气溶胶对雷暴云电活动影响的模拟研究
发布时间：2020-07-24 13:28
【摘要】：在中尺度模式WRF v3.4.1中加入了起电、放电过程,在此基础上讨论了气溶胶对雷暴云电活动的影响。首先利用耦合了起电、放电过程的WRF模式模拟了一次飑线过程,以此验证模式对雷电过程的模拟能力。然后通过敏感性试验,模拟研究了气溶胶作为云凝结核对雷暴云电活动强度和电荷结构的影响,分析了这种影响作用随环境大气热力条件的变化。并讨论了气溶胶对发展不同阶段热带气旋强度和电活动的影响。具体研究内容和结论如下：(1)在Morrison双参数化微物理方案中加入了非感应起电参数化方案和一个简单的放电参数化方案,在此基础上模拟了2009年6月16日发生在华北的一次飑线过程,与观测结果的对比显示模式能够较好地模拟雷暴云的宏观特性及电学特征。通过将闪电潜势指数和模式模拟的闪电密度与观测资料对比可知,模拟的闪电密度更接近于实际情况,说明电耦合WRF模式对雷暴云电活动具有一定的模拟能力。(2)在Morrison微物理方案中引入了详细的气溶胶活化过程,在此基础上讨论了不同气溶胶背景下雷暴云电活动的区别。研究发现,在不同浓度的气溶胶背景下,雷暴云的微物理过程和起电过程差异明显。在污染个例中,雪粒子和霰粒子的增长率较大,形成较多的冰相粒子,由于更多的冰相粒子参与起电过程,电活动强度明显强于清洁个例。气溶胶浓度的增加也会影响雷暴云的电荷结构,清洁个例始终保持着上部正电荷、下部负电荷的偶极性电荷结构；而污染个例中,雷暴云发展初期,电荷结构为偶极性,随着雷暴云的发展,气溶胶增加导致高层液态水含量增加,该区冰粒子荷电发生反转,一部分冰晶粒子携带负电荷,在主正电荷中心之上形成了一个新的负电荷区。(3)为了进一步理解气溶胶在不同大气热力条件下对雷暴云微物理过程和电过程影响的差异,模拟分析了不同水汽条件下云凝结核浓度改变对雷暴云电过程的影响。当水汽含量较低时,气溶胶浓度增加所引起的云滴数浓度增加幅度有所减小,对雨滴数浓度的影响减小。水汽含量降低抑制了气溶胶对冰相粒子的影响,从而抑制了气溶胶对雷暴云电活动强度的影响。水汽含量降低导致气溶胶增加并未引起液态水含量明显增加,这就导致高低气溶胶浓度下冰相粒子起电区液态水含量都较小,冰粒子荷电情况没有变化,最终气溶胶浓度增加并未引起电荷结构的明显改变。(4)通过对理想热带气旋个例的模拟,讨论了气溶胶对热带气旋强度及电活动的影响。研究发现气溶胶对热带气旋强度和电活动的影响在不同发展阶段是不同的。在热带气旋发展阶段,气溶胶增加使云内的云滴数浓度增加,云滴尺度降低,抑制了暖雨过程,未降落的小云滴粒子上升到冻结层之上,冻结形成了更多的冰相粒子,冻结过程释放潜热,激发云系对流发展,使热带气旋强度增强,电活动更为剧烈。而在热带气旋成熟阶段,污染个例中的冰相粒子降落,形成更多的降水,降水粒子在下落过程中对上升气流产生拖曳作用,抑制对流强度。降水粒子在海平面蒸发融化吸收了大量潜热,使该区域温度降低,形成冷池,阻碍了外部暖湿能量向内输送,抑制了对流发展,从而使热带气旋强度降低。而由于成熟阶段污染个例中的冰粒子较少,参与起电过程的冰粒子减少,热带气旋的电活动强度降低。
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P427.3
【图文】：
模式具有非静力平衡、高分辨率和完全可压缩等特点，在中尺度天气系统研巧和逡逑预报方面具有广泛的应用ｔｕ。逡逑如图２．１所示ＷＲＦ中尺度模式水平方向上选用ＡｒａｋａｗａＣ网格，垂直方逡逑向上一种为高度坐标，另一种为质量坐标。模式的时间积分选用完全时间分裂格逡逑式，夕ｈ循环ＷＲＦ模式推荐使用时间步长较大的３阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ算法，但同时逡逑也提供２阶算法。逡逑ｙ逦１１逡逑——Ｉ——｝——Ｉ逦——Ｉ￣＾——ｆ－逡逑Ｕ邋…２．１＋１逦Ｕｗ．‘２，ｉ＋．‘邋９，，１邋，邋ＵｉＡ２．ｊ邋一逦。逦。逡逑—舍？逦－令？邋—舍逦Ｕ，１．２Ｗ邋９沁！逡逑－ｊ？邋＞逦S缅五危校鯯缅五危。垮义希椋蓿簦辏椋保垮危碞B＋１邋ｊｗ。逡逑夺邋Ｗ，如１。逦夺邋如，逡逑Ｕｉ－啤邋６ｉ．ｊ逦Ｕｗｓ．ｊ邋０｜＊！，｜邋Ｕｉ邋R*逦Ｉ逦。逦0逡逑？逦－普逦Ｉ。‘磁邋0ｉ，Ｋ逦Ｕ＋，。NB目ｗ．ｋ邋Ｕｉ＾班逡逑么巧ｋ逦？逦—争邋？逦—争逡逑４NB—｝－１。逦ｉＶ＂ｉ．ｊ－ｉ；２逦１＾邋ｉ．ｋ－Ｖ２逦ｉＷｉ＋Ｖｋ．
图３．１模拟区域的网格设置逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｇｒｉｄ邋ｓｅｔｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｉｍｕｌａｔｅｄ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑
本文中考虑ｒ在起电过程中巧献最大的非睡应起化机制，巧混合相态区，由逡逑桯粒子－冰晶粒子S饬Ｗ樱┝Ｗ优鲎卜掷胍鹌鸬纭Ｏ剂Ｗ印⒈Ш脱┝Ｗ樱儒义现直Ｗ拥氖ǘ群头植嘉恢枚缘绾山峁购偷绾擅芏绕鹁龆ㄐ宰饔谩Ｍ迹常陡鲥义狭隋澹保保埃板澹眨裕醚豔３．３中黑线所做的粒子数浓度垂直剖面，图３．６ａ为霖粒子，图逡逑３．化丸冰晶粒子，图３．６ｃ为雪粒子，图３．６ｄ为云滴粒子。逡逑从嫇粒子数浓度的垂直分布可知，三个雷暴吊．体中S饬Ｗ邮ǘ纫来谓档停义鲜ǘ燃笾翟嘉保板澹纾椤Ｊǘ冉洗蟮谋ЯＷ诱继宸植荚冢稿澹耄礤迳希ǘ儒义霞笾翟冢担埃埃板澹纭殄澹剩椋冢稿澹耄碇乱嘤斜ЯＷ臃植迹ǘ让魉浠冢稿澹耄礤义仙希抵粒福耄碇涞谋ǘ仍嘉担矗埃纾椤Ｑ┝Ｗ拥幕旌媳扔氡Ы衔渝义辖ǘ缺缺ЯＷ邮ǘ刃∫桓隽考叮雀隼妆┑ヌ迥诘难┝Ｗ邮ǘ纫厘义洗卧龃
本文编号：2768909
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P427.3
【图文】：
模式具有非静力平衡、高分辨率和完全可压缩等特点，在中尺度天气系统研巧和逡逑预报方面具有广泛的应用ｔｕ。逡逑如图２．１所示ＷＲＦ中尺度模式水平方向上选用ＡｒａｋａｗａＣ网格，垂直方逡逑向上一种为高度坐标，另一种为质量坐标。模式的时间积分选用完全时间分裂格逡逑式，夕ｈ循环ＷＲＦ模式推荐使用时间步长较大的３阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ算法，但同时逡逑也提供２阶算法。逡逑ｙ逦１１逡逑——Ｉ——｝——Ｉ逦——Ｉ￣＾——ｆ－逡逑Ｕ邋…２．１＋１逦Ｕｗ．‘２，ｉ＋．‘邋９，，１邋，邋ＵｉＡ２．ｊ邋一逦。逦。逡逑—舍？逦－令？邋—舍逦Ｕ，１．２Ｗ邋９沁！逡逑－ｊ？邋＞逦S缅五危校鯯缅五危。垮义希椋蓿簦辏椋保垮危碞B＋１邋ｊｗ。逡逑夺邋Ｗ，如１。逦夺邋如，逡逑Ｕｉ－啤邋６ｉ．ｊ逦Ｕｗｓ．ｊ邋０｜＊！，｜邋Ｕｉ邋R*逦Ｉ逦。逦0逡逑？逦－普逦Ｉ。‘磁邋0ｉ，Ｋ逦Ｕ＋，。NB目ｗ．ｋ邋Ｕｉ＾班逡逑么巧ｋ逦？逦—争邋？逦—争逡逑４NB—｝－１。逦ｉＶ＂ｉ．ｊ－ｉ；２逦１＾邋ｉ．ｋ－Ｖ２逦ｉＷｉ＋Ｖｋ．
图３．１模拟区域的网格设置逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｇｒｉｄ邋ｓｅｔｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｉｍｕｌａｔｅｄ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑
本文中考虑ｒ在起电过程中巧献最大的非睡应起化机制，巧混合相态区，由逡逑桯粒子－冰晶粒子S饬Ｗ樱┝Ｗ优鲎卜掷胍鹌鸬纭Ｏ剂Ｗ印⒈Ш脱┝Ｗ樱儒义现直Ｗ拥氖ǘ群头植嘉恢枚缘绾山峁购偷绾擅芏绕鹁龆ㄐ宰饔谩Ｍ迹常陡鲥义狭隋澹保保埃板澹眨裕醚豔３．３中黑线所做的粒子数浓度垂直剖面，图３．６ａ为霖粒子，图逡逑３．化丸冰晶粒子，图３．６ｃ为雪粒子，图３．６ｄ为云滴粒子。逡逑从嫇粒子数浓度的垂直分布可知，三个雷暴吊．体中S饬Ｗ邮ǘ纫来谓档停义鲜ǘ燃笾翟嘉保板澹纾椤Ｊǘ冉洗蟮谋ЯＷ诱继宸植荚冢稿澹耄礤迳希ǘ儒义霞笾翟冢担埃埃板澹纭殄澹剩椋冢稿澹耄碇乱嘤斜ЯＷ臃植迹ǘ让魉浠冢稿澹耄礤义仙希抵粒福耄碇涞谋ǘ仍嘉担矗埃纾椤Ｑ┝Ｗ拥幕旌媳扔氡Ы衔渝义辖ǘ缺缺ЯＷ邮ǘ刃∫桓隽考叮雀隼妆┑ヌ迥诘难┝Ｗ邮ǘ纫厘义洗卧龃
本文编号：2768909
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