雷暴云生命期内“第一道闪电”也就是第一次闪电，是整个闪电活动的开始，对这种从无到有的“转折点”进行预警预报具有极大的挑战。基于雷达和闪电观测，一些研究指出云内第一道闪电出现滞后于降水雷达捕捉到的对流云早期信号大约10~29分钟。尽管许多研究基于目前学界普遍接受的云初期起电机制（非感应起电机制），从导致云带电的微物理角度，结合雷达观测，提出了对云内第一道闪电的预警预报方法（如“Laksen Area”方法等），但这些方法对云内第一道闪电的有效预警时间仅在4~6分钟。如何改善雷暴云生命期内第一道闪电预警预报？能不能提出更长预警时效的方法？要回答上述问题就必须突破“云内第一道闪电如何发生”这一理论认知瓶颈。该瓶颈的存在也间接影响了基于线性外推方法对随后闪电活动的预警预报结果。
复旦大学张义军教授团队自2019年开始着眼于雷暴初期湍流和微物理特征对云生命期内第一道闪电发生的影响研究，以期加深对雷暴电学的理解和改善现行的闪电预警预报方法。该团队通过和中国气象科学研究院、热带海洋气象研究所等机构合作，建立了2016年至2017年间暖季涵盖偏振雷达和闪电观测的孤立雷暴（57个）、非雷暴（39个）单体数据集（表1），该数据集样本量与前人研究相比已较为可观（表2），给予了研究结果有力支撑。通过定位降水雷达捕捉到的对流单体云早期信号（雷达首次回波）和云生命期内第一道闪电，Zhao et al.（2022）发现雷暴云与非雷暴云在雷达首次回波时具备特征差异，并探讨了形成这种差异的可能物理成因。本研究基于此观测特征和认知，建立了云生命期内第一道闪电预警预报方法，该方法同时考虑了预警时效和准确度（图1），有效延长了预警时效（提升至12~21分钟）；鉴于预警准确度随时效的衰减关系，耦合了具备明显时间间隔的临近阈值方法，对雷暴云生命期内第一道闪电进行滚动预警，以提升准确度（临近3~5.5分钟时，POD=1，FAR为0~0.06，CSI达0.94~1）。此外，本研究结果指出偏振参量的融入并未有实质性提升预警效果。
该项研究成果近日发表在《Weather and Forecasting》期刊上，研究论文题目为“Potential Method for Warning the First Lightning Flash of Isolated Thunderstorm Cells over South China”。 我系博士后赵川鸿为第一作者，张义军教授为通讯作者。
论文信息：
Zhao, C., Zhang, Y., Zheng, D., Yao, W., and Du, S.: Potential Method for Warning the First Lightning Flash of Isolated Thunderstorm Cells over South China, Weather and Forecasting, 40, 105–115, https://doi.org/10.1175/WAF-D-23-0189.1. 2024.
关联论文：
Zhao, C., Zheng, D., Zhang, Y., Liu, X., Zhang, Y., Yao, W., and Zhang, W.: Turbulence characteristics of thunderstorms before the first flash in comparison to non-thunderstorms. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL094821. https://doi.org/10.1029/2021GL094821. 2021.
Zhao, C., Zhang, Y., Zheng, D., Liu, X., Zhang, Y., Fan, X., Yao, W., and Zhang, W.:Using polarimetric radar observations to characterize first echoes of thunderstorms and nonthunderstorms: A comparative study. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2022JD036671. https://doi.org/10.1029/2022JD036671. 2022.
Zhao, C., Zhang, Y., Zheng, D., Li, H., Du, S., Peng, X., Liu, X., Zhao, P., Zheng, J., and Shi, J.: On the ice microphysics of isolated thunderstorms and non-thunderstorms in southern China – a radar polarimetric perspective, Atmos. Chem. Phys., 24, 11637–11651, https://doi.org/10.5194/acp-24-11637-2024, 2024.
表1. 2016-2017年暖季雷暴与非雷暴个例统计情况，本研究中分为了分析集和验证集
表2. 前人研究中个例统计情况
图1. 雷暴云生命期内第一道闪电预警预报方法流程图
