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强对流天气过程是暖季最主要的气象致灾因子，利用高分辨率数值预报模式和资料同化技术，将多源观测资料有效引入模式以充分解析云内动力、热力、微物理过程特征，可以提高强对流过程的临近预报效果。闪电是强对流天气过程中产生的强烈放电现象，和对流系统内垂直上升运动和冷云过程密切相关。近年来闪电探测技术不断进步，地基闪电定位数据不断增多，基于静止卫星平台的闪电成像仪也已在轨运行。面对日渐丰富的闪电资料，如何进一步发挥闪电资料在模式中的应用价值成为临近预报研究的一个重要问题。为此，本论文首先分析了强对流天气过程中闪电和动力、微物理过程的同步演变，为构建闪电资料同化的观测算子提供物理依据。着眼于我国“风云四号”静止气象卫星上闪电成像仪LMI(Lightning Mapping Imager)的闪电资料应用，在评估LMI探测性能的基础上，发展了基于三维变分同化框架(3DVar)的闪电资料同化方案来改进模式动力场，并进一步提出了结合多普勒雷达和闪电的多源数据同化方案以同时降低初始场中水汽场和动力场误差。最后结合地基和卫星闪电资料、地基多普勒雷达资料，对北京地区实际强对流天气过程进行模拟，阐述了闪电资料同化方案对强降水临近预报的改进效果和机理。主要结论如下:
1.为充分发挥LMI闪电资料的模式应用价值，评估了LMI在北京地区的探测性能，发现其探测效率和雷暴强度有关，在弱雷暴过程中LMI闪电探测效率高于其在强雷暴和超强雷暴过程的探测效率。和地基闪电定位网相比，LMI整体探测效率较低，而LMI“事件”产品包含了更多的闪电传播信息，可以更好地区别对流云和层状云区域，因而更加适宜用于卫星平台闪电资料同化的研究中。
2.分析了北京地区一次快速发展的中尺度对流系统(MCS)的闪电和动力/微物理过程的同步演变特征。在MCS水平尺度上升阶段，闪电频数增长速率远大于MCS体积的增长速率。利用北京宽频段闪电三维探测网(BLNET)三维辐射源定位数据，可看到闪电辐射源垂直方向存在数个分布峰值，反映了MCS内复杂的电荷结构。基于耦合了详细起电放电方案的E-WRF模式提供的微物理、动力和电过程模拟结果，发现尺度上升过程中MCS内上升速度增强，电荷结构从偶极性演变为更为复杂的电荷分布，随着单体逐渐成熟，降水重心下移，低层正电荷区出现。尺度上升过程中各个单体之间距离减少，不同极性电荷区相互接近使得MCS整体电荷分布变得复杂，有利于激发更多的闪电产生。
3.以闪电和雷暴云内的垂直上升运动之间的密切关系为物理依据，构建了一种同化闪电资料来更新模式动力场的方案。通过结合LMI“事件”资料和模式再分析资料来反演出适用于对流尺度数据同化的垂直速度场，并在WRFDA3DVar构建相应的观测算子来更新模式动力场。在2017年7月13日北京地区的飑线过程中，和雷达资料同化试验相比，进一步同化闪电资料可明显降低模式风场误差，改进模式动力场结构，直接促进上升运动的形成，进而影响热力和微物理过程以及对流系统的移动和发展，因而提升了定量降水预报的能力。
4.仅依靠雷达反射率或者闪电频数作为水汽同化方案开关还存在较大的不确定性，为此本文提出了一种结合雷达和闪电的多源数据同化方案。在雷达同化的基础上，通过闪电跃增信号来准确识别出水汽饱和区域并调整模式水汽场分布。在实际对流个例中该方法可以降低水汽误差，形成更为平衡的模式动力场和水汽场。分析中该多源数据同化方案的作用机理，同时改进模式动力场和微物理量场，直接加速了上升运动和雨水形成，缩短了模式调整稳定时间(spin-up)，系统整体演变和移动更加接近实际观测，因而降水评分得到进一步提高。
5.融合多源观测资料有利于充分解析云内对流过程，为此同化了多普勒雷达资料和地基BLNET高精度闪电资料，探索这种多源数据同化方法在北京城区雷暴临近预报的应用。由于北京地区零度层上有效雷达数据明显减少，影响了模式内冷云过程，引入BLNET闪电资料则可增加模式风场和水汽场的小尺度信息。在2018年7月16日北京暴雨过程中，该多源数据同化方法同时改进了动力场和水汽场条件，大气层结更有利于深对流的发展和维持。大气可降水量升高，冷云过程加速，模式较好预报出了南部和北部两处对流单体，提高了对流性降水预报的精度。
1.为充分发挥LMI闪电资料的模式应用价值，评估了LMI在北京地区的探测性能，发现其探测效率和雷暴强度有关，在弱雷暴过程中LMI闪电探测效率高于其在强雷暴和超强雷暴过程的探测效率。和地基闪电定位网相比，LMI整体探测效率较低，而LMI“事件”产品包含了更多的闪电传播信息，可以更好地区别对流云和层状云区域，因而更加适宜用于卫星平台闪电资料同化的研究中。
2.分析了北京地区一次快速发展的中尺度对流系统(MCS)的闪电和动力/微物理过程的同步演变特征。在MCS水平尺度上升阶段，闪电频数增长速率远大于MCS体积的增长速率。利用北京宽频段闪电三维探测网(BLNET)三维辐射源定位数据，可看到闪电辐射源垂直方向存在数个分布峰值，反映了MCS内复杂的电荷结构。基于耦合了详细起电放电方案的E-WRF模式提供的微物理、动力和电过程模拟结果，发现尺度上升过程中MCS内上升速度增强，电荷结构从偶极性演变为更为复杂的电荷分布，随着单体逐渐成熟，降水重心下移，低层正电荷区出现。尺度上升过程中各个单体之间距离减少，不同极性电荷区相互接近使得MCS整体电荷分布变得复杂，有利于激发更多的闪电产生。
3.以闪电和雷暴云内的垂直上升运动之间的密切关系为物理依据，构建了一种同化闪电资料来更新模式动力场的方案。通过结合LMI“事件”资料和模式再分析资料来反演出适用于对流尺度数据同化的垂直速度场，并在WRFDA3DVar构建相应的观测算子来更新模式动力场。在2017年7月13日北京地区的飑线过程中，和雷达资料同化试验相比，进一步同化闪电资料可明显降低模式风场误差，改进模式动力场结构，直接促进上升运动的形成，进而影响热力和微物理过程以及对流系统的移动和发展，因而提升了定量降水预报的能力。
4.仅依靠雷达反射率或者闪电频数作为水汽同化方案开关还存在较大的不确定性，为此本文提出了一种结合雷达和闪电的多源数据同化方案。在雷达同化的基础上，通过闪电跃增信号来准确识别出水汽饱和区域并调整模式水汽场分布。在实际对流个例中该方法可以降低水汽误差，形成更为平衡的模式动力场和水汽场。分析中该多源数据同化方案的作用机理，同时改进模式动力场和微物理量场，直接加速了上升运动和雨水形成，缩短了模式调整稳定时间(spin-up)，系统整体演变和移动更加接近实际观测，因而降水评分得到进一步提高。
5.融合多源观测资料有利于充分解析云内对流过程，为此同化了多普勒雷达资料和地基BLNET高精度闪电资料，探索这种多源数据同化方法在北京城区雷暴临近预报的应用。由于北京地区零度层上有效雷达数据明显减少，影响了模式内冷云过程，引入BLNET闪电资料则可增加模式风场和水汽场的小尺度信息。在2018年7月16日北京暴雨过程中，该多源数据同化方法同时改进了动力场和水汽场条件，大气层结更有利于深对流的发展和维持。大气可降水量升高，冷云过程加速，模式较好预报出了南部和北部两处对流单体，提高了对流性降水预报的精度。