Russian national report

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faults and the ionosphere were suggested as GEC generators in addition to thun‑
derstorms in order to account for the observed variations of the ionospheric total 
electron content.
In [27] the relations were analysed between distributed GEC models and 
simplified equivalent-circuit models, where different parts of the atmosphere are 
replaced by equivalent resistors and capacitors; the limitations of such models 
were established. The influence of conductivity inhomogeneities on the iono‑
spheric potential was also studied; it was shown that the account of conductivity 
reduction inside a thunderstorm generator may lead to substantial increase in its 
contribution to the GEC. The mechanisms whereby conductivity perturbations 
in the atmosphere have an impact on the ionospheric potential dynamics were 
also discussed in [25].
One of the main reasons for the increasing interest in the GEC during the last 
few years is the close connection between electrical processes in the atmosphere 
and the climate dynamics. In [28] the dynamics of the ionospheric potential on 
different time scales was studied using a general circulation model. A parame‑
terization was suggested for the contribution to the ionospheric potential from 
convection regions, associated with electrified clouds, i. e. with GEC generators. 
The calculated diurnal and seasonal ionospheric potential variations turned out 
to agree with the experimental data; also, the decrease in the ionospheric poten‑
tial by about 10% over the 21st century was predicted.
In [29] the principal criteria were formulated for the formation and mainte‑
nance of a GEC in the atmospheres of the Solar System planets. Having estimat‑
ed the vertical conductivity profile in the atmosphere of Mars, the authors con‑
cluded that there is no stationary GEC on Mars, but the current still can flow in 
the circuit, if a high-power and extensive generator, presumably related to the 
electrification during the dust storms, is working.
3. Electrical processes in clouds and their simulation
The problem of generation and evolution of the intense convective systems 
is one of the most topical and complicated problems of the atmospheric physics. 
Investigation  of  electrical  processes  in  convective  systems  is  necessary  for 
self‑consistent analysis of the atmospheric dynamics and for increasing the pre‑
cision of weather forecasts. During the period 2010–2015 in Russian Federation 
a number of attempts were made to include the main electrical processes in hy‑
drodynamic numerical models of the atmosphere [30–33]. Numerical non-sta‑
tionary three-dimensional model of a convective cloud with parameterized de‑
scription  of  microphysical  processes  allowing  for  the  electrification  was 
developed by a scientific group from RosHydroMet Voeikov Main Geophysical 
Observatory. The spatio-temporal distribution of the main cloud characteristics, 
E. A. Mareev, V. N. Stasenko, A. A. Bulatov, S. O. Dementyeva, A. A. Evtushenko, N. V. Ilin, ...

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Atmospheric Electricity
including the volume charge density and the electric field, were estimated. The 
calculations showed that the electric structure of the cloud is different at various 
stages of its life, i. e., it varies from unipolar to dipolar and then to tripolar. These 
results are in a fair agreement with the field studies [30,31]. Numerical calcula‑
tions of the convective cloud formation during unstable atmospheric stratification 
and  in  the  presence  of  background  wind  were  performed  by  means  of  the 
three-dimensional  non-stationary  model  developed  in  RosHydroMet  High 
Mountain Geophysical Institute with detailed description of hydrodynamic, ther‑
modynamic, microphysical, and electric processes. The formation of the positive 
and negative volume electric charges was studied, and the electric field at various 
stages of cloud development was calculated with the help of this model. It was 
found that the precipitation particle growth time in an intense convective cloud 
decreases by 30% due to electric coagulation [32, 33]. A hazardous meteorolog‑
ical phenomenon, bora in Novorossiysk, was studied using the results of numer‑
ical  modelling  based  on  the WRF-ARW  mesoscale  atmospheric  model,  the 
SWAN model of wind waves and the observational data obtained during expe‑
ditions [34]. The WRF model proved to simulate bora qualitatively well; this fact 
shows that mesoscale atmospheric models could successfully reproduce such 
events.
Predicting lightning activity is important for different applications and fun‑
damental research. Nowadays in most cases indirect nonelectrical indices are 
used for such forecasts. However, this method, which considers thermodynamic 
and microphysical features of the convective cloud evolution, but does not in‑
clude non‑local interaction of electrical charged particles, is not capable to pre‑
dict lightning activity with high accuracy. Forecasts based on indirect indices 
depending on the parameterization of microphysical processes in the WRF mod‑
el were studied in papers [35, 36]. A new algorithm of predicting lightning ac‑
tivity was proposed on the basis of direct calculation of the electric potential and 
the electric field in thunderclouds with the help of the WRF model data [35–38]. 
The results yielded by this model were shown to be in accordance with the ex‑
perimental data concerning the electrical characteristics of thunderclouds. The 
simulation of real thunderstorms in Nizhny Novgorod region showed good cor‑
relation with the radar data.
Owing to an important role of lightning discharges in local and global electric 
phenomena in the Earth’s atmosphere, simulation of the fields and currents dur‑
ing a lightning discharge is a topical problem, important for both direct and in‑
verse electrodynamics problems. Researchers from the IAP RAS proposed a 
numerical model of large‑scale electrodynamics of a lightning discharge based 
on the complete set of Maxwell’s equations, which makes it possible to describe 
both the quasistatic and fast transient electric fields and currents in the atmos‑
phere  [39–41]. The  proposed  model  of  the  electromagnetic  response  of  the 

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