北京地区冰雹云的微物理与电过程的数值模拟

摘要

本论文采用改进后的二维雷暴云起电、放电数值模式模拟了北京地区12次雹暴天气过程，研究北京地区冰雹云的微物理过程和电过程，对于模拟结果主要做了以下几个方面的分析:1）统计了12个个例结果中的动力、微物理以及闪电特征值，分析闪电频次与降雹的关系;2）通过个例(040622)详细分析了雹暴过程中动力、微物理过程及闪电活动的时空演变过程，研究了闪电频次与降雹相关性的物理机制;3）结合闪电探测资料与模拟结果对比分析，进一步检验和分析了闪电频次与降雹的关系;4）通过模拟雹云个例(040623、040704)闪电通道的时空分布，加深了对云内电荷结构配置如何影响闪电发生、发展及其极性的认识。本论文取得如下主要研究结果:
　　 1.改进后的雷暴云起电、放电数值模式较好地模拟了雹云宏微观过程和起电、放电过程。通过对模拟闪电频次变化过程以及降雹过程分析表明:在雹云快速发展阶段，闪电频次存在“跃增”现象，模拟个例中有4个个例的结果表示闪电频次峰值时刻提前于降雹过程，平均提前8min，有11个个例的模拟结果表示闪电频次峰值时刻提前于降雹峰值时刻，平均提前8min。
　　 2.通过对040622个例的冰雹云动力、微物理以及电过程的分析可知，闪电频次之所以发生“跃增”，是云内的动力、微物理过程综合作用的结果，“跃增”前冰品与霰的比水量都发生了“跃增”现象，它们的碰撞速度同时增大，此时非感应起电机制发挥作用，起电过程迅速加强，云内电荷浓度快速增强，云内电场也迅速增长并且维持较强电场，电场强度高过放电阈值产生放电现象，因此造成闪电频次的“跃增”。
　　 3.通过实测资料与模拟结果的闪电总体特征以及闪电频次变化特征对比，发现:在总体上，模拟的闪电发生次数要小于实际发生的次数，但地闪占总闪的百分比和正地闪占地闪百分比，模拟和实测资料表现一致，模拟的降雹时间段与实际的降雹时间段也表现一致。对于闪电频次变化对比，模拟与实测在某些方面表现一致，例如有些个例表现出相同的变化趋势，多次出现峰值时刻;闪电频次在降雹前都发生“跃增”现象，闪电频次的峰值时刻提前与地面降雹时刻。
　　 4.云内电荷浓度强弱、结构分布影响着闪电的发生发展以及闪电极性，通常电荷浓度越高、分布范围越广，则闪电通道发展的范围也越广;云内通常存在多层电荷结构，每一层电荷结构的强弱影响着闪电发生的位置，从而导致呈现出不同闪电放电特征，本文模拟结果表明雹云发展过程中云内电荷结构为偶极性或三极性，参与放电的多为上部主正电荷和中部主负电荷区，为正极性云闪，随着雹云整体高度的降低，底部次正电荷区域逐渐增大增强，出现中部的负电荷区与下部的次正电荷区之间放电，产生了反极性云闪。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 云模式的国内外研究现状

1．2．2 起电、放电数值模式的国内外研究现状

1．2．3 雹和闪电关系的研究现状

1．3 研究内容

第二章 雷暴云起电、放电数值模式

2．1 模式动力、微物理过程的参数化

2．1．1 基本方程组

2．1．2 次网格湍流交换项

2．1．3 主要的微物理过程

2．1．4 模式的初始及边界条件设定

2．2 起电过程的参数化

2．2．1 感应起电机制

2．2．2 非感应起电机制

2．2．3 次生冰晶起电机制

2．3 放电过程的参数化

2．3．1 闪电的启动

2．3．2 闪电通道的传播发展

2．3．3 云地闪回击和其后续放电过程的处理

2．3．4 闪电过程的终止和电荷的再分配

2．3．5 云顶屏蔽电荷层形成的参数化方案

第三章 北京地区冰雹云的数值模拟研究

3．1 模式模拟方案的设计

3．2 模式模拟结果总体分析

3．2．1 天气概况分析

3．2．2 模拟结果总体分析

3．3 2004年6月22日冰雹个例分析

3．3．1 天气实况概述

3．3．2 模拟结果分析

3．4 本章小结

第四章 结合实测资料分析雹云闪电特征

4．1 探测资料简介

4．2 模拟结果与实测结果对比

4．3 本章小结

第五章 云内环境对闪电类型的影响

5．1 模拟个例的初始场

5．2 模拟结果分析

5．2．1 云闪的发生时云内宏、微观、电参量空间分布

5．2．2 空间电荷分布与云闪的关系

5．2．3 空间电位分布与云闪的关系

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文主要结论

6．2 论文创新点

6．3 论文不足与展望

参考文献

致谢

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