闪电初始阶段特征与雷暴结构的时空配置关系

This project plans to obtain the data on the initial breakdown (IB) information of lightning and the storm structures during the storms’ life, by carrying out observation experiment on lightning activity based on the Low-Frequency E-field Detection Array (LFEDA) and gaining the data of polarimatric radar and ground-based Doppler radar. It is programed to study the time-space relationships of the IB information, such as 3-D positions, polarity, direction of propagation, scale, velocity, transfer charge and so on, with the radar echo and distributions of the hydrometeors of storms, clarify their own distribution characteristics of the parameters describing the lightning initiation processes and the correlation between the development features of lightning initiation and their positions, and reveal the response of the lightning initiation processes to the evolution of storms’ dynamic and microphysical structures. By connecting the characteristics of lightning initiations with storms’ structure, this study will expand the application of multi-dimensional lightning information, and raise the knowledge on the lightning activities in thunderstorms and on the mechanism of lightning initiation in cloud.

本项目拟在广东地区开展基于低频电场变化探测阵列（LFEDA）的雷暴过程闪电活动观测，结合双偏振雷达、地基多普勒雷达观测，获取雷暴过程中闪电初始击穿信息和雷暴结构观测数据。研究闪电初始三维位置、闪电初始阶段的击穿极性、发展方向、尺度、速度、转移电荷量等与雷达回波特征、不同相态水成物粒子分布特征等的时空配置关系，明确闪电初始阶段各特征量的自身分布特点以及闪电初始发展特征与其位置的关系，揭示闪电初始过程对雷暴动力、微物理结构演变的响应特征。该研究将闪电初始特征与雷暴结构相关联，扩展了雷暴电学研究中闪电多维度信息的应用，将深化对雷暴闪电活动特征以及闪电始发机制的认识。

本课题基于自研的低频电场变化探测阵列（LFEDA），联合广东地区的雷达观测网在夏季开展了雷暴综合观测试验。在此过程中，研究和分析了LFEDA的探测性能，发展和完善了LFEDA的定位算法，开发了三维闪电数据和雷达数据的综合分析软件，研制了具有低功耗、一体化、采集方式灵活可调等特点的新一代LFEDA系统。揭示了超级单体、冬季雷暴以及暖云降水主导的暴雨过程中的闪电初始位置、频次等与雷暴结构、水成物粒子、闪电尺度等的时空对应关系。发展了基于甚高频闪电定位数据的闪电初始先导识别和特征参量计算方法，获得了超级单体雷暴和普通雷暴中闪电初始先导速度、方向、位移、脉冲率、梯级长度等参量的数值特征和分布规律，比较了不同类型雷暴中初始先导特征的差异，它们随高度的变化，它们在雷暴不同区域的对比特征等，并建立了概念模型，阐明了闪电初始特征与不同动力条件作用下雷暴电荷分布形态、电荷密度等之间的联系，也构建了闪电尺度、闪电起始密度、电荷结构、动力过程之间的关系模型。在开展相关研究的过程中，还首次指出了冬季雷暴电荷结构的多样性特征、研究了青藏高原地区不同闪电探测系统给出的闪电活动规律、揭示了人工触发闪电的电流特征和不同放电物理过程之间的联系。课题的研究成果，比较系统地解答了课题申请阶段提出的两个关键科学问题，即：雷暴过程中闪电初始阶段特征与雷暴结构具有怎样的时空配置关系？闪电的初始特征如何响应雷暴动力、微物理过程的演变，其可能的机制是什么？在该课题资助下，相关成果共发表论文22篇，其中SCI收录16篇；课题研究成果在6人次国际会议和2人次国内会议进行了展示；培养博士研究生2名，硕士研究生5名，课题成员中，4人获得职称晋升。