气溶胶对雷暴云电荷结构影响的数值模拟研究

摘要

本论文的主要工作是把气溶胶模块耦合到一个已有的雷暴云起电模式中,完成了二维250m分辨率下雷暴云的起电过程数值模拟试验;同时结合实际的探空观测资料,对加入气溶胶前后的模式进行了对比检验,初步建立起一个便于考察气溶胶对微物理以及起电过程影响的雷暴云起电新模式;此外,通过改变初始气溶胶的浓度以及谱分布情况,考虑其对雷暴云内微物理过程以及电荷结构的影响,并且对产生的电荷总量以及引起的空间电荷分布变化进行定量估计及其合理性的评价,对实际中观测到的雷暴云中不同的电荷分布提供理论依据,同时也对气溶胶与空间电荷分布的相关性提出新的见解。
　　本数值模拟研究取得的结果如下:(1)在已有的雷暴云模式,以及Mansell和谭涌波等学者的工作基础上,加入气溶胶模块,尽可能的继续优化起电参数化方案,建立一个便于考察气溶胶对微物理以及起电过程影响的雷暴云起电新模式;同时完成了与通过经验公式考虑云滴数浓度的经典模式的对比验证,确信加入气溶胶模块后,在250m分辨率下对雷暴云中的动力和微物理过程仍具有较好的模拟能力。
　　(2)随着气溶胶的浓度增大,使得雷暴云内电荷密度总量以及电荷总量也随之增大,但其达到峰值的时间基本不受影响;同时也使雷暴云由三极性结构向多极性结构发展;各层电荷堆电荷总量增加并不均匀,主要集中于中部主负电荷堆以及底部次正电荷堆。
　　(3)通过气溶胶的不同初始滴谱对雷暴云空间电荷结构分布的分析发现:对雷暴云电荷结构有重大影响的为大于1μm的巨核气溶胶粒子;随着巨核粒子的增加,雷暴云底部出现较为明显的次负电荷堆;而该电荷堆的出现与空间电荷堆浓度的不均匀增加所导致的底部感应起电机制发生极性反转的现象息息相关。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 气溶胶对闪电活动的观测研究

1.2 气溶胶对雷暴云微物理过程的影响

1.2.1 气溶胶浓度对云微物理过程的影响

1.2.2 气溶胶尺度对云微物理特征的影响

1.2.3 气溶胶和雷暴云微物理过程的模式研究工作进展

1.3 微物理过程对雷暴云电荷结构的影响

1.3.1 雷暴云的电荷结构的观测实验

1.3.2 雷暴云电荷结构的实验室模拟研究

1.4 气溶胶粒子核化的参数化方案

1.5 本文的主要工作

第二章 模式介绍

2.1 基础模式的参数化方案介绍

2.1.1 模式的基本预报方程

2.1.2 微物理过程参数化方案

2.1.3 起电参数化方案

2.2 气溶胶模块的建立

2.2.1 气溶胶的性质

2.2.2 气溶胶初始谱分布

2.2.3 气溶胶的空间数浓度的变化

2.3 气溶胶模块与基础模式的耦合

2.3.1 气溶胶的核化过程

2.3.2 凝结核(CCN)的核化过程

2.3.3 气溶胶临界半径的确定

2.3.4 气溶胶比含水量的计算

2.4 模式的初始条件

2.4.1 模式初始条件

2.4.2 扰动方式

第三章 模式检验

3.1 个例选取及概况

3.2 雷暴云中云高、气流速率的对比检验

3.3 雷暴云中水成物粒子比含水量的对比检验

3.4 雷暴云电荷结构的对比检验

第四章 模拟结果分析

4.1 不同初始浓度下气溶胶对雷暴云电荷结构的影响

4.1.1 气溶胶浓度变化与雷暴云中水成物粒子携带的最大电荷密度的相关关系

4.1.2 气溶胶浓度变化与雷暴云电荷总量的相关关系

4.1.3 气溶胶浓度变化与雷暴云的电荷结构的相关关系

4.1.4 气溶胶浓度变化与雷暴云中各个水成物粒子带电情况的相关关系

4.2 不同初始谱分布下气溶胶对雷暴云电荷结构的影响

4.2.1 气溶胶谱分布变化与雷暴云中水成物粒子携带的最大电荷密度的相关关系

4.2.2 气溶胶谱分布变化与雷暴云电荷总量的相关关系

4.2.3 气溶胶谱分布变化与雷暴云的电荷结构分布的相关关系

4.2.4 气溶胶谱分布变化与各个水成物粒子在雷暴云中的带电情况的相关关系

4.3 底部次负电荷堆形成的原因探讨

第五章 总结和讨论

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 存在的问题和展望

参考文献

作者简介

致谢