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。     

广东一次飑线过程中一个雷暴单体成熟阶段的电荷结构演变特征的数值模拟

为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。      

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。     

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。     

平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。     

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。     

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。      

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。     

雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较

在三维强风暴动力-电耦合数值模式中分别引入两种基于不同实验室结果的非感应起电参数化方案S91和SP98, 对比分析了一次雷暴单体首次放电前, 利用两种方案模拟得到的非感应电荷转移区域、极性、量级和电荷结构的演变特征, 及其与有效液态水、温度、粒子分布和对流之间的关系。结果表明, S91中, 起电区域逐渐由高温、高有效液水区向低温、低有效液水区转移。电荷转移量快速增加, 且由以正极性为主过渡为以负极性为主。电荷结构由偶极性转变到三极性。SP98中, 淞附增长率的大值区范围较大, 霰以携带正电荷占绝对优势, 易形成反极性的电荷结构, 但有进一步转变为三极性的趋势。两种方案的共同点表现为: 电荷层较高, 位于对流区上部及雷暴移动方向前侧出流区; 正电荷转移多发生在高有效液态水(或淞附增长率)和高温区, 负电荷转移都发生在低有效液态水(或淞附增长率)和低温区; 转移电荷的正中心均位于霰的累积区中心, 负中心易出现在冰晶和霰共存区的中心。     

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。     

广东一次雷暴过程的宏微观及电特征的数值模拟

采用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,模拟了2015年7月17日广东清远一次系统性强雷暴过程,探究此次雷暴的宏微观及电活动特征,从微物理角度出发,分析电荷结构的复杂成因。结果表明,由于水汽充足,上升气流速度大,云体高度高,小粒子随着强上升气流快速上升,迅速增长为雨滴等大粒子,降水出现早,强度大,较高的气温,使得很难产生固态降水。本次过程中,电荷结构由三极性结构逐渐演变成偶极性结构,这是由于霰的自动转化作用较强,中层霰粒在雷暴云成熟期转化为雹下落,上升气流由于强降水的发生不能维持,冰晶和霰粒子分布区域重合面积减少,非感应起电减弱,使得下部电荷结构消散。较高的电荷区高度使得云闪数目远远多于地闪数目。      

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。      

贺兰山东麓极端暴雨的中尺度特征

利用近10年宁夏逐时自动气象站降水、银川CD雷达、FY-2、探空和ECMWF再分析0.125°×0.125°等高分辨率多源气象资料,在中尺度系统分型基础上,对比分析贺兰山东麓6次极端暴雨的中尺度特征。结果表明:(1)低空偏(东)南急流夜间增强并配合贺兰山地形,在东坡山前触发或增强了暴雨中小尺度系统,造成地形处降水增幅,极端暴雨都是伴有短时强降水的对流性暴雨,主要集中在东坡山前,中心在山洪沟口,夜雨特征显著。(2)环境场都满足对流性暴雨的3个基本条件:700 hPa(东)南急流将暖湿水汽输向暴雨区,低层高温高湿促进了大气不稳定与动力、热力、地形抬升触发机制;深对流过程850 hPa无明显急流,水汽主要来自孟加拉湾,水汽输送受限,但大气稳定度更低,更有利于对流性暴雨发生,混合对流过程850 hPa与700 hPa急流路径重合,水汽来自孟加拉湾、南海、黄海和渤海,水汽输送更充沛,更有利于持续性暴雨产生。(3)极端暴雨主要有暖区对流降水、锋面对流降水、锋区层状云降水3种性质;暖区对流主要在山区,地形抬升是触发机制,锋面对流的触发是低层暖湿气流沿着冷垫抬(爬)升,平原和山区皆有;对流系统的移动与低层风场一致,山区和平原分别沿山体和低空急流轴传播,通常移动与传播方向平行,山区低层为偏东风时,移动与传播近似垂直,列车效应明显。(4)线型对流系统过程冷空气弱,以暖区或(和)锋面对流性降水为主,对流系统在山前沿山体传播形成组织化程度高的带状线型回波,移动与传播有平行有垂直,受地形抬升作用,对流系统在山前稳定少动、发展强盛,降水历时短、范围小、雨强大、有间歇性,3~4 h的累计雨量占过程总量的85%左右,区域平均雨量远小于暴雨量级,地形性强对流暴雨特征凸显。(5)非线型对流系统过程冷空气强,以锋面对流性降水和锋区层状云降水为主,对流系统在山前和平原沿山体和急流轴传播和移动形成非线型回波,平原地区传播与移动平行,山区两者垂直,对流系统组织化程度不高、移速快、强度弱,降水历时长、范围大、雨强小,连续降水累计雨量大,区域平均雨量接近或达到暴雨量级,混合性降水特征明显。(6)降水强度R与CAPE增幅、回波强度Z、强回波持续时间、回波顶高、液态水含量呈正相关,与TBB呈负相关,相关性在深对流过程更清晰;Z≥40 dBZ时,Z-R满足关系式:R=3.67×10-8Z5.222+4.835。     

云凝结核对南京及周边地区夏季暴雨影响的数值模拟

利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案,对南京2014年6月初的一次暴雨过程进行模拟;设置多组数值试验,从中选取清洁和严重污染两组试验,对比分析低、高云凝结核浓度对此次降水的影响。结果表明：1）Thompson方案对此次降水过程具有一定的再现能力,但对24 h累积降水量的模拟整体偏低,且随云凝结核浓度的上升,累积降水量增加。较高的云凝结核浓度有利于强降水中心强度增强、降水范围扩大,而对较弱降水中心则有相反的影响。2）云凝结核浓度的增加将抑制云滴向雨滴的转化,使更多云滴被输送到对流层中层,对流层低层的暖云过程被抑制。3）云凝结核浓度的增加使对流层中层的过冷云水增加,促进过冷云水向霰的转化,也促进雪的淞附过程,这有利于冷云过程的发展。4）云凝结核浓度的增加对暖云过程具有负反馈作用,对冷云过程具有正反馈作用。     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。     

锋面云系降水中的增雨潜力数值研究

采用中尺度模式MM5模拟研究2002年4月4～5日出现在河南省境内的一次冷锋云系宏观和微观结构特征、云系降水机制以及区域内水分循环收支、"拟降水效率"与云系增雨潜力.模拟结果显示,这次大范围冷锋降水云系分层、非均匀性结构明显,高层主要由冰相粒子构成,中层是冰-水混合层,低层为液水层.云系内同时存在较强的冷、暖云过程,低层和中层首先由暖云过程生成大量云水,而高层冰晶出现后不断向雪转化,大量的冰雪晶由高层降落至中层高云水含量区,促使雨水大量产生,云系存在明显的"播种-供给"云降水机制.此外,模拟显示云系降水主