地面湿度对雷暴云微物理及电过程影响的研究

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为深化对不同地面相对湿度与闪电活动相关关系上的认知,本研究结合卫星观测资料,将中国陆地区域化,多方位探讨中国区域和南京地区夏季闪电活动与地面相对湿度之间的关系,并结合地面温度和气溶胶光学厚度(AOD)资料,讨论上述二者非线性相关可能的原因。本文又基于已耦合气溶胶模块的二维雷暴云起电、放电模式,结合一次山地雷暴个例,通过设置不同的相对湿度条件(60%、70%、80%和90%),开展敏感性试验,进一步对比不同水汽环境下雷暴云微物理过程的差异,探讨不同相对湿度大小在雷暴云动力、微物理过程和电过程中发挥的作用,重点分析了地面相对湿度的改变对雷暴云电过程的影响。主要研究结论为:(1)中国夏季区域闪电活动与相对湿度的空间分布情况为:东部湿润地区为闪电密度高值区,闪电密度随纬度升高而下降,中国西部干旱地区则是雷电密度低值区。位于东部地区的南京地区闪电密度与相对湿度呈正相关,该地区较强的闪电活动可能与较高的相对湿度(90%以上)有关。(2)中国四个典型区域里,闪电活动与地面相对湿度的关系是非线性的,在相对湿度大于80%(或小于55%)的区域,闪电密度与相对湿度呈负相关(正相关)。(3)闪电活动的产生需要一定的湿度条件,在陆地上较干燥的区域里,湿度的增加有利于闪电活动的发生;但在相对湿度过高的地区,过高的地面相对湿度可能会抑制对流活动的上升能力,从而抑制闪电活动的发生。(4)在地面相对湿度高值区,温度条件可能是引起闪电活动增强的主要因素;在地面相对湿度中值区,高浓度的气溶胶可能通过辐射辐射效应降低对流活动的能力,是该区域雷暴活动受到抑制的关键原因;在地面相对湿度中高值区,该地区闪电密度与地面湿度弱相关的原因可能与季风或大气洋流等因素的影响有关;在地面相对湿度低值区,特殊的地形条件和地面湿度的增加则有利于为闪电发生创造条件。(5)相对湿度的大小差异明显时,对应的雷暴云动力和微物理特征有明显差异。随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离。(6)雷暴云起电过程受相对湿度影响显著。当相对湿度从60%增加到90%时,由于粒子数浓度增大,非感应起电速率和感应起电速率明显增加,总闪数增加,此外,RH越大,电荷分离则更快和更强。并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。当RH达到90%时,一些正极性CG闪电在偶极性电荷结构的雷暴中产生。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。
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