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。     

一种提高闪电定位资料精度的计算方案

为了进一步提高闪电定位资料的精确度,提出一种通过增加约束方程从而增强闪电定位计算稳定性的改进方案,并通过蒙特卡罗模拟计算以及强对流天气闪电定位结果校正个例分析的方法进行了对比检验,发现该方法可以有效改善原定位结果中存在的"飞点"异常误差。该方法可为控制闪电定位误差,提高闪电定位资料的准确性等基础工作提供参考。     

闪电和固、液态降水关系差异的数值模拟

为了进一步认识闪电和固、液态降水的关系,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过设置敏感性试验组,模拟了一次雷暴过程,分析雷暴中闪电和降水的特征,以及闪电和固、液态降水对垂直风速的依赖关系,探讨闪电与固、液态降水的时空分布关系和单次闪电表征的降水量(RPF:rainyields per flash)。结果表明:对流云降水中,液态降水占主要部分,但固态降水比液态降水对于垂直风速的依赖性更强。随着对流的增强,固态降水在总降水中占的比重越来越大。首次放电时间不断提前,闪电峰值落后垂直风速峰值,总闪数一开始随对流的增强而增加,对流一旦增强到一定程度,总闪数则逐渐减小。固态降水和液态降水的开始时间和峰值时间均随着对流的增强而不断提前,而液态降水出现时间和峰值时间均提前于固态降水。雷暴云首次放电的时间滞后于液态降水,而闪电峰值提前固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。雷暴云中的放电活动集中在强降水区域前缘的较弱降水区,强降水区对应的闪电较少,对流的增强会使降水区域面积、降水量和降水强度增加。由于液态降水总量远大于固态降水总量,固、液态RPF的数值相差达到一个量级,但单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。在单位时间内闪电次数越多,RPF则越小,而固态RPF和闪电次数的线性相关性明显好于液态RPF,所以利用固态降水可以更好地预报闪电。这些结果有助于进一步认识闪电和降水的关系,并可为闪电预报提供新的思路。     

基于双多普勒雷达及闪电资料分析一次强降水过程

为进一步了解多普勒雷达及闪电资料在中小尺度天气系统方面的应用以及降水系统动力结构的研究,利用合肥和阜阳两部S波段多普勒雷达资料,通过两步变分反演法反演双雷达,并采用模糊逻辑算法进行云类型识别,再结合垂直累计液态水含量VIL、降水和闪电分布特征,分析了2010年6月7-10日发生在安徽合肥和阜阳的一次持续性强降水过程。结果表明:此次持续性强降水过程与风场的低层辐合和高层辐散、风场的气旋性旋转以及水平风切变相关;此次降水过程是以层状云降水为主的积云混合云降水;另外,以降水为主的层状云,其闪电频数低且以负闪为主,闪电之后20 min左右出现强降水;此次暴雨的VIL值不是很大,强降水区对应的VIL值基本3 kg·m-2;云识别结果、降水区、VIL值与雷达回波强度之间的对应关系较好。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

建筑物高度对上行闪电触发以及传播影响的数值模拟

为了探讨建筑物高度对单个上行闪电触发以及传播的影响,设定了一个固定的背景电场,并结合自行触发的上行闪电随机放电参数化方案,进行了二维高分辨率上行闪电放电的模拟试验。结果表明:(1)上行闪电在初始阶段分支比较少;发展到离地面2 km左右后,闪电开始出现大量的分支,闪电通道开始出现明显的分叉:一部分通道继续向高电荷密度中心垂直传播,另一部分通道绕过高电荷密度中心,向外水平传播;模拟的上行闪电只能垂直传播到4 km处的负电荷中心,不能穿过0电势线向上方的正电荷区传播。(2)建筑物高度对上行闪电的触发起了关键作用,建筑物越高,越容易触发上行闪电。(3)建筑物高度对上行闪电传播具有一定的反作用,随着建筑物高度增高,模拟出的上行闪电的水平和垂直传播距离都有所减小,通道的分形维数变小,通道传播的总长度也逐渐减小。     

双站摄像资料重建闪电三维通道的方法

为了满足准确分析闪电通道三维发展特征和闪电先导相互作用的需求,建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法,从两幅在不同位置拍摄到的闪电二维图像上分别获取通道的坐标序列,利用空间立体几何原理,寻找两组序列中互相匹配的坐标,再由匹配的坐标序列重建出最终的闪电三维通道。通过对一次实际观测个例的重建与分析,验证了重建算法在实际观测中的可靠性,并对闪电通道的三维长度和二维长度进行了对比,发现两者差异可达2倍以上,充分说明了闪电三维特征分析的重要性。     

2011—2012年广州高建筑物雷电磁场特征统计

为研究不同高度的建筑物对雷电磁场的影响,对2011年7月—2012年8月广州高建筑物雷电观测试验中获取的雷电磁场波形数据进行统计分析,共选取击中14个高建筑物的40次雷电 (均为负极性雷电) 的磁场数据,结果表明:高建筑物对回击磁场峰值有增强作用,且建筑物越高对回击磁场峰值的增强作用越大,高度在200 m以上的建筑物上雷电首次回击磁场峰值的几何平均值是高度在200 m以下的建筑物上的2.4倍;高建筑物雷电回击的磁场波形呈多峰特征;观测到的20次击中200 m以下高建筑物的雷电中,有13次 (65%) 雷电首次回击的磁场波形出现后续峰值比初始峰值大的现象,击中200 m以上高建筑物的14次雷电中有8次 (57%) 出现该现象;40次高建筑物雷电中有22次 (55%) 为多回击雷电,135个回击间隔时间的几何平均值为69.1 ms, 多回击高建筑物雷电中有10次 (45%) 出现继后回击的磁场峰值大于首次回击磁场峰值的现象。     

LD-Ⅱ和ADTD型闪电定位资料的对比分析

为了更全面地了解LD-Ⅱ和ADTD型闪电定位资料的准确性,利用安徽省2010年3—9月两套闪电定位系统监测到的资料,对比分析安徽省雷电活动规律,结果表明:两套资料在地闪总数、地闪时间变化、地闪空间分布、雷电流极性和强度等方面都存在较大的差异,LD-Ⅱ型闪电定位系统积累的资料时间较长,但ADTD型闪电定位系统在地闪空间分布、雷电流极性和强度的探测方面准确度更高.与雷灾资料对比发现,ADTD型闪电定位仪监测到的闪电记录距离受灾点较近、误差较小.     

闪电和大气电场资料在预警业务中的应用

近9a来,陕西省的闪电定位监测和大气平均电场资料不断积累,同时在预报预警业务中不断应用和研究,实践表明:闪电与强降水相关性好,在预报业务中,可以利用闪电实时监测资料有效预警强降水的移动方向、发生区域,也可以有效测估测降水量;地闪的演变可以预测雷暴的移动方向,地闪对雷达回波有明显的引导作用,闪电发生比≥30dBz的回波出现提前约10min;结合高低空观测、卫星云图、雷达、闪电监测实况等资料,关注大气电场强度变化、快速抖动特征,大气电场雷电预警可提前约28min。