三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅱ:电结构形成机制

文中利用文献[1]所建立的三维强风暴动力-电耦合模式模拟研究了CCOPE(Cooperative Convective Precipitation Experiment)计划1981年7月19日的一次强雷暴过程,分析了该雷暴云中电结构的时空演变特征和形成机制,讨论了起电、降水和对流三者间的相互关系.结果表明,感应和非感应起电机制是雷暴云电结构形成的主要机制,冰相物的出现大大增强了雷暴中的起电过程.雷暴云中最大电场出现的时间与最大固态降水强度的出现基本同时,但比最大液态降水强度和最大上升速度出现的时间略有滞后,云中最大上升速度与最大液态降水强度基本同时出现.云中最大电场出现的时段正好是最大上升速度达到最大值后回落的阶段.雷暴云中起电活动的强弱还受云中微物理过程的发展和冰相物出现时间的影响,对流运动与起电过程的关系主要体现在对流运动影响着云中的凝结和冻结过程,从而与冰相物出现的时间有关.而仅仅依靠对流运动对正负离子的输送机制不可能产生云中接近放电的临界电场.     

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     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究北大核心CSCD

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)>5 m·s^(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W>5 m·s^(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|>0.1 nC·m^(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)>5m·s^(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s^(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|>0.5 nC·m^(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W<20 m·s^(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

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。     

大气环境层结对闪电活动影响的模拟研究

利用一个二维面对称雷暴云起电、放电模式,选取了北京地区3次雷暴过程的环境层结,计算并讨论了不同层结条件下雷暴中动力、微物理过程及其对起电、放电活动的影响。结果表明,上升速度和水汽条件是影响雷暴动力、微物理过程和闪电活动的最重要因子。上升速度的大小决定了雷暴发展到成熟的时间和雷暴的强弱,较强的上升气流有利于雷暴云在较短时间内达到较大的高度。而持续的上升气流和充足的水汽有利于雷暴的成熟期延长从而增强闪电活动。较强的上升速度和充足的水汽可以产生更多的对闪电起电、放电有直接影响的冰相物并能使其持续生成,从而形成较大的电荷浓度。较强的上升速度和不利的水汽条件也可以在某时形成较大的冰相物浓度,但冰相物难以持续生成。而较弱的上升速度和充足的水汽则容易形成暖云过程,对冰相物的生成也有不利影响。上升速度和水汽相互影响,又共同受到环境层结的支配。大气低层潮湿、中层湿度适中,较大的不稳定能量和一定量的对流抑制能量将有利于强闪电活动的发生。表现在大气不稳定参数的取值上,对流性稳定度指数的值小于-10℃(负值表示不稳定),对流有效位能值在1000 J/kg以上,对流抑制能量大于40 J/kg,700 hPa相当位温在340 K以上,700—400 hPa中层平均湿度在35%—85%,有利于强闪电活动的发生。     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)5 m·s~(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W5 m·s~(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|0.1 nC·m~(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)5m·s~(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s~(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|0.5 nC·m~(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W20 m·s~(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

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。     

大气冰核谱对雷暴云微物理过程及起电影响的数值模拟

利用已有的二维对流云模式,讨论了三种不同的冰核谱对雷暴云微物理、起电及电荷结构的影响。模拟结果表明:(1)不同的冰核谱环境对雷暴云中冰相粒子的含量及分布具有明显作用。冰核谱的垂直温区越大,产生的冰相粒子分布越广。在冰核浓度较大的个例中,冰晶和霰粒子的含量高,更多的小冰相粒子出现在海拔更高的区域;(2)高温区冰核的数量会对上升气流速度产生显著影响。高温区的冰核越多,冰相粒子在微物理发展过程中释放的潜热越多,上升气流强,对流发展越旺盛;(3)在低温区冰晶浓度高的谱环境个例中,雷暴云中的非感应起电率和感应起电率高,导致起电量增加。高温区冰核多的谱环境,大量冰晶和霰获得正电荷形成次正电荷区,电荷结构呈现三极性;而高温区冰核少的谱环境,参与起电的水成物粒子少,易形成偶极性电荷结构。     

东北冷涡引发的强雷暴个例分析

2013年6月3日辽宁省境内出现剧烈的雷电活动,在17 h内观测到落雷14 103次。使用静止卫星和多普勒雷达探测数据显示雷暴系统的发展特征,计算了该过程中辽宁省境内单位面积落雷密度,并对雷暴的生成环境和WRF-3.5.1模拟的雷暴云中冰晶、霰和雨滴等粒子数浓度的空间分布状态进行了探讨。结果表明:低空急流为雷暴过程的发展输送暖湿空气,形成强烈的对流运动;高空急流右侧和右前侧的下沉干冷空气进入0~-20℃雷暴云起电层区域,东北冷涡高低空急流形成的强垂直风切变造成雷暴云体上下出现较大角度的倾斜,高频次负地闪的发生与雷暴云体倾斜造成的特定电场结构有关;负主电荷积累区域和落雷区出现在上升气流较弱的带负电粒子沉降区域。     

雷暴对流起电机制理论分析

本文用一维分层模式理论分析了地面降雨、尖端放电、对流运动以及云外电导率变化对雷暴电结构的影响。分析指出,云内对流强度明显地影响着雷暴电结构,强烈的地面降雨和尖端放电可使地面电场强度显著减小,甚至极性翻转。闪电和云顶附近的下沉气流是维持雷暴向上提供充电电流的重要条件。在雷暴中,对流起电机制是一个不可忽略的重要过程。     

Charge structure of a summer thunderstorm in North China: Simulation using a Regional Atmospheric Model System

Electrification and simple discharge schemes are coupled into a 3D Regional Atmospheric Model System （RAMS） as microphysical parameterizations, in accordance with electrical experiment results. The dynamics, microphysics, and electrifi- cation components are fully integrated into the RAMS model, and the inductive and non-inductive electrification mechanisms are considered in the charging process. The results indicate that the thunderstorm mainly had a normal tripole charge structure. The simulated charge structure and lightning frequency are basically consistent with observations of the lightning radiation source distribution. The non-inductive charging mechanism contributed to the electrification during the whole lifetime of the thunderstorm, while the inductive electrification mechanism played a significant role in the development period and the mature stage when the electric field reached a large value. The charge structure in the convective region and the rearward region are analyzed, showing that the charge density in the convective region was double that in the rearward region.     

冰晶异质核化对雷暴云电过程影响的数值模拟

引入一种新型冰晶异质核化方案, 基于二维雷暴云模式, 探讨雷暴云电过程对三种异质核化的响应。结果表明: 浸润核化是冰晶生成的最重要异质核化过程, 较高数浓度的冰晶消耗雷暴云内液态水含量, 抑制淞附过程, 导致霰粒子比含水量低, 表现为较强的负极性非感应起电率; 接触核化生成的冰晶量最少, 仅对雷暴云中下层3~5 km处的冰晶有贡献, 同时霰粒子数浓度较低, 导致该方案下的起电过程最弱; 沉积核化主要影响云砧处的冰晶, 有利于提高霰收集云滴的效率, 表现为极高的霰比含水量, 促进低温区非感应起电过程的发生。总体上来看, 三个方案下的电荷结构均由较复杂的多极性发展为偶极性。其中浸润方案中主正电荷区的抬升最明显, 而接触方案过低的冰晶分布高度与沉积方案过高的冰晶分布高度, 都直接导致了次正电荷区更快消散。      

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远？本文对此进行了尝试, 即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式, 在只采用常规气象观测资料的条件下, 对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验, 分析了雷暴云的宏观动力、 微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明: 利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场, 完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展, 高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、 垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展; 用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生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, 得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂, 更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性, 同时, 模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪, 且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合, 从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中, 水物质霰的最大质量比、 最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。     

长春地区对流云起电过程的数值模拟

在三维强风暴动力和电耦合数值模式的基础上,考虑了粒子直径及降落末速差对转移电荷的影响,把非感应起电参数化方案作了进一步改进,对长春地区两次不同强度、不同环境风切变的对流云内电荷累积和电场发展过程进行了模拟分析。结果表明,对流云上升气流达到极大值时,较强和较弱两块云分别具有三极性和反偶极性电荷分布结构。垂直上升气流是表明电场发展强弱的重要参量。对发展强烈的对流云,较强的上升气流使霰和冰晶在云体的中上部维持较长的时间．存在感应和非感应起电的跃增。     

一次梅雨锋气旋波雷暴天气生成的剖析

本文利用常规观测资料，并采用滤波方法，仔细地分析了１９８０年６月２４日一次江淮气旋中发生物强对流性质的暴雨天气。分析表明，强对流性质的暴雨天气之所发发生，是由于低层的西南风急流轴与Ｔｄ的湿舌轴重合，极有利于水汽的不断输送，８５０－７００ｈＰａ之间较长时间对流不稳定居存在，雷暴区又正好与Ｓ〈０的对称不稳定区重合，对称不稳定产生了倾斜对流，使雷暴天气得以维持；     

雷达资料时间循环同化应用于闪电落区等研究初探

为研究夏季雷暴天气条件下的对流、降水、闪电的发展过程,有效使用高时空分辨率的遥感手段,如多普勒雷达、闪电定位仪等,利用中尺度数值模式ARPS及敏感的数据同化系统ADAS将VCP21模式下每6 min一次的雷达基数据资料进行时间循环同化,模拟得到相对可靠的三维空间、每10 min输出一次的对流云初步性态描述信息;进而结合目前公认的感应及非感应起电机制,通过云中电场强度与同化得到的云内相态模拟资料之间粗略微分关系,设定放电阈值,初步得到放电主要落点等信息;把本次模拟结果与江苏省闪电定位系统(LLS)实测资料做了对比,发现二者具有一定的可比性:(1)实测30 min内共有78次闪电,感应起电机制下共模拟出40次,非感应起电下有76次且首发时间较早。这也说明了非感应起电机制更易于雷暴云内电荷的衍生;(2)30 min内两种机制下模拟得到雷电发生的主要位置差别不大,和实测基本一致。     

Contribution of the ground corona ions to the convective charging mechanism

The convective charging mechanism of thunderclouds is based on the vertical transport of space charge generated by corona from ground irregularities under the influence of the surface electric field. The present work estimates the amount of charge which is expected to reach cloud base by conduction and convection processes during the lifetime of a thunderstorm. This estimate is made using the numerical model PICASSO, previously designed to characterize the evolution of this corona space charge between ground level and cloud base. Experimentally determined values of surface electric field are introduced into the model in order to initiate the computation. These values are based on six events documented during four different field experiments carried out in Florida and in France. As an upper limit, the convective transport is uniformly applied as a linearly increasing vertical air speed profile and competes with the conductive transport. The fraction of the positive charge generated at the surface by corona which finally reaches the upper limit of the layer varies between 26 and 86%, essentially depending on the electric field evolution at altitude. Assuming that the vertical transport conditions remain the same over an area of 10 km×10 km, the overall charge amount can be roughly estimated. It ranges between about 63 and over 300 C. Because the present assumptions probably lead to an overestimate of these amounts, such a range suggests that the convective charging mechanism is unlikely to be able to account for the major electrification process of the thundercloud. However, it could be considered as a relevant mechanism contributing to the lower positive charge center of the thundercloud, often observed close to cloud base.     

海南文昌地区夏季雷暴地面电场观测及分析

为了了解海南文昌地区雷暴电环境的基本特征,利用安装于距地面3.5 m 楼顶的大气电场仪和雨量资料,分析了文昌夏季阵性降水对应不同类型的电场特征、单体雷暴活动电场演变规律及降水和闪电之间的关系。通过分析发现过观测场顶部无闪电的阵性降水过程地面电场极值较小,电场和降水基本呈现反向同步的变化特征。过顶单体雷暴在闪电发生前,地面电场提前产生扰动,明显的扰动一般提前于电场过零点约15～30 分钟,第1 次闪电发生一般提前于降水20～30 分钟。统计多次较强单体雷暴过程发现,阵性降水之前和降水过程中闪电比较密集,降水后期闪电较少发生,降水强度和闪电频次有一定的正比例关系。典型单体雷暴进入衰退期电场变化呈现出较为明显的阻尼振荡(EOSO)。