兰州地区一次强雷暴过程的电荷结构特征及其形成机制的模拟研究

论文摘要

内陆高原的兰州地区受特殊的地形和热力等因素影响,该地区的夏季雷暴活动通常具有一定的特殊性。为了提高对该地区雷暴电活动特征的整体认识,本文利用耦合了非感应起电、感应起电以及放电参数化方案的WRF(Weather Research and Forecasting)模式模拟了一次发生于内陆高原兰州地区伴有降雹的强雷暴过程。通过研究雷暴电荷结构的演变特征,发现成熟阶段雷暴云底部存在范围深厚的正电荷区,并基于动力和微物理等方面分析了该底部特殊正电荷区的形成机制。得到以下结论:(1)模拟结果与观测事实具有较好的一致性。此次雷暴过程水平尺度较小,整个生命史较短,移动速度较快,是内陆高原地区较为典型的一次夏季强雷暴过程。整个雷暴过程中发生的地闪频次都较低,并且降雹前的地闪频次都存在跃增现象。跃增主要与雷暴云内霰/雹粒子以及冰晶粒子含量在降雹前短时间内的迅速增多有关。(2)对流单体在不同发展阶段对应的电荷结构特征不尽相同。雷暴初始阶段为偶极性电荷结构,各电荷区强度以及高度均相对较低。雷暴成熟阶段演变为略微倾斜的三极性电荷结构,上部和中部电荷区发展深厚,电荷密度增大。底部出现范围深厚且持续时间较长的正电荷区,电荷密度与中部负电荷区强度相当。此外,底部正电荷区周围还存在强度及范围均较小的水平延展负电荷区。雷暴云消散阶段电荷结构逐渐转变为偶极性,底部正电荷区的特征不明显,范围弥散。(3)特殊的层结特征对云内的微物理过程产生影响,从而影响电荷结构特征。虽然此次雷暴过程地面温度及环境湿度相对较低,但云底高度较高,暖云层厚度较薄,雷暴的不稳定能量相对较大。特殊的层结特征导致云内反而具有较强的上升气流,云内的额液态水含量较大,霰/雹等大粒子在云内停留时间更长,导致云底积聚范围深厚的霰粒子,有效促进了云内起电过程,对雷暴的电荷结构产生影响。(4)云底分布含量较大的霰粒子是形成范围深厚底部正电荷区的前提。在雷暴云内液水含量和温度适中的条件下,云底范围深厚的霰粒子与冰/雪晶发生非感应碰撞携带的正电荷,对底部正电荷区的形成起主要作用。雹粒子与冰/雪晶之间非感应碰撞携带的正电荷以及雨滴粒子转化的正电荷对底部正电荷区形成具有一定促进作用。此外,云内霰粒子与云滴之间的感应碰撞起电也对底部正电荷区的形成具有一定的贡献。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 曾凡辉

导师: 郭凤霞

关键词: 内陆高原,雷暴云,起电机制,电荷结构

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P446

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000242

总页数: 60

文件大小: 5069K

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