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三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅰ:模式及其电过程参数化方案 总被引：14，自引：2，他引：14
为了研究风暴中的动力、微物理和电过程三者间的相互作用 ,在已有的工作基础上 ,建立了一个三维强风暴动力 电耦合数值模式。模式中将云中水物质分为水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹 7类 ,各种粒子采用双变参数谱。考虑了详细的起电过程 ,它们包括扩散、电导、感应和非感应以及次生冰晶起电机制。此外 ,在模式中加入了云内放电参数化过程和云顶处屏蔽电荷层形成的参数化方案用以研究整个雷暴生命史内的电活动特征。最后利用CCOPE(CooperativeConvectivePrecipitationExperiment)计划中 1981年 7月 19日的风暴资料对模式的性能进行了验证 ,模拟结果显示此模式可以较好地描述风暴中动力、微物理和电结构的发展演变过程。 相似文献
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云凝结核浓度对雷暴云电过程影响的数值模拟研究 总被引：1，自引：0，他引：1
本文将非感应起电机制耦合到WRF中尺度模式中,选取Morrison双参数微物理方案,采用整体放电参数化方案,改变初始云凝结核（CCN）浓度（浓度变化从500 cm-3到4000 cm-3）,共模拟15组试验,讨论了CCN浓度（nCCN）对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随nCCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,导致霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,导致冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。 相似文献
3.
反极性电荷结构是强风暴系统中一种常见的电荷结构配置,它是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一,同时也往往与灾害性天气相联系。人们对云内电荷结构的认识随电场探空、多种地面观测手段的发展而深入。反极性电荷结构并非在强风暴的起始阶段就出现,而存在一个演变过程,出现在风暴发展的特定阶段。宽广强烈的上升气流被认为在反极性电荷结构的形成中起关键作用,它使得上升气流区液态水含量等微物理条件发生改变,进而影响大小粒子碰撞的起电过程,使风暴内主要起电区霰粒子荷正电,冰晶等粒子荷负电,从而形成反极性电荷结构。强风暴中气流的动力输送、风切变等也被认为是反极性电荷结构形成的可能原因。利用数值模式,在真实的气象背景场下再现强风暴的反极性电荷结构演变特征和闪电活动特征,也是研究反极性结构形成的有效途径之一。针对正地闪大量发生的强风暴开展大规模外场观测试验,并将观测结果与数值模拟相结合,将有利于理解强风暴中反极性电荷结构的形成及其与闪电活动特征的关系。 相似文献
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高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验 总被引：2，自引：1，他引：1
为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。 相似文献
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将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。 相似文献
6.
在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入非感应起电参数化方案、感应起电参数化方案以及放电参数化方案,对湖北宜昌2014年6月19日一次闪电过程中雷暴云电荷结构和放电特征进行了模拟分析。模拟结果表明,当云内粒子增多、增大,大部分霰粒子逐渐降落到中低层,上部正电荷区减小,底部正电荷堆范围开始扩大,中部负电荷区和底部正电荷区成为主要的起电区域,这种底部正电荷区较厚的三极性电荷结构不利于地闪的产生。在粒子带电分析中,霰与冰晶粒子携带的电荷量均大于云滴,说明霰与冰晶之间非感应碰撞是云中主要的起电过程。虽然云滴的电荷量较小,但霰与云滴之间感应碰撞的作用不可忽视。结合电荷结构的分布,发现底部正电荷堆的垂直分布高度与霰粒子、云滴的电荷浓度的分布有关,且霰与云滴电荷浓度的累积区与底部正电荷堆相一致。 相似文献
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为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。 相似文献
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利用NCEP、地闪、云图和WRF模式等资料,分析总结2010年8月11-12日和2011年8月15-16日关中近10年地闪次数最多的两次湿雷暴天气特征。结果表明:欧亚中高纬为两槽一脊环流形势,西太平洋副热带高压(下称西太副高)稳定少动控制陕西,关中低层受切变线直接影响,有利于盛夏强湿雷暴发生。北部高层冷平流和正湿位涡向南下滑,陕北能量锋区南压,陕西西南部低层暖舌向东北方向伸展,关中不稳定层结加强,最大对流有效位能超过3 000 J·kg-1,垂直上升运动深厚,是强湿雷暴发生的有利环境条件。西太副高偏强偏西,"上干下湿"层结不稳定,近地层高温高湿,对流有效位能偏大,垂直上升运动中心和对流云顶偏高,导致强湿雷暴比普通暴雨过程地闪明显偏多。关中地闪与强降水二者中心接近,密集区与低层高位温区走向一致,主要分布在50 m-2·s-2以下正螺旋度区。强湿雷暴不同阶段对流云团与地闪分布差异明显。发展阶段,MCS冷云罩显著扩大,北侧TBB大梯度区呈反气旋北凸,对流云顶和地闪密集区不一致,地闪趋于集中、频次增大;成熟阶段,TBB中心降至-76℃以下,地闪密集区与对流云顶基本重合,密度和频次达到过程最大,正闪分散在负闪密集区西南方向;消散阶段,地闪密集区与云顶逐渐分离,明显减弱、分散,正闪相对活跃。WRF输出的-20~-10℃层之间雪、霰粒子质量混合比与地闪频数呈正相关变化,可有效指示关中地闪发展趋势。雪粒子落区相对连续、在地闪周围,霰粒子相对分散、中心靠近地闪密集区。雷暴成熟阶段,雪、霰粒子分别在8~16km、6~12 km高度附近,密集区与显著上升运动区一致。上升运动偏强时,地闪平均电流和雨强偏大,与雪粒子空间相关性明显;上升运动偏弱时,地闪平均电流和雨强偏小,与霰粒子相关性明显。地闪频次峰值出现在对流云发展最高时段,频次成倍增大之后3 h内冷云面积显著增大至峰值,随后周边出现过程最大雨强。 相似文献
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采用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,模拟了2015年7月17日广东清远一次系统性强雷暴过程,探究此次雷暴的宏微观及电活动特征,从微物理角度出发,分析电荷结构的复杂成因。结果表明,由于水汽充足,上升气流速度大,云体高度高,小粒子随着强上升气流快速上升,迅速增长为雨滴等大粒子,降水出现早,强度大,较高的气温,使得很难产生固态降水。本次过程中,电荷结构由三极性结构逐渐演变成偶极性结构,这是由于霰的自动转化作用较强,中层霰粒在雷暴云成熟期转化为雹下落,上升气流由于强降水的发生不能维持,冰晶和霰粒子分布区域重合面积减少,非感应起电减弱,使得下部电荷结构消散。较高的电荷区高度使得云闪数目远远多于地闪数目。 相似文献
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霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。 相似文献
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基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验 总被引：10，自引：2，他引：8
雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远？本文对此进行了尝试, 即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式, 在只采用常规气象观测资料的条件下, 对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验, 分析了雷暴云的宏观动力、 微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明: 利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场, 完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展, 高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、 垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展; 用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调, 得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂, 更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性, 同时, 模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪, 且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合, 从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中, 水物质霰的最大质量比、 最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。 相似文献
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山东地区冰雹云的闪电活动特征 总被引：15，自引：6，他引：9
利用山东电力部门提供的雷电定位资料,对10次冰雹过程的地闪活动特征进行了分析。通过分析发现,雹暴中正地闪占总地闪的比例平均为57.39％,远高于当地正地闪比例的气候特征值13.48％。地面降雹区基本出现在正地闪密集（活跃）区或邻近区域。在雹云快速发展阶段,地闪频数存在明显的“跃增”;在减弱消散阶段,地闪频数显著减少,但正地闪比例有所提高。负地闪频数峰值的出现通常提前于降雹0～20 min,正地闪频数峰值的出现一般滞后于降雹发生时间。整个降雹阶段对应于正地闪的活跃阶段。另外,结合对卫星观测的总闪电资料分析,发现冰雹云的云闪与地闪的比值远高于一般的雷雨过程,其云闪密度也远高于雷雨过程。以上这些特征对于冰雹的识别和对冰雹的超短时预报具有指示意义。 相似文献
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从一般雷暴、灾害性雷暴和台风的闪电活动特征以及雷暴闪电尺度特征四个方面对相关研究进行梳理。一般雷暴通常具有正常极性电荷结构,云/地闪比例在3左右(中纬度地区),地闪中正地闪占比为10%左右,负地闪位置往往更集中于对流区。灾害性雷暴倾向具有活跃的云闪,低比例的地闪,易出现反极性电荷结构,正地闪比例偏高。闪电活动与灾害性天气现象之间存在关联性,部分雹暴过程具有两次闪电活跃阶段。台风中大部分闪电发生在外雨带,眼壁/外雨带闪电爆发很可能预示气旋强度的增强以及路径的改变。由闪电持续时间、通道空间扩展所表征的闪电尺度与雷暴对流强度相关。弱对流雷暴或雷暴的弱对流区域可能由水平扩展、垂直分层的电荷分布形态主导,闪电频次低,闪电空间尺度大;强对流雷暴或雷暴的强对流区域可能由交错分布的小电荷区主导,闪电频次高,闪电尺度小。 相似文献
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利用2015年夏季北京闪电综合探测（BLNET）总闪辐射源定位、多普勒天气雷达、地面自动气象站和探空资料等多种协同观测资料,详细分析了2015年8月7日北京一次强飑线过程不同阶段的闪电特征,并探讨了闪电与对流区域和地面热力条件之间的关系。飑线过程整体上以云闪为主,根据雷达回波和闪电频数可以将飑线过程分为发展、增强及减弱三个阶段。发展阶段表现为多个孤立的γ中尺度对流降水单体,随着北京城区降水单体的迅速发展,强回波顶高延伸到-20℃温度层高度,闪电辐射源高度也逐步增加,闪电明显增多,但总闪电频数整体低于80次/min。增强阶段单体合并,闪电频数快速增长,0℃层以上及以下的强回波（＞40 dBZ）体积明显增大,飑线形成后,总闪和地闪均达到峰值,分别约248次/min和18次/min,负地闪占总地闪比例为90%,辐射源主要分布在线状对流降水区内,辐射源数量峰值出现在5～9 km高度层。减弱阶段飑线主体下降到0℃以下并迅速衰减,辐射源分布明显向后部层云降水区倾斜。95%的闪电发生在对流线附近10 km范围内,即对流云区和过渡区。在系统发展和增强阶段,对流云区与层云区辐射源的活跃时段基本一致;系统减弱阶段,对流降水云区辐射源数量迅速减少。在系统的不同发展阶段,闪电活跃区域对应于冷池出流同平原暖湿气流在近地面形成的相当位温强梯度带内。 相似文献
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OBSERVATION AND MODEL ANALYSES OF POSITIVE CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING IN MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS* 
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下载免费PDF全文 Yan Muhong Guo Changming Qie Xiushu Ge Zhengmo Zhang Guangshu 《Acta Meteorologica Sinica》1992,6(4):501-510
The analyses of spatial and temporal characteristics of positive cloud-to-ground(CG) lightning for four mesoscale convective systems and two severe local convective systems in 1989 and 1990 show that positive CG flash rate usually has two peak values.The major peak occurs during the developing stage of the storm and most of the positive CG flashes originate at the lower part of the storm.The minor occurs during the dissipative stage of the storm and most of the positive CG flashes originate at the upper part of the storm,especially in the region of the wind divergence in the storm anvil.The positive CG flash rate is almost an order of magnitude larger in the developing stage than in the dissipative stage.The appearing time of the peak of negative CG flash rate is in accordance with that of the valley of positive CG flash rate.The higher the intensity of the radar echo,the higher the positive CG flash rate.Most of the positive CG flashes occur when the weak echo area is larger,and mostly originate in the region where the radar echo intensity is about 10dBz and in the back region of the moving storms.The spatial distribution of the positive CG flashes is much more dispersive than that of the negative.The mesoscale analysis reveals a bipolar lightning pattern.The mean bipole-length reaches its minimum during the mature stage of the storm and reaches the maximum during the developing stage of the storm.The vertical distribution of the charge density is calculated by a one-dimensional charging model.Then,we discuss the producing condition of the positive CG lightning and forming cause of charge structure mentioned above. 相似文献
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OBSERVATION AND MODEL ANALYSES OF POSITIVE CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING IN MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS 总被引：1，自引：0，他引：1 下载免费PDF全文
下载免费PDF全文 Yan Muhong Guo Changming Qie Xiushu Ge Zhengmo Zhang Guangshu Lanzhou Institute of Plateau Atmospheric Physics Academia Sinica Lanzhou 《Acta Meteorologica Sinica》1992,(4)
The analyses of spatial and temporal characteristics of positive cloud-to-ground(CG)lightning for four mesoscaleconvective systems and two severe local convective systems in 1989 and 1990 show that positive CG flash rate usuallyhas two peak values.The major peak occurs during the developing stage of the storm and most of the positive CGflashes originate at the lower part of the storm.The minor occurs during the dissipative stage of the storm and most ofthe positive CG flashes originate at the upper part of the storm,especially in the region of the wind divergence in thestorm anvil.The positive CG flash rate is almost an order of magnitude larger in the developing stage than in thedissipative stage.The appearing time of the peak of negative CG flash rate is in accordance with that of the valley of pos-itive CG flash rate.The higher the intensity of the radar echo,the higher the positive CG flash rate.Most of the positive CG flashes oc-cur when the weak echo area is larger,and mostly originate in the region where the radar echo intensity is about 10dBzand in the back region of the moving storms.The spatial distribution of the positive CG flashes is much more dispersivethan that of the negative.The mesoscale analysis reveals a bipolar lightning pattern.The mean bipole--length reaches itsminimum during the mature stage of the storm and reaches the maximum during the developing stage of the storm.The vertical distribution of the charge density is calculated by a one-dimensional charging model.Then,we discussthe producing condition of the positive CG lightning and forming cause of charge structure mentioned above. 相似文献
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A multiparameter radar case study of the microphysical and kinematic evolution of a lightning producing storm 总被引：7，自引：0，他引：7
Summary We examine the co-evolving microphysical, kinematic, and electrical characteristics of a multi-cell thunderstorm observed on 21 May 1993 along the Front Range of Colorado using data collected with the 11 cm, multiparameter, CSU-CHILL Doppler radar. The measured polarimetric variables provide information on the size, shape, orientation, and thermodynamic phase of hydrometeors. Recent modeling and observational advances in weather radar polarimetry now permit the inference of bulk-hydrometeor types and mixing ratios, and the measurement of precipitation rate in mixed-phase (i.e., hail and rain) environments. We have employed these and other radar techniques, such as dual-Doppler analyses, to investigate the correlation between the convective life cycle of a multi-cell storm and the evolution of lightning type and flash rate.The observations suggest a strong correlation between the radar-inferred graupel volume suspended in a vigorous updraft in upper-portions of the storm and the in-cloud (IC) lightning flash rate. Our analyses reveal that maxima in the hail rate are related to peaks in the cloud-to-ground (CG) lightning flash rate. Both correlation's are consistent with the non-inductive charging mechanism which relies on collisions between graupel/hail particles and ice crystals in the presence of supercooled water. Peaks in storm outflow are shown to either lag or to coincide with maxima in both the CG flash rate and hail rate. The amount and vertical location of ice in this storm was also related to the strength and polarity of the electric field through observations of a Field Excursion Associated With Precipitation (FEAWP) and a subsequent microburst. We demonstrate that the FEAWP was coincident with the descent of graupel and small hail below the charge reversal level as explained by the non-inductive charging mechanism, and that the further descent of graupel and small hail below the melting level aided in the generation of a microburst near the surface. Using observations of the FEAWP, we present some comparative speculation on the microphysics of the associated lower positive charge center and the applicability of various laboratory charging studies.With 14 Figures 相似文献
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华北一次强对流天气系统的地闪时空演变特征分析 总被引：8，自引：3，他引：5
利用地面雷电探测网,多普勒天气雷达和常规天气资料,分析了2005年8月1日发生在山东北部的一次具有前部对流线,后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。结果表明:整个过程中负地闪占主导地位,最高频数达到260次/5min;与负地闪比较,正地闪呈现不活跃状态。负地闪主要落在>40 dBz的强回波区内部及其边缘区域,而正地闪则分布在前部云砧和后部层状云降水区内。对地闪位置与回波强度的进一步对比分析发现,45~55 dBz的回波是最有利于地闪发生的区域,回波强度低于这一区域,随着回波强度的增大,地闪活动呈递增趋势,地闪频数在50~55 dBz的回波区域内达到峰值,>55 dBz的回波区域内地闪频数明显降低。 相似文献
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华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究 总被引：8，自引：2，他引：6
利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料, 分析了一次具有前部对流线和后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。整个MCS生命史中负地闪占主导地位, 正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1, 地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域; 负地闪主要密集地分布在大于40 dBZ的回波范围内; 正地闪则稀疏地分布在30～40 dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多, 而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演, 发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应, 并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。 相似文献