强风暴个例电荷结构及云闪放电差异的数值模拟

利用耦合电过程的冰粒子分档模式对长春地区两个降雹型和非降雹型强风暴个例的闪电特征进行了模拟和对比分析。结果表明,在雷暴云的初始发展期,由于上升气流较弱,两者电荷分布相似,均表现为弱的正偶极结构。随着云体不断发展,两者电荷分布开始表现出差异:降雹型个例中的上升气流较强,风切变较大,过冷水能被携带到较高的高度,冰相粒子也能被带到较高处或在较高处继续增长,使得不同区域均存在冰相粒子含量中心。因此,冰相粒子的发生范围不同、环境参数不同及荷电符号不同的非感应起电过程,形成多个电荷中心,电荷结构易出现多层分布。在不同的发展时期电荷结构均呈现出不同的形态,放电既可能在上升气流区触发,也可能在气流辐散区触发。相对而言,非降雹型个例中的上升气流较弱,风切变较小,冰相粒子的分布较规则,非感应起电过程较均匀,从而导致电荷分布始终较均匀。不同发展时期的电荷结构都相对有规则,满足放电条件的位置具有一定的相似性。     

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

不同地区雷暴电荷结构的模式计算

利用二维时变轴对称模式和实际探空资料 ,模式计算了南昌、兰州和昌都 3个地区雷暴云的电荷结构 ,并对形成机制进行了讨论。结果表明 :兰州地区雷暴的上升气流速度最大 ,雷暴发展最快 ;南昌地区雷暴次之 ;昌都地区雷暴最弱。南昌地区雷暴的持续时间最长。在雷暴的初始阶段 3个地区都存在雷暴下部次正电荷区 ,在雷暴的成熟阶段兰州地区在感应和非感应起电机制的共同作用下雷暴呈明显的 3极性电荷结构 ,南昌地区的雷暴主要在感应起电机制作用下形成偶极性电荷结构 ,而昌都地区的雷暴在非感应起电机制作用下形成偶极性电荷结构。 3个地区的雷暴负电荷区中心基本处于 - 1 0～ - 2 0℃的同一温度区内。中国北方地区的温度层结有利于形成 3极性电荷结构 ,且通过非感应起电机制来完成。     

雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究

利用一个三维时变双参数动力电耦合模式对决定雷暴云空间电荷结构的三个初始场：反转温度、中心最大扰动位温和扰动区域进行模拟对比研究。结果表明,选取不同的参数值,雷暴云电结构有很大差异,从而解释了在不同地区、季节、强度的雷暴云中所观测到得不同的空间电荷结构的原因。     

冰晶核化对雷暴云闪电行为影响的数值模拟研究

为了探讨冰晶核化对雷暴云闪电行为的影响,通过已有的三维对流云起、放电模式探讨对比了3种冰晶核化方案,分别为原模式中的经验公式YS方案及与气溶胶相关的DE方案和LP方案。研究表明冰晶核化方案对雷暴云内冰晶微物理发展特征、起电及放电过程均有一定影响。模拟结果显示:(1)考虑了气溶胶的两种新参数化方案中冰晶粒子在高温区(高于-13.8℃)出现,在雷暴云发展过程中DE方案和LP方案冰晶的垂直分布均大于YS方案。(2)DE方案和LP方案中高温区出现的冰晶所带电荷极性有明显的反转现象,导致雷暴云电荷结构产生差异;雷暴云发展旺盛时刻DE方案和LP方案出现三级性电荷结构,而YS方案在整个雷暴云过程都是偶极性,并且DE方案和LP方案中电荷空间分布区域更加广泛。(3)不同核化方案下雷暴云放电特征存在差异,YS方案在偶极性电荷结构背景下没有负地闪产生,而DE方案和LP方案中次正电荷区的存在促进了负地闪的发生,并且负先导出现在较低的高度范围内;DE方案和LP方案中电荷量级较大,因此云闪发生频次以及正、负先导传播次数增加明显。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。     

大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟

利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气,并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明：随着大气冰核浓度的增加,雷暴云发展提前,上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强,冰晶在高温区大量生成,而同质核化过程被抑制,因此冰晶整体含量降低,引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中,正极性非感应起电率逐渐减小,负极性非感应起电率逐渐增大。由于液态水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低,高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中,由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗,感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电,不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期,随着冰核浓度增加,空间电荷结构由三极性转变为复杂四极性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构,且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。     

雷暴微物理过程对电活动影响的数值模拟研究

在一维时变雷暴云起电放电模式的基础上,分别利用对流降水试验合作计划(CCOPE)和夏季雷暴放电与降水研究(STEPS)一次雷暴的实测探空资料进行了初步模拟,并通过敏感性试验研究了软雹垂直通量、地面温度和反转温度对雷暴云起电放电过程的影响.模式考虑的冰晶生成机制为Fletcher 和H-M冰晶生成机制.对比CCOPE和STEPS雷暴个例的模拟与观测结果,发现垂直电场正负极大值出现的位置与实测结果较接近,但电场极值差异较大,模拟结果明显大于实测结果.敏感性试验表明,当软雹垂直通量增加时,雷暴云首次放电时间降低,而单位时间内发生闪电的次数(闪频)随之增大.当地面温度较高时,雷暴云中负电荷的垂直厚度较小,雷暴云的正、负电荷最大密度较大.当反转温度较低时,冰晶所带负电荷的垂直范围较大.在敏感性试验中,当模式中地面温度为32℃,反转温度＜-26℃时,雷暴云出现反极性电荷结构.该模式能较直观地模拟雷暴发展过程中的电荷结构和电场时空分布等.     

吉林地区一次雷暴云个例电和云微物理特征的模拟分析

利用三维强风暴动力一电藕合数值模式, 结合闪电定位仪资料、雷达回波资料及降水资料,分析了吉林地区一次雷暴云个例在发生第一次闪电前云内电场的发展情况及微物理变化过程,并与青藏高原一次典型雷暴过程进行了对比.结果表明:云发展成熟时,云中呈现上正下负及云下部次正的三极性分布,主负电荷区稳定在-10℃层附近,次正电荷区浓度较大;上升气流穿过-15℃层之上开始强起电;云中最大电场出现在上升速度达到最大值后回落的阶段;闪电频数与云发展的高度及回波强度有关,回波强度＞45 dBz时,云发展越高,闪电频数越大,云顶高度＜6 km时,闪电发生较少;青藏高原雷暴具有与我国北方雷暴明显不同的特征.     

平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。     

六种非感应起电参数化方案对南京一次雷暴电荷结构的数值模拟分析

利用三维非静力中尺度数值模式Meso-NH中的六种非感应起电参数化方案,采用理想场模拟南京地区雷暴云不同阶段的电荷结构特征,重点分析了雷暴云发展期雪、霰电荷密度对电荷结构的影响,并将成熟期的电荷结构与观测资料比较。结果表明,在雷暴云发展期,电荷分布在上升气流内且高度较高,TAKAH方案为反偶极结构,GARDI方案为三极结构,SAUN、BSMP为反三极结构,SAP98方案为正偶极结构,HELFA方案呈多层结构。在成熟期,电荷分布高度降低,有正负电荷共存区产生。模拟结果中,雪与霰是主要的荷电载体,荷电量及极性与方案有关。雪的电荷密度对云顶的电荷密度影响较大,霰的电荷密度对中下层的电荷密度影响较大。成熟期的电荷结构与VHF宽带干涉仪和雷声联合定位结果对比,SAP98方案模拟结果更符合该次雷暴云电荷结构。     

耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式

利用耦合气溶胶模块的雷暴云起电新模式,结合SEET个例,对比分析了耦合气溶胶模块前后云内各水成物最大比含水量和空间电荷结构的时间演变,并初步探讨了气溶胶浓度和谱分布对雷暴云电荷总量的影响.结果表明,在250 m分辨率下,耦合气溶胶模块后对雷暴云中的动力和微物理过程仍具有较好的模拟能力.当气溶胶浓度增大时,雷暴云内电荷总量也随之增大,其中大核粒子对雷暴云电荷量的生成有相当大的贡献.     

通道感应电荷对放电活动特征的影响

为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响,利用已有的三维雷暴云起放电模式,结合2011年8月12日发生在南京地区一次典型的雷暴个例,通过控制倍数改变闪电通道感应电荷量进行大量敏感性试验。模拟结果表明:闪电通道感应电荷量对空间电荷结构分布和云闪通道长度有明显影响。通道感应电荷量增加,即空间异极性电荷堆增多,加大空间电荷结构复杂程度;云闪通道在发展过程中难以穿越与自身极性相同的电荷堆,导致短通道云闪频次增加。通道感应电荷累积总量相同,不同闪电通道感应电荷量下云闪频次与通道电荷平均累积量呈负相关,即通道感应电荷平均累积量增大,云闪频次减少。而地闪频次、类型与通道感应电荷量相关性不明显。     

新疆乌鲁木齐地区冬季层积云研究——一个例的观测结果与分析

通过分析两个乌鲁木齐冬季层积云个例的观测结果,初步揭示了它发生、发展和消亡各阶段的结构演变情况及云的宏、微观结构情况,得出了有关该种云的发生、发展及消散过程的一些概念模式。     

利用地面电场对中川地区一次雷暴过程电荷结构的研究

针对中国内陆高原地区雷暴多为孤立且尺度较小的特征,假定孤立雷暴在闪电发生前,当地面电场处于平稳状态时,云内的电荷区在水平方向上均匀分布,且只与垂直高度有关。根据云厚可将雷暴云在垂直方向上分为若干个厚度相等的区域,地面电场值即为雷暴云内多个水平均匀分布的电荷区域共同作用的结果。在此理论假设基础上,利用甘肃中川地区一次典型雷暴过程引起的多站地面电场观测资料,对该雷暴过程的电荷结构及其演变特征进行最小二乘法的拟合研究。结果表明,在雷暴发展演变过程中,其下部始终存在一范围和强度都较大的正电荷区,同时在雷暴云顶部存在强度较小的负电荷区,使得雷暴整体上呈四极性电荷结构。通过与雷达回波的对比,发现雷暴电荷中心与雷达强回波中心位置大体一致。     

气溶胶对云中水成物粒子荷电情况的影响

利用已有的二维雷暴云起电模式,加入气溶胶模块,建立一个完善的雷暴云起电模式.结合SEET个例,初步探讨了气溶胶浓度对雷暴云内各种水成物粒子荷电情况的影响.发现气溶胶的浓度与雷暴云内云滴、霰粒、冰雹以及雨滴等水成物粒子在空间所携带的最大电荷面密度值以及电荷量有很好的正相关性;同时气溶胶粒子浓度的增加使得雨滴在空间携带电荷量达到峰值的时间有一定提前.     

一例长生命史雷暴云分裂过程的回波特征

在对平凉冰雹云演变规律研究中,发现一例长生命史强雷暴云分裂成两个不同移动方向的单体雹云。结合探空资料和环境风场,分析了此个例强雷暴云分裂过程的回波特征。结果表明,在强风切变环境中,u与v分量呈反相关,且随高度增强,低层1～3km为弱气旋旋转,中层3～8km为强反气旋旋转,上层8km以上是强气旋旋转。这对右移雷暴云发展中有优势引导作用,导致强雷暴云上层偏向分离发展,分裂发生在强雹暴云有强下沉气流阶段。分裂后,左、右移单体各自维持发展,并产生降雹。整个雷暴发展演变过程维持长生命期,回波特征有四个不同阶段。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

青藏高原雷暴电荷结构特征及成因的数值模拟研究

利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过对青藏高原地区2003年8月13日一次雷暴过程进行模拟,分析了高原雷暴的电荷结构特征并从微物理角度讨论了其主要形成原因。结果表明,高原雷暴以三极性结构为主,在消散阶段电荷结构转变为偶极性,结构整体电荷密度较小,主正电荷区与主负电荷区深厚,下部次正电荷区范围较大,持续时间较长。其中三极性结构主要是由于云内冰相粒子通过非感应起电机制作用形成;后期偶极性构是由霰粒子下落固态降水的增强导致。云内暖云区厚度较小,混合相区域内有效液态水含量较高,对流层顶较低,导致冰晶、雪所在的高度更低,与霰、雹这样的大粒子重合的区域更大,形成了下部范围较大持续时间较长的正电荷区。     

基于通道差异及云指数法的西藏雷暴卫星云图特征分析

利用2006-2008年间我国风云-2C（FY-2C）卫星资料和西藏39个测站的雷暴观测资料,采用通道差异及云指数法对西藏地区雷暴在FY-2C云图上的特征进行了分析。结果表明,西藏不同地区雷暴在FY-2C卫星不同通道云图上存在差异。总体而言,雷暴发生时,雷暴云的红外云顶亮温值一般介于-63～-13℃之间,较东南沿海地区...