雷暴云闪电活动和固、液态降水关系的数值模拟

发布时间：2020-11-13 21:00

　　 为了深入分析雷暴云闪电和降水关系的内在机理,本文利用三维强风暴动力.电耦合数值模式对一次雷暴个例进行数值模拟,讨论了垂直风速、闪电和固、液态降水的时空关系和单次闪电表征的降水量；分析水凝物粒子的微物理特征和电特征,讨论产生闪电和固、液态降水关系差异的内在原因。得到以下结论：(1)液态降水都占了降水的主要部分,液态降水量及其最大降水强度增加的幅度会逐渐减小,而固态降水量及其最大降水强度则快速持续增长。闪电总数一开始随扰动位温的增加而增加,增加到一定程度则逐渐减小。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,而闪电峰值则落后固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。闪电正、负先导通道投影集中在降水区域前缘的弱降水区；对流的增强使降水区域面积增加,降水量和降水强度也增加,但过于强烈的对流并不利于雷暴云的放电。(2)固、液态降水RPF的数值差别较大,相差达到一个量级,这是由于液态降水总量远大于固态降水,与此同时,单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。固、液态RPF和闪电次数的拟合直线线性递减,在单位时间内闪电次数越多,闪电表征的降水量则越小,而固态RPF和闪电次数的线性相关性明显好于液态RPF,可以利用固态RPF来预报闪电。(3)冰相粒子的碰并和转化等微物理过程将更多地触发闪电,且随着扰动位温的增加,上升气流增强,生成的冰相粒子也更多,雷暴云内的微物理过程更活跃；但是当扰动位温达到一定值时,强烈的上升气流将冰相粒子带到更高的高度,减少了粒子间的碰并,因此闪电次数减小,但是雹粒子作为固态降水,其生成量仍在不断增多,所以固态降水量持续增加。(4)电场强度的变化和闪电的发生时间比较吻合,而固态降水的不断累积可造成电场极性的剧烈变化；持续的固态降水将影响下部的电荷结构。粒子下落末速度的变化取决于降水强度和起电过程的共同作用。由于放电后电荷的重新分布,携带电荷量较多的固态粒子在下降的的过程中其下落末速度会产生较大的变化,随着对流过程和电场力的作用而不断增强。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P427.321
【部分图文】：

利于降水的接地ＰＷＳ，而云外部的下沉气流对对流云的发展具有抑制作用，由??云底部的降水粒子拖拽而形成，同时引起对流云的消散Ｐ７１。??图３．１是垂直风速随时间的变化情况。总体而言，５组敏感性试验的对流发??展曲线比较一致。上升风速和下沉风速的峰值均随着扰动位湿而不断增大，扰??动位温越大，对流发展越旺盛，上升风速和下沉风速到达峰值的时间也越早，??同时对流的启动和衰减也越早。整体上，上升风速在雷暴前期发展平缓，中期??迅速增大，对流巧盛的持续时间约为２０分钟，后期逐渐减小；下沉风速的发展??跟随着上升风速的发展，前期发展缓慢，在经过约２０分钟左右的震荡期后达到??１６??

?ｔ／ｍｉｎ??图３．２化ｓｔｌ－４中罔、液态降水强度与每分钟闪屯次数的关系。??对比图３．１和图３．２分析可知，Ｔｅｓｔｌ－４中最大固、液态降水强度均出现在最??大上升风速之后，此时上升风速正不断衰减，下沉气流处于旺盛期。最大下沉??风速均出现在固态和液态降水强度峰值时刻之间。对流降水对雷暴云下部的拖??拽作用而产生下沉气流，在降水强度最大时刻产生了强烈的下沉气流，从而在??一定程度上抑制了雷暴云的发展。Ｔｅｓｔｌ－４的闪电峰值落后于下沉风速峰值，基??本位于下沉气流的震荡期。闪电活动最剧烈的时刻主要集中在雷暴云的消散期。??Ｔｅｓｔ３和Ｔｅｓｔ４的第一次放电时间提前最大上升风速２－３分钟，说明在强对流的??作用下，上升气流在即将达到峰值时云内就已经具备放电的条件。上升气流将??不同粒子带到不同高度，形成相应的电荷结构，并在达到电场阀值后开始放电。??而产生地闪的时间正好是上升风速的峰值期和下沉风速剧烈增大的区域。此时??雷暴云内的粒子在垂直风速的作用下形成相应的电荷结构。Ｔｅｓｔｌ－４中，首次放??电的时间不断提前

??结合图３．３同样可Ｗ看到，每分钟ＲＰＦ的峰值一开始随着垂直风速不断增??力口，而到了?Ｔｅｓｔ４则急剧减小，和总闪与垂直风速的关系相似。根据３．２部分的??分析，固、液态降水强度峰值随着垂直风速的增加，因此单位时间内的固、液??态降水总量也随之增加，与此同时，由于Ｔｅｓｔ４的总闲次数较少，降水量却是最??大的，但其每分钟固、液态ＲＰＦ峰值反而偏小，受到总闪次数变化及时间点??选取等原因的影响，最终导致固、液态ＲＰＦ峰值与垂直风速的关系为先増大后??减小。??巧０?Ｉ—￣．——，——．——Ｉ——．——，——．——，——ｒ－￣，???Ｉ巧?１６０?Ｉ——．——，——．——，———，——．——Ｉ???Ｉ—￣￣１?６－０???ｌｉｑｕｉｄ?ｐｒｅｄｐＲａ村ｏｎ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?Ａ??ｌｉｑｕｉｄ?ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?／?＼??Ｓ??ｓｏＭｄ?ｐｒｅｃｉｐＫａＵ＞ｎ?ｉｎ化ｎｓｈｙ?／?Ｊ?－２０?Ｓ??ｓｏｌｉｄ?ｐｒｅｃｉｐｉｔａＵｍ?ｉｎ化化ｉｔｙ?＇?ｆ＼??Ｅ?１５０?－?Ｉｔｑｕｉｄ?ＲＰＦ?／?Ｔ＼?ｇ?１２０?？?＿＿?ｌｉｑｕｉｄ?ＲＰＦ?＼?－４－５??Ｓ?ｓｏｌｉｄ?ＲＰＦ?Ｉ?Ｉ?＼Ａ?至?？？？？－?ｓｏｌｉｄ?ＲＰＦ?Ｓ??ｔ?、＼?－ＩＳ?Ｉ?ｔ?＼?Ｓ??Ｈ（ａ）遍叫（Ｖ．?ＪｉＰ??０?１０?２０?３０?４０?５０?６０?０?１０?２０?３０?４０?ＳＯ?６０??Ｘ／ｍｉｎ?１／打》－打??如。Ｉ——．——
【参考文献】

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本文编号：2882641