●第1章 雷電天氣繫統探測技術及協同觀測 1
1.1 雷電全閃三維定位網 2
1.1.1 北京寬頻段閃電定位網的布站和設備 2
1.1.2 BLNET的定位算法和流程 4
1.1.3 BLNET的探測性能 5
1.1.4 BLNET的探測效率和定位誤差 13
1.1.5 基於雷達回波對BLNET實時定位結果的評估 17
1.2 雷暴雲電場-氣像綜合探空技術 17
1.2.1 靜電感應及雙金屬球電場探空的原理 19
1.2.2 雙金屬球電場探空儀的設計和探空繫統集成 20
1.2.3 探空數據分析方法 23
1.2.4 雷暴雲電場-氣像綜合探空實驗及分析 23
1.3 X波段多普勒雙線偏振雷達和多探測繫統協同觀測 27
1.3.1 雷電天氣繫統協同觀測實驗基地和觀測設備 27
1.3.2 多探測設備的協同加強觀測 28
1.4 基於X波段雙線偏振雷達的衰減訂正和水凝物粒子反演 31
1.4.1 X波段雙線偏振雷達資料的去噪和衰減訂正 32
1.4.2 基於X波段雙線偏振雷達的水成物粒子識別 37
1.5 典型雷暴繫統生消演變過程的雷電及對應的雷達回波特征 41
1.5.1 北京地區的雷暴天氣繫統類型 42
1.5.2 颮線繫統中閃電與雷達回波特征 42
1.5.3 超級單體雷暴繫統的閃電與雷達回波特征 52
1.5.4 MCS過程中閃電與雷達回波特征研究 56
1.6 北京地區的閃電時空分布特征 60
1.6.1 雷暴和閃電的月分布特征 61
1.6.2 閃電密度時空分布特征 62
1.6.3 閃電的日變化特征 65
1.6.4 城市高建築物的周圍閃電活動 68
1.6.5 北京地區的地閃回擊特征 72
第2章 雷電天氣繫統的動力過程與閃電活動 76
2.1 孤立雷暴的對流觸發機理 76
2.1.1 個例簡介及天氣背景場 76
2.1.2 雲分辨尺度模擬研究 79
2.1.3 對流觸發機理的敏感性試驗分析 80
2.2 弱天氣背景下北京地區雷暴下山的增強機理 84
2.2.1 資料與個例挑選 85
2.2.2 下山增強的統計特征 86
2.2.3 下山增強與消亡雷暴的環境場 87
2.2.4 下山增強與消亡雷暴的中尺度特征 88
2.3 兩次颮線繫統的閃電特征與動力場的關繫 93
2.3.1 兩次颮線過程簡介 93
2.3.2 前部對流線和尾部層雲區的閃電特征 98
2.3.3 對流單體的合並過程及閃電特征 103
2.3.4 閃電活動與動力場結構的關繫 107
2.4 雹暴的閃電活動與雷暴結構和降雹的關繫 110
2.4.1 雹暴過程的地閃比例、地閃極性等特征 110
2.4.2 閃電活動與雷暴結構和降雹的關繫 112
2.4.3 部分雹暴過程中的兩次閃電活躍階段 119
2.5 一次強颮線繫統的模擬及其結構的時空演變特征 125
2.5.1 強颮線過程簡介 125
2.5.2 模擬設計與驗證 126
2.5.3 颮線繫統的三維結構 128
2.5.4 颮線繫統中冰相粒子與地閃的關繫 132
2.6 雷暴繫統中閃電與降水的關繫以及環境場的影響 133
2.6.1 暖季閃電活動與短時降水事件的關繫 133
2.6.2 環境場對雷暴繫統閃電和降水活動的影響 144
第3章 雷電天氣繫統的雲微物理過程及其對電過程的影響 151
3.1 雷電天氣繫統微物理結構和演變特征的雷達探測研究 151
3.1.1 一次颮線冰雹雲過程中不同雲區降水粒子的演變特征 151
3.1.2 一次多單體雷電天氣過程過冷水垂直分布特征 156
3.1.3 一次單體雷暴雲過程水凝物粒子時空分布與演變特征 158
3.2 雷暴雲微物理過程的參數化方案改進及數值模擬 164
3.2.1 非球形冰晶粒子增長的參數化改進及數值模擬 165
3.2.2 非球形冰晶粒子凝華增長的四參數方案 174
3.3 雷電天氣繫統中水凝物粒子分布與起電區域的時空演變特征 176
3.3.1 閃電與不同相態降水關繫的數值模擬 176
3.3.2 電荷結構形成與粒子分布特征的模擬 181
3.3.3 龍卷風過程的閃電和電荷結構模擬 189
3.4 氣溶膠對雷暴雲起電和閃電活動的影響 195
3.4.1 閃電活動與氣溶膠光學厚度的關繫 195
3.4.2 氣溶膠對雷暴雲微物理、起電過程及電荷結構的影響 200
3.4.3 氣溶膠對雷暴雲放電過程的影響 207
3.4.4 氣溶膠對超級雷暴單體微物理和電過程的影響 213
第4章 雷暴雲內電荷分布及對閃電放電特征的影響 223
4.1 青海大通地區閃電VHF輻射源三維定位繫統 224
4.1.1 閃電VHF輻射源三維定位繫統站點布設 224
4.1.2 閃電VHF輻射源三維定位繫統的定位誤差 225
4.1.3 雷暴電荷結構的判定 226
4.2 雷暴雲內電荷結構及其多樣性 227
4.2.1 雷暴電荷結構的演變 228
4.2.2 雷暴雲電荷結構多樣性變化與閃電類型 233
4.2.3 雷暴電荷結構與閃電VHF輻射源脈衝功率分布特征 237
4.3 閃電的雲內初始擊穿傳播過程與輻射脈衝特征 241
4.3.1 閃電雲內始發過程的光電特征 242
4.3.2 閃電初始預擊穿過程傳播方向與輻射脈衝極性相關性 246
4.3.3 閃電初始預擊穿過程輻射脈衝電流模型和計算 258
4.4 雲內NBE 與雷暴電荷結構的關繫 261
4.4.1 NBE事件及其電場波形特征 262
4.4.2 NBE的極性及其發生高度 265
4.4.3 NBE的伴生閃電現像及其互相影響 267
4.4.4 NBE與雷暴對流活動的關繫 273
4.4.5 NBE與雷暴電荷結構的關繫 283
4.5 雷暴雲內電荷結構對閃電的影響 285
4.5.1 不同非感應起電參數化方案對電荷結構的影響 285
4.5.2 邊界層參數化方案對電荷結構的影響 287
4.5.3 雷暴雲內電場力對起電和電荷結構的影響 290
4.5.4 雷暴雲電荷分布對閃電放電的影響 292
第5章 雷電發展傳輸的物理過程及其成災機理 297
5.1 人工引發雷電實驗 297
5.1.1 人工引發雷電技術 297
5.1.2 山東沾化人工引雷實驗基地 299
5.1.3 廣東從化人工引雷實驗基地 301
5.2 人工引雷的近距離低頻磁場及通道電流反演 302
5.2.1 不同觀測距離處初始階段磁場信號總體特征 303
5.2.2 人工引雷初始電流脈衝及其電磁輻射效應 304
5.2.3 爆發式磁場脈衝輻射機制 307
5.2.4 利用近距離磁場測量反演人工引雷中的連續電流過程 313
5.3 基於人工引雷和高塔閃電的先導發展傳輸特征 316
5.3.1 上行正先導梯級發展傳輸的光學證據 317
5.3.2 上行負先導初始梯級和分叉特征 318
5.3.3 人工引發雷電已電離通道中的雙向先導發展傳輸特征 321
5.4 高建築物雷電連接過程的先導特征及其模擬 325
5.4.1 廣州高建築物雷電研究平臺 325
5.4.2 高建築物引發雷電的下行先導特征 326
5.4.3 高建築物引發雷電的三維通道重構 334
5.5 多接地點雷電發展特征 336
5.5.1 多接地點雷電的光學發展特征 337
5.5.2 基於雷電VHF定位的多接地點雷電形成機制 339
5.6 雷電電磁輻射場及其傳播特征 343
5.6.1 規則建築物周圍雷電電磁場分布 343
5.6.2 分形粗糙陸地對雷電電磁傳播影響的數值模擬 349
5.6.3 基於FDTD分形粗糙陸地對雷電電磁傳播的影響 356
5.7 雷電對架空電纜和電子通信設備的影響 359
5.7.1 人工引雷試驗場架空配電線路布置和測試設備 360
5.7.2 雷電引起的架空輸電線路過電壓波形特征 361
5.7.3 近距離引發雷電對電子設備及SPD 的影響 364
5.7.4 雷擊通信鐵塔時的通信天線電磁耦合效應 370
第6章 雷電觀測資料同化及監測預警方法 375
6.1 雷電與雲內冰相粒子和雷達回波的關繫 376
6.1.1 資料與方法 376
6.1.2 基於TRMM衛星的閃電與雲內冰相粒子的關繫 377
6.1.3 地基觀測的閃電與雷達回波之間的關繫 381
6.2 WRF-GSI雲分析同化多普勒雷達及閃電資料的試驗研究 385
6.2.1 GSI中雲分析繫統及WRF-ARW數字濾波初始化 385
6.2.2 數據及試驗設計 388
6.2.3 分析與結果討論 389
6.3 物理初始化同化地閃資料試驗 395
6.3.1 物理初始化方法介紹 395
6.3.2 數據及試驗設計 397
6.3.3 結果分析 398
6.4 綜合調整水物質含量的總閃資料Nudging同化方法 402
6.4.1 同化方案介紹 403
6.4.2 閃電數據來源和處理 404
6.4.3 對北京20150727颮線過程的模擬對比 405
6.5 基於三維變分的總閃電資料同化方法 409
6.5.1 三維變分同化方法介紹 409
6.5.2 反演算子介紹 410
6.5.3 個例介紹 412
6.5.4 試驗方案 412
6.5.5 結果分析 416
6.6 基於四維變分的總閃資料同化方法 424
6.6.1 基於四維變分的雷暴資料同化方法介紹 424
6.6.2 閃電資料的處理 425
6.6.3 同化閃電資料後的很優分析場結果 425
6.6.4 預報模式的設定和模擬個例天氣背景介紹 429
6.6.5 試驗的預報結果 430
6.7 雷電臨近預警繫統建立及應用 432
6.7.1 雷電臨近預警繫統整體框架 432
6.7.2 雷電臨近預警繫統流程 434
6.7.3 雷電臨近預警繫統產品 435
6.7.4 中尺度雷電預警預報繫統的建立 436
6.8 中尺度起電放電模式的建立與短時閃電預報方法 438
6.8.1 模式及設置 438
6.8.2 資料及方法 440
6.8.3 預報結果定性分析 442
6.8.4 預報結果定量檢驗 443
參考文獻 446

《雷電天氣繫統原理和預報》以國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目“雷電重大災害天氣繫統的動力-微物理-電過程和成災機理”研究成果為基礎，圍繞雷電天氣繫統的動力、微物理、起電和雷電過程及其相互作用，從六個方面進行了繫統闡述，包括雷電天氣繫統探測技術及協同觀測、雷電天氣繫統的動力過程與閃電活動、雷電天氣繫統的雲微物理過程及其對電過程的影響、雷暴雲內電荷分布及對閃電放電特征的影響、雷電發展傳輸的物理過程及其成災機理，以及雷電觀測資料同化及監測預警方法。本書是中小尺度災害性天氣、大氣探測和大氣電學研究人員或研究生的必要參考書，也可作為從事強對流災害預警預報業務和雷電災害防護工程技術人員的重要參考。