一次雹暴的闪电特征和电荷结构演变研究

综合利用SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪定位资料与雷达结合对2005年5月31日发生于北京的一次冰雹过程的闪电活动和电荷结构演变特征进行了综合分析.结果表明:该雷暴的闪电活动有两次活跃期,第一个活跃期产生了降雹,降雹结束后,闪电活动突然减少,之后的活跃期产生了更多的闪电,其中一部分处于云砧区.闪电活动峰值超前降雹5 min左右,闪电活动中的地闪仅占6.16%,但正地闪占总地闪的比例达20%,且降雹前的正地闪比例较降雹后要高·降雹发生后,正地闪很少发生.降雹阶段,参与放电的主要电荷区表现为反极性结构,-40℃左右区域为参与放电的主负电荷区,-15℃左右区域为参与放电的主正电荷区,在正电荷区之下,短暂存在一个较弱的负电荷区.降雹结束后,电荷结构经历了持续的快速调整过程,在第2次闪电活跃期,参与放电的主要区域表现为正常的三极性结构,即上正-中负-下正,受西风气流的影响,此三极性结构出现倾斜.动力和微物理过程的分析表明,闪电活动和电荷结构的特征与雷暴云内的动力、微物理过程紧密相关.文中对反极性电荷结构形成的可能机理进行了讨论,并且认为,具有强烈上升气流的灾害性天气可能更易形成反三极性的电荷结构,并在下部两个电衙区的作用下产生较多的正地闪.     

强风暴个例电荷结构及云闪放电差异的数值模拟

利用耦合电过程的冰粒子分档模式对长春地区两个降雹型和非降雹型强风暴个例的闪电特征进行了模拟和对比分析。结果表明,在雷暴云的初始发展期,由于上升气流较弱,两者电荷分布相似,均表现为弱的正偶极结构。随着云体不断发展,两者电荷分布开始表现出差异:降雹型个例中的上升气流较强,风切变较大,过冷水能被携带到较高的高度,冰相粒子也能被带到较高处或在较高处继续增长,使得不同区域均存在冰相粒子含量中心。因此,冰相粒子的发生范围不同、环境参数不同及荷电符号不同的非感应起电过程,形成多个电荷中心,电荷结构易出现多层分布。在不同的发展时期电荷结构均呈现出不同的形态,放电既可能在上升气流区触发,也可能在气流辐散区触发。相对而言,非降雹型个例中的上升气流较弱,风切变较小,冰相粒子的分布较规则,非感应起电过程较均匀,从而导致电荷分布始终较均匀。不同发展时期的电荷结构都相对有规则,满足放电条件的位置具有一定的相似性。     

强雷暴个例云内闪电与上升气流及液水含量关系的三维数值模拟

利用建立的三维闪电数值模式,模拟研究了北京2001年8月23日一次强雷暴发展过程中的云内闪电通道特征及其与上升气流和液水含量（LWC）之间的关系。结果发现：在强雷暴发展过程中,由于雪晶往往在上升气流相对较弱及LWC较低的地方形成、发展,与霰粒子之间的非感应起电过程首先发生在这些区域,然后发生电荷分离。因此,云内闪电往往在上升气流较弱和LWC相对较低的区域触发。闪电触发后,上行先导延伸区域的LWC较小,而下行先导延伸区的LWC取决于强风暴云发展的阶段。强风暴成熟期发生的闪电,下行先导可以延伸到较大LWC区,而无法延伸到LWC最大区。强雷暴衰退期发生的闪电,下行先导可以延伸到LWC最大区。     

环境温湿层结对雷暴云空间电荷结构的影响

非感应起电机制中决定雷暴云电荷结构的反转温度是液态水含量的函数,而液态水含量的空间分布又取决于环境初始场中气团平均相对湿度和对流不稳定性的配置情况。本文通过不断改变初始场中层平均相对湿度和对流有效位能(CAPE)的值,同时不稳定度因子K和SI也随之发生相应的改变,利用三维强风暴动力电耦合数值模式,来研究初始场温湿层结的不同配置对液态水含量进而对电荷结构的影响。结果表明,CAPE较小时,电荷结构与中层平均相对湿度的大小无关,均为准反极性,且起电活动较弱;CAPE很大时,较大和较小的中层平均相对湿度更易引起强的起电活动和偶极性电荷结构,当霰和冰晶共存的区域中心落在上升气流的外围时,会形成反极性电荷结构。当对流有效位能相同时,增加中层平均相对湿度,气层的不稳定性提高,更有利于对流的发展和偶极性电荷结构的形成,减小中层平均相对湿度,对流减弱,有利于准反极性电荷结构的形成。     

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。     

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。      

台风莫拉菲(2009)登陆前后电荷结构演变的模拟研究

利用中尺度起电放电模式以及卫星和闪电定位等观测资料,对比分析了台风莫拉菲（2009）在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。结果表明：莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁区对流在近海加强阶段呈现正的三极性电荷结构,主负电荷区位于-25℃——10℃层,其上下各有一个正电荷区。而在台风达到最大强度后呈现负的偶极性电荷结构,仅存在云中部的负电荷区和下部的正电荷区。眼壁区对流的电荷结构同台风强度变化密切相关而不受登陆直接影响。在台风发展的不同阶段,外螺旋雨带对流主要表现为正的三极性或正的偶极性电荷结构,之前的研究一般认为外雨带对流只能呈现正的偶极性电结构。外雨带三极性电结构的形成可以类似于眼壁区三极性结构的形成,也存在其他形成机制,即在霰粒子与冰晶组成的正偶极性电荷结构下存在一个由雹粒子组成的正电荷区,从而形成正的三极性电荷结构。台风衰亡阶段对流主要表现负的偶极性电荷结构,对流活动较弱,类似于陆地雷暴消散阶段的特性。不同类型的电荷结构所对应对流的相对强度也在文内进行了讨论。     

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。     

六种非感应起电参数化方案对南京一次雷暴电荷结构的数值模拟分析

利用三维非静力中尺度数值模式Meso-NH中的六种非感应起电参数化方案,采用理想场模拟南京地区雷暴云不同阶段的电荷结构特征,重点分析了雷暴云发展期雪、霰电荷密度对电荷结构的影响,并将成熟期的电荷结构与观测资料比较。结果表明,在雷暴云发展期,电荷分布在上升气流内且高度较高,TAKAH方案为反偶极结构,GARDI方案为三极结构,SAUN、BSMP为反三极结构,SAP98方案为正偶极结构,HELFA方案呈多层结构。在成熟期,电荷分布高度降低,有正负电荷共存区产生。模拟结果中,雪与霰是主要的荷电载体,荷电量及极性与方案有关。雪的电荷密度对云顶的电荷密度影响较大,霰的电荷密度对中下层的电荷密度影响较大。成熟期的电荷结构与VHF宽带干涉仪和雷声联合定位结果对比,SAP98方案模拟结果更符合该次雷暴云电荷结构。     

Simulation of the Electrification of a Tropical Cyclone Using the WRF-ARW Model：An Idealized Case

Evolution of the electrifi cation of an idealized tropical cyclone （TC） is simulated by using the Advanced Weather Research and Forecasting （WRF-ARW） model. The model was modifi ed by addition of explicit electrifi cation and a new bulk discharge scheme. The characteristics of TC lightning is further examined by analyses of the electrifi cation and the charge structure of the TC. The fi ndings thus obtained are able to unify most of the previous inconsisitent observational and simulation studies. The results indicate that the TC eyewall generally exhibits an inverted dipole charge structure with negative charge above the positive. In the intensifi cation stage, however, the extremely tall towers of the eyewall may exhibit a normal tripole structure with a main negative region between two regions of positive charge. The outer spiral rainband cells display a simple normal dipole structure during all the stages. It is further found that the diff erences in the charge structure are associated with diff erent updrafts and particle distributions. Weak updrafts, together with a coexistence region of diff erent particles at lower levels in the eyewall, result in charging processes that occur mainly in the positive graupel charging zone （PGCZ）. In the intensifi cation stage, the occurrence of charging processes in both positive and negative graupel charging zones is associated with strong updraft in the extremely tall towers. In addition, the coexistence region of graupel and ice crystals is mainly situated at upper levels in the outer rainband, so the charging processes mainly occur in the negative graupel charging zone （NGCZ）.     

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...     

Numerical Sensitivity Studies on Effects of Ice Nucleating Processes on Electrification in Thunderstorms

This study employed numerical simulations to explore the impact of varying ice nucleation processes on the microphysics and electrification within thunderstorm clouds. A two-dimensional cumulus model, incorporating both non- inductive and inductive charge separation schemes, was utilized. The findings revealed that the freezing nucleation mechanism significantly influenced the microphysical development, electrification, and charge structure of thunderstorms. Homogeneous freezing generated a large quantity of small ice crystals near the cloud tops, which were primarily re- sponsible for the development of positive charge regions through a non-inductive charging process. Conversely, hetero- geneous freezing resulted in larger ice crystals, enhancing graupel formation and leading to a more rapid and intense charge separation rate of around ?15°C. Ice crystals formed heterogeneously and charged negatively during the development stage, resulting in an inverted dipole charge structure. When both immersion and homogeneous freezing processes were considered, the competition between these two distinct freezing processes resulted in reduced cloud water content and weaker electrification. Under conditions of low cloud water content at lower storm levels, graupel particles were negatively charged through non-inductive charging, causing the charge structure to quickly revert to a normal dipole structure.     

一次暖云降水主导的暴雨过程中电荷结构特征及其成因的模拟研究

为了认识以暖云强降水为主导的对流单体中的电荷结构特征及其形成原因,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了2017年5月7日广州局地突发的以暖云降水为主导的特大暴雨过程,分析讨论了此次过程中一个单体成熟发展阶段的电荷结构的特征及其成因.结果 表明,此次以暖云降水为主导的特大暴雨过程中的单体对流强度较弱,云顶高度低...     

Investigating Lightning Characteristics through a Supercell Storm by Comprehensive Coordinated Observations over North China

Electrical characteristics of an isolated supercell storm observed on 13 June 2014 over Beijing were investigated using lightning data obtained from the Beijing Lightning Network, radar reflectivity, and hydrometeor retrievals during the 6-h lifetime. Positive cloud-to-ground(+CG) lightning took a high percentage of CG lightning. Before and during a hail event,+CG lightning was more frequent than negative cloud-to-ground(-CG) lightning, except that +CG lightning took a high percentage at the beginning and in the dissipating stage. After the hail event ended,-CG lightning dominated and reached its maximum value. An analysis of hydrometeors retrieved by X-band polarimetric radar revealed that the discharge concentrated in the convective region with graupel particles and hailstones, whereas graupel, snow and ice crystals in the stratiform region. Lightning radiation sources were located mainly in the convective region, some of which were distributed along a gradient of radar reflectivity from the convective region to the stratiform region. The indication is that the supercell demonstrated an inverted tripole charge structure before the hail event, which converted to a normal tripole structure after the hail event.     

Charge structure of a summer thunderstorm in North China: Simulation using a Regional Atmospheric Model System

Electrification and simple discharge schemes are coupled into a 3D Regional Atmospheric Model System （RAMS） as microphysical parameterizations, in accordance with electrical experiment results. The dynamics, microphysics, and electrifi- cation components are fully integrated into the RAMS model, and the inductive and non-inductive electrification mechanisms are considered in the charging process. The results indicate that the thunderstorm mainly had a normal tripole charge structure. The simulated charge structure and lightning frequency are basically consistent with observations of the lightning radiation source distribution. The non-inductive charging mechanism contributed to the electrification during the whole lifetime of the thunderstorm, while the inductive electrification mechanism played a significant role in the development period and the mature stage when the electric field reached a large value. The charge structure in the convective region and the rearward region are analyzed, showing that the charge density in the convective region was double that in the rearward region.     

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...     

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。