雷电天气系统原理和预报

《雷电天气系统原理和预报》以国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理”研究成果为基础，围绕雷电天气系统的动力、微物理、起电和雷电过程及其相互作用，从六个方面进行了系统阐述，包括雷电天气系统探测技术及协同观测、雷电天气系统的动力过程与闪电活动、雷电天气系统的云微物理过程及其对电过程的影响、雷暴云内电荷分布及对闪电放电特征的影响、雷电发展传输的物理过程及其成灾机理，以及雷电观测资料同化及监测预警方法。

目录
前言
第1章 雷电天气系统探测技术及协同观测 1
1.1 雷电全闪三维定位网 2
1.1.1 北京宽频段闪电定位网的布站和设备 2
1.1.2 BLNET的定位算法和流程 4
1.1.3 BLNET的探测性能 5
1.1.4 BLNET的探测效率和定位误差 13
1.1.5 基于雷达回波对BLNET实时定位结果的评估 17
1.2 雷暴云电场-气象综合探空技术 17
1.2.1 静电感应及双金属球电场探空的原理 19
1.2.2 双金属球电场探空仪的设计和探空系统集成 20
1.2.3 探空数据分析方法 23
1.2.4 雷暴云电场-气象综合探空实验及分析 23
1.3 X波段多普勒双线偏振雷达和多探测系统协同观测 27
1.3.1 雷电天气系统协同观测实验基地和观测设备 27
1.3.2 多探测设备的协同加强观测 28
1.4 基于X波段双线偏振雷达的衰减订正和水凝物粒子反演 31
1.4.1 X波段双线偏振雷达资料的去噪和衰减订正 32
1.4.2 基于X波段双线偏振雷达的水成物粒子识别 37
1.5 典型雷暴系统生消演变过程的雷电及对应的雷达回波特征 41
1.5.1 北京地区的雷暴天气系统类型 42
1.5.2 飑线系统中闪电与雷达回波特征 42
1.5.3 超级单体雷暴系统的闪电与雷达回波特征 52
1.5.4 MCS过程中闪电与雷达回波特征研究 56
1.6 北京地区的闪电时空分布特征 60
1.6.1 雷暴和闪电的月分布特征 61
1.6.2 闪电密度时空分布特征 62
1.6.3 闪电的日变化特征 65
1.6.4 城市高建筑物的周围闪电活动 68
1.6.5 北京地区的地闪回击特征 72
第2章 雷电天气系统的动力过程与闪电活动 76
2.1 孤立雷暴的对流触发机理 76
2.1.1 个例简介及天气背景场 76
2.1.2 云分辨尺度模拟研究 79
2.1.3 对流触发机理的敏感性试验分析 80
2.2 弱天气背景下北京地区雷暴下山的增强机理 84
2.2.1 资料与个例挑选 85
2.2.2 下山增强的统计特征 86
2.2.3 下山增强与消亡雷暴的环境场 87
2.2.4 下山增强与消亡雷暴的中尺度特征 88
2.3 两次飑线系统的闪电特征与动力场的关系 93
2.3.1 两次飑线过程简介 93
2.3.2 前部对流线和尾部层云区的闪电特征 98
2.3.3 对流单体的合并过程及闪电特征 103
2.3.4 闪电活动与动力场结构的关系 107
2.4 雹暴的闪电活动与雷暴结构和降雹的关系 110
2.4.1 雹暴过程的地闪比例、地闪极性等特征 110
2.4.2 闪电活动与雷暴结构和降雹的关系 112
2.4.3 部分雹暴过程中的两次闪电活跃阶段 119
2.5 一次强飑线系统的模拟及其结构的时空演变特征 125
2.5.1 强飑线过程简介 125
2.5.2 模拟设计与验证 126
2.5.3 飑线系统的三维结构 128
2.5.4 飑线系统中冰相粒子与地闪的关系 132
2.6 雷暴系统中闪电与降水的关系以及环境场的影响 133
2.6.1 暖季闪电活动与短时降水事件的关系 133
2.6.2 环境场对雷暴系统闪电和降水活动的影响 144
第3章 雷电天气系统的云微物理过程及其对电过程的影响 151
3.1 雷电天气系统微物理结构和演变特征的雷达探测研究 151
3.1.1 一次飑线冰雹云过程中不同云区降水粒子的演变特征 151
3.1.2 一次多单体雷电天气过程过冷水垂直分布特征 156
3.1.3 一次单体雷暴云过程水凝物粒子时空分布与演变特征 158
3.2 雷暴云微物理过程的参数化方案改进及数值模拟 164
3.2.1 非球形冰晶粒子增长的参数化改进及数值模拟 165
3.2.2 非球形冰晶粒子凝华增长的四参数方案 174
3.3 雷电天气系统中水凝物粒子分布与起电区域的时空演变特征 176
3.3.1 闪电与不同相态降水关系的数值模拟 176
3.3.2 电荷结构形成与粒子分布特征的模拟 181
3.3.3 龙卷风过程的闪电和电荷结构模拟 189
3.4 气溶胶对雷暴云起电和闪电活动的影响 195
3.4.1 闪电活动与气溶胶光学厚度的关系 195
3.4.2 气溶胶对雷暴云微物理、起电过程及电荷结构的影响 200
3.4.3 气溶胶对雷暴云放电过程的影响 207
3.4.4 气溶胶对超级雷暴单体微物理和电过程的影响 213
第4章 雷暴云内电荷分布及对闪电放电特征的影响 223
4.1 青海大通地区闪电VHF辐射源三维定位系统 224
4.1.1 闪电VHF辐射源三维定位系统站点布设 224
4.1.2 闪电VHF辐射源三维定位系统的定位误差 225
4.1.3 雷暴电荷结构的判定 226
4.2 雷暴云内电荷结构及其多样性 227
4.2.1 雷暴电荷结构的演变 228
4.2.2 雷暴云电荷结构多样性变化与闪电类型 233
4.2.3 雷暴电荷结构与闪电VHF辐射源脉冲功率分布特征 237
4.3 闪电的云内初始击穿传播过程与辐射脉冲特征 241
4.3.1 闪电云内始发过程的光电特征 242
4.3.2 闪电初始预击穿过程传播方向与辐射脉冲极性相关性 246
4.3.3 闪电初始预击穿过程辐射脉冲电流模型和计算 258
4.4 云内NBE 与雷暴电荷结构的关系 261
4.4.1 NBE事件及其电场波形特征 262
4.4.2 NBE的极性及其发生高度 265
4.4.3 NBE的伴生闪电现象及其互相影响 267
4.4.4 NBE与雷暴对流活动的关系 273
4.4.5 NBE与雷暴电荷结构的关系 283
4.5 雷暴云内电荷结构对闪电的影响 285
4.5.1 不同非感应起电参数化方案对电荷结构的影响 285
4.5.2 边界层参数化方案对电荷结构的影响 287
4.5.3 雷暴云内电场力对起电和电荷结构的影响 290
4.5.4 雷暴云电荷分布对闪电放电的影响 292
第5章 雷电发展传输的物理过程及其成灾机理 297
5.1 人工引发雷电实验 297
5.1.1 人工引发雷电技术 297
5.1.2 山东沾化人工引雷实验基地 299
5.1.3 广东从化人工引雷实验基地 301
5.2 人工引雷的近距离低频磁场及通道电流反演 302
5.2.1 不同观测距离处初始阶段磁场信号总体特征 303
5.2.2 人工引雷初始电流脉冲及其电磁辐射效应 304
5.2.3 爆发式磁场脉冲辐射机制 307
5.2.4 利用近距离磁场测量反演人工引雷中的连续电流过程 313
5.3 基于人工引雷和高塔闪电的先导发展传输特征 316
5.3.1 上行正先导梯级发展传输的光学证据 317
5.3.2 上行负先导初始梯级和分叉特征 318
5.3.3 人工引发雷电已电离通道中的双向先导发展传输特征 321
5.4 高建筑物雷电连接过程的先导特征及其模拟 325
5.4.1 广州高建筑物雷电研究平台 325
5.4.2 高建筑物引发雷电的下行先导特征 326
5.4.3 高建筑物引发雷电的三维通道重构 334
5.5 多接地点雷电发展特征 336
5.5.1 多接地点雷电的光学发展特征 337
5.5.2 基于雷电VHF定位的多接地点雷电形成机制 339
5.6 雷电电磁辐射场及其传播特征 343
5.6.1 规则建筑物周围雷电电磁场分布 343
5.6.2 分形粗糙陆地对雷电电磁传播影响的数值模拟 349
5.6.3 基于FDTD分形粗糙陆地对雷电电磁传播的影响 356
5.7 雷电对架空电缆和电子通信设备的影响 359
5.7.1 人工引雷试验场架空配电线路布置和测试设备 360
5.7.2 雷电引起的架空输电线路过电压波形特征 361
5.7.3 近距离引发雷电对电子设备及SPD 的影响 364
5.7.4 雷击通信铁塔时的通信天线电磁耦合效应 370
第6章 雷电观测资料同化及监测预警方法 375
6.1 雷电与云内冰相粒子和雷达回波的关系 376
6.1.1 资料与方法 376
6.1.2 基于TRMM卫星的闪电与云内冰相粒子的关系 377
6.1.3 地基观测的闪电与雷达回波之间的关系 381
6.2 WRF-GSI云分析同化多普勒雷达及闪电资料的试验研究 385
6.2.1 GSI中云分析系统及WRF-ARW数字滤波初始化 385
6.2.2 数据及试验设计 388
6.2.3 分析与结果讨论 389
6.3 物理初始化同化地闪资料试验 395
6.3.1 物理初始化方法介绍 395
6.3.2 数据及试验设计 397
6.3.3 结果分析 398
6.4 综合调整水物质含量的总闪资料Nudging同化方法 402
6.4.1 同化方案介绍 403
6.4.2 闪电数据来源和处理 404
6.4.3 对北京20150727飑线过程的模拟对比 405
6.5 基于三维变分的总闪电资料同化方法 409
6.5.1 三维变分同化方法介绍 409
6.5.2 反演算子介绍 410
6.5.3 个例介绍 412
6.5.4 试验方案 412
6.5.5 结果分析 416
6.6 基于四维变分的总闪资料同化方法 424
6.6.1 基于四维变分的雷暴资料同化方法介绍 424
6.6.2 闪电资料的处理 425
6.6.3 同化闪电资料后的*优分析场结果 425
6.6.4 预报模式的设定和模拟个例天气背景介绍 429
6.6.5 试验的预报结果 430
6.7 雷电临近预警系统建立及应用 432
6.7.1 雷电临近预警系统整体框架 432
6.7.2 雷电临近预警系统流程 434
6.7.3 雷电临近预警系统产品 435
6.7.4 中尺度雷电预警预报系统的建立 436
6.8 中尺度起电放电模式的建立与短时闪电预报方法 438
6.8.1 模式及设置 438
6.8.2 资料及方法 440
6.8.3 预报结果定性分析 442
6.8.4 预报结果定量检验 443
参考文献 446