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.     

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。     

拉萨一次热力雷暴的结构特征及数值模拟

利用三维对流风暴云模式对拉萨地区的一次热力雷暴进行了数值模拟和结构特征分析,结果表明,该模式较好地模拟出了此次高原地区热力雷暴在发生、成熟、消亡阶段的结构特征。热力雷暴发生阶段上升气流较小,成熟阶段热力雷暴的总水汽混合比最大,上升速度也达到最大值,随后热力雷暴单体不断下降,进入消亡阶段。热力雷暴的水成物粒子(冰晶、雪、霰和雹粒子)中,以冰晶粒子为主,整体生成量最高,但在热力雷暴初期阶段,以霰粒子为主,热力雷暴水汽含量偏少,出现在日最高温度之后,有着高原热力雷暴的独特特征。热力雷暴风场结构表现为低层辐合、高层辐散。高原热力雷暴的不稳定能量较小,午后热力扰动是主要的触发机制。     

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。     

高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验

为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。     

雹云中与冰相有关的起电机制

本文从近代大量观测事实,尤其是七十年代发现的次生冰晶(Secondaryice)现象出发,利用与降水有关的极化和非极化机制,根据实际观测雹云中降水强度计算电场增长。讨论极化电中性面下移、多次碰撞以及由于冰表面电导率较低而表征极化电荷转移时间较长等对起电的抑制。计算指出,对于较强的雹云,这些抑制较弱,电场可达击穿值。 计算还指出:当雹云中出现次生冰晶,表面电位差机制和次生冰晶起电可以在比极化机制更短的时间内,电场增长到4000v/cm。对于强雹云,极化和表面电位差机制是优势起电机制,云下部次正电荷区是次生冰晶起电所致。对于弱雹云,次生冰晶起电是优势机制,这类云没有次正电荷区。     

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。     

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。     

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。     

雷暴起电和放电物理过程在WRF模式中的耦合及初步检验

本文将雷暴云的起电、放电物理过程引入中尺度的WRF (Weather Research and Forecasting)模式,并对超级单体和飑线过程进行了模拟研究.起电过程在Milbrandt双参数微物理方案中写入,包含霰、雹与冰晶、雪之间的非感应起电机制,以及霰、雹与云滴之间的感应起电机制.放电参数化方案只考虑了闪电...     

云凝结核浓度对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文将非感应起电机制耦合到WRF中尺度模式中,选取Morrison双参数微物理方案,采用整体放电参数化方案,改变初始云凝结核（CCN）浓度（浓度变化从500 cm-3到4000 cm-3）,共模拟15组试验,讨论了CCN浓度（n_CCN）对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随n_CCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,导致霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,导致冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。     

一次冰雹过程人工催化的数值模拟试验

利用二维雹云模拟济南地区１９９６年７月２４日出现的一次冰雹过程，模拟结果表明对雹云２６个主要微物理过程双参数化较细致地描述对流过程的热，动力反馈和微物理特点２。根据计算结果，对该次冰雹过程进行了ＡｇＩ催化试验，结果得出在云发展初期对暖底雹云实施高浓度的冰晶催化，可起到减少地面冰雹和增加地面降水的作用。     

测雹板的初步鉴定

为了研究冰雹和评价人工防雹试验的效果,许多国家都使用测雹板在近地面测量降雹,我们制做的测雹板在室内检定时,根据 Lo Zo WSki 和 Strong(1978)推导的半径为 R 的一个球碰撞到测雹板上的最后深度 H(斑痕半径 r)是山碰撞的动能确定的关系式：1/2mVt~2=πpH(R-1/3H),使用与冰雹直径相同的钢球做降雹的模拟试验,推导了确定模拟雹块降落高度z的表达式：z=phVh■/2psg.通过模拟试验,获得了球形雹块碰撞到侧雹板上的斑痕直径和雹块本身大小的一种关系式(图2),其斑痕直径是按球直径的5/4次方变化的。这种关系式只是在实验室内理论模拟的,还需要通过野外降雹的实际测量进行校准。     

三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。     

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。     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

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。     

冰相粒子的相对增长对非感应起电影响的模拟研究

为了深入认识不同条件或不同区域中冰相粒子相对增长状况对雷暴云内非感应起电过程的影响,将基于S91非感应起电参数化方案引入到三维强风暴动力-电耦合数值模式中,模拟分析了一次典型雷暴过程的霰粒和冰晶的生成和消耗过程以及随高度的分布特征;同时分析了雷暴云成熟时期不同时刻霰粒子和冰晶的比含水量等的增长变化状况,将不同时刻霰粒子-冰晶之间非感应起电的电荷转移极性和量级,与霰粒子和冰晶的相对增长状况作对比分析。结果表明,霰粒和冰晶由于所处环境的不同温度和液水含量条件而通过不同的微物理过程增长或消耗;细微的温度或液水含量条件的差异都会影响两类粒子的相对增长快慢;而两类冰相粒子中相对增长更快的粒子荷正电,增长更慢的粒子荷负电,相对增长的快慢决定了两种冰相粒子在非感应起电过程中所带电荷极性和量级。     

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅰ:模式及其电过程参数化方案

为了研究风暴中的动力、微物理和电过程三者间的相互作用 ,在已有的工作基础上 ,建立了一个三维强风暴动力 电耦合数值模式。模式中将云中水物质分为水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹 7类 ,各种粒子采用双变参数谱。考虑了详细的起电过程 ,它们包括扩散、电导、感应和非感应以及次生冰晶起电机制。此外 ,在模式中加入了云内放电参数化过程和云顶处屏蔽电荷层形成的参数化方案用以研究整个雷暴生命史内的电活动特征。最后利用CCOPE(CooperativeConvectivePrecipitationExperiment)计划中 1981年 7月 19日的风暴资料对模式的性能进行了验证 ,模拟结果显示此模式可以较好地描述风暴中动力、微物理和电结构的发展演变过程。     

云水饱和度对雷暴云非感应起电过程的影响

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入基于Saunders et al.(1991) 实验结果的非感应起电参数化方案S91,在此基础上,利用云水饱和度替代环境温度和有效液水含量将S91方案变形.对比分析一次雷暴单体首次放电前,变形后的S91方案和原S91方案模拟得到的非感应转移电荷的极性、量级、电荷结构以及与霰和冰晶粒子分布之间的关系.结果表明,虽然两种方案采用的电荷密度变化率以及每次碰撞平均转移的电荷量均相同,但不同方案中决定粒子间电荷转移的因子不同对电荷的分布存在较大的影响.加入云水饱和度的S91方案,非感应转移电荷的极性多为正极性,电荷结构先呈单极性后转变为三极性,并有进一步转变为偶极性的趋势.但这两种方案模拟得到的霰与冰晶粒子电荷分布的重合区的范围、大小均不同,这也是造成两种方案电荷结构和转移电荷分布不同的主要原因.