不同闪电参数化方案对海南岛一次强对流闪电过程的数值模拟研究

利用耦合非感应起电方案和闪电参数化方案的WRF V3.9.1中尺度模式,模拟了2018年6月26日发生在海南岛的一次强对流过程,讨论模式中3种闪电参数化方案(LPI方案、PR92w方案和PR92z方案)对热带岛屿地区闪电活动的模拟能力。结果表明:模式能较好地反演出此次强对流过程的雷达回波特征,垂直速度和水成物粒子是影响模式预报闪电的重要因素,云内发展较强的垂直速度和丰富的冰相粒子有利于云内起电过程的发展。LPI方案和PR92w方案模拟出闪电的分布形式和闪电上正下负的结构,起电区域均位于8~15 km,PR92z方案模拟闪电分散,偏差较大;LPI方案的ETS评分(Equitable Threat Score)表现最优,为0.65;进一步分析LPI值与闪电频数的相关关系发现两者之间具有显著的正相关关系,区域平均LPI与闪电频数相关系数为0.9,拟合优度为0.83。

WRF模式中3种闪电参数化方案的对比分析

利用WRF模式V3.6.1中3种基于经验公式的闪电参数化方案对2013-07-05江苏省内的1次飑线过程进行数值模拟,对比3种方案在模拟闪电位置和频数的特点,分析模拟结果的成因。结果表明:PR92w方案能够很好地模拟闪电的分布位置;PR92z方案的模拟结果和PR92w方案正好相反,闪电频数与实测结果有很好的一致性但分布位置出现偏移;LPI方案虽然能指示闪电分布区域,但对高闪电密度区的预报有一定误差。3种方案的模拟结果表明:垂直风速和雷达回波是影响模式预报闪电频数和分布的重要因素。因此,增大网格模拟精度和同化雷达资料是改善PR92方案模拟效果的重要途径。

闪电通道状态变化参数化的建立及截断和再击穿的数值模拟

为提高数值模式对闪电精细化放电过程的仿真能力并与不断提高的闪电探测技术形成互补,探讨再击穿过程与雷暴电参数的关系,建立了一个能够再现先导截断及再击穿过程的自持电中性完整闪电参数化方案。考虑到正、负先导的极性不对称,分别设置了不同传播速度及起始和传播阈值。方案新增了通道电导率、平均电流、电荷等非线性电参数,并以这些参数的实时更新驱动闪电通道发展,通过设置不同通道状态变化阈值实现了先导通道衰退、截断以及重新激活的实时状态变化。基于通道平均电流、纵向电场以及电导率的实时变化,方案将电荷在空间重新分配,保证了通道的自持电中性。将新方案植入经典雷暴云三极电荷模型,模拟得到的云闪在通道结构、先导截断及再次激活、正负先导的极性不对称等方面与现有观测事实有较好的一致性。概念模型验证表明,新方案在保证自持电中性的前提下,在模拟包含截断和再击穿过程的完整闪电放电过程方面具有一定合理性和先进性。

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的整体效应。对一次超级单体的模拟结果表明,电荷结构呈现正、负、正的三极性结构,主正电荷区在-40℃到-60℃之间,主负电荷区在-10℃到-30℃之间,下部正电荷区在零度层附近,总电荷浓度最大值接近2nC/m3。这种电荷结构的垂直分布同以往在强对流天气系统中观测到的典型电荷结构一致。对飑线过程的模拟结果表明,部分单体电荷结构呈现出反的偶极性且飑线中最大电荷浓度小于超级单体。在飑线成熟阶段,模拟得到的闪电分布与观测的地闪活动在分布型上相似。

基于数值天气模式及其模式输出的闪电预报研究进展

鉴于闪电对人类生命、设备安全的威胁、对强对流天气的指示作用及其在大气化学反应链中的重要角色,国内外大量研究人员在中尺度数值天气模式、全球气候模式中开展了闪电预报的研究工作。在数值天气模式中,闪电预报方法可以分为3种:基于闪电活动发生时的天气背景场统计关系的闪电数值诊断预报;依据云动力、微物理场与起电活动的关系建立闪电率参数化方案;在数值天气模式中耦合详细的起电、放电参数化方案。详细综述了这3种预报方法的研究进展,总结了它们各自的特点,并且对现存的难点问题及未来的发展方向进行了探讨。