层云闪电的发生和发展与回波亮带关系的研究

Based on the obtained results and for the further understanding about the characteristic of stratiform lightning, a 3D lightning location system by VLF/VHF signal radiated by lightning, which can detect the location of initiation and propagation of lightning with high spatial-temporal resolution, is used here to detect stratiform lightning and analyze the distribution of charge structure participating discharging process. Also, the information of radiation source power provided by the system can be used to confirm the polarity of charge layer. Combined with the radar observation, the relationship between the charge structures derived from observation of lightning propagation and the brightband of radar reflectivity can be studied. Then, the insight of the characteristics of polarity and evolution of the charge layer near the brightband is possible. The melting and evaporation charging mechanism will be parameterized and coupled with the WRF-elec mesoscale model. The simulation test will be carried out to analyze the impact of this charging mechanism on the construction of charge layer near the melting layer and discuss the formation mechanism of charge structure in stratiform cloud. It is the important supplement for the comprehensive understanding of the electrical activity in thunderstorm, and opens a new way of insight into the mechanism of stratiform lightning initiation and propagation. The research results can not only improve the simulation ability of the existing thunderstorm numerical model, but also proved the scientific basis for researching a more targeted lightning warning method in the future.

在已有研究结果基础之上，为了进一步了解层云闪电的发生发展特点，研究层云区独特电荷结构的形成机制，本研究拟首先通过一个VLF/VHF双频段三维全闪电定位系统对发生在层云区的闪电活动的高时空精度定位结果，分析参与层云闪电放电的电荷层的分布特征，并利用定位系统观测到的闪电辐射源辐射能量确定电荷层的极性；结合雷达观测资料，研究参与层云闪电放电的电荷层与雷达回波亮带之间的关系，以及回波亮带附近电荷层的极性和演变特征；建立冰相物融化和蒸发起电参数化方案，并将该方案耦合到WRF-elec中尺度雷电数值模式中，通过数值模拟试验，分析冰相物的融化和蒸发起电机制对于层云区融化层附近电荷层形成的影响，探讨层云区电荷层的形成机制。这不仅是对全面认识雷暴内电活动的重要补充，也为深入了解层云闪电发生发展机制开辟了途径。研究结果不但能够完善现有雷电数值模式的模拟能力，还能为研发具有针对性的闪电预警方法提供科学依据。

本项目利用重庆地区2014-2015年夏季观测实验期间的三维全闪观测数据和多普勒雷达观测数据，分析了14个中尺度对流系统中发生在层云区的254个闪电在起始和传播位置的海拔高度和反射率分布方面，以及这些闪电的水平尺度、激发密度和覆盖区域的垂直反射率结构方面的特征，发现了这些层云区闪电发生区域与回波亮带区域之间一种水平方向密切、垂直方向略疏远的独特空间关系。进一步的分析还揭示了激发或者传播于层云区低层的闪电与回波亮带区域之间存在着密切的联系。这些研究结果不仅完善了我们对于发生在中尺度层云区中的闪电活动的认识，量化了这些层云区闪电的发生发展特点，为将来进一步研发针对层云区闪电活动的预警预报方法提供了理论依据，还为进一步探讨层云区电荷结构的特征，以及本地起电机制在该电荷结构形成过程中的作用提供了重要的观测依据。基于前人实验室的观测数据，建立了适用于云分辨率数值模式和中尺度数值模式的融化起电参数化方案，通过模式实验，证实了融化起电过程对层云区融化层附近电荷层形成的显著影响，量化了融化起电过程对层云区低层电荷层的贡献，丰富了对层云区本地起电机制的认识，完善了数值模式对起电过程的模拟。