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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

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。     

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。     

雷暴非感应起电机制的模拟研究：Ⅰ.云内因子影响

利用一个二维时变积云动力－电数值模式模拟了非感应起电过程，讨论了流场。降水以及冰晶谱分布对起电的影响。结果指出：只有在强上升气流穿过－２０℃高度层时才会产生强起电，且发生达到最大上升速度后出现降落的时段。     

雷暴云起电机制及其数值模拟的回顾与进展

对国内外有关雷暴云起电机制和起/放电模式的研究结果和进展进行了回顾,总结了这两方面研究的主要进展及所涉及的重要问题。详细介绍了离子、粒子及其他起电机制的发展历程,并从非云模式和云模式这两方面综述了国内外起/放电模式的一些结果和进展。目前对雷暴云内电荷的产生已有较为系统地了解,但仍需对雷暴内动力、微物理和起电过程及它们之间的相关性做更深入的研究。进一步完善雷暴云起/放电模式,并应用模拟结果和观测资料来研究动力、微物理过程及电结构的相互作用机制。     

雷暴中雷电活动与WRF模式微物理和动力模拟量的对比研究

利用WRF模式模拟发生在成都地区的典型雷暴天气过程,得到相应雷电活动过程中微物理和动力输出场,将其与雷电监测定位网所探测到的地闪资料进行对比分析,在电荷分离的微物理学基础上讨论了WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出的不同微物理及动力因子与地闪的相关性。结果表明:-10℃到-20℃之间的电荷分离区域内,冰晶粒子与霰粒子质量混合比最大值与地闪频数随时间变化趋势基本保持一致。在雷电活动中后期,霰、冰晶及雪晶粒子最大值位置与地闪密度大值中心位置对应性较好,空间上均能指示地闪发生区域。最大上升速度与风暴相对螺旋度可以指示地闪频数变化,风暴相对螺旋度空间上可指示地闪密度大值中心。模拟结果表明WRF模式微物理及动力输出场可以指示地闪活动的发生时间和位置,表现了日益成熟WRF模式进行雷电数值预报与研究的潜能。     

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。     

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。     

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(CooperativeConvectivePrecipita tionExperiment)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。     

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。      

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。