华北典型强雷暴云的地闪活动特征及数值模拟分析

来源 :中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haofei88
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雷电灾害作为自然灾害之一,目前引起了越来越多的关注。闪电多发生于强雷暴天气中,研究强雷暴中闪电活动的特征对闪电的预警预报提供了理论基础。   本文主要利用山东雷电探测网的地闪资料、天气资料以及多普勒雷达资料,对发生于山东省内一次中尺度对流系统和冰雹云的个例进行了细致分析,探讨了强对流天气的闪电活动关系以及和雷达、天气资料的对应关系。主要有如下一些结论:   典型的中β尺度对流系统地闪活动较活跃,整个雷暴生命史中,负地闪占主导地位,正地闪则表现的不活跃;从二者空间分布上看,负地闪密集的区域,正地闪基本不发生,而正地闪密集的区域,负地闪表现的不活跃。发展阶段负地闪频数递增较快,此时正地闪也呈递增趋势。随着系统进入成熟阶段,负地闪频数呈现相对稳定,负地闪频数的最高值出现在此阶段。系统进入消散阶段后,正负地闪频数减弱至消亡。剧烈的闪电活动对应着地闪频数的峰值,正是由于放电过程将云中电荷中和,从而紧接着出现了地闪活动的谷值;当对流再次发展,云中电荷重新积累和分离,地闪又进入活跃期。   冰雹云中地闪演变过程中正地闪占主导地位。初始阶段正地闪较活跃,随着系统进入发展阶段负地闪比例明显增多并出现负地闪峰值。而在系统的成熟阶段正地闪占据主导地位,该现象一直持续到系统进入消散阶段。降雹的作用使得该系统整个阶段正地闪比例较高。   通过雷达与地闪资料的叠加可以看出,强雷暴中地闪主要发生在强回波区内,负地闪主要出现在强回波区域(>40dBz),且主要集中在回波梯度大的区域,而正地闪出现在弱回波区(<35dBz),强回波区内也有零星的分布。发展阶段负地闪主要发生在30-40dBz,正地闪则主要分布在25-35dBz的相对弱回波区内;随着中心回波强度的增大,负地闪数量增加且明显偏向于落在强回波区内。   利用一个三维强风暴动力电耦合模式对一次雷暴单体过程进行了模拟,来研究雷暴模拟雷暴云内宏观电场、电荷结构和各种粒子的电荷结构。通过分析得出,雷暴云发展过程中,整个云体中云滴和雨滴含量占主导地位。冰晶、软雹和冰雹初始阶段含量较低,成熟阶段达到最高值,随着系统消亡而逐渐减小。空间电荷密度的分布,主要以负电荷为主。在雷暴云发展初期,云中形成了负电荷中心,同时形成正负电场中心。雷暴云发展到成熟阶段时,云内出现三极性电荷结构,水平电场和垂直电场均达到最大值。雷暴云的消散阶段,电荷区内电荷密度减小,但下部正电荷区向下扩展,空间电荷浓度降低,雷暴内电场减弱,开始消亡。   通过对雷暴云内带电粒子的电荷密度模拟得出,除冰晶粒子带正电荷外,其他粒子均可带正、负电荷,且冰相粒子达到的高度比较高,模式模拟的雷达回波演变特征基本与实测的雷达回波演变相似,虽然二者在回波强度和范围上存在着差距,但是模式能将雷暴单体的雷达回波的基本特征表现出来,云体结构、形状和趋势与实际雷达回波吻合较好,能体现出云体发展的强烈程度。
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