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。     

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。      

雷暴云的电场及电荷分布模式

本文着重分析了一次强雷暴过程的地面电场和雷达回波演变特征。结果表明:平凉地区雷暴云一般为上正、中负和下正的电荷结构,强降水时在地面有强的正电场,闪电放电主要在下部正电荷区和中部负电荷区之间进行。文中提出了雷暴云的一种圆盘和圆柱状电荷分布模式,並与观测结果进行了对比。二者基本一致,尤其是能解释当降水停止或雨区移过测站时电场由正向负的急剧转变现象。     

三维雷暴云电耦合数值模式中空间电位的求解

将电路分析方法引入三维雷暴云动力—电耦合数值模式中,考虑了带电水成物粒子对电导率的影响,直接用模式计算求解与雷暴云中流动的带电粒子有关的电流密度。比较分析了雷暴云内首次放电出现之前电路分析法和泊松方程得到的电位和电场。结果表明,雷暴云内电导率普遍大于晴天大气,峰值位于各极性电荷区中心。与雷暴云中流动的带电粒子有关的电流密度的正、负最大值分别对应正、负电荷区中心,当电荷密度的绝对值不超过0.7nC.m-3时,其最大值的量级为10-9A.m-2,传导电流和位移电流最大值的量级均为10-8A.m-2,都为负,均在中部负电荷区中心。电路分析法得到的电位的垂直廓线与电荷结构的相互关系更明显,垂直电场的正、负最大值分别处于电荷密度最大的中部负电荷中心的上边缘和下边缘,与以往的观测结果更接近。     

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。     

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。     

云内大粒子对闪电活动影响的个例模拟

利用三维云起电放电模式, 通过对2008年9月6日北京地区一次雷暴过程的模拟, 研究了云内雨滴、冰晶、霰和雹4种粒子对云内闪电活动的直接影响。对比几种主要冰相粒子比质量浓度的分布变化与模拟闪电开始发生高度的关系, 并分析几种冰相粒子所带电量变化率的时空变化特征后发现:霰和冰晶是对云内闪电发生作用最为重要的两种粒子; 雹粒子对闪电发生作用有限; 雨滴则对于主电荷区附近闪电发生没有直接影响。模拟结果表明:在实际观测中出现的雷达强回波达到某个高度之上可以预警闪电发生的现象, 主要是由于霰粒子在一定高度之上与冰晶之间发生强烈的电荷分离, 从而使云内电场迅速增强, 并最终引发闪电而导致的。     

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。     

青藏高原雷暴云降水与地面电场的观测和数值模拟

在2003年青藏高原那曲地区夏季雷暴云的观测试验中,三次伴有降水的过程中都出现了地面电场(Egnd)随降水的漂移现象,而且固态和液态降水对Egnd的极性改变并不相同。为了模拟再现高原雷暴云降水和Egnd之间的关系,选取了8月13日这次具有高原雷暴代表性特征的过程,模拟了雷暴云移经观测点上空期间,测站固、液态降水与Egnd的变化以及雷暴云下部正电荷区的空间分布。模拟的Egnd及固、液态降水与其的对应关系与观测事实较一致。分析结果表明,固态降水主要携带正电荷,液态降水主要携带负电荷,各类带不同极性和数量电荷的降水粒子常共存在雷暴云中,Egnd主要受携带电荷量占主导地位的降水粒子的影响,地面出现强正电场时正好是云在当顶并且地面出现强固态降水的时间。     

闪电的光辐射能分布特征

对TRMM卫星上装载的闪电成像仪(LIS)所获取的闪电光辐射能进行了分析,发现在不同地区和不同的空间、时间尺度上闪电光辐射能都很好地遵循对数正态分布。文中利用了一个国际上公认的一维雷暴云起电和放电模式,对闪电放电中和的电荷量进行了数值模拟。蒙特卡罗算法表明,闪电放电所中和的电荷量也遵循对数正态分布,云中的软雹浓度、破碎系数、温度递减率、放电的电场阈值等参量的综合作用可以对其进行较好的解释,而其中任意一种参量的单独作用则不然。     

1981—2011年阿里河地区气温极差变化浅析

利用1981—2011年阿里河镇的平均气温及逐日最高、最低气温资料,详细分析了年平均气温、年极端最高气温、年极端最低气温以及年平均气温极差的变化规律和特点。结果表明:阿里河地区的年平均气温呈明显上升趋势;年极端最高、最低气温都呈上升趋势;年平均气温极差值逐渐增大。     

地温观测方法的研究

利用铂、铜、热敏３种电阻传感器的遥测地温仪与台站现用玻璃地温表，在不同天气条件下，用不同安置方法进行大量的对比试验，探讨地面、草面、地中不同深度温度的最佳观测方法。得出：地面温度应用体积小棒状传感器的多点采样平均来代替单点一次采样；地中温度表用直埋式与套管式无大差异；草温为农业服务有重要意义等结论。为遥测地温的观测方法提供科学依据。     

赤道东太平洋海温与中国温度、降水的关系

根据１９５１～１９９８年北太平洋海温和中国温度、降水资料,统计分析了春、夏、秋、冬四季赤道东太平洋海温、厄尔尼诺及拉尼娜事件和中国温度、降水的关系,结果表明：赤道东太平洋海温、厄尔尼诺和拉尼娜事件与中国温度、降水有一定关系,其中与温度冬季关系较好,与降水秋季关系最好。     

天气舒适度的分析和应用

人体舒适度的研究侧重于为人们提供一种服务，使人们能从感性上了解天气，从而有效地指导公众的生活和工作。在对多种舒适度指标进行比较分析的基础上选择出有效温度作为衡量舒适度的主要工具，并对它作了适当的修正。针对广东省中山市的气候特点将平均有效温度划分为9级，近一年的试用收到较好的效果。此外当白天平均、最低、最高有效温度以及湿度、风力异常时，应用程序也会输出必要的信息，从而给公众以详细的天气说明。     

南昌夏季气温变化特征及其预测

南昌夏季平均气温存在明显的年际变化特征,夏季平均气温有下降的趋势;利用均生函数模型对南昌夏季平均气温趋势进行了拟合和预报,拟合值与实况值基本一致,并预报了2005年～2007年南昌的夏季处于冷夏;分析了南昌夏季最高气温、最低气温变化趋势,结果表明冷夜和暖夜变化具有对称性,冷夜减少和暖夜的增加趋势几乎一致,而冷日和暖日的变化也呈非对称性分布,上升趋势比较明显,但下降趋势不明显。     

青海省最高最低气温预报方法研究

针对青海省42个预报站点，利用信息化资料统计的结果，根据预报员的预报思路，由常规资料给出各站最高最低气温的初始预报值，再结合数值预报产品和实时常规资料对初值进行客观订正，最后得到最高最低气温的预报值，依此来建立一种青海省最高最低气温客观预报方法。     

1951～2002年中国平均最高、最低气温及日较差变化

利用1951～2002年全国733个台站的月平均最高、最低气温资料,对我国年、季平均最高、最低气温变化趋势的空间分布状况和时间变化特征进行了分析.结果表明:近52年来,我国平均最高气温的变化特征呈现北方增暖明显、南方变化不明显或呈弱降温趋势;年平均最低气温全国各地基本一致,呈明显的变暖趋势;无论是年还是季,平均最低气温的增暖幅度明显大于平均最高气温的增幅;我国年平均日较差多呈下降趋势,并在我国北方地区尤为明显,各季平均日较差亦均呈下降趋势,并以冬季的下降幅度为最大;年平均最高气温和最低气温的变化在年代际变化上基本呈现较为一致的步伐,即52年来主要的变暖均是从20世纪80年代中期开始,均在90年代后期达到了近52年来的历史新高,近年来又略有回落.     

近50年阳泉气温时空变化特征

本文就近50年来(1955～2000)阳泉逐月平均气温、平均最低气温、平均最高气温、02时平均气温、14时平均气温5个序列进行了深入细致的诊断分析.结果表明阳泉气温呈非连续的增暖趋势,线性变化约为0.24℃·(10a)-1,90年代较50年代上升了约0.9℃.1985年是一个突变点,这以后增温极为明显.夜间气温增温幅度高于白天增温幅度,冬季气温增温幅度高于夏季增温幅度,表现出明显的不对称性.     

山东近百年来的最高、最低温度变化

对济南(1919～2002年)、青岛(1900～2002年)年及四季的平均和平均最低(高)气温序列进行诊断分析，结果表明：近百年来年平均最低气温和平均气温都呈上升趋势，但前者的增温率明显高于后者；最高气温青岛呈上升趋势，而济南却呈下降趋势；济南、青岛出现两次突然增暖，其中30年代的增暖以白天增暖较多，而80年代以来的增暖主要发生于夜间；由于日夜增暖的不对称性，导致第二次增暖期比第一次增暖期气温日较差明显变小。     

Analysis of Sampling Error Uncertainties and Trends in Maximum and Minimum Temperatures in China简

In this paper we report an analysis of sampling error uncertainties in mean maximum and minimum temperatures （Tmax and Tmin） carried out on monthly,seasonal and annual scales,including an examination of homogenized and original data collected at 731 meteorological stations across China for the period 1951-2004.Uncertainties of the gridded data and national average,linear trends and their uncertainties,as well as the homogenization effect on uncertainties are assessed.It is shown that the sampling error variances of homogenized Tmax and Tmin,which are larger in winter than in summer,have a marked northwest-southeast gradient distribution,while the sampling error variances of the original data are found to be larger and irregular.Tmax and Tmin increase in all months of the year in the study period 1951-2004,with the largest warming and uncertainties being 0.400℃ （10 yr）-1 ＋ 0.269℃ （10 yr）-1 and 0.578℃ （10 yr）-1 ＋ 0.211℃ （10 yr）-1 in February,and the least being 0.022℃ （10 yr）-1 ＋ 0.085℃ （10 yr）-1 and 0.104℃ （10 yr）-1 ＋0.070℃ （10 yr）-1 in August.Homogenization can remove large uncertainties in the original records resulting from various non-natural changes in China.