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(Cooperative Convective Precipitation Experiment)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.     

闪电产生氮氧化物（LNOX）区域特征计算（I）：理论和计算方法

介绍了目前关于闪电产生氮氧化物（MOX）的研究概况，包括产生机理、特征、输运过程以及在全球气候变化中的作用。重点叙述了发生在区域性雷暴中闪电产生氮氧化物的机制、传输以及计算方法和可能误差，并对闪电产生氮氧化物区域特征计算方法和参数的选取作了简要介绍。     

雷暴下闪电所致电场变化的电晕影响

本文用一个二维时变轴对称模式,研究雷暴下一次闪电后地面孤立金属尖端的电晕放电过程,讨论电晕放电对周围电场恢复的影响。计算结果表明,闪电后实测地面电场强度的指数型恢复是尖端电晕放电形成的空间电荷层的作用。闪电只能短时间地改变尖端附近空间电荷的极性,且这种影响随距离增加而很快衰减。     

消雷器电晕电流的测量和理论分析

迄今为止,“消雷器”产生的电晕电流及其“消雷”机理尚有争论。本文利用一种“消雷器”实测电晕电流和电场强度,并根据一次闪电后地面电场恢复特征,从理论上估算了恢复时段内电晕电流密度。结果表明,即使在电场恢复到较为稳定的时刻,测量值仍比理论值约大一个量级,而理论值和地面自然尖端产生的电晕电流在量级上相当,“消雷器”产生的电晕电流不会高于自然尖端的作用。此外,“消雷器”结构（强局地表面电场、较大电晕有效面     

太阳、地磁、大气电扰动与天气、气候相关研究

从日际,年际及世纪尺度统计分析了太阳活动与大气电参数及气象参数之间的相关性及其可能机制,结果表明,太阳活动与全球气温,云量,ＡＶＩ、雷暴及平流层工之间有很好的相关性。     

利用地面电场对中川地区一次雷暴过程电荷结构的研究

针对中国内陆高原地区雷暴多为孤立且尺度较小的特征,假定孤立雷暴在闪电发生前,当地面电场处于平稳状态时,云内的电荷区在水平方向上均匀分布,且只与垂直高度有关。根据云厚可将雷暴云在垂直方向上分为若干个厚度相等的区域,地面电场值即为雷暴云内多个水平均匀分布的电荷区域共同作用的结果。在此理论假设基础上,利用甘肃中川地区一次典型雷暴过程引起的多站地面电场观测资料,对该雷暴过程的电荷结构及其演变特征进行最小二乘法的拟合研究。结果表明,在雷暴发展演变过程中,其下部始终存在一范围和强度都较大的正电荷区,同时在雷暴云顶部存在强度较小的负电荷区,使得雷暴整体上呈四极性电荷结构。通过与雷达回波的对比,发现雷暴电荷中心与雷达强回波中心位置大体一致。     

中国内陆高原不同海拔地区雷暴电学特征成因的初步分析

通过分析中国内陆高原西藏那曲、 青海大通、 甘肃中川和平凉4个不同海拔高度地区雷暴的电学特征发现, 不同地区间雷暴电学特征有其共性, 但也存在一定的差异。根据过顶雷暴的地面电场演变特征, 内陆高原地区雷暴可以分为特殊型和常规型两类\.特殊型雷暴在当顶阶段地面电场呈正极性, 即雷暴下部存在范围较大的正电荷区（LPCC）, 且特殊型雷暴所占比例随海拔高度的增加有所增加; 常规型雷暴在当顶阶段地面电场为负极性, 与低海拔地区常规雷暴引起的地面电场类似。结合4个地区的地面气象要素以及探空资料的分析, 发现不同地区对应的部分热动力参量以及大气层结参数存在显著差异\.分析表明, 地气温差和暖云区厚度对雷暴云LPCC的强弱有显著的指示意义, 当地气温差越大、 暖云区厚度越薄时, 雷暴云LPCC的强度相对较大; 反之, 雷暴云LPCC的强度及范围都较小。数值模拟结果表明, 特殊型雷暴云内最大上升气流区存在的范围以及总比含水量大于常规型雷暴, 上升气流的强弱以及WCD的大小在很大程度上决定了云内水成物粒子的浓度。     

NUMERICA STUDY OF THUNDERSTORM ELECTRIFICATION WITH A THREE-DIMENSIONAL DYNAMICS AND ELECTRIFICATION COUPLED MODEL—MODEL DESCRIPTION AND PARAMETERIZATION OF ELECTRICAL PROCESSES

A new three-dimensional dynamics and electrification coupled model has been developed forinvestigating the characteristics of microphysics,dynamics and electrification insidethunderstorms.This model is basically modified from a three-dimensional,time-dependent,anddual-parameter cloud model originally established in IAP(Institute of Atmospheric Physics)and atwo-dimensional axisymmetric cloud dynamics and electrification coupled model.Primarymodifications to the model include not only the coupling of electrification with dynamical andmicrophysical processes,but also the lightning discharge process and screening layer effect at thecloud top as well.Apart from including a full treatment of small ions with attachment to sixclasses of hydrometeors,the inductive and non-inductive charging mechanisms are more specificallyconsidered.A case simulation of July 19.1981 CCOPE is performed aiming to validate thepotential capability of the model.Comparison between model results and observations reveals thatthe model has the capacity to reproduce many of the observed characteristics of thunderstorms indynamical,microphysical,and electrical aspects.     

积云动力和电过程二维模式研究 Ⅱ．计算结果

利用一个二维时变轴对称模式，模拟积云动力和电过程发展，讨论形成雷暴电结构的物理原因．计算结果指出，软雹碰撞冰晶的感应和非感应起电机制是形成雷暴三极性电荷结构和局地产生足以导致空气被击穿的强电场的主要物理过程．雷暴下部的次正电荷区主要由非感应起电机制形成，尤其表现在雷暴发展前期和后期，很依赖于次生冰晶效应．计算得到的次正区和主负区最大电荷浓度约为１０^－８Ｃ／ｍ^３，主正区约低一个量级．     

正地闪发展的时空结构特征与闪电双向先导

利用闪电VHF辐射源定位系统的观测资料, 对正地闪三维时空发展特征进行了分析, 结果表明正地闪过程大致可分为三个阶段, 在回击之前有较长的云内发展过程, 平均持续时间为370 ms, 传输速度为10⁵ m/s量级, 辐射强度与负地闪梯级先导辐射强度相当, 这一期间闪电是以负极性击穿过程在云中正电荷区发展, 通道沿水平方向延伸, 较少分叉;回击之后闪电在云内快速传输, 比回击前的发展速度快约2倍, 辐射点较少且比较弥散, 但辐射强度增强, 对应于连续电流过程, 并包含有多个正极性快脉冲;在闪电的最后阶段, 传输速度与回击前的传输速度相当, 辐射点主要集中在闪电通道的顶端. 与负地闪的时空发展特征存在明显的差异. 正地闪的辐射点均发生在云内正电荷区, 没有探测到回击之前的正先导过程所产生的辐射. 正地闪持续时间平均为730 ms, 持续时间在500~600 ms的闪电占总数的43%. 90%正地闪只有一次回击, 最多有4次回击, 回击电流峰值最大为70 kA, 最小为11.5 kA, 平均为36.5 kA, 大于40 kA的约有40%.