雷暴云起电过程的数值模拟研究

论文摘要

近年来的研究表明，非感应起电是云内一种重要的起电机制，碰撞粒子的大小、降落末速差、云温及液态水含量等对非感应起电率都有影响；而三维强风暴动力电耦合数值模式中，假设粒子间碰撞时转移电荷的数量和极性为定值。为能更合理地模拟云内电场的发展，本文对该模式中非感应起电参数化方案做了改进，根据相关的实验结果，设其为过冷云水、粒子直径和降落末速差的函数。本文以2005年6月10日发生在长春的一次雹暴过程为例，对三种不同的非感应起电参数化方案做了以对比分析。结果表明，当考虑转移电荷的极性取决于云温和液态水含量，而转移电荷的数量是冰晶尺度、相对降落末速及液态水含量的函数，且取极性反转温度为-10℃～-20℃时，模拟结果与实际情况符合较好。对于不同的对流云系，由于其微物理过程的不同，电荷的产生及电场发展规律有所差异。因此，利用改进后的模式，对长春地区两次不同强度、不同环境风切变的对流云以及长春和玛曲的对流云分别做了对比分析。模拟结果表明，垂直上升气流是表明电场发展强弱的重要参量；中等强度的上升气流有利于云体中层电荷的累积，使电场较快达到击穿阈值，而不同情况下电场达到击穿阈值的时间均出现在上升气流开始回落的阶段。垂直输送项对电荷的分配起着重要作用，对霰的主电荷产生区，初始时垂直输送率比起电率小一个量级，起电大约10min以后二者同量级。低层正负电荷区的维持离不开高层霰和冻滴的沉降，同时8km以上冰晶所荷的正电荷主要来自于上升气流的输送。此外，云内丰富的过冷雨水有利于冻滴的生成，因而，冻滴的沉降及融化成为降水初始形成时低层负电荷区的电荷来源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 导言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 雷暴云起电机制的实验室研究
• 1.2.2 雷暴云起电过程的数值模拟研究
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.3.1 模式改进
• 1.3.2 实例模拟
• 第二章 模式动力学框架和微物理过程参数化方案
• 2.1 模式预报量及控制方程组
• 2.2 模式初始及边界条件
• 2.2.1 侧边界条件
• 2.2.2 上、下边界条件
• 2.2.3 初始条件
• 2.3 对流启动方式
• 2.4 主要微物理过程
• 第三章 起电参数化方案
• 3.1 起电参数化方案
• 3.1.1 非感应起电机制
• 3.1.2 感应起电机制
• 3.2 非感应起电参数化方案的对比研究
• 3.2.1 天气实况
• 3.2.2 云的宏微观特征
• 3.2.3 电荷结构
• 3.2.4 极大电荷产生率与过冷水中心的关系
• 3.2.5 最大电场的发展
• 3.2.6 垂直输送项的作用
• 3.2.7 小结
• 第四章 对流云起电过程的数值模拟研究
• 4.1 长春地区对流云起电过程的数值模拟
• 4.1.1 模式初始场
• 4.1.2 云的宏观特征
• 4.1.3 电荷分布
• 4.1.4 感应起电对总的电荷结构的影响
• 4.1.5 上升气流及含冰量与电场的发展
• 4.1.6 小结
• 4.2 雷暴云内起电过程与微物理过程关系的模拟研究
• 4.2.1 模式初始场
• 4.2.2 云的宏观特征
• 4.2.3 电荷分布与上升气流
• 4.2.4 过冷雨水与低层负电荷区
• 4.2.5 小结
• 第五章 总结和讨论
• 5.1 主要研究成果
• 5.2 本文创新点
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 硕士研究生期间参加的社会实践和论文发表情况
• 附图
• 致谢