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Assimilation of Total Lightning Data Using the Three-Dimensional Variational Method at Convection-Allowing Resolution

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Journal of Meteorological Research 2017年第4期31卷 731-746页

作者： Rong ZHANG Yijun ZHANG liangtao xu Dong ZHENG Wen YAO State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological Sciences Beijing 100081 College of Earth Sciences University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 Laboratory of Lightning Physics and Protection Engineering Chinese Academy of Meteorological Sciences Beijing 100081

A large number of observational analyses have shown that lightning data can be used to indicate areas of deep convection. It is important to assimilate observed lightning data into numerical models, so that more small-scale information can be incorporated to improve the quality of the initial condition and the subsequent forecasts. In this study, the empirical relationship between flash rate, water vapor mixing ratio, and graupel mixing ratio was used to adjust the model relative humidity, which was then assimilated by using the three-dimensional variational data assimilation system of the Weather Research and Forecasting model in cycling mode at 10-min intervals. To find the appropriate assimilation time-window length that yielded significant improvement in both the initial conditions and subsequent forecasts, four experiments with different assimilation time-window lengths were conducted for a squall line case that occurred on 10 July 2007 in North China. It was found that 60 min was the appropriate assimilation time-window length for this case, and longer assimilation window length was unnecessary since no further improvement was present. Forecasts of 1-h accumulated precipitation during the assimilation period and the subsequent 3-h accumulated precipitation were significantly improved compared with the control experiment without lightning data assimilation. The simulated reflectivity was optimal after 30 min of the forecast, it remained optimal during the following 42 min, and the positive effect from lightning data assimilation began to diminish after 72 min of the forecast. Overall,the improvement from lightning data assimilation can be maintained for about 3 h.

关键词： lightning data assimilation three-dimensional variational (3DVAR) method Wether Research and Forecasting (WRF) model

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Application of Lightning Data Assimilation to Numerical Forecast of Super Typhoon Haiyan (2013)

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Journal of Meteorological Research 2020年第5期34卷 1052-1067页

作者： Rong ZHANG Wenjuan ZHANG Yijun ZHANG Jianing FENG liangtao xu State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological SciencesChina Meteorological Administration(CMA)Beijing 100081 Key Laboratory for Cloud Physics of CMA Chinese Academy of Meteorological SciencesCMABeijing 100081 Department of Atmospheric and Oceanic Sciences&Institute of Atmospheric Sciences Fudan UniversityShanghai 200438

Previous observations from World Wide Lightning Location Network(WWLLN) and satellites have shown that typhoon-related lightning data have a potential to improve the forecast of typhoon intensity. The current study was aimed at investigating whether assimilating TC lightning data in numerical models can play such a role. For the case of Super Typhoon Haiyan in 2013, the lightning data assimilation(LDA) was realized in the Weather Research and Forecasting(WRF) model, and the impact of LDA on numerical prediction of Haiyan’s intensity was *** data from WWLLN were used to adjust the model’s relative humidity(RH) based on the method developed by Dixon et al.(2016). The adjusted RH was output as a pseudo sounding observation, which was then assimilated into the WRF system by using the three-dimensional variational(3DVAR) method in the cycling mode at 1-h intervals. Sensitivity experiments showed that, for Super Typhoon Haiyan(2013), which was characterized by a high proportion of the inner-core(within 100 km from the typhoon center) lightning, assimilation of the inner-core lightning data significantly improved its intensity forecast, while assimilation of the lightning data in the rainbands(100–500 km from the typhoon center) led to no obvious improvement. The improvement became more evident with the increase in LDA cycles, and at least three or four LDA cycles were needed to achieve obvious intensity forecast improvement. Overall, the improvement in the intensity forecast by assimilation of the inner-core lightning data could be maintained for about 48 h. However, it should be noted that the LDA method in this study may have a negative effect when the simulated typhoon is stronger than the observed, since the LDA method cannot suppress the spurious convection.

关键词： lightning three-dimensional variational(3DVAR)data assimilation Typhoon Haiyan typhoon intensity

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Semi-Idealized Modeling of Lightning Initiation Related to Vertical Air Motion and Cloud Microphysics

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Journal of Meteorological Research 2017年第5期31卷 976-986页

作者： fei wang yijun zhang dong zheng liangtao xu wenjuan zhang qing meng state key laboratory of severe weather chinese academy of meteorological sciencesBeijing 100081 laboratory of lightning physics and protection engineering chinese academy of meteorological sciencesBeijing 100081

A three-dimensional charge^lischarge numerical model is used, in a semi-idealized mode, to simulate a thunder- storm cell. Characteristics of the granpel microphysics and vertical air motion associated with the lightning initiation are revealed, which could be useful in retrieving charge strength during lightning when no charge^diseharge model is available, The results show that the vertical air motion at the lightning initiation sites （Wini） has a cubic polynomial correlation with the maximum updraft of the storm cell （WceH_m^x）, with the adjusted regression coefficient R2 of ap- proximately 0.97. Meanwhile, the graupel mixing ratio at the lightning initiation sites （qg-ini） has a linear correlation with the maximum graupel mixing ratio of the storm cell （qg-cell-max） and the initiation height （Zini）, with the coeffi- cients being 0.86 and 0.85, respectively. These linear correlations are more significant during the middle and late stages of lightning activity. A zero-charge zone, namely, the area with very low net charge density between the main positive and negative charge layers, appears above the area of qg-oewm and below the upper edge of the granpel re- gion, and is found to be an important area for lightning initiation. Inside the zero-charge zone, large electric intensity forms, and the ratio of qice （ice crystal mixing ratio） to qg （graupel mixing ratio） illustrates an exponential relation- ship to qg-ini. These relationships provide valuable clues to more accurately locating the high-risk area of lightning initiation in thunderstorms when only dual-polarization radar data or outputs from numerical models without char- ging/discharging schemes are available. The results can also help understand the environmental conditions at light- ning initiation sites.

关键词： lightning initiation graupel ice crystal vertical air motion cloud microphysics

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Impact of the Vertical Velocity Field on Charging Processes and Charge Separation in a Simulated Thunderstorm

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Journal of Meteorological Research 2015年第2期29卷 328-343页

作者：王飞张义军郑栋徐良韬 State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological Sciences Laboratory of Lightning Physics and Protection Engineering Chinese Academy of Meteorological Sciences

A three-dimensional（3D） charging-discharging cloud resolution model was used to investigate the impact of the vertical velocity field on the charging processes and the formation of charge structure in a strong thunderstorm. The distribution and evolution of ice particle content and charges on ice particles were analyzed in different vertical velocity fields. The results show that the ice particles in the vertical velocity range from 1 to 5 m s-1obtained the most charge through charging processes during the lifetime of the thunderstorm. The magnitude of the charges could reach 1014 n C. Before the beginning of lightning activity,the charges produced in updraft region 2（updraft speed 13 m s-1） and updraft region 1（updraft speed between 5 and 13 m s-1） were relatively significant. The magnitudes of charge reached 1013 n C, which clearly impacted upon the early lightning activity. The vertical velocity conditions in the quasi-steady region（updraft speed between -1 and 1 m s-1） were the most conducive for charge separation on ice particles on different scales. Accordingly, a net charge structure always appeared in the quasi-steady and adjacent regions. Based on the results, a conceptual model of ice particle charging, charge separation, and charge structure formation in the flow field was constructed. The model helps to explain observations of the＂lightning hole＂ phenomenon.

关键词： vertical velocity field charging processes charge separation lightning cloud resolution model

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强风暴中反极性电荷结构研究进展

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应用气象学报 2014年第5期25卷 513-526页

作者：张义军徐良韬郑栋王飞中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理与防护工程实验室北京100081 中国科学院大学地球科学学院北京100049

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... 详细信息

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。

关键词：电荷结构反极性闪电探测电结构形成

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小振幅背风波的非线性特征及水汽敏感性试验

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应用气象学报 2011年第5期22卷 597-603页

作者：徐良韬林文实张义军中山大学大气科学系广州510275 中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室北京100081

从Scorer的背风波发生理论条件出发,首先考虑3层均匀干空气,利用WRF模式模拟出干空气条件下的小振幅拦截背风波动,波动主要发生在2～5 km的高度范围,波长为8 km左右,这与之前的观测和模拟结果相一致。分析表明:形成平稳背风波动过程中,... 详细信息

从Scorer的背风波发生理论条件出发,首先考虑3层均匀干空气,利用WRF模式模拟出干空气条件下的小振幅拦截背风波动,波动主要发生在2～5 km的高度范围,波长为8 km左右,这与之前的观测和模拟结果相一致。分析表明:形成平稳背风波动过程中,存在能量波包向下游传播的性质,各位置振动的强度会发生周期性的增强和衰减。引入水汽进行的敏感性试验表明:随着水汽增多,背风波动的波长会增加,且波动传播中所能达到的最大垂直速度有变小趋势。

关键词：背风波动 WRF模式非线性水汽数值模拟

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利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

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应用气象学报 2018年第5期29卷 534-545页

作者：徐良韬陈双姚雯谌芸张荣中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室北京100081 国家气象中心北京100081 中国气象局人工影响天气中心北京100081

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年(2015—2017年)的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估... 详细信息

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年(2015—2017年)的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6～12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期(6—8月)的预报临界成功指数(CSI)均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。

关键词：起放电模式闪电预报检验

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雷暴起电和放电物理过程在WRF模式中的耦合及初步检验

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大气科学 2012年第5期36卷 1041-1052页

作者：徐良韬张义军王飞郑栋中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室北京100081

本文将雷暴云的起电、放电物理过程引入中尺度的WRF(Weather Research and Forecasting)模式,并对超级单体和飑线过程进行了模拟研究。起电过程在Milbrandt双参数微物理方案中写入,包含霰、雹与冰晶、雪之间的非感应起电机制,以及霰、... 详细信息

本文将雷暴云的起电、放电物理过程引入中尺度的WRF(Weather Research and Forecasting)模式,并对超级单体和飑线过程进行了模拟研究。起电过程在Milbrandt双参数微物理方案中写入,包含霰、雹与冰晶、雪之间的非感应起电机制,以及霰、雹与云滴之间的感应起电机制。放电参数化方案只考虑了闪电的整体效应。对一次超级单体的模拟结果表明,电荷结构呈现正、负、正的三极性结构,主正电荷区在-40℃到-60℃之间,主负电荷区在-10℃到-30℃之间,下部正电荷区在零度层附近,总电荷浓度最大值接近2nC/m3。这种电荷结构的垂直分布同以往在强对流天气系统中观测到的典型电荷结构一致。对飑线过程的模拟结果表明,部分单体电荷结构呈现出反的偶极性且飑线中最大电荷浓度小于超级单体。在飑线成熟阶段,模拟得到的闪电分布与观测的地闪活动在分布型上相似。

关键词：起电中尺度模式闪电参数化电荷结构

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珠三角地区近38年冬半年降水量变化特征及干旱成因分析

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中山大学学报（自然科学版） 2011年第4期50卷 144-147,150页

作者：朱铁才林文实叶坤辉徐良韬中山大学环境科学与工程学院广东广州510275

根据1970-2008年珠江三角洲地区22个气象观测站逐月降水量资料,利用滑动平均、EOF分析和小波分析等方法分析该地区冬半年降水量的变化特征,并从大气环流场角度分析其干旱成因。结论显示:珠三角地区冬半年降水量变化分布具有很高的同步... 详细信息

根据1970-2008年珠江三角洲地区22个气象观测站逐月降水量资料,利用滑动平均、EOF分析和小波分析等方法分析该地区冬半年降水量的变化特征,并从大气环流场角度分析其干旱成因。结论显示:珠三角地区冬半年降水量变化分布具有很高的同步性以及明显的6～7年周期变化特征,并且在未来一段时间内冬半年降水量可能仍继续偏少;从大气环流场来看,极涡偏弱,欧洲槽偏强,巴尔喀什湖附近高压脊偏强,冷空气活跃,而中纬度西风带扰动不足,南支槽活动偏弱,冷暖空气对峙少,是造成珠三角地区冬半年干旱的主要原因。

关键词：珠三角地区冬半年降水量干旱成因

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台风莫拉菲(2009)登陆前后电荷结构演变的模拟研究

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气象学报 2016年第6期74卷 1002-1016页

作者：徐良韬张义军张文娟王飞郑栋中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国科学院大学地球科学学院北京100049 中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室北京100081

利用中尺度起电放电模式以及卫星和闪电定位等观测资料,对比分析了台风莫拉菲(2009)在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。结果表明:莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁... 详细信息

利用中尺度起电放电模式以及卫星和闪电定位等观测资料,对比分析了台风莫拉菲(2009)在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。结果表明:莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁区对流在近海加强阶段呈现正的三极性电荷结构,主负电荷区位于-25℃—-10℃层,其上下各有一个正电荷区。而在台风达到最大强度后呈现负的偶极性电荷结构,仅存在云中部的负电荷区和下部的正电荷区。眼壁区对流的电荷结构同台风强度变化密切相关而不受登陆直接影响。在台风发展的不同阶段,外螺旋雨带对流主要表现为正的三极性或正的偶极性电荷结构,之前的研究一般认为外雨带对流只能呈现正的偶极性电结构。外雨带三极性电结构的形成可以类似于眼壁区三极性结构的形成,也存在其他形成机制,即在霰粒子与冰晶组成的正偶极性电荷结构下存在一个由雹粒子组成的正电荷区,从而形成正的三极性电荷结构。台风衰亡阶段对流主要表现负的偶极性电荷结构,对流活动较弱,类似于陆地雷暴消散阶段的特性。不同类型的电荷结构所对应对流的相对强度也在文内进行了讨论。

关键词：登陆台风闪电特征电荷结构

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