云内反极性电荷结构形成的模拟研究
发布时间：2020-09-10 21:51
反极性电荷结构是多发在强风暴系统中的一种电荷结构配置,它在强风暴的特殊阶段出现,是强风暴中正地闪大量发生的重要原因之一,同时也往往与灾害性天气相联系,然而这种电荷结构的形成原因尚未有清晰的结论。热带气旋中也被认为有反极性电荷结构存在,而研究热带气旋的起电,也有利于进一步理解热带气旋中闪电活动的特征。本文进一步发展了中尺度起电放电模式WRF-Electric,并利用该模式研究了强风暴和热带气旋两类天气系统中电荷结构的演变规律,对于其中出现的反极性电荷结构的形成机制进行了探讨。论文主要研究内容和结果如下：(1)WRF-Electric模式的改进。完善了模式中的非感应起电机制,在两种不同的双参微物理方案中分别引入了4种非感应起电方案,并在理想超级单体中进行了对比测试。改进了求解电势泊松方程的计算方案,使用了适合于模式层非均匀网格距的差分方案,使得电势的计算更为准确合理。(2)从数值模拟角度揭示了一种由于动力原因形成反极性电荷结构的机制：即在正常极性起电条件下(主起电区霰粒子仍荷负电),由于强烈的上升气流和下沉气流的输送而形成反极性电荷结构的机制。模拟研究了中国华北地区雹暴中反极性电荷结构的形成。风暴在降雹前和降雹后都是正常的电荷结构分布,而降雹阶段,风暴前缘临近强上升气流的区域形成了反极性的电荷结构,在云的上部形成负电荷区,云的中部形成正电荷区。由于强烈的上升气流,大小粒子的碰撞起电主要发生在云顶附近,霰粒子荷负电,冰晶粒子荷正电。当上升气流到达云顶后会形成向前和向后的出流,较轻的冰晶粒子更容易被气流所传输。同时,在风暴前缘还有下沉气流的存在,被向前输送带正电的冰晶在下沉气流的影响下,被传输到比较低的位置,从而在-25℃～-10℃温度区形成正电荷区,带负电的霰粒子在云顶形成负电荷区,导致在风暴前缘形成反极性电荷结构。(3)强风暴对流区可以通过反极性起电而形成反极性电荷结构,雪晶在风暴层云区反偶极性电荷结构形成中起了重要作用。利用WRF-Elec模式对美国STEPS试验中的次多单体强风暴电荷结构的形成进行了模拟。研究使用了两种不同的非感应起电方案,分析结果表明：风暴在对流区和层云区呈现了不同的电荷结构。层云区主要呈现上负下正的反偶极性电荷结构,其形成主要是由于带正电的冰晶粒子大量转化为雪晶粒子,从而形成一个雪晶粒子组成的正电荷区,同霰粒子形成的负电荷区构成了反偶极性的电荷结构。层云区的电荷很可能是由对流区产生并输送而来的,层云区反偶极性电荷结构的形成原因也可归为动力输送。SP98方案模拟的对流区电荷结构存在了正常-反转-正常的演变过程,这同观测中的反极性电荷结构的演变相一致。在反极性电结构的对流区,伴随了强烈的上升气流(16 m s-1)以及高的液态水含量(2 g m-3),这使得在对流区的云顶发生了反极性的起电,即低温下大小冰相粒子碰撞后霰粒子荷正电,而冰晶荷负电,从而在云内形成反三极性的电荷结构。不同地区不同风暴中的反极性电荷结构应当由不同的机制形成。(4)构建热带气旋中电荷结构演变的完整图景。对于一个理想热带气旋起电的演变进行了模拟,现有的热带气旋电荷结构的模拟及观测研究并没有取得一致性,而本文的结果得到大多数观测事实的支持。分析结果表明：眼壁区对流一般表现出反转的偶极性结构,有一个负电荷区在正电荷区之上,但在加强阶段,眼壁区伴随了强烈上升气流的极端强对流呈现正常的三极性电荷结构,有一个主负电荷区夹在两个正电荷区之间。外螺旋雨带对流的电荷结构在不同阶段均呈现正常的偶极性电荷结构。进一步的分析表明,不同的电荷结构主要是上升气流和粒子分布的差异造成的。在眼壁区,对流的上升气流一般较弱,不同粒子的混合区域主要分布在较低的层次,导致起电过程主要发生在霰粒子的正起电区。在加强阶段,眼壁区爆发的强对流具有强的垂直上升气流,起电在霰粒子的正、负起电区同时发生。而在外螺旋雨带对流中,霰粒子和冰晶粒子的主要共存区在云的中高层,起电过程也主要发生在霰粒子的负起电区,从而形成正常的偶极性电荷结构。(5)研究登陆过程对台风莫拉菲(2009)电荷结构发展的影响。利用数值模式以及卫星和闪电定位等观测资料对比分析了台风莫拉菲(2009)在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成了清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁区对流在近海加强阶段呈现了正的三极性电荷结构,主负电荷区位于-25℃～-10℃层之间,其上下各有一个正电荷区。而在台风达到最大强度后呈现了负的偶极性电荷结构,仅存在云中部的负电荷区和下部的正电荷区。眼壁区对流的电荷结构同台风强度变化密切相关而不受登陆直接影响。外螺旋雨带对流在登陆前主要表现为正的三极性结构,而在登陆后主要以正的偶极性电结构为主,之前的研究一般认为外雨带对流在各个阶段只能呈现正的偶极性电结构。外雨带三极性电结构的形成可以类似于眼壁区三极性结构的形成,也存在其它形成机制,即在霰粒子与冰晶组成的正偶极性电荷结构下存在一个由雹粒子组成的正电荷区,从而形成正的三极性电荷结构。台风衰亡阶段对流主要表现了负的偶极性电荷结构,对流活动较弱,类似于陆地雷暴消散阶段的特性。本文同时讨论了不同类型的电荷结构所对应对流的相对强度。
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P427.3
【部分图文】：
Ｖｏｉｍｅｇｕｔ邋ａｎｄ邋Ｍｏｏｒｅ邋（１９５８）观测认为云上部是负电荷区而非正电荷区。Ｍａｒｓｈａｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑（１９％）在分析气球探空观测的垂直场强分布中最早给出了反极性电荷结构的观测个例，逡逑数据显示电荷垂直方向有４个分层，电荷极性同经典的电结构相反。图１．４为Ｍａｒｓｈａｌｌ邋ｅｔ逡逑５逡逑
正常Ｓ极性电荷结构。民ｕｓｔａｎｄＭａｃＧｏｒｍａｎ（２００２）提出了反极性电荷结构的概念，即在逡逑本应存在正电荷区的高度上（或温度区）聚集了负电荷，而在本应当存在负电荷区的高逡逑度上（或温度区）聚集了正电荷，称之为反极性电荷结构（图１．７）。逡逑宽泛的概念中正电荷区夹在两个负电荷区之间的电荷结构配置即可称为反Ｈ极性电逡逑荷结构。但严格的讲，只有在本应当出现负（正）电荷区的湿度层或高度层出现了正（负）逡逑电荷区才算是反极性电荷结构。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑： 逡逑＋逦Ｍ逡逑Ｂ逦＋逡逑＂＇ｔｅｎ逡逑手！逦Ｂ逡逑ｍｉｎｔ逡逑图１．７正常（ａ）与反转（ｂ）的兰极性巧荷结构概念。逡逑在电荷结构描述中还常使用偶极性电荷结构的概念。前人的研究中一般将正电荷区逡逑位于负电荷区之上的电结构配置称为正常的偶极性电荷结构，而上负下正的电巧结构称逡逑为反转的偶极性电荷结构。这同样是宽泛的概念，本文的论述中暂且使用这样的概念。逡逑根据本文的模巧结果，在第走章将专口对于偶极性和Ｈ极性电荷结构概念的使用进行讨逡逑论，建议使用正、负偶极性的概念替代正常、反转偶极性的概念。逡逑大小粒子碰撞时桯（或雷）所获得的电荷极性受碰撞时的湿度、粒子速度１＾１及液态逡逑水含量等多个因素的影响。我们将云内适合霞（或霞）获得正电荷的区域R傥剂Ｗ拥腻义险鸬缜嘤Φ模屎舷迹ɑ騏┗竦酶旱绾傻那虺莆剂Ｗ拥母浩鸬缜ｅ义希保当疚难芯磕康暮鸵庖邋义戏醇缘绾山峁故且恢钟朐趾π蕴炱喙亓姆绫┑绾山峁固卣鳎欢醇越峁瑰义喜⒎窃诜绫┑钠鹗冀锥尉统鱿
本文编号：2816373
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P427.3
【部分图文】：
Ｖｏｉｍｅｇｕｔ邋ａｎｄ邋Ｍｏｏｒｅ邋（１９５８）观测认为云上部是负电荷区而非正电荷区。Ｍａｒｓｈａｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑（１９％）在分析气球探空观测的垂直场强分布中最早给出了反极性电荷结构的观测个例，逡逑数据显示电荷垂直方向有４个分层，电荷极性同经典的电结构相反。图１．４为Ｍａｒｓｈａｌｌ邋ｅｔ逡逑５逡逑
正常Ｓ极性电荷结构。民ｕｓｔａｎｄＭａｃＧｏｒｍａｎ（２００２）提出了反极性电荷结构的概念，即在逡逑本应存在正电荷区的高度上（或温度区）聚集了负电荷，而在本应当存在负电荷区的高逡逑度上（或温度区）聚集了正电荷，称之为反极性电荷结构（图１．７）。逡逑宽泛的概念中正电荷区夹在两个负电荷区之间的电荷结构配置即可称为反Ｈ极性电逡逑荷结构。但严格的讲，只有在本应当出现负（正）电荷区的湿度层或高度层出现了正（负）逡逑电荷区才算是反极性电荷结构。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑： 逡逑＋逦Ｍ逡逑Ｂ逦＋逡逑＂＇ｔｅｎ逡逑手！逦Ｂ逡逑ｍｉｎｔ逡逑图１．７正常（ａ）与反转（ｂ）的兰极性巧荷结构概念。逡逑在电荷结构描述中还常使用偶极性电荷结构的概念。前人的研究中一般将正电荷区逡逑位于负电荷区之上的电结构配置称为正常的偶极性电荷结构，而上负下正的电巧结构称逡逑为反转的偶极性电荷结构。这同样是宽泛的概念，本文的论述中暂且使用这样的概念。逡逑根据本文的模巧结果，在第走章将专口对于偶极性和Ｈ极性电荷结构概念的使用进行讨逡逑论，建议使用正、负偶极性的概念替代正常、反转偶极性的概念。逡逑大小粒子碰撞时桯（或雷）所获得的电荷极性受碰撞时的湿度、粒子速度１＾１及液态逡逑水含量等多个因素的影响。我们将云内适合霞（或霞）获得正电荷的区域R傥剂Ｗ拥腻义险鸬缜嘤Φ模屎舷迹ɑ騏┗竦酶旱绾傻那虺莆剂Ｗ拥母浩鸬缜ｅ义希保当疚难芯磕康暮鸵庖邋义戏醇缘绾山峁故且恢钟朐趾π蕴炱喙亓姆绫┑绾山峁固卣鳎欢醇越峁瑰义喜⒎窃诜绫┑钠鹗冀锥尉统鱿
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