雷暴云中电场对微物理、动力以及起电和放电过程的反馈影响

论文摘要

为进一步认识由起电活动产生的空间电场对整个雷暴云动力过程、微物理过程以及后续电过程的反馈作用,本文在三维强风暴动力-电耦合数值模式中,将电场分别引入积云运动方程及水凝物的下落末速度,模拟了1997年7月28日陕西旬邑地区的一次中等强度雹暴云个例,对比分析了有无电场影响下模拟云动力、微物理、起电和放电过程的主要差异。得出以下结论:（1）在考虑电场的作用下,由于初期起电活动并不剧烈,云内垂直速度变化较小,算例间的粒子运动、相变差异微弱。但随着云中水凝物粒子的积累,起电活动逐渐增强,电场反馈的差异也逐渐显著,并持续影响至雷暴云的消散阶段,此段差异保持约30 min,其间累计的反馈影响是不可忽视的。（2）水凝物粒子落速的变化是电场反馈影响的直接起因。考虑电场反馈作用后,雨滴、冰晶和雹粒子落速的极值整体增加,霰粒子落速的极值有增有减;电场对上述粒子瞬时的落速影响有增有减,但粒径越小,粒子瞬时的落速变化越明显,总体上,电场对雹粒子瞬时的落速影响最大,改变值接近其落速极值。水凝物下落末速度的调整导致粒子主要源项生成率的改变,云中霰、雹的生成率略有减小,雨滴、冰晶的生成率相对增加,而微物理过程中,粒子间的碰冻和碰并过程变化更为显著。（3）由于电场反馈于微物理过程,导致上述四种粒子在其比最大含水量高度附近的平均谱分布有所改变,半径较大或较小的固态粒子数浓度相对增加,半径中等的粒子数浓度相对减小。粒子落速的改变影响了地面累计的降水强度,固、液态降水强度的变化始于降水出现开始,一直持续至雷暴末期,其变化量与未考虑电场反馈影响时的降水量相比,虽小两个量级,但使得早期的固态降水出现了微弱的推迟,并使得成熟时期的降水出现了明显的起伏。（4）考虑电场影响的模拟云内上升和下沉速度都有所增强,其变化值小于不考虑电场影响时的速度值一个量级。由于考虑电场使凝结、蒸发过程加剧,凝华、升华过程减缓,水汽增加并参与了云内的微物理过程,潜热释放加剧,并为模拟云的发展间接地供应了相当的内能。云内动力场与热力场,上升速度场与正扰动温度场的变化趋于同步,电场使得成熟时期模拟域中心正涡度区强度增大,延伸的范围变广,但影响的位置高于上升速度的中心,接近于上升与下沉速度的交接面。（5）与不耦合电场计算的模拟组相比,电场的反馈影响使空间的电荷结构和垂直电场出现了同步的变化,各算例电荷结构显著变化的时段、高度对应着发生了垂直电场相通的变化;电场通过改变起电粒子落速,一定程度上增强了云中非感应起电的强度,微调了云中感应起电的位置,并对应着上述局部电荷结构的差异之处。考虑电场影响的模拟组内,闪电发生得更早,强电场持续的时间更长,闪电高频的时段延后,产生闪电的总数增多,电场反馈使云内的起电和放电活动更加活跃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 对雷暴云内电过程的模拟研究
•     1.2.2 数值模式中电活动对云动力及微物理过程的反馈影响研究
•   1.3 研究内容
• 第二章 模式简介和个例介绍
•   2.1 模式简介及其物理意义
•     2.1.1 控制方程组
•     2.1.2 微物理过程参数化方案
•     2.1.3 起电参数化方案
•     2.1.4 放电参数化方案
•     2.1.5 电参量的初始以及边界条件
•   2.2 电场参量的引入途径
•   2.3 个例简介和算例设计
•     2.3.1 初始资料和算例设计
•     2.3.2 在运动方程中引入电场及水凝物落速中加入电场的影响
• 第三章 雷暴云中电场对微物理过程的影响
•   3.1 电场对水凝物下落末速度的影响
•     3.1.1 电场影响下水凝物下落末速度极值的差异
•     3.1.2 电场影响下水凝物粒子的瞬时落速的差异
•   3.2 电场对水凝物粒子生成率的影响
•   3.3 电场对云内水凝物分布的影响
•     3.3.1 NE组水凝物粒子的垂直分布
•     3.3.2 电场对云内水凝物谱分布的影响
•   3.4 电场影响下降水强度差异
•   3.5 本章小结
• 第四章 雷暴云内电场对宏观动力场和热力场的影响
•   4.1 NE组流场演变及引入电场后垂直速度的差异
•   4.2 电场影响下云内垂直涡度和水平散度的变化
•   4.3 电场对云内温度场的影响
•     4.3.1 电场影响下扰动温度场的变化
•     4.3.2 两组算例间相变累计量的差异
•   4.4 本章小结
• 第五章 雷暴云内电场对电过程的影响
•   5.1 电场对电荷结构以及垂直电场的影响
•     5.1.1 引入电场后电荷结构的变化
•     5.1.2 NE组垂直电场演变以及算例间垂直电场的改变
•   5.2 电场对云中起电率的影响
•   5.3 电场对闪电频数的影响
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 论文创新点
•   6.3 不足与展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 廉纯皓

导师: 郭凤霞

关键词: 雷暴云,电场,动力过程,微物理过程,数值模拟

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: P427.3

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000219

总页数: 64

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