青藏高原雷暴电荷结构特征及成因的数值模拟研究

发布时间：2020-07-11 12:08

【摘要】：为了进一步了解青藏高原雷暴的特殊性,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,对青藏高原地区2003年8月11日和8月13日两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:(1)高原雷暴具有特殊的特征:其生命期较短,地闪频发,上升和下沉气流较小,固态降水明显多于液态降水;雷暴云云底和云顶均较低,暖云区厚度小,固态小粒子(冰晶、雪)所在高度较低,固态大粒子(霰、雹)分布较广并接地。(2)高原雷暴云电荷结构在发展阶段主要分为两类,一类过程在雷暴云初始阶段云内先形成一个各电荷区较弱的负的偶极性结构,另一类过程在雷暴初始阶段就形成了三极性结构,两类雷暴云电荷结构底部正电荷区都较弱,但范围较大。随着雷暴云不断发展,前一类雷暴在上部又形成了较强的正电荷区转变为三极性结构,因此在雷暴云成熟阶段高原雷暴云内电荷结构主要为三极性结构。在消散阶段,云内电荷结构逐渐由三极性转变为偶极性,结构整体电荷密度较小,直至电荷结构消失。(3)高原雷暴对流较弱时,在雷暴发展阶段中,会形成负的偶极性电荷结构,此时上部负电荷区由冰晶带负电形成,下部正电荷区由霰粒子带正电形成。在成熟阶段,云上部出现了由冰晶荷正电形成正电荷区,云中部的负电荷区由霰粒子与冰晶荷负电形成的。对流较强时,云中上部的正电荷区主要是云中的冰晶荷正电形成;其中,雷暴云电荷结构为三极性结构时,霰和冰晶通过非感应起电机制作用荷负电形成云中部的负电荷区,霰粒子与雪粒子在非感应起电机制作用下共同荷正电形成云下部的正电荷区;雷暴云电荷结构为偶极性时,云内下部负电荷区是由霰粒子通过非感应起电机制作用荷负电形成。(4)高原雷暴电荷结构下部出现电荷量较小较为薄弱但范围较大持续时间较长的正极性电荷区是高原雷暴的特殊之处。高原雷暴对流较弱,上升风速较小,环境温度较低,导致高原雷暴暖云区厚度较小,混合相区域内有效液态水含量较高,形成了这样的电荷结构,其中电荷主要的贡献者是霰粒子,此外雪粒子也一定程度上做出了贡献。下部正电荷区的范围、持续时间和强度主要由固态降水强度和固态粒子的重合区域决定。
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P427.3
【图文】：

逦２２：１０逡逑时间（ｍｉｎ）逡逑图２．１邋２００３年８月１３日那曲地面电场、闪电频数随时间的演变逡逑由图２．２邋（ａ）可见，８月１３日当地当天２０：００，地面气温为１７．２°Ｃ，气压为５８８邋ｈＰａ，逡逑0°Ｃ层和－２０°Ｃ层分别位于５５０邋ｈＰａ和４００邋ｈＰａ左右，相对应的高度约为１．７邋ｋｍ邋（相对高逡逑度，下同）和４．５邋ｋｍ，中层（３００？５００邋ｈＰａ）相对湿度约为５４％，高层（１００？３００邋ｈＰａ）逡逑相对湿度约为２５％，湿度较大，风向随着高度由南向西发生顺时针旋转，环境水平风速逡逑和风向均有很强的切变，有利于强雷暴的发展。由图２．２邋（ｂ）可见，８月１１日当地当天逡逑２０：００的探空情况总体与１３日相似，地面气温略低，为１６．４°Ｃ，气压为５８８ｈＰａ；邋０°Ｃ层逡逑和－２０°Ｃ层分别位于４５０邋ｈＰａ和３５０邋ｈＰａ左右，也较１３日过程更低，相对应的高度约为逡逑２＿５邋ｋｍ和５．０邋ｋｍ

逦１２０逡逑时间（ｍｉｎ）逡逑图３．２个例０８１３雷暴闪电频次和上升、下沉速度及降水强度随时间的演变逡逑３．１．２水凝物粒子的微物理特征逡逑水凝物粒子是电荷的载体，与电荷结构关系密切。由图３．３可见，本次模拟过程云逡逑滴分布范围较广，从ｌｋｍ—直延伸至８ｋｍ高度，由此可见本次过程中云底高度相较于逡逑平原地区更低，同时与探空资料中得到的实际云底高度相近。冰晶主要分布在－４０°Ｃ等温逡逑线附近，比含水量中心约在８ｋｍ高度。霰粒子总体范围较大，可从近地面一直延伸到－逡逑４０°Ｃ以上的高层。雪粒子是冰晶的聚合体，其粒子尺度大于冰晶但是小于霰粒子，因此逡逑比含水量分布总体与冰晶类似，但由于雪粒子自身的尺度与重量，其所在高度更低，约逡逑在４？８邋ｋｍ邋（－４０？－２０°Ｃ）之间。雨滴主要分布在０°Ｃ线以下，高度约在０？３邋ｋｍ处，量级逡逑１逡逑

时间（ｍｉｎ）逦时间（ｍｉｎ｝逡逑图３．１个例０８１３雷暴上升速度和下沉速度（各高度上的水平最大值）等值线图（ａ．上升速度等值线逡逑图，ｂ．下沉速度等值线图，单位：ｍｓ－１；邋Ｍａｘ代表最大值；灰色短实线从低到高分别是０°Ｃ、－逡逑１０°Ｃ、－２０°Ｃ和－４０°Ｃ所在位置）逡逑Ｉ逦｜逦１邋Ｉ邋１邋Ｉ邋１邋Ｉ邋１逦ｒ逡逑２０－逦Ａ逦－邋５０逦逦液态降水逡逑逦邋邋Ｖ＾Ｎ．逦一一固态降水逡逑？逦ｙ逦＼逦／邋＼逦＿逦——上升风速逡逑Ｊ逦、．逦／逦＼逦－逦４０逦逦下沉风速逡逑＾１５－逦／逦＼邋／逦＾邋总闪逡逑一W 邋！逦￥逦地闪逡逑｜ｇ邋．逦／逦＿逦３0逦｜邋＿邋负地闪逡逑ｉ＇０－邋／逦ｆｔｉｔｆｉｊｉｉｉｉsE：２。霸逡逑Ｑ逦ｉｌｉ＾邋0逡逑２０逦４０逦６０逦８０逦１００逦１２０逡逑时间（ｍｉｎ）逡逑图３．２个例０８１３雷暴闪电频次和上升、下沉速度及降水强度随时间的演变逡逑３．１．２水凝物粒子的微物理特征逡逑水凝物粒子是电荷的载体，与电荷结构关系密切。由图３．３可见，本次模拟过程云逡逑滴分布范围较广，从ｌｋｍ—直延伸至８ｋｍ高度，由此可见本次过程中云底高度相较于逡逑平原地区更低，同时与探空资料中得到的实际云底高度相近。冰晶主要分布在－４０°Ｃ等温逡逑线附近，比含水量中心约在８ｋｍ高度。霰粒子总体范围较大，可从近地面一直延伸到－逡逑４０°Ｃ以上的高层。雪粒子是冰晶的聚合体，其粒子尺度大于冰晶但是小于霰粒子，因此逡逑比含水量分布总体与冰晶类似，但由于雪粒子自身的尺度与重量，其所在高度更低，约逡逑在４？８邋ｋｍ邋（－４０？－２０°Ｃ）之间。雨滴主要分布在０°Ｃ线以下

【参考文献】

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本文编号：2750392