利用极化起电机制模拟闪电之后的电场恢复

本文利用极化起电机制,数值模拟一个电单体闪电之后的电场恢复。经分析发现雷雨云的闪电频数通常都小于25次/5分,而冰雹云却相反。因此,如果假定极化起电机制是形成云内强电场的主要过程,那么,25次/5分的单体闪电频数可作为区分雷雨云和冰雹云的一个指标。 计算指出,高于350次/5分的闪电频数多出现于低电晕触发临界电场和高冰晶浓度的情况下,此时,云内扰动激烈,液态含水量较低,所以成雹较少。计算又指出,闪电之后的电场呈线性恢复,而且变化幅度不大。     

雷雨云极化降水起电机制的一种计算

本文用一个与时间有关的数值模式,采用极化降水起电机制,模拟雷暴和雹暴中电场增长过程。 计算结果指出,冰雹碰撞冰晶起电率最高,在2—26毫米/时降雹强度形成后约200—750秒内能够产生触发闪电电场,最大电场甚至可达7000伏/厘米。雨滴碰撞云滴起电较弱,但若有足够的起电时间(500—1700秒),也能产生4000伏/厘米左右的电场。产生足以触发闪电电场的临界降雨率是3毫米/时,和实测相符。冰雹碰撞云滴起电,在云滴浓度较高时,有较大起电率。 不同的云滴浓度,可以有差异很大的起电结果。较低的云滴浓度,即便有很强的降雨率也不能产生闪电,这也符合观测结果。 在云中达到的实际最大电场约为4000伏/厘米时,降水元仍有很大降落速度,并不悬浮。电场力对电场增长的抑制作用以及小冰晶的反向电流作用可以忽略。计算得到的单个雹粒电荷量约为-100—-400微微库仑(2—3毫米半径),雨滴电荷为-3—-10微微库仑(0.8毫米半径),和飞机实测结果相符。 云体初始电状态可以改变达到最大电场值的时间,而对电场值影响很小。     

雷雨云下部正电荷中心产生的电场

人们对雷云下部局部的正电荷区迄今还了解得不多。本文介绍的是1985年夏季在甘肃东乡地区一次雷暴过顶时地面电场、降水、电晕电流以及闪电活动的一些特征。观测与分析表明地面上强而持续的正电场是由云下部的正电荷区所产生的,而电场由负到正及由正到负过渡时的快速变化率主要是从云底下落的带正电的雨滴群的贡献。在地面正电场控制时较强的降水及频繁的闪电表明,云中有一种强而有力的、与降水形成有关的起电机制在起作用。它使雨滴带上正电荷并维持云下部正电荷区历久不衰。本文所介绍的雷云下部的正电荷区在时间、空间的尺度上以及形成原因方面与Holden等人(1980)和Marshall等人(1982)所报导的结果颇为不同。     

长春地区雷暴云起电活动的数值模拟研究

利用三维强风暴动力-电藕合数值模式,并结合观测资料分析了长春地区一例雷暴云第一次闪电前云内电场的发展情况及微物理变化过程。结果表明：云发展成熟时,云中电荷呈三极性分布,主负电荷区稳定在-10℃层附近,次正电荷区浓度较大;闪电频数与云发展的高度及回波强度有关。     

昭苏雹块的微结构研究

冰雹云的微结构,对于研究冰雹增长的机制是十分重要的.但是由于直接进入雹云内部进行观测非常困难,所以目前主要通过遥感技术和冰雹样品的切片分析,推断雹云内部的微观结构和成雹机制. 众所周知,冰雹是从冰雹云中降落下来的固态降水物.不同的冰雹云类型,不同的增长过程,具有不同的微观结构.因此研究冰雹样品,有助于我们认识冰雹在云中的形成和增长过程,这对于人工防雹研究和作业设计具有实际意义.     

液态水含量和冰晶浓度对闪电频数影响的数值模拟研究

假定在软雹和冰晶碰撞的非感应起电机制为主要的起电机制成立的条件下，数值模拟研究了国际上公认的Fletcher和H—M冰晶产生机制以及云中的液态水含量对雷暴云放电过程（区分了云闪和地闪）的影响。结果表明，随着气压和温度的变化，在两种冰晶产生机制假定下，冰晶浓度分布有很大差异，这直接导致了雷暴云内电活动的差异。液态水含量的增加将使得首次放电时间延迟，同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少。     

湖北地区一次雷暴云电荷结构和放电特征的数值模拟研究

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入非感应起电参数化方案、感应起电参数化方案以及放电参数化方案,对湖北宜昌2014年6月19日一次闪电过程中雷暴云电荷结构和放电特征进行了模拟分析。模拟结果表明,当云内粒子增多、增大,大部分霰粒子逐渐降落到中低层,上部正电荷区减小,底部正电荷堆范围开始扩大,中部负电荷区和底部正电荷区成为主要的起电区域,这种底部正电荷区较厚的三极性电荷结构不利于地闪的产生。在粒子带电分析中,霰与冰晶粒子携带的电荷量均大于云滴,说明霰与冰晶之间非感应碰撞是云中主要的起电过程。虽然云滴的电荷量较小,但霰与云滴之间感应碰撞的作用不可忽视。结合电荷结构的分布,发现底部正电荷堆的垂直分布高度与霰粒子、云滴的电荷浓度的分布有关,且霰与云滴电荷浓度的累积区与底部正电荷堆相一致。     

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。     

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.     

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。      

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。     

两次华北冷涡过程雹云结构特征及AgI催化效果数值研究

用三维完全弹性非静力平衡雹云模式模拟了不同低涡雹云演变特征和人工引晶催化效果,结果表明:冷涡雹云中不存在大量的过冷雨滴,过冷水几乎是由云滴组成的,雹胚形成以云霰转化为主,由冰相过程形成降水粒子。近地面有薄逆温层云体,云底温度高,云中垂直运动强,云中过冷云水含量增长迅速且丰富。在雹云主要上升气流到达的过冷水含量大值区下方和过冷水大值区中心部位分别一次引进×107/kg碘化银粒子进行大剂量催化试验,碘化银主要以凝结-冻结方式核化成冰,雹胚浓度增加,雹胚过多争食抑制冰雹增长,使得冰雹直径明显减小。     

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。     

西昌一次降雹过程的数值模拟研究

利用三维冰雹云模式,对2013年4月29日四川西昌的一次降雹过程进行了数值模拟。模拟结果显示:该例冰雹云存在过冷雨水累积带;霰是冰雹的主要胚胎,雹块主要通过撞冻云水增长,其次是撞冻霰增长;模拟区域内液态降水量和固态降水量分别占地面总降水量的52%和48%,冰雹占固态降水94%;通过对该例雹云中冰晶、雪、霰、冻滴的微物理过程分析发现,在雹云发展的不同阶段,冰雹的形成机制不同。     

华北积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程的飞机探测研究

利用中国国家科技支撑计划重点项目环北京地区3架飞机联合云探测试验数据,分析了2009年4月18日和5月1日两次积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程。结果表明：飞机在0—-16℃范围的云层内观测到的冰晶形状主要包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状。云中低层的冰晶形状受云顶温度影响,云顶温度不同,冰晶形状不同,当云顶温度高于-8℃时,云中低层的冰晶以板状和针柱状为主;当云顶温度低于-13℃时,在云中低层可观测到辐枝状冰晶;当云顶温度低于-18℃时,在云中低层可观测到柱帽状冰晶。同时冰晶形态还受其所处云中位置的影响,在积层混合云中的嵌入对流区含有更多的凇附状冰晶;在融化层以上,冰晶的增长过程主要包括凝华、凇附和聚合过程,在垂直方向上,随着高度降低云中过冷水增多,冰晶的凇附增长也相应增强。积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别,在4.8—4.2 km（-11.6—-8℃）高度层,对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km,而层云区为3.67 mm/km,层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区;而在4.2—3.6 km（-8—-5℃）高度层,对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km,层云区为2.33 mm/km,对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍,主要原因是对流区低层的过冷水含量较高。     

贵州地区冰雹云微物理过程及发展机制数值模拟研究

为了进一步探究贵州地区冰雹云的形成、发展机制和冰雹增长的微物理转化条件,运用三维冰雹云模式对该地区2012—2015年12个冰雹个例进行数值模拟研究,结果发现:各种水成物有利的空间分布是雹粒增长的物质基础,且上升气流与水汽相变之间存在一个正反馈效应,冰雹粒子主要以霰粒子为胚胎进行增长,增长方式以霰自动转化成雹为主。在再生冰雹云发展过程中,雹云首次发展过程结束时,高空仍维持4 km及以下很低的0℃层高度,是再生冰雹云发展的热力环境条件。降雹区地面气流辐散,导致两侧区域形成较强的气流辐合上升,是再生冰雹云发展的动力条件。气流在辐合的同时,又使原降雹区的水汽源源不断地向两侧气流辐合区汇合,是再生冰雹云发展的水汽来源。冰雹云中冰晶和霰粒子含量的迅速增加,为冰雹的再次增长提供了有利的微物理物质转化条件。     

慕尼黑一次混合型雹暴的数值模拟与成雹机制

利用三维冰雹云模式，对发生在德国南部慕尼黑的一次混合型雹暴进行了数值模拟，模拟云的雷达回波结构、过冷雨水区特征与实际雷达观测的分析结果比较一致。模拟结果表明: 该例雹云中冰雹胚胎既有冻滴也有霰，二者在数量上相当; 虽然雹云中不存在过冷雨水累积带，但在主上升气流区周围存在过冷雨水区，过冷雨水对冰雹的形成起着重要作用; 在雹云发展的不同阶段，冰雹的形成机制也不相同。     

冰雹过程中闪电演变和雷达回波特征的综合分析

应用闪电定位网的资料和多普勒雷达资料,分析西北地区的降雹过程,详细讨论了2004年5月15日发生在兰州皋兰的一次降雹雷雨云的闪电演变、雷达回波特征和云特定参数之间的相互关系,对此雷雨云的闪电机制和电结构进行了分析推断。在皋兰产生降雹的个例分析表明,云中液态水含量是否出现高值区,是识别降雹开始的重要因子。在雷雨云移动路径上,总闪和云闪为线状分布,地闪集中分布在降雹区,云闪最多,地闪中绝大多数为负闪。综合计算降雹时段云参数分析表明,云中降水率和含水量对产生闪电相对敏感,推断这次雷雨云的电结构可能属于上正下负的偶极子型。     

云中闪电及云下部正电荷的初步分析

1986年夏季,我们在兰州中川机场附近对雷暴过程中的闪电进行了3站电场、电场变化及声光差的同步观测。本文定量分析了8月3日和4日两次雷暴过程中的7个云闪放电。结果表明,除一个为云中负电荷区和其上部正电荷区之间的放电外,其余都是负电荷区和云下部范围很大的正电荷区之间的放电。放电中心在海拔高度为3.8—6km之间(对应环境温度为7.6—-13.5℃),中和电矩约18—48Ckm。云下部的这种放电现象在文献中还很少见报道。     

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。