雷暴云闪电活动和固、液态降水关系的数值模拟

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为了深入分析雷暴云闪电和降水关系的内在机理,本文利用三维强风暴动力.电耦合数值模式对一次雷暴个例进行数值模拟,讨论了垂直风速、闪电和固、液态降水的时空关系和单次闪电表征的降水量;分析水凝物粒子的微物理特征和电特征,讨论产生闪电和固、液态降水关系差异的内在原因。得到以下结论:(1)液态降水都占了降水的主要部分,液态降水量及其最大降水强度增加的幅度会逐渐减小,而固态降水量及其最大降水强度则快速持续增长。闪电总数一开始随扰动位温的增加而增加,增加到一定程度则逐渐减小。液态降水出现时间和峰值时间均提前于固态降水;雷暴云首次放电的时间滞后于液态降水,而闪电峰值则落后固态降水峰值或与固态降水峰值同时产生。闪电正、负先导通道投影集中在降水区域前缘的弱降水区;对流的增强使降水区域面积增加,降水量和降水强度也增加,但过于强烈的对流并不利于雷暴云的放电。(2)固、液态降水RPF的数值差别较大,相差达到一个量级,这是由于液态降水总量远大于固态降水,与此同时,单位时间内固态降水和液态降水增加的速率相近。固、液态RPF和闪电次数的拟合直线线性递减,在单位时间内闪电次数越多,闪电表征的降水量则越小,而固态RPF和闪电次数的线性相关性明显好于液态RPF,可以利用固态RPF来预报闪电。(3)冰相粒子的碰并和转化等微物理过程将更多地触发闪电,且随着扰动位温的增加,上升气流增强,生成的冰相粒子也更多,雷暴云内的微物理过程更活跃;但是当扰动位温达到一定值时,强烈的上升气流将冰相粒子带到更高的高度,减少了粒子间的碰并,因此闪电次数减小,但是雹粒子作为固态降水,其生成量仍在不断增多,所以固态降水量持续增加。(4)电场强度的变化和闪电的发生时间比较吻合,而固态降水的不断累积可造成电场极性的剧烈变化;持续的固态降水将影响下部的电荷结构。粒子下落末速度的变化取决于降水强度和起电过程的共同作用。由于放电后电荷的重新分布,携带电荷量较多的固态粒子在下降的的过程中其下落末速度会产生较大的变化,随着对流过程和电场力的作用而不断增强。
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