闪电和固、液态降水关系差异的数值模拟

为了进一步认识闪电和固、液态降水的关系,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过设置敏感性试验组,模拟了一次雷暴过程,分析雷暴中闪电和降水的特征,以及闪电和固、液态降水对垂直风速的依赖关系,探讨闪电与固、液态降水的时空分布关系和单次闪电表征的降水量(RPF:rainyields per flash)。结果表明:对流云降水中,液态降水占主要部分,但固态降水比液态降水对于垂直风速的依赖性更强。随着对流的增强,固态降水在总降水中占的比重越来越大。首次放电时间不断提前,闪电峰值落后垂直风速峰值,总闪数一开始随对流的增强而增加,对流一旦增强到一定程度,总闪数则逐渐减小。固态降水和液态降水的开始时间和峰值时间均随着对流的增强而不断提前,而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,而闪电峰值提前固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。雷暴云中的放电活动集中在强降水区域前缘的较弱降水区,强降水区对应的闪电较少,对流的增强会使降水区域面积、降水量和降水强度增加。由于液态降水总量远大于固态降水总量,固、液态RPF的数值相差达到一个量级,但单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。在单位时间内闪电次数越多,RPF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,所以利用固态降水可以更好地预报闪电。这些结果有助于进一步认识闪电和降水的关系,并可为闪电预报提供新的思路。

初始冰晶浓度对雷暴云微物理和起电过程的影响

为了研究雷暴云中高温区次生冰晶浓度对雷暴云微物理过程和电过程的影响,根据模拟个例的地理位置,更新了原有的三维强风暴动力-电耦合数值模式中的初始冰晶核化公式;并在模式中的-5℃温度层结上均匀播撒了3.0 km×3.0 km×0.5 km的低中高三组浓度的自然冰晶,从而影响了云中次生冰晶的产量。结果表明:1初始冰晶的播撒量与次生冰晶的产量呈正相关;2繁生冰晶的增加使得云中冰晶粒子分布区域向雷暴云上部发展,霰粒子分布区域向雷暴云下部发展,从而增加了雷暴云中冰晶和霰的混合区域;3高播撒的初始冰晶会改变闪电的出现时刻并使得闪电频次明显增多。模拟中算例2和算例3闪电分别增多了24.4%和46.9%。

雷暴单体中降水退屏蔽作用和正地闪之间的关系

为了验证雷暴单体中是否会由于降水退屏蔽作用导致正地闪的发生,建立了典型的雷暴云三极性电荷结构模型,利用现有的闪电放电参数化方案,通过改变中负和下正电荷区的高度和电荷密度进行的对比试验,对雷暴单体中降水退屏蔽作用和正地闪发生之间的关系进行研究。结果表明,在雷暴单体中发生降水时,引起的雷暴云中负和下正电荷区高度下降以及电荷密度的减小会使雷暴云中电场和电势的分布发生变化。当中负和下正电荷区的高度降低时,模拟域内最大电场强度降低,最大电场强度处电势增大,最大电场强度处和地面之间电势差增大,使正先导更容易发展到地面形成正地闪。当中负和下正电荷区的电荷密度减小时,模拟域内最大电场强度降低,最大电场强度处电势的绝对值先减小后增大,在电势增大过程中最大电场强度处和地面之间电势差增大,正先导也更容易发展到地面形成正地闪。因此,雷暴单体中降水退屏蔽作用对正地闪的发生是有利的。

强雷暴中正地闪发生的条件

为了进一步认识强雷暴中正地闪偏多的原因,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过模拟一次强雷暴过程,讨论了正地闪频发需要的条件.结果表明,云闪的发生需要较强的上升气流,而正地闪的发生不仅需要更强的上升气流,还需要云低层存在强的下沉气流,即正地闪发生在强雷暴云成熟阶段后期,对应固态降水强度最大时段.此时,云内主上升气流区内的各电荷区被强上升气流抬升,短暂地呈现反三极性结构,非感应起电机制作用使大量的霰粒子带正电荷,形成了中部电荷密度较大、范围较深厚的正电荷区.而下沉气流区比上升气流区电荷结构更复杂,呈正、负交替的多层结构.由于雷暴云上部负电荷区中部分带负电荷的霰和雹粒子被下沉气流输送到低层,及低层区域感应起电机制的共同作用,使上升气流区外围的对流降水区中的霰和雹粒带上负电荷,在近地面形成一个较强的、范围较大的负电荷区.强雷暴云中下部存在的这个偶极性电荷结构为正地闪的发生提供了有利条件.正地闪发生阶段对应着上升气流、雹粒子体积和总闪的快速增强阶段.因此,强雷暴中正地闪的发生可作为雷暴强度及冰雹形成的一个指示因子.