雷暴电活动对冰雹增长影响的数值模拟研究

利用三维强风暴动力-电耦合模式,数值模拟了风暴演变过程 中电活动对冰雹增长及地面降雹的影响. 结果指出,带电冰雹与云内强电场作用使地面降雹 量增加约50[HTK]髎[HTSS],雹块直径增大0.7mm,降雹时间滞后约3min. 文中还讨论了强电 场通过对水成物降落速度的调制来影响冰雹微观增长过程,即主要是影响碰并过程和冰雹融 化过程. 电活动使冰雹源、汇总量都减少,但汇总量减少更多,总体效果使冰雹总量增加, 数目减少,冰雹长得更大,更易降落到地面.     

Lightning activity and its relationship with typhoon intensity and vertical wind shear for Super Typhoon Haiyan (1330)

Super Typhoon Haiyan (1330), which occurred in 2013, is the most powerful typhoon during landfall in the meteorological record. In this study, the temporal and spatial distributions of lightning activity of Haiyan were analyzed by using the lightning data from the World Wide Lightning Location Network, typhoon intensity and position data from the China Meteorological Administration, and horizontal wind data from the ECMWF. Three distinct regions were identified in the spatial distribution of daily average lightning density, with the maxima in the inner core and the minima in the inner rainband. The lightning density in the intensifying stage of Haiyan was greater than that in its weakening stage. During the time when the typhoon intensity measured with maximum sustained wind speed was between 32.7 and 41.4 ms^?1, the storm had the largest lightning density in the inner core, compared with other intensity stages. In contrast to earlier typhoon studies, the eyewall lightning burst out three times. The first two eyewall lightning outbreaks occurred during the period of rapid intensification and before the maximum intensity of the storm, suggesting that the eyewall lightning activity could be used to identify the change in tropical cyclone intensity. The flashes frequently occurred in the inner core, and in the outer rainbands with the black body temperature below 220 K. Combined with the ECMWF wind data, the influences of vertical wind shear (VWS) on the azimuthal distribution of flashes were also analyzed, showing that strong VWS produced downshear left asymmetry of lightning activity in the inner core and downshear right asymmetry in the rainbands.     

雷暴下地面自然尖端电晕放电离子时空演化的数值模拟

为了对雷暴云下近地面的电特性进行分析，本文建立了模拟自然尖端所产生的电晕离子演化的一维数值模式。以地面电场为基础，考虑到地面电晕离子的演化，成功地计算了从地面至８００ｍ的空中电场及电荷、电流的时空演变，发现地面电晕离子可解释除雷暴云电荷影响外的空中电场和地面电场的差异，空间电场比地面电场更能反应雷暴电荷所产生的电场。空间电荷层可延伸到８００ｍ的高度上，且电荷密度可高达０．２５ｎＣ／ｍ^３，６００ｍ高度上的传导电流密度可达０．１ｎＡ／ｍ^２。     

两次强雷暴系统中雷电的人工引发及其特征放电参量的测量与估算

中纬度地区的雷电灾害常由过境的强雷暴系统引起, 但是自然雷电放电电流的直接测量十分困难. 2005年夏季在两次强雷暴系统过境期间, 利用火箭拖带金属导线的人工引发雷电技术, 成功引发雷电5次, 并在放电通道底部测量到了完整的1 μs时间分辨率的雷电电流波形以及距雷电通道水平距离为60和550 m处的同步地面电场变化资料. 研究表明, 5次人工引发雷电都包含有1~10次不等的大电流回击放电过程, 电流峰值平均为11.9 kA, 变化范围为6.6~21.0 kA, 与自然雷电继后回击电流峰值基本一致. 回击电流波形的半峰值宽度为39 μs, 较通常结果要大. 回击电流峰值I_P(单位: kA)和中和的电荷量Q(单位: C)之间满足关系式: I_P=18.5 Q^0.65. 在60和550 m处, 回击引起的微秒量级辐射场变化分别为5.9和0.39 kV/m, 随水平距离r(m)的增加回击辐射场以r^−1.119的规律衰减. 根据传输线电流模式, 估算的回击速度为1.4×10⁸ m/s, 变化范围为(1.1~1.6)×10⁸ m/s. 由于人工引发雷电放电过程与自然雷电的相似性, 所得到的结果可应用于自然雷电灾害的防护设计中.     

火箭触发闪电通道的亮度特征分析

利用成像速率为2000幅/s的高速摄像资料,对采用不同触发方式的两次负极性闪电进行了对比分析,结果表明:空中触发方式的上行正先导的起始速度比经典触发方式的低一个量级左右,而前者的触发高度要比后者的高;闪电通道中金属导线汽化部分的余晖时间可达160—170 ms,相对来说,空气离化部分的亮度信息更能真实体现闪电通道中的电流特性。依据闪电通道亮度变化特性的差异,并结合电场变化的观测,可以将回击之后的过程分为3种类型,没有M分量的为连续衰减型,有M分量的可分为独立型和延续型两种,能够与不同类型的延续电流波形相对应。总体上看,有M分量的回击间隔比没有M分量的要长,几何平均值分别为77 ms和37 ms,有M分量的初始连续电流也会比没有M分量的持续更长的时间。回击和M分量发生前闪电通道的相对亮度存在明显的差异,回击前闪电通道的相对亮度很弱,甚至观测不到任何发光现象,而M分量发生前闪电通道仍有较强的发光。     

青藏高原一次地闪放电过程的分析

利用成像率为1000 幅/s的高速摄像系统和快、慢电场变化仪以及宽带干涉仪系统等探测仪器在青藏高原那曲地区所观测的地闪资料，对一次地闪回击及其之前的持续时间较长的云内放电过程进行了分析.结果表明：地闪先导前的云内放电过程发生于雷暴云下部正电荷区和中部负电荷区之间；云中部负电荷区距离地面的高度为28～45 km；闪电的起始放电发生区域距离地面的高度为10～17 km；初始流光在云外发展时具有很大的水平分量和较多的分支；梯级先导的速度为1×105 m/s，在向地面发展时出现较大的弯曲；首次回击放电过程与低海拔地区没有差异，通道中的峰值电流有241 kA；继后回击相对较弱.     

一次中尺度对流系统的闪电演变特征

利用地面雷电探测网资料、多普勒雷达和卫星资料对一次典型的MCS过程的地闪变化特征进行了分析,结果表明,在系统发展的最初阶段全为负地闪;在MCS的成熟阶段地闪频数一直较高,在10次/min以上,负地闪占绝对优势;在消散阶段,地闪频数急剧下降,同时正地闪所占比例越来越大,甚至超过负地闪。地闪基本出现在<-50℃的云区和前部大的温度梯度区内,集中发生于<-60℃的云区。负地闪主要发生在强对流区(>40 dBz),其持续时间和强对流的维持时间几乎相当,说明负地闪可以很好地指示或有助于识别强对流区;密集的正地闪也与强回波区相对应,而稀疏的正地闪则多发生在系统后部的稳定性降水或云砧部位。同时,在MCS成熟阶段出现高正地闪频数的瞬间突增有可能对应着地面强天气的发生,在强对流天气的临近预报中应予以关注。     

短基线时间差闪电辐射源探测系统和初步定位结果

介绍了一种新型的闪电探测设备———短基线时间差法辐射源定位系统,并选取2002年夏季野外观测实验中的辐射源定位结果,结合电场变化特征分别对两次地闪和云闪进行了分析。结果表明,该系统对地闪先导过程和云闪产生的辐射源能够较好地定位。定位结果的个例分析证实,观测地区的两次云闪放电过程都由起始于云下部负电荷区的负极性击穿引发,然后向上发展到上部正电荷区,通道的发展速度约为1.29×105m·s-1,地闪梯级先导的传播速度约为1.73×105m·s-1。     

首次回击具有双接地点的地闪光学和电学特征的个例分析

利用成像率为1000幅／s的数字化高速摄像系统和时间分辨率为1μs的快、慢天线闪电电场变化测量仪在广州附近观测到一次首次回击具有两个接地点的负极性地闪。两个分支到达地面的时间间隔约为30μs;在发生回击R2时,其中一个分支的直窜先导发展成为企图先导。观测发现M一分量的发光要比梯级先导强;回击间的K一变化与云中的在击穿和通道的延伸有关,但不引起云地间通道的发光。光学和电场变化的同步观测证实了直窜一梯级先导的发展速度与前一次回击的时间间隔有关,较快的先导发展速度对应于较短的回击时间间隔,较慢的发展速度对应于较长的回击时间间隔。另外,本文在资料分析的基础上,提出了产生双接地点的四种可能原因。     

雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究

利用一个三维时变双参数动力电耦合模式对决定雷暴云空间电荷结构的三个初始场：反转温度、中心最大扰动位温和扰动区域进行模拟对比研究。结果表明,选取不同的参数值,雷暴云电结构有很大差异,从而解释了在不同地区、季节、强度的雷暴云中所观测到得不同的空间电荷结构的原因。