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长春地区对流云起电过程的数值模拟

南京气象学院学报 2008年第2期31卷 221-227页

作者：侯团结牛生杰雷恒池郭学良孙安平南京信息工程大学大气物理与大气环境重点实验室江苏南京210044 中国科学院大气物理研究所北京100029 青海省气象局人工影响天气办公室青海西宁810001

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,... 详细信息

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。

关键词：长春非感应起电电荷结构电场

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冰晶异质核化对雷暴云电过程影响的数值模拟

热带气象学报 2021年第3期37卷 468-477页

作者：李璐滢师正谭涌波汪海潮林晓彤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

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... 详细信息

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,同时霰粒子数浓度较低,导致该方案下的起电过程最弱;沉积核化主要影响云砧处的冰晶,有利于提高霰收集云滴的效率,表现为极高的霰比含水量,促进低温区非感应起电过程的发生。总体上来看,三个方案下的电荷结构均由较复杂的多极性发展为偶极性。其中浸润方案中主正电荷区的抬升最明显,而接触方案过低的冰晶分布高度与沉积方案过高的冰晶分布高度,都直接导致了次正电荷区更快消散。

关键词：异质核化冰核非感应起电电荷结构数值模拟

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中国内陆高原雷暴云底部正电荷区的形成机制

科学技术与工程 2019年第2期19卷 25-33页

作者：曾凡辉郭凤霞廉纯皓甘明骏黎奇刘泽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南京210044

为了进一步了解中国内陆高原雷暴的特殊性,基于以往高原雷暴存在范围深厚的底部正电荷区的观测及模拟事实,利用三维完全可压缩非静力(WRF)模式对2017年6月20日一次内陆高原雷暴过程进行模拟,分析高原雷暴成熟阶段的底部正电荷结构特征;... 详细信息

为了进一步了解中国内陆高原雷暴的特殊性,基于以往高原雷暴存在范围深厚的底部正电荷区的观测及模拟事实,利用三维完全可压缩非静力(WRF)模式对2017年6月20日一次内陆高原雷暴过程进行模拟,分析高原雷暴成熟阶段的底部正电荷结构特征;并从微物理和动力角度对其形成机制进行讨论。模拟结果表明,内陆高原地区雷暴云成熟阶段主要呈倾斜的三级性电荷结构;其中底部正电荷区的范围和电荷密度均较大。底部正电荷区主要是由霰和冰雹等固态大粒子与冰晶、雪晶等固态小粒子非感应碰撞起电携带的正电荷以及霰粒子与云滴之间的感应碰撞起电携带正电荷组成;此外霰粒子与雹粒子降落过程中融化成携带正电荷的雨滴也对深厚的底部正电荷区存在一定的作用。

关键词：内陆高原雷暴三维完全可压缩非静力模式电荷结构

基于多种非感应起电参数化方案研究闪电放电频次、触发高度差异性

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电瓷避雷器 2019年第2期 74-78页

作者：李金龙中原油田分公司服务中心河南濮阳457001

基于已有的三维模式雷暴云起放电模式,对比分析GZ、TAK方案下闪电放电频次、正负先导的发展步数随时间的变化以及不同方案下闪电触发高度的差异性,研究表明:GZ方案中,无论是在垂直分布高度上还是在频次上,闪电触发频次较TAK方案少;与TA... 详细信息

基于已有的三维模式雷暴云起放电模式,对比分析GZ、TAK方案下闪电放电频次、正负先导的发展步数随时间的变化以及不同方案下闪电触发高度的差异性,研究表明:GZ方案中,无论是在垂直分布高度上还是在频次上,闪电触发频次较TAK方案少;与TAK方案相比,GZ方案下雷暴云电荷结构较弱,云闪发生频次较少且没有地闪出现; TAK方案下雷暴云中正先导从主负电荷区触发,传播更为频繁,正先导的步数发展也就越活跃,相比之下GZ方案中正先导传播步数较少。因此,非感应起电参数化方案的选取不同,使得对雷暴活动中起电、放电过程的研究均存在一定差异,本文研究结论对雷电微物理过程基础科学研究工作具有重要意义。

关键词：雷暴云起电机制电荷结构闪电放电

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不同起电模式对雷暴云放电过程的影响

电瓷避雷器 2017年第5期 140-144页

作者：杨军甘肃同兴智能科技发展有限责任公司兰州730050

为探讨不同感应起电过程在雷暴云起电和放电过程中的作用,基于二维雷暴云起放电数值模式,设计四种起电方案分别对霰与云滴以及霰与冰晶间的感应起电过程进行数值模拟并比较。结果表明:冰相粒子间碰撞的感应电荷分离会使得起电更强;霰和... 详细信息

为探讨不同感应起电过程在雷暴云起电和放电过程中的作用,基于二维雷暴云起放电数值模式,设计四种起电方案分别对霰与云滴以及霰与冰晶间的感应起电过程进行数值模拟并比较。结果表明:冰相粒子间碰撞的感应电荷分离会使得起电更强;霰和冰晶之间的感应起电过程能够增强主负电荷区和上部正电荷区,并且保持偶极电荷结构不变;霰与冰晶间的感应过程会产生更多的闪电。

关键词：感应起电非感应起电电荷结构数值模式

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京津地区雹暴过程的闪电活动特征研究

京津地区雹暴过程的闪电活动特征研究

作者：徐爽南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文利用京津地区SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪资料、地闪定位系统的地闪资料、以及多普勒天气雷达等气象观测数据,对2005～2009年京津地区的16次冰雹过程的闪电活动特征及其与雷暴结构关系进行分析,并基于个例研究雹暴动力和微物... 详细信息

本文利用京津地区SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪资料、地闪定位系统的地闪资料、以及多普勒天气雷达等气象观测数据,对2005～2009年京津地区的16次冰雹过程的闪电活动特征及其与雷暴结构关系进行分析,并基于个例研究雹暴动力和微物理过程作用于闪电活动的机制。研究发现,16次雹暴中的地闪占总闪的比例平均为4.43%,正地闪比例平均为50.48%,明显高于一般雷暴过程。雹暴降雹直径与正极性地闪比例间存在近似的正相关关系,正地闪比例越高,冰雹直径倾向越大。研究表明,闪电活动活跃区域偏离核心降雹区,主要位于降雹区与雹暴移动方向连线的前侧,最强闪电活跃区域可能出现在雹暴移动方向的左侧或者右侧,偏向右侧的可能性更大。研究建立了闪电活动与雹暴参量间的时间关系,在7次雹暴过程中发现在降雹发生之前存在闪电跃增现象,平均超前时间为26.04min。研究发现,雹暴闪电活动与反射率体积之间存在一定的相关关系,特别是与40dBZ反射体积的拟合关系较好,而指数拟合相比线性拟合较优。研究针对两次雹暴个例开展研究,发现了引起第二次活跃闪电活动的两种不同机制：第一种机制为降雹结束后对流活动再次增强,从而增强云内起电过程,并产生更强的闪电活动;第二种机制是较弱的降雹过程导致冰相物粒子在云内中低层聚集,从而在云内中下部形成较强的电荷聚集区,引起在降雹后雷暴持续减弱过程中闪电活动的再次增强。

关键词：雹暴总闪活动电荷结构

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不同冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

不同冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

作者：李璐滢南京信息工程大学

学位级别：硕士

本研究基于二维雷暴云模式,耦合不同冰晶核化过程的参数化方案,利用一次山地雷暴个例,探讨冰核在云中微物理过程、降水过程、起放电和空间电荷结构的具体影响途径及其与同质核化的异同之处。模拟结果表明:同质核化过程是云顶附近较小冰... 详细信息

本研究基于二维雷暴云模式,耦合不同冰晶核化过程的参数化方案,利用一次山地雷暴个例,探讨冰核在云中微物理过程、降水过程、起放电和空间电荷结构的具体影响途径及其与同质核化的异同之处。模拟结果表明:同质核化过程是云顶附近较小冰晶的主要贡献者,表现为相对较高的冰晶数浓度。大量生成的小冰晶增强了非感应起电过程,形成了较为稳定的主正电荷区与主负电荷区,在发展的初始阶段就呈现出三极性电荷结构。通过异质核化形成的冰晶粒径更大,所以尽管数浓度相对较低,反而增强了淞附,并且在-15°C左右具有更强的非感应起电率。因此,该个例下在消散期仍存在较强的主电荷区。当同质核化与异质核化过程共同作用时,两种冻结过程形成的冰晶比质量较轻,冰粒尺度更小。这有利于霰的淞附增长占主导,形成更广泛的小冰晶与有效半径更大的霰粒,但对流发展过快,随着混合性降水大量消耗霰与液滴,云内总电荷量呈现减少的趋势,电荷结构由正常三极性演化为主正电荷区更强的反偶极性。此外,本研究对原有冰晶异质核化方案细化改进,引入先进的异质核化方案。该方案基于较新实验结果和云气块模型,包含了典型的三种异质核化过程,同时考虑了冰核组分、各类冰核活化率等因素,冰晶分布特征更符合实际观测,且更适合云模式的耦合。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,同时霰粒子数浓度较低,导致该方案下的起电过程最弱;沉积核化主要影响云砧处的冰晶,有利于提高霰收集云滴的效率,表现为较高的霰比含水量,促进低温区非感应起电过程的发生。总体上来看,三个方案下的电荷结构均由较为复杂的多极性发展为偶极性。其中浸润方案中主正电荷区的抬升最为明显,而接触方案过低的冰晶分布高度与沉积方案过高的冰晶分布高度,都直接导致了次正电荷区更快的消散。

关键词：冰核异质核化冰晶电荷结构数值模拟

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴浓度响应的数值模拟研究

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重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴浓度响应的数值模拟研究

作者：汪亚南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)模式,对2010年7月15日发生在重庆地区的一次雷暴过程进行模拟。首先,对比分析了两种起电参数化方案下电荷开始分离时和雷暴... 详细信息

本文采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)模式,对2010年7月15日发生在重庆地区的一次雷暴过程进行模拟。首先,对比分析了两种起电参数化方案下电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度、以及雷暴云电荷结构分布。模拟结果表明,在雷暴云发展到成熟阶段时,两种起电参数化方案结果都呈现出正偶极性的电荷结构。在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。其次,讨论了云滴数浓度对雷暴云电荷的影响。敏感性试验表明,增加云滴初始浓度,云滴和聚合物粒子浓度增加,霰粒子呈现出先增大再变化缓慢然后再减小的趋势。雷暴云电荷结构没有发生极性转换,但电荷量也呈现出先增大再变化缓慢然后减小的趋势。通过分析微物理量场和微物理过程,发现随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加。然后,对比研究了在两种非感应起电参数化方案下改变云滴数浓度对雷暴云的影响。其中,在Saunders参数化方案下,电荷量的变化与霰粒子的变化一致性更好;在电荷区域的空间分布上,Takahashi参数化方案下霰与电荷分布区域在水平方向上一致性较好,Saunders参数化方案下霰与电荷分布区域在垂直方向上一致性较好。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2000cm-3。时,电荷量变小,此时霰粒子质量混合比也减小。验证了CCN的变化影响了微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。

关键词： RAMS模式非感应起电参数化方案电荷结构云滴初始数浓度

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北京地区雷暴天气电过程的数值模拟研究

北京地区雷暴天气电过程的数值模拟研究

作者：刘恒成都信息工程大学

学位级别：硕士

为了实现利用WRF模式对闪电活动进行有效的预警预报,本文将起电和放电过程的参数化方案引入到WRF(3.4.1版)中尺度模式中的Morrison云尺度双参数微物理方案中。起电过程为考虑霰与冰晶、霰与雪碰撞分离的非感应起电SP98参数化方案,放电... 详细信息

为了实现利用WRF模式对闪电活动进行有效的预警预报,本文将起电和放电过程的参数化方案引入到WRF(3.4.1版)中尺度模式中的Morrison云尺度双参数微物理方案中。起电过程为考虑霰与冰晶、霰与雪碰撞分离的非感应起电SP98参数化方案,放电过程为整体放电参数化方案,在此基础上用模式模拟了一次理想的超级雷暴单体和一次实际飑线天气过程的起电放电特征。对理想超级雷暴单体的模拟结果表明,在本文的起电方案和放电方案下,超级雷暴单体的空间电荷结构表现为反三极性结构,上部负电荷区分布于-60℃层附近,中部主正电荷区分布在-40℃至-60℃温度层之间,下部主负电荷区分布在-10℃至-40℃温度层之间。形成反三极性电荷结构的主要原因为,部分霰粒子和冰晶粒子的碰撞分离过程发生在淞附增长率高于临界淞附增长率的区域,粒子带电极性发生反转使得霰粒子带正电荷,冰晶粒子带负电荷。在上升气流和粒子沉降等作用下,带负电荷的冰晶粒子构成了上部负电荷区,正常起电的冰晶粒子和雪粒子,以及部分极性反转而带正电荷的霰粒子构成了中部主正电荷区,正常起电带负电荷的霰粒子构成下部主负电荷区。模拟的最大净电荷密度接近2nC/m,其中最大正净电荷密度在1.5nC/m左右,最大负净电荷维持在1.7nC/m左右。模拟的最大电场强度在120—160kV/m之间,闪电频次在1200fl/5min左右,模拟结果在合理范围内。对飑线的模拟结果表明,飑线内的霰粒子电荷极性为负,冰晶粒子和雪粒子电荷极性都为正,飑线的空间电荷结构为上部-50℃20℃温度层的正电荷区和下部-20℃℃温度层的负电荷区所组成的正偶极性结构。正电荷区由携带正电荷的冰晶粒子和雪粒子构成,负电荷区由携带负电荷的霰粒子构成,并且模拟出的飑线净电荷密度值稍小于理想超级单体。将模式模拟输出的闪电活动特征与雷电监测定位网探测得到的地闪数据进行对比后发现,模式输出的闪电频数与实测地闪频数随时间变化的趋势基本保持一致,飑线成熟阶段,模式输出的的闪电密度分布位置与ADTD闪电监测定位系统观测的闪电密度分布位置接近。

关键词： WRF模式水成物粒子起电放电电荷结构闪电活动