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青海地区两次雷暴过程电荷结构数值模拟研究

蔡彬彬  
【摘要】:根据观测分析推测高原地区雷暴多为三极性电荷结构,底部拥有较大的次正电荷区,但没有能表明中国内陆高原特殊型雷暴云上部正电荷区是否参与放电,这种雷暴云上部究竟有没有正电荷区的存在?这种雷暴的电荷结构究竟是反极性结构,还是具有较大底部次正电荷区的三极结构,还是底部次正电荷区较大,且无明显上部主正电荷区存在的三极性结构?为了进一步了解高原地区电荷结构的形成及其结构特征,本文采用三维雷暴云动力-电耦合模式对青海大通地区2011年7月29日和2013年8月10日两次雷暴过程进行模拟分析,分析了青海高原地区的电荷结构特征以及闪电先导极性特征,并从向上水汽通量、比含水量及冰相粒子源项这些微物理角度方面分析了其主要形成原因。结果表明:(1)地区环境温度低,较弱的上升气流难以持续向上输送足够的水汽,到达一定高度后会形成液态降水,造成的下沉气流会将其截断,且雷暴云的整体高度也比较低,对流云也因而很快的消散了,上升气流弱时雷暴生命周期较短。低层有较强的风切变时,地面辐合上升增强,能够不断输送水汽,冷出流能够抬升暖气流,有利于多单体的形成。(2)冰晶和雪花粒子生成主要受到水汽的影响,无论上升气流强弱时,冰晶和雪花粒子主要依靠水汽凝华不断增长,但上升气流弱时冰晶会更多自动转化成雪花粒子,上升气流强时冰晶会更多转化为霰粒子,霰主要与云滴、雨水和冰晶碰冻,主要消耗了云滴的比含水量,冰相粒子在上升风速的加强下,它们质量产生率也会增快,对其分布高度的影响较大。(3)青海地区雷暴电荷结构发展特征:雷暴云弱上升气流形成时期,云内先形成一个下正中负的电荷结构,两个电荷区电荷密度都比较大,在暖云层可能会形成负电荷区。随着上升气流不断加强作用下,冰晶与雪花抬升到更高的地方,雷暴云其上部又形成了较强的正电荷区构成三极性结构,其中主正、负电荷区两者皆深厚,下部正电荷区减弱,但范围深远且时间比较长。(4)对流较弱时,此时上升风速较低,云体高度会受限,云内冰晶和雪花粒子多集中在中部,在一定有效液态水含量(EWLC)下,大小粒子碰撞后,小的冰晶和雪花粒子带负电,而大的霰粒子带正电,同时雪粒子分布的中心低于或等于冰晶粒子的中心,也会形成与冰晶粒子相同的电荷结构。随对流发展如果有较强的上升气流,上升风速增强,云内冰晶粒子会开始抬升,在非感应起电机制作用下,上部正电荷区由一部分冰晶和雪粒子荷正电形成,云中部的负电荷区由霰粒子与部分冰晶荷负电形成,而霰粒子荷正电形成云下部的正电荷区。在非感应起电的背景下,感应起电加强了底部正电荷区和中部负电荷区,感应起电下霰和云滴粒子电荷密度对电荷结构起到了一定加强作用。


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