青藏高原闪电活动与对流云结构的关系研究

This project programs to collect the TRMM data observed by Lightning Imaging Sensor, Precipitation Radar and TRMM Microwave Imager since 1998 (version 7), and execute comprehensive observation experiment on convective clouds and their lightning discharges in Naqu, Qinghai-Tibet Plateau based on the VLF/LF and VHF lightning detection network and radars. The data on the convective clouds and lightning discharges are planned to be used to study the characteristics of the convective cloud structures and lightning activities and their correlations in the Plateau from the different dimensions of space and time. The study aims to define the space-time distribution of convective cloud structures and lightning activity and their evolution with the differing regions and seasons, explore the relations of the lightning activity with the dynamic and microphysical processes and electric structures of convective cloud in Plateau, set up the quantitative relation between the parameters characterizing the convective cloud structure and lightning activity, respectively, and provide scientific bases and theoretical methods for using lightning information to indicate and represent the convective cloud structure in the Plateau. This study, by referring to the information on lighting activity, is expected to deepen the knowledge on the cloud physical processes and convective activities in Qinghai-Tibet Plateau, enrich the databases of the convective activities in the Plateau, and promote the improvement of the data fusion, data assimilation and cloud physics parameterization method of the Plateau meteorology.

本项目拟搜集整理TRMM卫星上携带的闪电成像仪（LIS）、测雨雷达（PR）、微波成像仪（TMI）自1998年以来的观测资料（当前为第7版），并在青藏高原那曲地区开展基于VLF/LF和VHF闪电探测网以及雷达观测相结合的对流云闪电活动综合观测试验，获取高原对流云和闪电活动观测资料，从不同时空尺度研究青藏高原对流云结构和闪电活动特征及其相关性，明确高原对流云结构和闪电活动的时空分布特征及其随区域和季节的差异，揭示高原对流云动力和微物理过程及电荷结构特征与闪电活动特征的关系；建立高原对流云结构参量和闪电活动参量之间的量化关系，为利用闪电活动信息指示和表征青藏高原对流云结构特征提供科学基础和理论方法。该研究将通过闪电活动信息深化对青藏高原云物理过程和对流活动的认识，研究结果将丰富高原对流云相关资料库，也将推动高原资料融合、资料同化研究以及云物理参数化方法的改进。

青藏高原对流活动对降水、对流层和平流层物质交换、潜热、辐射等有重要影响，闪电资料在指示、表征对流云特征方面具有独特和重要的作用。与此同时，闪电活动是高原NOx的重要贡献源，并对气候变化施加影响。闪电活动自身还是高原重要的自然灾害之一。因此，开展高原对流和闪电活动研究具有重要的科学意义，并将为高原灾害性天气的监测、预警预报等提供理论方法。.课题组围绕任务书设置的研究内容和目标开展了系列研究，在多方面取得重要研究进展：发展完善了高精度三维闪电探测技术，提出并实现了新的闪电定位优化算法，首次获得高原腹地的三维闪电定位资料。在那曲、青海东北部、拉萨开展了闪电和雷暴观测试验，取得了第一手的观测数据。结合地基雷达观测、天基卫星观测等建立了高原那曲地区以及全国范围的雷暴云特征数据集。研究系统揭示了高原雷暴云结构的独特性，发现高原雷暴的尺度比高原以东和以南地区雷暴低1个量级，云顶高度低于高原以南地区，雷暴闪电频次显著低于其它地区，但雷暴闪电密度（相对于反射率大于20dBZ的区域面积）与高原以东和以南地区雷暴相当。研究还发现高原中部雷暴活动最为活跃，同时雷暴尺度东部大于西部，雷暴发展高度南部大于北部。基于地基雷达数据，进一步阐明了那曲地区对流云和深对流云的时空分布以及降水结构特征。研究给出了高原闪电活动的时空分布特征，指出高原中南部地区云地闪的比例值约为4，发现高原闪电活动的空间扩展和光辐射能小于高原以东地区闪电，但与高原以南地区闪电相当。研究进一步明确了高原雷暴中可能存在较大的下部正电荷区，其相比上部正电荷区更多的参与闪电放电，与平原雷暴存在显著差异；基于数值模式分析揭示了这种电荷结构的形成机制。研究建立了高原雷暴闪电活动与雷暴结构参量的量化关系。此外，研究还发现高原闪电活动与NO2密度在季节、年际和空间变化有很强的一致性。高原强雷暴天气是对流层上部NOx浓度升高，对抑制夏季高原O3低谷的强化有正贡献。