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飑线系统中的闪电辐射源分布特征及云内电荷结构讨论

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物理学报 2013年第21期62卷 518-526页

作者：刘冬霞郄秀书王志超吴学珂潘伦湘中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 兰州大学大气科学学院兰州730000

本文利用SAFIR3000闪电定位资料和多普勒天气雷达资料分析了2010年6月13日发生于北京的飑线系统中的闪电活动特征并讨论了电荷结构,发现闪电都集中分布在飑线的前部线状强回波区域内,仅在消散阶段在层云降水回波内发生的闪电数目明显增... 详细信息

本文利用SAFIR3000闪电定位资料和多普勒天气雷达资料分析了2010年6月13日发生于北京的飑线系统中的闪电活动特征并讨论了电荷结构,发现闪电都集中分布在飑线的前部线状强回波区域内,仅在消散阶段在层云降水回波内发生的闪电数目明显增加.通过闪电分布与降水的关系研究发现,总闪电与对流降水整体相关系数达到了0.82,云闪与对流降水的整体相关系数为0.76,表明闪电的发生与雷暴云内动力和微物理过程密切相关.基于闪电的辐射源分布特征,讨论了飑线内电荷分布特征.研究结果表明在飑线成熟阶段,闪电辐射源密度的分布呈现出双层结构的分布特征,下部的闪电辐射源中心位于4 km高度处,上部的辐射源中心位于11 km高度处,根据闪电双向先导的传输方式,闪电辐射源密度高值区对应于负先导在正电荷区的传播,飑线对流云区内总体呈现出中间为负电荷区,上部和下部分别为正电荷区的三极性的电荷结构:上部正电荷区位于10—12 km高度处,中部负电荷区位于8—10 km高度处,下部正电荷区位于4—7 km高度处.

关键词：飑线闪电辐射源电荷结构 SAFIR3000

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雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用

物理学报 2018年第16期67卷 341-352页

作者：孙凌郄秀书 Edward R.Mansell 陈志雄徐燕蒋如斌孙竹玲中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室北京100029 成都信息工程大学成都610225 Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies University of Oklahoma and U.S. NOAA/OAR/ National Severe Storms Laboratory Norman Oklahoma USA 中国科学院大学地球科学学院北京100049

利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物... 详细信息

利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物理过程,建立了双向耦合WRF-Elec模式.利用改进后的WRF-Elec模式,通过敏感性数值实验,定量分析了雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用.结果发现:雷暴云发展旺盛阶段,由于电场力作用,霰、雹粒子质量加权平均降落末速度的瞬时变化极值可以超过4 m/s,但这种情况仅出现在雷暴云内局部区域,并且维持时间较短;电场力对直径小且数浓度较低的霰和雹粒子影响较大,但这种影响不是由单一物理量决定,而是由电场强度和霰、雹粒子的电荷密度、极性以及粒子的直径与数浓度共同决定;电场力通过对霰、雹粒子降落末速度的调整,增强了雷暴云内感应、非感应起电率,且前者远大于后者,云内局部产生-0.6—1.2 n C/m^3总电荷密度的变化,从而使电荷结构重新分布,局部垂直电场强度增强5 k V/m,总闪电数增加,与此同时,雷暴云内降水粒子的微观增长过程也发生改变.总体上,电场力对雷暴云起电过程的作用为正反馈,电场力对雷暴云电荷结构的反馈作用不可忽略.

关键词：电场力电荷结构反馈作用 WRF-Elec模式

不同非感应起电及感应起电参数化方案对青海东部一次雷暴云电荷结构影响的数值模拟研究

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地球物理学报 2019年第7期62卷 2366-2381页

作者：李江林余晔李万莉李亚珺中国科学院西北生态环境资源研究院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室兰州730000 中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站甘肃平凉744015 中国气象局气象干部培训学院北京100081

本研究利用加入起电、放电参数化方案的数值模式(Weather Research and Forecasting Model(Version 3.7.1),WRF3.7.1_ELEC),通过设计五组不同非感应起电及感应起电参数化方案敏感性试验,对发生在青藏高原东北部青海大通地区的一次雷暴... 详细信息

本研究利用加入起电、放电参数化方案的数值模式(Weather Research and Forecasting Model(Version 3.7.1),WRF3.7.1_ELEC),通过设计五组不同非感应起电及感应起电参数化方案敏感性试验,对发生在青藏高原东北部青海大通地区的一次雷暴过程进行模拟研究,对比分析了不同非感应起电机制及感应起电机制对雷暴云电荷结构的影响.结果表明:在雷暴云发展旺盛阶段,Saunders(S91)、Riming Rate(RR)、和Saunders和Peck(SP98)三种非感应起电方案模拟的雷暴云最低层均为负电荷区,而混合方案(Brooks and SP98,BSP)模拟的雷暴云最低层为正电荷区,主电荷区自下而上为“+-+-”排列的四层电荷结构.与甚高频辐射源定位法推算的结果对比,BSP方案模拟的本次高原雷暴云电荷结构更接近实际情况;几种不同非感应起电方案模拟的主电荷区外围与主电荷区电荷结构不同,说明在雷暴发展的不同阶段雷暴云的电荷结构是不同的;几种非感应起电方案模拟的电荷结构不尽相同,主要是由于霰、冰和雪粒子在不同高度所带电荷的极性及电量的大小不同,霰粒子的电荷密度对低层的影响较大,冰粒子和雪粒子的电荷密度对中上层的影响较大;加入感应起电机制后,雷暴云电荷结构分布几乎没有变化,但能使雷暴云发展旺盛阶段低层和中层的正负电荷区电荷密度有所加强.

关键词：雷暴云非感应起电感应起电电荷结构数值模拟

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沿海地区一次多单体雷暴电荷结构时空演变

地球物理学报 2012年第10期55卷 3203-3212页

作者：李亚珺张广庶文军王彦辉张彤范祥鹏武斌中国科学院寒区旱区环境与工程研究所寒区旱区陆面过程与气候变化重点实验室兰州730000

利用闪电放电辐射源三维时空分布测量,分析了山东低海拔地区一次多单体雷暴过程的电荷结构演变以及与回波强度的关系.结果表明对流云区电荷结构是典型的上正下负电偶极结构,且随着雷暴发展正负电荷层强度增大,高度抬升.负电荷区处在40dB... 详细信息

利用闪电放电辐射源三维时空分布测量,分析了山东低海拔地区一次多单体雷暴过程的电荷结构演变以及与回波强度的关系.结果表明对流云区电荷结构是典型的上正下负电偶极结构,且随着雷暴发展正负电荷层强度增大,高度抬升.负电荷区处在40dBz以上的强回波区域中,正电荷层处在约40dBz区域中.层状云区也有类似结构,只是强度弱,高度低.观测到的四层电荷结构是出现在对流区消散阶段,此时,由于云体不同部位的不同消散程度,电荷结构发生断裂,云体前部正负电荷区下沉,云体中部正负电荷区高度变化不大,但负电荷区域变薄,呈现出四层电荷结构.从本例结果说明,雷暴优势起电机制通常能形成电偶极或三极性结构,多极结构可能不是起电形成.本文还分析了一次负地闪传输过程,和宏观电荷结构很好吻合,说明利用三维定位系统观测,可以较好地描述雷暴宏观电荷结构.

关键词：电荷结构回波范围正电荷区负电荷区

一次单体雷暴云的穿云电场探测及云内电荷结构

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科学通报 2009年第9期54卷 3532-3536页

作者：赵中阔郄秀书张廷龙张彤张鸿发王勇佘勇孙宝来王怀斌中国科学院寒区旱区环境与工程研究所西部气候环境与灾害实验室兰州730000 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 成都信息工程学院新技术研究所成都610225

自行设计制作了携带GPS的强电场探空系统,可以获取探测路径上的电场垂直分量、温度、相对湿度和GPS定位数据.2008年夏季,在地面大气平均电场仪以及一部X波段天气雷达的配合下,在甘肃平凉地区进行了雷暴云内的电场探空实验,获得了中国内... 详细信息

自行设计制作了携带GPS的强电场探空系统,可以获取探测路径上的电场垂直分量、温度、相对湿度和GPS定位数据.2008年夏季,在地面大气平均电场仪以及一部X波段天气雷达的配合下,在甘肃平凉地区进行了雷暴云内的电场探空实验,获得了中国内陆高原地区雷暴云内的电场廓线资料.通过对一次过顶雷暴活跃阶段的探空资料分析,表明在雷暴云及其下边界存在4个电荷区域:在海拔高度4.3～4.5km之间(云底)存在一个负屏蔽电荷层;在4.5～5.3km存在一个正电荷区,对应3～2℃温度层;在5.4～6.6km存在一个负电荷区,对应温度–3～–10℃;在6.7～7.2km存在一个正电荷区,对应温度–11～–14℃.本文提供的观测结果支持中国内陆高原地区雷暴云内(0℃层之上)存在三极性电荷结构,但下部正电荷区较正常三极性结构要强的结论.

关键词：雷暴云电场探空电荷结构中国内陆高原起电机制

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一次中尺度对流系统层云区域的电场探空观测和电荷结构研究

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高原气象 2021年第6期40卷 1531-1541页

作者：张鸿波郄秀书刘明远蒋如斌陆高鹏陈志雄孙竹玲刘瑞婷李进梁郑天雪陈洪滨中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室北京100029 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国科学院大学北京100049 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 福建师范大学地理科学学院福建福州350117 北京城市气象研究院北京100089

基于自主获取的双金属球电场探空仪穿云观测数据,结合地面大气电场、天气雷达、闪电定位等综合观测资料,对华北平原地区一次中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)层云区域内的探空电场和电荷结构进行研究。探空系统上升和... 详细信息

基于自主获取的双金属球电场探空仪穿云观测数据,结合地面大气电场、天气雷达、闪电定位等综合观测资料,对华北平原地区一次中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)层云区域内的探空电场和电荷结构进行研究。探空系统上升和下降阶段均处于该MCS层云区域中,此时雷暴正处于成熟阶段。完整的上升阶段探空数据表明,该MCS层云区域内存在6个正、负极性交替的电荷区,主正电荷区的高度范围为8.2~9.5 km,对应温度层-20~-14℃;主负电荷区高度范围为7.4~8.2 km(-14~-10℃);紧靠下方为一个薄正电荷区;最上方为一负极性电荷屏蔽区;0℃层附近有一对正、负极性电荷区。探空下降阶段(间隔约1 h)获取的层云区域电荷分布与上升阶段大致对应,但电荷层所处高度以及厚度和电荷密度均有所差异。

关键词：电场探空电荷结构中尺度对流系统层云区域

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两次超级单体雷暴的电荷结构及其地闪特征

科学通报 2005年第23期50卷 2663-2675页

作者：张义军孟青吕伟涛 Paul R.Krehbiel 刘欣生周秀骥中国气象科学研究院 New Mexico Institute of Mining and Technology SocorroNM87801USA 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所

利用闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料,针对二个超级单体雷暴产生的地闪的时空分布特征和电荷结构进行了分析,结果表明在这两个雷暴产生大量正地闪期间,雷暴的主体部分(对流区)雷暴电荷结构呈反三极性,正地闪主要发生在雷暴的... 详细信息

利用闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料,针对二个超级单体雷暴产生的地闪的时空分布特征和电荷结构进行了分析,结果表明在这两个雷暴产生大量正地闪期间,雷暴的主体部分(对流区)雷暴电荷结构呈反三极性,正地闪主要发生在雷暴的主体部分,并由中部的正电荷区产生;在大量负地闪发生期间,负地闪主要发生在雷暴的砧体部分,由于雷暴主体部分的电荷结构向砧体区的倾斜,云中砧体部分电荷结构为反偶极性,上部负电荷区产生了大量负地闪.雷暴最下部的电荷区很少直接产生对地放电,但对其上部电荷区的对地放电的发生具有重要作用.

关键词：超级单体雷暴电荷结构地闪

青藏高原雷暴电荷结构特征及成因的数值模拟研究

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高原气象 2018年第4期37卷 911-922页

作者：郭凤霞王曼霏黄兆楚李扬穆奕君廉纯皓曾凡辉南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室江苏南京210044

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,... 详细信息

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。

关键词：青藏高原电荷结构水凝物

青海和北京地区不同个例雷暴云电荷结构特征差异的数值模拟分析

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高原气象 2022年第3期41卷 814-828页

作者：李江林余晔张彤昝蓓蕾李亚珺李万莉中国科学院西北生态环境资源研究院/寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站甘肃平凉744015 甘肃省陆面过程与灾害天气野外科学观测研究站甘肃平凉744015 中国科学院大学北京100049 中国气象局气象干部培训学院北京100081

利用加入起电、放电参数化方案的数值模式[Weather Research and Forecasting Model(Version 3.7.1),WRF3.7.1_ELEC],分别对发生在青藏高原东北部青海大通地区和华北地区北京西部山区的两次雷暴过程进行模拟研究,对比分析两个不同地区... 详细信息

利用加入起电、放电参数化方案的数值模式[Weather Research and Forecasting Model(Version 3.7.1),WRF3.7.1_ELEC],分别对发生在青藏高原东北部青海大通地区和华北地区北京西部山区的两次雷暴过程进行模拟研究,对比分析两个不同地区雷暴个例的电荷结构特征差异及原因。结果表明:对发生在两个地区的雷暴个例,模式均能够较好地模拟出雷暴的移动方向、回波强度以及形状的变化特征。对比两个个例不同发展阶段雷暴云电荷结构可以看出,除了在发展旺盛阶段两个地区的雷暴云电荷结构自下而上均为“+-+-”的四层结构,在发展初始阶段和消亡阶段,两个地区雷暴云电荷结构明显不同。造成两个雷暴个例在雷暴云初始和消亡阶段电荷分布差异的主要原因是云中霰粒子混合比和有效液态水含量的差异。

关键词：青藏高原华北平原雷暴云电荷结构数值模拟

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