超级单体龙卷发展过程及闪电活动特征分析

摘要

基于加入了非感应起电，感应起电和放电参数化的WRF(Weather Researchand Forecasting)模式模拟了一次伴随强龙卷风，强降雹和频繁地闪活动的超级单体过程，分析了强龙卷，冰雹和闪电之间的关系，并从微物理，动力及电过程角度进一步探讨了产生这种关系的原因。 观测结果表明:在冰雹发生之前，地闪活动比较频繁，并且以负地闪为主，在冰雹发生前20分钟左右地闪活动出现了跃增，并且迅速达到峰值;出现降雹后，地闪活动出现了短暂的减弱，并且地闪极性出现了反转，由以负地闪为主转为以正地闪为主。随后正地闪频次出现了跃增并迅速达到峰值，此时龙卷风正处于形成阶段，尚未触地。在龙卷风的发展过程中闪电频次一直在减弱，在中气旋区域几乎没有地闪活动，而且中气旋强度峰值滞后地闪频次峰值约15分钟。 模拟结果显示出:(1)地闪极性的反转是由于上升速度的突然增强导致水成物粒子持续碰并增长，粒子含量和尺寸增加以及水成物粒子高度的降低，尤其是霰粒子和雹粒子含量突然增加及高度的降低。垂直方向风场的倾斜导致大量水成物粒子进入前侧下沉气流区，霰/雹-冰晶/雪之间的非感应碰撞分离之后，在底部形成负电荷区，中层非感应起电和感应起电共同作用下增强了中部正电荷区强度，两电荷区之间发生频繁的放电，导致正地闪频次跃增;在冰雹发生之后，上升气流范围增大，粒子碰撞更加剧烈，而且霰粒子和雹粒子含量也不断增加，高度不断降低，电荷结构以反三极性电荷结构为主。因此冰雹发生之后以正地闪为主。 (2)由于主上升气流区上升速度很强，导致水成物粒子上升到更高的高度，碰撞分离后形成的电荷结构在8km以上，很难发生对地放电。因此，中气旋区域几乎没有地闪发生。风场的倾斜将大量粒子带入前侧下沉气流区，粒子碰撞更加剧烈，从而导致频繁的闪电放电，而前侧下沉气流区下沉速度的增强，导致下沉气流在近地面旋转上升气流下部产生了涡度，又在低压扰动作用下，下沉气流和旋转上升气流相连接，进一步增强了中层中气旋强度，从而导致中气旋强度峰值时刻滞后地闪频次峰值时刻大约15分钟。龙卷风达到最强之后上升速度和下沉速度均开始减弱，在对流云底部，由于云水含量较低，而且温度较高，霰-冰晶之间的非感应碰撞电荷分离之后，霰粒子携带正电荷，构成了底部的小的正电荷区，从而抑制了正地闪的发生。 (3)冰雹的发生导致FFD(Front Flank Downdraft)和RFD(Rear Flank Downdraft)下沉气流开始增强，主上升气流区上升气流和RFD下沉气流的相互作用下，中层中气旋强度也在不断增强，更有利于龙卷风的发生，而且FFD下沉气流的不断增强，导致荷电粒子高度开始下降，但是粒子之间的碰撞起电过程变弱，起电和放电活动开始不断减弱。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1龙卷风，冰雹和闪电

1．2冰雹和闪电之间的关系

1．3龙卷风和闪电之间的关系

1．4本文主要研究内容

第二章模式介绍

2．1微物理参数化

2．2电过程

2．2．1起电参数化

2．2．2放电参数化

2．3．2屏蔽层参数化

第三章个例分析及模式结果

3．1个例分析

3．1．1天气背景

3．1．2超级单体发展过程

3．2模式设置及结果验证

3．2．1模式设置

3．2．2模式结果验证

3．3本章小结

第四章冰雹，龙卷风和闪电

4．1冰雹和闪电之间的关系

4．2龙卷风和闪电之间的关系

4．3冰雹，龙卷风和闪电之间的关系

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1主要结论

5．2创新点

5．3问题与展望

参考文献

作者简介

致谢