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。     

对流强度对雷暴云微物理发展和电荷结构影响的数值模拟

为了探讨对流强度大小对雷暴云内微物理发展和起电过程的影响,基于已有的二维积云起、放电模式,改变其扰动温度进行敏感性试验。试验结果表明:对流强度对雷暴云内微物理过程、起电率及后续电荷结构的产生均有一定程度的影响:1）对流强度较小时,冰晶粒子极大值在高温区（高于-13.8℃）出现,对流强度较大时,上升风明显增强,将更多的水汽带入高空,气溶胶活化过程明显增强,使得云滴粒子明显增多,冰晶粒子较早产生,冰晶粒子极大值在低温区（低于-13.8℃）出现,发展过程更为剧烈;同时,较高的对流强度也使得降雨量增多,霰粒子数目也在对流发展旺盛时期显著增多。2）非感应起电率主要和冰晶-霰的碰并分离过程有关,对流强度较大时,非感应起电率较大,电荷结构持续时间较长,过程明显,感应起电率也较强。3）对流强度较大时,电荷结构更为复杂,雷暴云发展初期基本呈现为三极性,发展旺盛时期底部正电荷区域嵌入一个较小的负电荷区,呈现四极性电荷结构,雷暴云发展末期基本呈现偶极性电荷结构;对流强度较小时,发展初期、旺盛时期均呈现三极性电荷结构,发展末期呈现偶极性电荷结构。     

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.     

气溶胶对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟

将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。     

气溶胶对雷暴云起电以及闪电发生率影响的数值模拟

本文利用二维耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式,结合一次南京雷暴个例,进行250 m分辨率雷暴云起电模拟实验,探讨了气溶胶浓度对雷暴云空间电荷分布以及闪电发生率的影响。在这个气溶胶模块中,假定一个三模态的气溶胶对数分布,考虑了气溶胶活化过程。结果显示:(1)随着气溶胶浓度增大,雷暴云电荷结构保持为三极型。(2)当气溶胶浓度从50 cm-3增加至1000 cm-3时,水成物粒子浓度上升,雷暴云电荷量和闪电发生率增加明显。(3)气溶胶浓度在1000~3000 cm-3范围时,云水竞争限制了冰晶的增长,导致雷暴云上部主正电荷堆电荷量降低。云滴和霰粒子浓度缓慢上升促进中部主负电荷堆和底部次正电荷堆电荷量继续增大。闪电发生率保持稳定。(4)当气溶胶浓度大于3000 cm-3时,水成物粒子浓度稳定,云内的电荷量以及闪电发生率保持为一定量级。     

播撒金属丝对雷暴云电结构影响模拟研究

利用积云动力一起电二维轴对称模式,模拟分析了雷暴不同发展阶段在云中上升气流速度最大区播撒金属丝对雷暴云电结构的总体影响。通过与未播撒模拟结果相比较,发现各种降水粒子的荷电率及电场强度都有所减小,这种减小在雷暴发展的成熟阶段尤为明显,雷暴云内的扩散、电导和感应起电机制作用减弱。通过不同播撒位置和播撒率的敏感性试验得到,在云中强上升所泫区播撒对垂直电场的抑制效果比在云底和云顶更好,不同的播撒率引起的电     

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。     

初始扰动对积云发生发展影响的数值模拟

利用完全弹性三维冰雹云模式,模拟研究了初始扰动对积云发生发展的影响。模拟结果表明,对流发生层结条件满足的情况下,不同初始扰动会导致云不同的发生发展。扰动中心位温偏差大小适当,仅增加扰动厚度或降低扰动中心高度均能使积云发展更快、强度更大;适当减小水平扰动半径能促使积云提前发展,但会导致对流强度减弱;而增大扰动中心位温偏差,不但能增加对流强度,还能促使积云提前发展。     

青海和北京地区不同个例雷暴云电荷结构特征差异的数值模拟分析

利用加入起电、放电参数化方案的数值模式[Weather Research and Forecasting Model(Version3.7.1),WRF3.7.1＿ELEC],分别对发生在青藏高原东北部青海大通地区和华北地区北京西部山区的两次雷暴过程进行模拟研究,对比分析两个不同地区雷暴个例的电荷结构特征差异及原因。结果表明：对发生在两个地区的雷暴个例,模式均能够较好地模拟出雷暴的移动方向、回波强度以及形状的变化特征。对比两个个例不同发展阶段雷暴云电荷结构可以看出,除了在发展旺盛阶段两个地区的雷暴云电荷结构自下而上均为“+-+-”的四层结构,在发展初始阶段和消亡阶段,两个地区雷暴云电荷结构明显不同。造成两个雷暴个例在雷暴云初始和消亡阶段电荷分布差异的主要原因是云中霰粒子混合比和有效液态水含量的差异。     

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。     

广东一次飑线过程中一个雷暴单体成熟阶段的电荷结构演变特征的数值模拟

为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。      

雷暴云宏观特性对其电过程影响的数值模拟研究

利用一维雷暴云起电放电模式,初步模拟了STEPS(夏季雷暴降水与闪电研究计划)一次雷暴个例的一些基本电学特性。模拟的电荷结构为:雷暴云上部为正电荷,下部为负电荷,即符合典型雷暴云的偶极性电场分布特征,放电层电场随时间变化规律呈锯齿状分布。在此基础上,对云底高度和温度垂直递减率进行了敏感性试验,研究这两种因子对雷暴电过程的影响。结果表明:当云底高度降低时,放电高度升高,闪电频数增加,首次放电时间随之提前,即放电过程变强。温度垂直递减率增大,闪电频数降低,首次放电时间随之延后,正负电荷的分布范围减小。     

Inverted-polarity electrical structures in thunderstorms in the Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study (STEPS)

Balloon-borne electric field soundings and lightning mapping data have been analyzed for three of the storms that occurred in the Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study field program in 2000 to determine if the storms had inverted-polarity electrical structures. The polarities of all or some of the vertically stacked charge regions in such storms are opposite to the polarities observed at comparable heights in normal storms. Analyses compared the charge structures inferred from electric field soundings in the storms with charges inferred from three-dimensional lightning mapping data. Charge structures were inferred from electric field profiles by combining the one-dimensional approximation of Gauss's law with additional information from three-dimensional patterns in the electric field vectors. The three different ways of inferring the charge structure in the storms were found to complement each other and to be consistent overall. Charge deposition by lightning possibly occurred and increased the charge complexity of one of the storms.Many of the cloud flashes in each case were inverted-polarity flashes. Two storms produced ground flash activity comprised predominantly of positive ground flashes. One storm, which was an isolated thunderstorm, produced inverted-polarity cloud flashes, but no flashes to ground. The positive and negative thunderstorm charge regions were found at altitudes where, respectively, negative and positive charge would be found in normal-polarity storms. Thus, we conclude that these storms had anomalous and inverted-polarity electrical structures. Collectively, these three cases (along with the limited cases in the refereed literature) provide additional evidence that thunderstorms can have inverted-polarity electrical structures.     

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。     

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。     

闪电宽带电场三维定位及其回波特征

利用自制闪电宽带电场三维定位系统, 分析了山东地区一次雷暴过程闪电三维时空结构。结果表明, 在云内击穿放电整个时间序列中, 辐射源空间分布（对应强电场区分布）呈现明显的三极性分层电荷结构, 并分布在3个高度层次： 6~8 km为上部正电荷区, 4~6 km为中部负电荷, 2.5~4 km为下部次正电荷区。云内放电首先出现在中部负电荷区, 然后产生向上发展的负流光进入上部正电荷区传输, 形成向上发展的云闪; 随着雷暴发展, 产生向下发展的负流光进入下部次正电荷区, 形成向下发展的云闪, 且能维持到雷暴发展后期。结合雷达回波分析表明, 雷达回波的强度影响着闪电活动, 强回波区的增加会使得强电场区域增加, 但是强电场区域并不与最强回波区域对应, 除下部正电荷区的底部会有部分辐射源出现在回波强度为40~50 dBz的区域中以外, 大多数的辐射源出现在25~35 dBz的中等回波区范围内, 强回波区域中通常较少出现击穿放电。     

不同水汽条件下气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

为全面了解水汽在气溶胶影响雷暴云电过程中的作用,本研究在已有的二维雷暴云起、放电模式基础上,通过改变相对湿度和气溶胶初始浓度（文中气溶胶浓度均指气溶胶数浓度）进行敏感性数值模拟试验。结果表明:（1）随着气溶胶浓度升高,雷暴云产生更多的小云滴,降水过程受到抑制。而当水汽含量升高时,云滴数浓度的增长速度更快,雨滴数浓度升高,缓解了降水变弱的趋势。（2）水汽含量较低时,随着气溶胶浓度升高,更多小云滴被带入冻结层形成大量小冰晶,霰粒含量升高,雷暴云起电过程增强。气溶胶浓度升高至一定的量级（3000 cm?3）时,冰晶尺度减小和雨滴浓度降低抑制霰粒生长,雷暴云起电过程受到削弱。感应起电和非感应起电过程随气溶胶浓度升高呈先增强后减弱的趋势。水汽含量的升高促进了冰相粒子的增长,起电过程呈现持续增强的趋势,气溶胶浓度为3000 cm?3时起电率达到极值,电荷密度的增幅扩大。（3）水汽含量较低时,雷暴云难以发展成深厚的系统,气溶胶浓度变化对其影响不明显,电荷结构由三极性发展,在消散期演变为偶极性电荷结构;水汽含量较高时,雷暴云迅速发展成深厚的系统,随着气溶胶浓度升高,在雷暴发展旺盛阶段电荷分布表现为多层复杂结构。研究显示水汽含量在气溶胶浓度变化对雷暴云微物理、起电过程及电荷结构的作用中扮演重要角色。