雷暴起电和放电物理过程在WRF模式中的耦合及初步检验

本文将雷暴云的起电、放电物理过程引入中尺度的WRF (Weather Research and Forecasting)模式,并对超级单体和飑线过程进行了模拟研究.起电过程在Milbrandt双参数微物理方案中写入,包含霰、雹与冰晶、雪之间的非感应起电机制,以及霰、雹与云滴之间的感应起电机制.放电参数化方案只考虑了闪电...     

液态水含量和冰晶浓度对闪电频数影响的数值模拟研究

假定在软雹和冰晶碰撞的非感应起电机制为主要的起电机制成立的条件下，数值模拟研究了国际上公认的Fletcher和H—M冰晶产生机制以及云中的液态水含量对雷暴云放电过程（区分了云闪和地闪）的影响。结果表明，随着气压和温度的变化，在两种冰晶产生机制假定下，冰晶浓度分布有很大差异，这直接导致了雷暴云内电活动的差异。液态水含量的增加将使得首次放电时间延迟，同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少。     

雷暴微物理过程对电活动影响的数值模拟研究

在一维时变雷暴云起电放电模式的基础上,分别利用对流降水试验合作计划(CCOPE)和夏季雷暴放电与降水研究(STEPS)一次雷暴的实测探空资料进行了初步模拟,并通过敏感性试验研究了软雹垂直通量、地面温度和反转温度对雷暴云起电放电过程的影响.模式考虑的冰晶生成机制为Fletcher 和H-M冰晶生成机制.对比CCOPE和STEPS雷暴个例的模拟与观测结果,发现垂直电场正负极大值出现的位置与实测结果较接近,但电场极值差异较大,模拟结果明显大于实测结果.敏感性试验表明,当软雹垂直通量增加时,雷暴云首次放电时间降低,而单位时间内发生闪电的次数(闪频)随之增大.当地面温度较高时,雷暴云中负电荷的垂直厚度较小,雷暴云的正、负电荷最大密度较大.当反转温度较低时,冰晶所带负电荷的垂直范围较大.在敏感性试验中,当模式中地面温度为32℃,反转温度＜-26℃时,雷暴云出现反极性电荷结构.该模式能较直观地模拟雷暴发展过程中的电荷结构和电场时空分布等.     

基于WRF模式对华北一次飑线过程中雷电活动的间接和直接模拟研究

将非感应起电机制和放电参数化方案耦合到WRF模式的Morrison双参数微物理方案中,并在模式中引入了闪电潜势指数LPI,在此基础上模拟了2009年6月16日华北一次飑线过程,讨论模式对闪电活动再现能力。模拟结果显示,模式能够较好地再现雷达回波和降水分布特征,说明模式对此次飑线过程的宏观和微观特征具有一定的模拟能力。利用计算闪电潜势指数LPI的间接模拟,能够指示出大致的闪电分布特征,但闪电潜势指数LPI分布范围明显大于实际闪电落区;而通过耦合电过程的WRF模式直接输出闪电密度的直接模拟,模拟结果与实际闪电密度分布的对应关系较好,但由于模式中输出的闪电密度为总闪电密度,与观测地闪密度资料相比,模拟的闪电密度偏大。     

不同地区雷暴电荷结构的模式计算

利用二维时变轴对称模式和实际探空资料 ,模式计算了南昌、兰州和昌都 3个地区雷暴云的电荷结构 ,并对形成机制进行了讨论。结果表明 :兰州地区雷暴的上升气流速度最大 ,雷暴发展最快 ;南昌地区雷暴次之 ;昌都地区雷暴最弱。南昌地区雷暴的持续时间最长。在雷暴的初始阶段 3个地区都存在雷暴下部次正电荷区 ,在雷暴的成熟阶段兰州地区在感应和非感应起电机制的共同作用下雷暴呈明显的 3极性电荷结构 ,南昌地区的雷暴主要在感应起电机制作用下形成偶极性电荷结构 ,而昌都地区的雷暴在非感应起电机制作用下形成偶极性电荷结构。 3个地区的雷暴负电荷区中心基本处于 - 1 0～ - 2 0℃的同一温度区内。中国北方地区的温度层结有利于形成 3极性电荷结构 ,且通过非感应起电机制来完成。     

S波段双偏振多普勒天气雷达对一次局地强雷暴过程的探测分析

为提高双偏振天气雷达雷暴监测预警能力,探究雷暴活动过程雷达偏振信息特征及雷暴内部微物理过程,利用S波段双偏振多普勒天气雷达,结合地面大气电场仪和闪电定位系统资料对2015年8月31日发生在南京地区一次局地强雷暴过程进行了分析。主要利用体扫数据获得雷暴单体内部垂直剖面(Vertical Cross Section,VCS),同时结合模糊逻辑算法进行粒子类型识别,得到多个偏振参量和雷暴云内部粒子类型的垂直分布情况,进一步分析得到各偏振参量和粒子分布随闪电活动的演变规律。结果表明:在-15℃高度层以上冰晶区域出现K_(DP)的负值区与闪电活动具有很好的相关性;雷暴云中霰粒子的分布变化同闪电活动演变同步很好,在一定高度霰粒子的出现可以用来对雷暴进行预警;雷暴云中低层存在强烈的辐合上升区,利于霰和冰晶碰撞非感应起电和闪电的发生。     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究北大核心CSCD

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)>5 m·s^(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W>5 m·s^(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|>0.1 nC·m^(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)>5m·s^(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s^(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|>0.5 nC·m^(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W<20 m·s^(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

基于雷达资料同化的飑线过程数值模拟试验研究

利用中尺度WRF模式及其3DVAR同化系统对2014年3月30日发生在我国华南地区的一次飑线过程展开多普勒天气雷达资料的同化效果试验研究。首先对雷达资料进行去地物杂波、退速度模糊等预处理,后设计了基于不同雷达观测量的同化试验及同化频次的敏感性试验。结果表明:直接循环同化雷达径向风资料和雷达反射率因子能够增加数值模式中的中小尺度信息,提供可靠的水汽分布;不同的同化频次对同化结果影响显著,每12 min同化间隔的结果略优于30 min、60 min同化间隔;同化雷达反射率因子和径向风资料分别对模式的总水场和风场有显著调整,联合同化雷达反射率因子和径向风资料比单独同化反射率因子或径向风更能改善飑线垂直结构配置,促使地面冷池和雷暴高压配合,进一步改善模式对大雨和暴雨量级降水预报效果。     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)5 m·s~(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W5 m·s~(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|0.1 nC·m~(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)5m·s~(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s~(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|0.5 nC·m~(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W20 m·s~(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

Charge structure of a summer thunderstorm in North China: Simulation using a Regional Atmospheric Model System

Electrification and simple discharge schemes are coupled into a 3D Regional Atmospheric Model System （RAMS） as microphysical parameterizations, in accordance with electrical experiment results. The dynamics, microphysics, and electrifi- cation components are fully integrated into the RAMS model, and the inductive and non-inductive electrification mechanisms are considered in the charging process. The results indicate that the thunderstorm mainly had a normal tripole charge structure. The simulated charge structure and lightning frequency are basically consistent with observations of the lightning radiation source distribution. The non-inductive charging mechanism contributed to the electrification during the whole lifetime of the thunderstorm, while the inductive electrification mechanism played a significant role in the development period and the mature stage when the electric field reached a large value. The charge structure in the convective region and the rearward region are analyzed, showing that the charge density in the convective region was double that in the rearward region.     

一次强对流过程中的闪电特征分析

利用闪电定位系统和多普勒雷达资料,通过2007年4月24日广东省一次强对流过程,剖析了不同阶段的闪电特征和雷达回波的关系。结果表明,(1)对流云带放电整体上呈带状分布,闪电随云带的移动而移动,强对流单体发生的闪电频数大且密集。(2)强降水过程中闪电活动呈双峰型分布,负闪占绝对优势,正负闪同步增加或减少,正闪电流平均幅值大于负闪,基本上是负闪的2倍。(3)闪电频数、强度和雷达回波强度在时间序列上对应较好;发生发展阶段,闪电出现位置超前雷达回波约10~40 min;在成熟和消散阶段,闪电主要发生在雷达回波>40 dBz和VIL>20 kg/m2所对应的区域,并在其周围形成一个小范围的闪电密集区。     

强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析

利用粤港澳闪电定位系统、广州多普勒天气雷达和自动气象站等资料, 分析了2017年6月2日发生在广州市中北部的一次强雷暴天气过程的地闪变化特征及闪电与雷达回波特征的关系。(1)本次强雷暴天气是华南一起典型的以西南急流和切变线为环流背景的强对流天气过程。在整个雷暴生命史中以负地闪为主, 占69.3%;正闪在雷暴发展的初始和结束阶段占比较大。(2)闪电频数分布与强雷达回波区域存在着较好的对应关系, 闪电活动位置稍有提前, 地闪频数峰值的时间比雷达回波峰值时间平均提前了11.1 min。(3)回波顶高是产生闪电的先决条件, 闪电较多分布在回波顶高9~15 km范围内, 地闪频数峰值落后于回波顶高峰值12~18 min。      

四川盆地地闪与对流性降水和雷达回波的关系

利用ADTD型闪电观测资料、SWAN拼图资料及成都CINRAD/SC多普勒天气雷达数据,对2009—2011年12次区域性大暴雨过程中的100个地闪、强降水个例和雷达回波的特征及时间关系进行了统计分析。结果表明:负地闪频数和降水强度随时间的变化较一致,有单峰、多峰的特征;负地闪频数越高,出现强降水的可能性越大;持续性强降水开始之前6~30min,83%的事件伴随有负地闪频数突增并持续性增长的现象,56%的事件有负地闪频数峰值出现,地闪频数突增对持续性强降水的开始有较好的指示意义;负地闪频数峰值出现之后的6~30min,67%的事件有出现降水量峰值,负地闪频数峰值的出现可预示雨强峰值的迅速到来;此外,在强回波移动方向的前方常伴有弱的负地闪活动,负地闪活动主要集中在35dBZ以上的强回波区,且移向与强回波的移动方向较一致。     

陇东地区冰雹云系发展演变与其地闪的关系

利用１９９７年设在陇东地区的闪电定位系统及双线偏振雷达资料,分析研究了该地区冰雹云系发展演变及其地闪的关系。结果表明：在降雹前３０ｍｉｎ左右时,每５ｍｉｎ地闪频数陡然上升,降雹前１８ｍｉｎ,每５ｍｉｎ地闪频数平均上升为３．５,每５ｍｉｎ地闪频数的最大值一般是出现在开始降雹前１６ｍｉｎ到前６ｍｉｎ之间,在冰雹云演变的发展、成熟和消散三个阶段中负地闪数远大于正地闪数,并且起着主导作用。冰雹云中心的冰相     

Comparison of lightning activity and radar-retrieved microphysical properties in EULINOX storms

A combined analysis of microphysical thunderstorm properties derived by C-band polarimetric Doppler radar measurements and lightning observations from two ground-based systems are presented. Three types of storms, a multicell, a supercell, and a squall line, that were observed during the European Lightning Nitrogen Oxides project (EULINOX) are investigated. Correlations are sought between the mass of rain, graupel, hail, and snow derived form radar observations at different height levels and the electrical activity, represented either by cloud-to-ground or intracloud flashes. These relationships are explained by connecting the radar-derived properties with the non-inductive charging process. For the multicell and the supercell storm, the lightning activity can be linearly correlated to both the hydrometeor total mass and class specific mass in the upper part of the storm. It is shown that the fractions of graupel and hail above the −20 °C-level in these storms positively correlate with the intracloud flash activity in the supercell, and negatively for the cloud-to-ground lightning frequency in the multicell. No such relation can be established for the squall line, indicating that the convective organization plays a crucial role in the lightning development. The analysis of the masses in the different storms shows that lightning activity cannot be parameterized by total mass alone, other parameters have to be identified. The results provide important information for all lightning studies that rely on bulk properties of thunderstorms, e.g., the parameterization of lightning in mesoscale models or the nowcasting of lightning by radar.     

NUMERICA STUDY OF THUNDERSTORM ELECTRIFICATION WITH A THREE-DIMENSIONAL DYNAMICS AND ELECTRIFICATION COUPLED MODEL—MODEL DESCRIPTION AND PARAMETERIZATION OF ELECTRICAL PROCESSES

A new three-dimensional dynamics and electrification coupled model has been developed forinvestigating the characteristics of microphysics,dynamics and electrification insidethunderstorms.This model is basically modified from a three-dimensional,time-dependent,anddual-parameter cloud model originally established in IAP(Institute of Atmospheric Physics)and atwo-dimensional axisymmetric cloud dynamics and electrification coupled model.Primarymodifications to the model include not only the coupling of electrification with dynamical andmicrophysical processes,but also the lightning discharge process and screening layer effect at thecloud top as well.Apart from including a full treatment of small ions with attachment to sixclasses of hydrometeors,the inductive and non-inductive charging mechanisms are more specificallyconsidered.A case simulation of July 19.1981 CCOPE is performed aiming to validate thepotential capability of the model.Comparison between model results and observations reveals thatthe model has the capacity to reproduce many of the observed characteristics of thunderstorms indynamical,microphysical,and electrical aspects.     

NUMERICA STUDY OF THUNDERSTORM ELECTRIFICATION WITH A THREE-DIMENSIONAL DYNAMICS AND ELECTRIFICATION COUPLED MODEL—MODEL DESCRIPTION AND PARAMETERIZATION OF ELECTRICAL PROCESSES*

A new three-dimensional dynamics and electrification coupled model has been developed for investigating the characteristics of microphysics,dynamics and electrification inside thunderstorms.This model is basically modified from a three-dimensional,time-dependent,and dual-parameter cloud model originally established in IAP (Institute of Atmospheric Physics) and a two-dimensional axisymmetric cloud dynamics and electrification coupled model.Primary modifications to the model include not only the coupling of electrification with dynamical and microphysical processes,but also the lightning discharge process and screening layer effect at the cloud top as well.Apart from including a full treatment of small ions with attachment to six classes of hydrometeors,the inductive and non-inductive charging mechanisms are more specifically considered.A case simulation of July 19.1981 CCOPE is performed aiming to validate the potential capability of the model.Comparison between model results and observations reveals that the model has the capacity to reproduce many of the observed characteristics of thunderstorms in dynamical,microphysical,and electrical aspects.     

一次冰雹云形成发展与闪电演变过程分析

2004年4月23日,江西中部和南部出现了大范围的冰雹强对流天气过程。通过分析这次强对流天气过程发生前的天气形势和云图特征,并应用闪电定位系统、卫星和多普勒天气雷达观测资料,对这次过程的闪电特征进行了研究。结果表明,在雹云的形成发展和减弱阶段,每10min闪电频数<60次,正闪电频数明显低于负闪电。在雹云成熟阶段,闪电频数每10min平均值>60次,负闪电频数大于正闪电。在降雹前10min,闪电频数有跃变现象,其正闪增加速率和降雹呈正相关关系,降雹的起始时刻与总闪电和正闪电每10min频数出现较大值的时刻有明显的一致性。     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。