庶等,2008)、宽带干涉仪(董万胜等,2002)和时间差法(曹冬杰等,2012Sun,et al,2013)的短基线闪电甚高频辐射源定位系统,但是大多仅限于二维定位和有限的三维定位(吴亭等,2012),且由于覆盖范围较小,尚仅限于闪电物理研究中。

全球闪电定位网(WWLLN)中心站位于美国华盛顿大学,工作于甚低频段(3—30 kHz),可以探测到几千千米外闪电发生的电磁辐射信号,通过全球约60个地面测站对闪电进行连续监测,并利用全球定位系统获得闪电电磁辐射信号到达各测站的精确时间,进而利用时间差对闪电进行定位(Dowden,et al,2008)。由于工作频段较低而且目前测站较少,全球闪电定位网的探测精度和效率都较低,探测精度约为10 km。随着测站数目的增多,其探测效率已由2006—2007年的3.88%提高至2008—2009年的10.30%。此外,工作在甚低频/低频频段的闪电定位系统还有美国的洛斯阿拉莫斯天线阵列(LASA,Smith,et al,2002)、欧洲闪电探测网(LINET,Betz,et al,2009)和北京闪电定位网络(BLNet,Wang,et al,2009)等。 2.2 空基闪电光学探测技术

热带测雨卫星(TRMM)闪电成像传感器(LIS)可以提供星下强对流天气系统中的总闪电活动特征。闪电成像传感器能对35°S—35°N的地球闪电活动进行观测,在地球上的视野为600 km×600 km,空间分辨率为3—6 km,可监测一个孤立雷暴或雷暴系统中大约90 s的闪电活动。闪电成像传感器之前的类似探测器为OTD(Optical Transient Detector),搭载于微实验室卫星(Mictolab-1)上,可以探测地球上75°S—75°N 范围内1300 km×1300 km 区域内的闪电活动,空间分辨率为10 km,时间分辨率为2 ms,探测效率为50%—66%。闪电成像传感器不区分云闪和地闪,且能够昼夜连续观测,Boccippio 等(2002)对比闪电成像传感器和闪电图示系统探测资料,发现两种资料在空 间和时间上具有很好的一致性,云闪发生在雷暴云中上部,相对地闪更容易被闪电成像传感器探测到,闪电成像传感器倾向于探测到地闪放电的后期,其探测效率在中午和晚上分别为(73±11)%和(93±4)%,对云闪的定位误差约为4 km,对地闪定位误差约为12 km。

尽管OTD与闪电成像传感器两种探测资料的空间分辨率、观测范围等方面存在差异,美国国家航天航空局(NASA)LIS/OTD团队对这两个产品进行了相互校验和融合,目前已经形成了长时段(1995年5月至今)的全球闪电活动数据库,不仅考虑了仪器探测效率的时空变化,而且还对传感器的注视时间进行了订正,是全球第一个长时段、且有较高精度的闪电资料库。图 2给出了基于1995年5月—2012年2月共计18年的LIS/OTD资料得到的全球闪电活动分布,可以明显地看出陆地闪电活动远多于海洋,二者闪电密度之比约为10:1(朱润鹏等,2013)。闪电成像传感器探测资料与热带测雨卫星上的降水雷达(PR)、微波探测器(TMI)等传感器探测资料相结合,可以提供不同强对流天气系统的闪电活动、降水和微物理特征等资料。

图 2 基于18年(1995年5月—2012年2月)LIS/OTD资料的全球闪电活动分布(郄秀书等,2013) Fig. 2 Lightning distribution across the globe in 18 years (May 1995-February 2012)by LIS/OTD(Qie,et al,2013)
3 不同强对流天气系统中的闪电活动特征

不同类型强对流天气系统中的闪电特征常常会有很大差异,随着闪电探测技术的发展,利用闪电定位网、多普勒天气雷达以及卫星等探测技术对雷暴中闪电活动特征和规律的认识已有很大提高。20世纪80—90年代随着地闪定位网在美国布网并投入业务化观测,基于地闪定位资料对一些强对流天气系统的闪电活动特征的认识取得了重要进展。之后,随着可以同时对云闪和地闪进行定位的SAFIR、LDAR和LMA,以及卫星闪电探测系统(LIS/OTD)、WWLLN等对闪电资料的获取,对具有不同降水特征的强对流天气(如飑线、超级单体、冰雹云、台风)的闪电活动规律和成因也已有大量研究成果(郄秀书等,2005; 张义军等,2006; Qie,2012),虽然尚未获得完全清晰的认识,但是以闪电定位和多参数雷达等为主要探测手段开展的大规模综合实验已经或正在为揭示不同天气系统的闪电活动规律提供重要的观测资料。 3.1 冰雹云中的闪电活动特征

一般而言,雷暴生命史中负地闪大于正地闪的发生频率,但从对冰雹云的个例统计来看,冰雹云中正地闪发生的比例较高(Carey,et al,1998冯桂力等, 20062007Liu,et al,2009)。冯桂力等(2007)基于地闪定位、雷达、TRMM/LIS探测资料研究发现,整个冰雹云过程中正地闪比例较高,降雹阶段恰好对应着正地闪快速增加的阶段,Zheng 等(2010)利用SAFIR3000总闪电和雷达探测资料,对冰雹云个例的研究也发现降雹与正地闪存在很好的对应关系,因此,基于正地闪频数可以在一定程度上指示冰雹的发生。但是,Soula等(2004)对法国南部的冰雹云研究表明,该地区冰雹云的地闪频数远低于那些仅产生降水的风暴,其中冰雹云的地闪频数一般不超过2 fl/min,而暴雨却可以达到12 fl/min。因此,单纯用正地闪频数的大小来识别冰雹云可能是不可靠的。

实际上,包括冰雹云在内的强天气事件中都常存在频繁的云闪活动,总闪电(包括云闪和地闪)频数的跃增对强天气事件发生的指示作用更为有效。Schultz等(2011)选择了发生于美国4个不同区域的711个雷暴,保证了对强雷暴(即产生龙卷、冰雹直径≥1.9 cm,或者风速≥26 m/s)和非强雷暴都有很好的代表性,利用2σ闪电跃增法(DFRDT),分别检验了总闪电和地闪跃增对强天气事件的检测能力,发现虽然总闪电和地闪在强天气事件发生之前都有增加,但是利用总闪电较地闪对强天气事件的检测更有效,而且总闪电的超前时间为20.65 min,利用地闪的超前时间仅为13.54 min。Yao 等(2013)对北京地区的冰雹云进行了研究,发现2σ闪电(包括正闪和总闪)跃增法也可以应用于北京的冰雹预警。 3.2 线状中尺度对流系统中的闪电活动特征

线状中尺度对流系统(MCS)是夏季频繁发生的一类强对流天气系统,也称飑线。Parker 等(2001)根据雷暴的形态将线状中尺度对流系统分为3类:前部层状降水中尺度对流系统(LS-MCS)、后部层状降水中尺度对流系统(TS-MCS)、平行层状降水中尺度对流系统(PS-MCS),利用地闪定位资料发现前部层状降水中尺度对流系统比其他两种类型产生更多的正地闪。大量的观测研究发现,在线状中尺度对流系统成熟阶段负地闪占主导地位,消散阶段层状云区的正地闪相对频繁(Parker,et al,2001; Feng,et al,2009)。最近基于闪电甚高频辐射源定位的一些个例研究发现,线状中尺度对流系统的闪电(地闪+云闪)频数可以从130至600 min-1不等(Lang,et al,2008; 刘冬霞等,2013)。袁铁等(2010a)利用TRMM/LIS资料对一次发生于中国华南的强飑线研究发现,在卫星过境时刻其瞬时闪电频数高达567 fl/min,这说明飑线系统由于存在大范围的强烈对流,闪电活动较一般雷暴要活跃得多。基于SAFIR3000闪电定位系统探测资料,Liu等(2013)分析了发生于北京的一次线状中尺度对流系统过程,结果显示闪电活动与雷达回波、地面降水有很强的对应关系,闪电密度最大值发生在强对流区域(图 3),而层状云区产生的闪电较少,但大多为正地闪。

图 3 一次线状中尺度对流系统演化过程中闪电分布与雷达回波反射率的分布 (闪电为雷达探测时刻前后3 min的闪电叠加,黑色点代表闪电位置;Liu,et al,2013) Fig. 3 Composite radar reflectivity and lightning location within six minutes at two times during the evolution of a leading line MCS(Black dots represent lightning flashes; Liu,et al,2013)

Carey等(2005)利用LDAR Ⅱ探测网络对一次线状中尺度对流系统的闪电活动进行分析,得出了线状中尺度对流系统内精细的云闪延伸结构,同时还发现雷暴内的闪电辐射源成双层结构分布,且从对流云区向层状云区倾斜(图 4),在一定程度上反映了线状中尺度对流系统中参与闪电放电的电荷源分布。

关于线状中尺度对流系统层状云区正电荷的形成可能来自于两种机制:(1)电荷平流机制,即层状云区的正电荷是由对流区携带正电荷的冰晶在高层气流作用下平流至层状云区而形成的,图 4给出的电荷源分布与中尺度对流系统中冰相粒子的下沉轨迹有较好的一致性(图 5),由于冰相粒子是雷暴云中最重要的电荷携带者,说明层状云区的电荷源与来自于对流云区荷电粒子平流有关。(2)局地起电机制,认为层状云区的电荷是由层状云内部冰相粒子的弹性碰撞引起的电荷分离,即非感应起电机制而形成。层状云区放电源的大范围水平传播和0℃层亮带上部混合相区域内雷达反射率因子的增大也证实了层状云内部存在着局地起电机制(Dotzek,et al,2005)。

图 4 典型中尺度对流系统的30 min平均雷达反射率因子(等值线)与 闪电甚高频辐射源(阴影)合成(Carey,et al,2005) Fig. 4 Lightning radiation sources detected by VHF(shading) and radar reflectivity (contours)of a typical linear MCS(Carey,et al,2005)
图 5 中尺度对流系统概念模型(Carey,et al,2005) Fig. 5 An MCS conceptual model(Carey,et al,2005)

在中尺度对流系统发生期间,常会引发一类中高层大气发光事件(Pasko,et al,2002; 杨静等,2008; Yang,et al, 2013a2013b),其中,“红色精灵”一般认为是由发生于中尺度对流系统层状云区域的正地闪诱发的,Lu 等(2009)认为这种正地闪回击中和的电荷矩较一般地闪要大得多,可达1500—3200 C·km。Yang等(2013a2013b)曾对产生和不产生中高层大气放电事件——红色精灵的雷暴过程进行了研究,发现产生红色精灵的对流要比未产生红色精灵的对流发展旺盛,但是对应的微物理特征没有明显区别。 3.3 台风中的闪电活动

不同热带气旋之间闪电活动差异较大,但大部分台风阶段的平均闪电密度呈现出明显的三圈分布结构(Molinari,et al,1994; 潘伦湘等,2010; Zhang,et al,2012)。闪电密度峰值出现在外雨带,平均闪电密度远高于内雨带和眼壁区域,眼壁区域存在一个较小的闪电密集区,内雨带区域闪电密度接近于0,外雨带中的闪电具有不对称分布,主要发生在深厚对流区域(图 6)。

图 6 2008年9月27日00时02—06分(世界时)“蔷薇”台风的闪电(黑点) 与06时GMS-6可见光云图的叠加(a)及成熟阶段的闪电空间分布合成图(b) Fig. 6(a)Lightning(dark dots)during 00:02-00:06 UTC 27 September 2008,superimposed over visible cloud imagery from GMS-6 data at 06:00 UTC,and (b)composite lightning distribution at the mature stage of Typhoon Qiangwei

台风中心闪电密度在气旋增强阶段要高于减弱阶段(Abarca,et al,2011)。通常,在台风中心最大风速急剧增大的阶段,眼壁上的闪电爆发,而在眼壁闪电爆发的几小时后中心风速达到最大值,这意味着眼壁闪电有可能对强度变化有指示作用(潘伦湘等,2010)。Price 等(2009)利用全球闪电定位网探测资料分析了全球2005—2007 年发生的58个飓风,认为闪电频数与飓风强度(最大持续风速)存在正相关,平均相关系数高达0.86。Pan等(2014)对西北太平洋上69次热带气旋的闪电活动研究发现,无论是弱台风(1—3级)还是强台风(4—5级),闪电最大峰值与台风最大风速峰值存在超前、同步和滞后的关系,但一半以上的台风其12 h累积最大闪电峰值都超前风速最大峰值。杨美荣等(2011)分析了46个热带气旋不同强度阶段的闪电活动、雷达反射率和冰散射信号的分布特征、以及闪电的发生与雷达反射率和冰散射信号的相互关系,发现热带气旋强度不同,闪电的空间分布亦有差别。海洋上的闪电日变化具有两个峰值,分别发生在下午和早晨(Pan,et al,2013)。 3.4 “袖珍云闪”事件对强对流的指示作用

最近20多年来,雷暴放电过程中产生的一类特殊放电事件,被称为“袖珍云闪”或者双极性大脉冲事件受到广泛关注,该类放电事件相比于一般的云内放电其空间尺度小、持续时间短(10—20 μs),但能够同时产生极强的高频和低频辐射信号,其强度比一般的云闪大一个数量级(Smith,et al,1999; 祝宝友等,2007Zhu,et al,2010; Wang,et al,2012)。Wu等(2011)通过对袖珍云闪的三维定位,发现负极性袖珍云闪的放电高度总体上与对流层顶高度相当,其数量相比于正极性袖珍云闪明显偏少,很可能产生于较为罕见的极旺盛的雷暴过程中,因此在揭示强对流活动方面可能有其独特的优势。袖珍云闪倾向于出现在雷暴云顶部和中部,不但出现于强雷达回波区域,在低于30 dBz的雷暴云后期也可以发生。其出现的高度随着雷暴云云顶高度的增高或降低而变化,而袖珍云闪发生的高度没有特别的规律。Wang 等(2012)利用LMS探测资料对2007—2008年夏季在山东滨州观测到的236例袖珍云闪的三维定位分析发现,袖珍云闪发生于7—16 km的高度,在267—273 MHz频段内的峰值辐射功率为12—781 kW。吕凡超等(2013)对大兴安岭地区的双极性大脉冲事件研究表明,双极性大脉冲事件倾向于出现在雷暴中闪电活动较为活跃的时段,双极性大脉冲事件较多发生在特定对流核中高雷达回波区的外围区域,并且多数集中在对流核移动方向的前部,双极性大脉冲事件的空间位置随时间的变化与特定对流核心随雷暴的移动具有较强的一致性。 4 雷暴云中闪电活动与动力、微物理参量和降水之间的关系

在强对流天气系统中存在以强烈上升气流、下击暴流和水平风切变等为特征的动力过程,以各类粒子增长、相变为特征的微物理过程,以起电、电荷分布和放电为特征的电过程,三者相互影响。通常认为,闪电发生在当上升气流强到足以产生冰相的霰粒和液态水的混合相区域。Carey等(1998)研究发现,地闪的发生与霰混合物的存在有着非常密切的关系,地闪出现在强回波区,但并不完全与强上升气流一致。Bruning 等(2007)基于雷达、闪电定位和电场探空仪,对一次多单体雷暴观测结果表明,在首次闪电发生时存在大量软雹粒子,并得出引发闪电的强电场是由上升气流作用下冰相粒子碰撞起电所致。闪电频数和冰相粒子含水量成正相关,冰相粒子含量越高,相应的闪电活动也越频繁。

Zhou 等(2002)研究发现,地闪与对流性天气中的降水有较强的相关,这种相关用来对一般性对流天气中降水进行估测是可行的,同时地闪频数与层结最大不稳定能量一样能够指示对流性天气的发生和发展(周筠珺等,1999)。冯桂力等(2007)利用地面雷达和地闪定位资料,并结合TRMM卫星上的LIS、测雨雷达(PR)和微波成像仪(TMI)等探测资料研究发现,雹暴的对流降水贡献占绝对优势(超过85%),可以用闪电和对流降水的相关来有效地识别对流降水区。基于TRMM卫星的多种探测资料,袁铁等(2010a)研究了中国华南一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构的关系,发现绝大多数闪电发生在对流区,有少数闪电发生在层状云区域,对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频数和对流发展强度。具有最高闪电频数的单体,其各高度上的反射率因子通常都是最高的,并且冻结层以上反射率因子的递减率也最小;而闪电频数最低的单体其各高度上的反射率因子通常最小,同时冻结层以上反射率因子的递减率也最大。郑媛媛等(2004)对淮河一次锋面气旋系统的分析表明,闪电活动均发生在冷锋的强对流降水云团中,暖锋中虽有强对流降水,但无闪电活动; 闪电活动频数高值区所对应的降水廓线中、上部存在大量的冰相粒子。不同闪电频数的雷暴单体相应的降水廓线差别明显,雷暴中闪电频数越大,5 km以上高度廓线给出的雨强越大,说明雷暴单体中闪电越多时,降水云冻结层以上存在的冰相粒子越多(马明等,2012)。

为了全球模式或中尺度模式中的闪电参数化,获得闪电活动与雷暴云中动力和微物理特征参量的定量关系是必要的。目前这方面的大部分工作也是基于TRMM卫星的多传感器探测资料开展的。Ushio 等(2001)研究指出,闪电频数随雷暴的高度呈指数变化,并且与强回波和上升气流关系密切。Yuan 等(2008)发现,在雷暴尺度上,闪电频数与雷暴参量(如雷暴顶高、冻结层厚度和最小极化修正温度等)存在指数关系,但是无论是降水系统尺度还是对流单体尺度,闪电频数与7—11 km 冰相降水含量的关系都表现得相对稳定,而且相关系数也较大(最高可超过0.7),从而提供了一个有可能在区域或全球尺度上普遍使用的雷电参数化方案(袁铁等,2010b)。 5 雷暴云电荷结构——探测和数值模拟

电场探空技术作为雷暴与闪电研究一种不可缺少的手段,最大优势是能直接探测雷暴云内的电场,直观地反映探空路径上的电荷垂直分布。大量的雷暴云穿云电场探空实验,对认识不同雷暴云内的电荷分布起到了很大的推动作用,促进了对雷暴起电机制、电荷结构及其与动力结构的关系、以及闪电始发机制等的认识。 5.1 雷暴云内电荷分布的探测

早在20世纪初,Simpson等(1937)就通过云内电场探空提供了雷暴云三极性电荷结构的直接科学证据,这一简化的三极性电荷结构模型被广泛接受了约半个世纪。之后,越来越多的电场探空资料表明,在大部分的雷暴云中实际电荷结构要比三极性复杂。Marshall等(1995)对美国南部大平原多单体与超级单体雷暴进行了观测,取得了11 次电场和热动力参量的探空数据,发现弱上升气流区电荷结构复杂,10 km 以下有7—9个电荷区;而强上升气流区电荷结构较为简单,10 km以下有3—5个电荷区。Stolzenburg等(1998)利用49次电场探空资料,对美国3类雷暴系统(中尺度对流系统、南部大平原超级单体雷暴和新墨西哥山地小型雷暴)研究表明,3类雷暴对流区具有共同的基本电荷结构:上升气流内的基本电荷结构包括4 个垂直排列、极性交错的电荷区,最低电荷区带正电;上升气流外(仍在对流区内)的基本电荷结构包括6 个垂直排列、极性交错的电荷区,最低电荷区也带正电(图 7)。这3类雷暴的基本电荷区所处的高度随上升气流的增强而抬升。

图 7 雷暴对流降水区内电荷结构模型(Stolzenburg,et al,1998) Fig. 7 Conceptual model of the charge structure in the convective region of a thunderstorm(Stolzenburg,et al,1998)

美国的STEPS实验揭示了具有反极性电荷结构特征雷暴的存在。Tessendorf等(2007)利用闪电辐射源三维定位系统对两次雷暴过程中的闪电辐射源进行定位分析,发现一例雷暴符合正常三极性电荷结构模型,即下部为正电荷区,中部为主负电荷区,上部为主正电荷区,虽然没有反映出上部负的屏蔽电荷区,但从参与放电的电荷区来说,与电场探空结果是一致的。而另外一例雷暴云闪电辐射源定位结果则显示,雷暴云中部区域为范围很大的正电荷区,而上部为负电荷区,这与常规电荷结构完全相反,称为反极性电荷结构,反极性电荷结构常存在于超级单体风暴中,并伴随龙卷等灾害性天气的发生(MacGorman,et al,2005)。张义军等(2005)利用美国闪电图示系统的观测资料分析超级单体雷暴的闪电特征发现,雷暴中闪电洞或闪电环在时空分布上与上升气流和下沉气流区相对应,闪电洞出现在龙卷风发生之前,在龙卷风发生期间,闪电洞最为明显。大量正地闪产生期间,雷暴的主体部分(对流区)电荷结构呈反三极性,正地闪由中部的正电荷区产生;在大量负地闪发生期间,负地闪主要发生在雷暴的砧体部分,由于雷暴主体部分的电荷分布向砧体区倾斜,云中砧体部分电荷结构为反偶极性,上部负电荷区产生了大量负地闪(张义军等,2004)。

在中国内陆高原地区的雷暴也常呈现出特殊的电荷结构。Qie 等(20052009)综合分析大量雷暴云下的地面电场记录和闪电电荷源定位结果,认为中国内陆高原雷暴的基本电荷结构为三极性,但有些雷暴具有异常大的下部正电荷区,且这种类型的雷暴所占比例具有随局地平均海拔高度升高而增大的趋势,完善了已有的下部正电荷区较大的推论(Liu,et al,1989)。赵中阔等(2009)基于电晕探针探空技术,对发生于甘肃平凉地区的雷暴进行穿云观测,发现雷暴呈现中间为负电荷区,上部、下部为正电荷区的三极性电荷结构,且下部的正电荷区较常规三极性要大,进一步证实了这一结论。最近,Li等(2013)基于宽带电场变化脉冲的三维定位发现,在青海一次雷暴过程的发展和成熟阶段,电荷结构为上负下正的反偶极性,而消散阶段则演化为正-负-正-负的四极性电荷结构,对应的离地高度分别为5、4、3和1.8 km。 5.2 雷暴云电荷结构的数值模拟研究

随着计算机性能的提高,利用数值模拟方法来研究雷暴云起电、放电过程成为可能,强风暴的动力-电耦合模拟逐渐成为雷暴电学的重要研究手段之一,其优势在于:(1)能将云内微物理过程和起电、放电过程与制约云发展过程的宏观动力过程有机结合起来,探讨其相互作用的复杂关系;(2)实际观测中无法全面测量整个雷暴云的物理过程和动力特征,而模拟则可提供高时空分辨率的各种物理过程及其演化;(3)可以检验各种起电、放电机制及理论假说的有效性。

一般认为,强对流天气系统中的主要起电机制是非感应起电机制(Takahashi,1978; Saunders,et al,1991),即在混合相区域大、小冰相粒子的弹性碰撞导致的电荷分离,它不需要外界电场的作用。非感应起电机制不仅引起的电荷变化率较大,而且该机制中决定电荷转移极性的反转温度是决定云内电荷结构的关键因子,与观测结果有很强的一致性。依赖于环境电场的水成物粒子感应起电机制在雷暴云起电之初也有重要作用。

随着模式的不断改进和观测结果的不断补充,基于数值模式模拟雷暴的电荷结构越来越接近实际雷暴。Mansell 等(2005)在三维雷暴云模式中,加入感应和非感应起电机制,同时对5种不同的非感应起电机制参数化方案进行模拟对比,其中3种能够产生正常的三极性电荷结构(中间为负电荷区,上部、下部为正电荷区),另外2种则主要依赖于霰粒子的凇附增长率。雷暴云中闪电的传输和击穿过程较复杂,在起电模式的基础上,建立闪电放电过程的参数化方案,可以对闪电的发展和传输进行高时空分辨率的模拟。中国在基于冰雹云模式发展的雷暴云模式的电荷结构和放电过程模拟方面开展了大量研究工作(言穆弘等,1996; 张义军等,2000孙安平等,2002谭涌波等,2007),并逐渐注重对真实雷暴云的模拟(郭凤霞等,2007周志敏等,2009)。Tan等(2006)曾在二维高分辨率雷暴云模式基础上发展了Mansell 等(2002)的闪电参数化方案,模拟了雷暴云闪电放电通道结构和传播特征,闪电通道和先导过程的模拟分辨率精确到了12.5 m,很好地再现了放电通道的分叉特征和双向先导的发展。

为了更真实地模拟较大尺度的雷暴云过程,近年来雷暴云电荷结构的数值模拟更多地基于中尺度模式开展。黄丽萍等(2008)利用中尺度GRAPES模式为云模式提供背景场和在中尺度模式嵌套条件下耦合起电放电过程的方式,分别实现了在中尺度模式中对闪电活动的模拟。李万莉等(2012)Liu等(2014)把Takahashi78和Saunders98(Saunders,et al,1998)两种非感应起电机制引入RAMSV6.0模式,并加入闪电放电整体参数化方案,对北京夏季雷暴过程的模拟发现,Takahashi78方案的电荷结构从起电到放电开始一直都是三极性特征,Saunders98方案的电荷结构则从反偶极性变为三极性,模拟得到的闪电频数与实测结果一致。徐良韬等(2012)在WRF模式中加入了起电、放电物理过程参数化方案,对一次超级单体的电荷结构进行模拟,得到了与强对流天气系统中正、负、正的三极性结构,主正电荷区在-40—-60℃,主负电荷区在-10—-30℃,下部正电荷区在0℃层附近,总电荷浓度最大值接近2 nC/m3。对飑线过程的模拟结果表明,部分单体电荷结构呈现出反偶极性,飑线中最大电荷浓度小于超级单体。在飑线成熟阶段模拟得到的闪电分布与观测的地闪活动分布相似。 6 闪电资料的同化及强对流天气的预警预报

由于闪电探测资料具有探测范围广、地形影响小、可实现连续监测等优点,在强对流天气系统的监测、预警、预报中具有非常大的应用潜力。随着高质量闪电定位资料的获得,闪电资料同化已经成为一个重要的国际前沿科学问题。

目前,对闪电探测资料同化方法的探索已经取得了实质性进展。Alexander等(1999)较早开展了闪电资料同化方法的尝试,曾将微波探测数据和地闪资料等通过一种经典的图像处理方法,建立了闪电与降水率的关系,同化进入预报模式后提高了12—24小时的降水预报。Mansell等(2007)将美国国家闪电定位网络地闪资料和闪电图示系统总闪资料加入耦合的大气-海洋中尺度预测模式(COAMPS)中,利用闪电资料来控制模式中的对流参数,结果显示加入了闪电资料模拟的降水与实际更加接近。李万彪等(2008)利用 TRMM卫星得到的闪电和对流降水资料,建立了二者的关系,并将LIS闪电数据反演的对流降水等资料,连续同化到ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式的初始场中,对江淮流域暴雨模拟结果显示暴雨的中心位置和强度预报都得到了一定程度的改善。Pessi 等(2009)基于MM5模式,利于TRMM卫星得到的闪电和降水资料,建立了闪电和降水率的关系式,并使用该关系式将地基闪电探测网得到的闪电资料转化为降水率加入到模式,对北太平洋一个低压系统的数值模拟得到了很好的结果。冉令坤等(2011)综合使用Papadopoulos等(2009)Mansell等(2007)的方法,利用TRMM卫星得到的闪电资料,对水汽与云凝结物进行了张驰逼近同化,并调整KF积云对流参数化方案,从而改善了模式初始水物质场的质量,在一定程度上提高了短时降水的预报水平。雷暴云中水成物粒子分布对闪电的发生起举足轻重的作用,Fierro等(2012)从微物理过程入手,利用云尺度的总闪资料,通过建立水汽混合比与闪电频数、霰混合比的经验关系式,将闪电资料同化进入WRF模式,对一次龙卷过程进行了模拟试验,显著提高了对流预报效果。

除了闪电资料在强对流预报中的应用外,闪电自身的预报也是当前探讨的重要问题。郑栋等(2005)利用北京地区闪电定位资料并结合探空资料研究发现,闪电活动与潜在对流性稳定度指数、抬升指数、对流有效位能和700 hPa相当位温具有较强的相关,在此基础上分析了多参数综合预报闪电活动的概率,提出了闪电活动预报的诊断指标。较强的上升速度和充足的水汽可以产生更多的对闪电起电、放电有直接影响的冰相物,并能使其持续生成,从而形成较大的电荷浓度(郑栋等,2007)。在此研究基础上,中国气象科学研究院开发了闪电监测和预警系统(张义军等,2006),该系统采用多参数、多算法集成技术,结合天气预报产品,采用综合预报方法给出0—2小时可能发生闪电的区域以及闪电发生的概率。Wang等(2010)根据闪电密度和雷达回波的相关,在中尺度GRAPES中建立了一个地闪预报方案,对中国南部两次雷暴过程的模拟发现,该方案可大致预报出6 h内的闪电活动中心,地闪密度的量级与观测结果也基本一致。McCaul(2009)通过统计所得的冰相粒子与闪电密度的相关关系,建立了预测闪电密度的回归方程,对一次造成龙卷风的超级单体雷暴和一次雹暴6 h内闪电的落区和移动趋势进行了预测,得到了较好的预报效果。Barthe等(2010)则利用WRF模式对发生于高原地区的强雷暴以及一次气团雷暴进行了模拟,并根据模拟结果对利用不同物理量(可降冰质量、冰水路径、冰量通量产物、上升气流、最大上升速度、云顶高度)预测闪电落区的能力进行了检验,得出了较好的结果。Yair等(2010)在WRF中引入了一个全新的闪电潜势指数,利用观测到的闪电资料预报下一时刻闪电的发生,对发生于地中海的3次雷暴过程的闪电落区和降水量进行了预报,提高了强对流天气的预报能力。 7 结 语

本文综述了近年闪电气象学研究的发展,并着重对中国的研究进展进行了详细的回顾,总结了在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,对冰雹云、飑线、台风等不同强对流天气系统的闪电活动特征进行了系统总结,回顾了闪电与雷暴云动力、微物理过程和降水关系方面的研究进展,对基于探测和数值模拟的雷暴电荷结构研究进行了总结,并阐述了闪电资料同化方法的发展及其在强对流天气系统预警、预报中的应用等。

由于强对流天气系统发生的复杂性和个体差异,以及对闪电进行准确全面探测的困难,增加了对闪电活动规律认识的难度,许多科学问题仍有待进一步研究,特别是目前对中国不同天气系统闪电活动规律的认识仍然是十分有限的。高精度、高时空分辨率闪电定位技术是雷电气象学发展的重要基础,也是闪电资料在强对流灾害性天气预警、预报应用的关键技术。甚高频辐射源三维定位技术能以较高的时间和空间精度描绘雷电的发生、发展,雷暴云内的电场和气象综合探空是了解云内起电的直接手段,美国已经基本发展完善。相比于美国的甚高频辐射源定位系统LMA的业务化运行和雷暴云内的电场探空技术,中国还有很大的差距。虽然中国科学院寒区旱区环境与工程研究所已经发展了与LMA类似的LMS(张广庶等,2010),但是未能实现闪电的实时定位和监测,距离业务化运行还有很大的距离。雷暴云内的电场探空虽然也取得了一定的进展(赵中阔等,2009),但仅能对强电场进行探测,而且资料有限,因此中国的闪电三维探测技术和探空技术应得到充分重视和加强。

雷暴内动力过程、微物理过程和起电、放电过程以及其间的相互关系和耦合机制是雷电气象学的重要科学问题。 基于闪电探测和定位网络、多普勒双偏振雷达观测、雷暴云内的原位探空和地面观测资料,研究强对流天气系统中闪电活动特征以及与动力、微物理结构的关系,探讨闪电与降水、雷暴动力和微物理因子的关系是今后雷电气象学发展的核心研究内容,将为雷电资料在强对流天气过程监测预警中的应用提供理论基础。

在高时空分辨率闪电定位资料获取的基础上,探讨闪电资料的同化方法,并在数值预报模式中进行应用,将为提高灾害性强对流天气过程的短时预报水平补充新方法。利用雷达、雷电两种资料各自的优势和互补性,可以进一步提高模式初始场中对流活动信息的准确性,为进一步提高强对流天气的短时临近预报能力奠定基础,这也是目前国际上正在开展的重要研究方向。此外,建立雷电数值预报模式,开展雷电的数值预报,提高对雷电灾害的预警、预报能力和水平,也将是今后雷电气象学研究的一个重要研究方向和应用目标。

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