中尺度对流系统中层云区闪电活动特征研究

The data of radars, the cloud-to-ground flash location system and the SAFIR lightning location system in different types of Mesoscale Convective Systems (MCSs) will be classified as two parts, convective and stratiform regions, according to the convective-stratiform partition methods and analysed. The purpose is to reveal the characteristics and the formation mechanism of the stratiform lightning activity and the relationship of lightning activities between convective and stratiform regions. the contact of stratiform lightning activity with precipitation structures is another aspect of our concern. Then a mesoscale model, coupled with charging and discharging processes, will be use to simulate some typical MCSs and find the features of charge structure in stratiform regions，the way they form and the relationship with stream fields. Using an artifical method to control the operation of charging processes in stratiform regions in the model, the model results will be compared and analysed to confirm how the stratiform charge resources, the in situ mechanism and the charge advective mechanism, effect the conformation of the charge structures in stratiform regions.Through combining the analysis of observations with the experiments in the numerical model, we can know more about the characteristics of charging and discharging processes in stratiform regions of MCSs and apply more informations for improving our lightning warning/forcasting ability.

为了揭示中尺度对流系统中层云区闪电活动的特点、成因，及其与对流区闪电活动的关系，本研究拟利用雷达、地闪定位和SAFIR全闪定位数据，通过对不同类型中尺度对流系统观测资料的分析，采用对流－层云识别算法，研究其中层云区闪电活动的特征，并研究其与对流区闪电活动的联系，以及与降水结构的相互关系。同时，运用耦合了起电、放电过程的中尺度数值模式，通过对典型中尺度对流系统的模拟，分析层云区电荷结构的特点和形成原因，以及与流场的关系，并利用人为控制层云区起电过程的方式开展模拟实验，揭示"平流输送"和"本地起电"机制对层云区电荷结构形成的可能作用。通过上述观测资料分析和数值模拟试验相结合的方法，深化对层云区起电和放电过程特点和规律的认识，为闪电预警预报水平的提高奠定更扎实的科学基础。

近年来的研究发现，发生在层云区的闪电往往具有较大的空间尺度和较强的电流。这意味着尽管相对数量较少，但层云闪电具有更大的影响范围和更强的致灾性。这使得需要对其发生特点和机制有更加深入的了解。.为了探明发生在中尺度对流系统层云区闪电活动的特征，本研究结合雷达和闪电观测资料，通过对流/层云识别算法，从不同类型中尺度对流系统观测到的闪电数据中筛选出近千条发生在层云区的闪电。通过对这些层云闪电在极性、首次回击电流（该两项参数针对地闪）、频次和雷达回波数据的分析，首次对层云闪电的特征开展了系统性研究工作。结果发现层云闪电在极性、首次回击电流和频次方面都与对流区闪电有着显著的差异。这说明层云区的电荷结构在形成过程中受到本地条件的影响，产生了不同于对流区的特点。结合雷达数据的分析还显示，层云地闪大多在层云区回波亮带之下的区域及其临近区域接地；平均约74%的层云闪电起始于垂直方向具有“亮带”回波特征的层云区。这说明“亮带”及其周边的环境条件可能对于本地起电活动的发生或电荷的聚集是有利的，因而多数层云闪电的发生与其在空间上有着密切的联系。这为进一步研究层云闪电发生条件和机理，并研发有针对性的预警方法提供了重要参考。.利用高分辨率起电放电数值模式开展的模拟试验显示，适中的上升运动最有利于起电活动的发生，主要的起电活动发生在以上升运动核为中心的环形椭球区内，1-5 m s-1垂直速度区间内的起电活动提供了雷暴云内大部分的电荷；相对稳定的垂直速度最有利于电荷的分离，因而主要的净电荷层形成在围绕上升运动区、垂直运动相对较弱的区域内。这可以很好的解释观测中发现的“闪电洞”现象的形成。同时，理论分析还发现，上升运动不仅通过与雷暴内起电活动的正相关起到促进闪电活动增强的作用，还通过对电荷分布范围的正面影响，抑制闪电活动的增强。这是首次提出上升运动存在对闪电活动的负面影响，推动了对上升运动与闪电活动之间关系更全面的认识。.在中尺度雷电模式开展的雷暴模拟试验表明，1-5m s-1上升运动区内的起电活动对于临近对流区的层云闪电活动具有显著的影响。目前模式中考虑的起电机制只能通过平流输送机制影响到临近的层云区的电荷结构和闪电活动。