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为探索雷电天气预报预警的新方法,首先尝试利用高分辨中尺度模式预报场驱动传统雷电模式,然后在中国气象局自主创新研制的新一代中尺度数值预报模式GRAPES_Meso动力框架中嵌入各种电荷运动方程组,同时将起电、放电参数化与GRAPES_Meso直接耦合,建立了高分辨“中尺度天气-雷电”一体化同步耦合模式-GRAPES_LM模式,并利用雷暴云观测试验资料及2008年北京夏季雷暴批量模拟结果对其进行检验,最后通过敏感性试验研究了地形对闪电模拟的影响,从中得到以下几个主要结论:
1、完成了GRAPES_LM模式的科学方案设计,其合理性和可行性得到了国际CCOPE雷暴云观测试验的验证:
利用高分辨率中尺度模式的预报场作为雷电模式的初始场,完全可以不添加任何虚假的扰动来触发雷暴云的发展。且模拟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、合理,模拟的闪电频数随时间发展演变趋势与观测实况基本吻合。
新建立的GRAPES_LM模式比较成功地模拟出CCOPE计划1981年7月19日雷暴云过程。模拟的宏观动力学参数与观测结果极为接近,微物理过程及电过程的时空结构及演变趋势也基本上反映了实际雷暴云的发展过程。
与传统雷电模式相比,GRAPES_LM模式在以下几个方面有较强的优越性:首先,GRAPES_LM模式对雷暴云生成发展直到消亡的时间模拟都与观测结果比较接近,模拟的时间有实际指示意义,能对雷电天气起到预报作用；其次GRAPES_LM模式模拟的宏观动力场尤其是垂直速度场量级与观测结果吻合的很好,微观粒子特征结果也更接近观测结果；最后,GRAPES_LM模式模拟的电场过程更为复杂,能够模拟出大量的云闪和地闪,而且模拟出的闪电放电图像分叉结构与观测到的大自然闪电照片非常接近。
GRAPES_LM模式对此次雷暴云的成功模拟为雷电天气的预警预报提供了新的思路。它不仅可以和各种统计、经验模式相结合进行综合雷电预报,同时利用其雷电数值预报产品,还可以在落时、落区和雷电活动等级等方面提供服务。
2、通过调整十阶低通隐式正切滤波器的地形滤波参数滤除不同尺度的地形资料,敏感性试验结果表明闪电模拟对地形非常敏感:
采用GRAPES模式的最高可分辨地形尺度(6倍格距尺度地形)作为控制试验,模拟的闪电频数从量级和时空分布上都与观测结果比较接近。
闪电频数与降水对滤波参数的敏感反应有所不同。滤波参数取为100时的控制试验模拟出的云地闪频数、空间分布以及时间演变都和观测最为接近,当滤波参数变大或变小时,模拟的云地闪水平分布都过于集中,量级上更为偏大,时间演变趋势也与观测相比差别更为明显；而模拟降水中心量级则随着滤波参数的增大而减小。
模式地形对微物理场及电参量的影响远比宏观动力场要复杂得多。
3、2008年北京夏季的雷电天气的批量模拟表明,GRAPES_LM模式能够较好地模拟出北京闪电的时空分布特征:
GRAPES_LM模式能够模拟出大部分雷电天气过程,对发生在盛夏的雷电日模拟的准确率较高；模拟出的云闪与地闪数之比为3.03,比较合理；正、负地闪数以及各自比例与观测吻合较好,尤其在盛夏,模拟结果与观测极为接近。
GRAPES_LM模式模拟的地闪频数量级、时间演变趋势包括极大值出现时间都与观测结果吻合较好,只是受冷启动的影响,模式模拟前一个半小时左右的闪电数偏小,从而造成模拟闪电次数震荡幅度略大于观测结果。
GRAPES_LM模式模拟的地闪水平分布特征与北京地区复杂地形分布有紧密联系,同时与观测结果比较吻合。模拟和观测的地闪第一大值区位于北京中西部门头沟山区,模拟和观测地闪量级很接近,只是模拟位置稍稍有些偏北,而位于北京北部山区怀柔密云区附近的第二大值区,模拟和观测结果无论是从量级上还是空间范围都非常接近；但GRAPES雷电模式在个别地方也有些偏差,模拟出的正地闪次数比观测结果偏大。