反極性電荷結(jié)構(gòu)是多發(fā)在強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)中的一種電荷結(jié)構(gòu)配置,它在強(qiáng)風(fēng)暴的特殊階段出現(xiàn),是強(qiáng)風(fēng)暴中正地閃大量發(fā)生的重要原因之一,同時也往往與災(zāi)害性天氣相聯(lián)系,然而這種電荷結(jié)構(gòu)的形成原因尚未有清晰的結(jié)論。熱帶氣旋中也被認(rèn)為有反極性電荷結(jié)構(gòu)存在,而研究熱帶氣旋的起電,也有利于進(jìn)一步理解熱帶氣旋中閃電活動的特征。本文進(jìn)一步發(fā)展了中尺度起電放電模式WRF-Electric,并利用該模式研究了強(qiáng)風(fēng)暴和熱帶氣旋兩類天氣系統(tǒng)中電荷結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,對于其中出現(xiàn)的反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制進(jìn)行了探討。論文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：(1)WRF-Electric模式的改進(jìn)。完善了模式中的非感應(yīng)起電機(jī)制,在兩種不同的雙參微物理方案中分別引入了4種非感應(yīng)起電方案,并在理想超級單體中進(jìn)行了對比測試。改進(jìn)了求解電勢泊松方程的計算方案,使用了適合于模式層非均勻網(wǎng)格距的差分方案,使得電勢的計算更為準(zhǔn)確合理。(2)從數(shù)值模擬角度揭示了一種由于動力原因形成反極性電荷結(jié)構(gòu)的機(jī)制：即在正常極性起電條件下(主起電區(qū)霰粒子仍荷負(fù)電),由于強(qiáng)烈的上升氣流和下沉氣流的輸送而形成反極性電荷結(jié)構(gòu)的機(jī)制。模擬研究了中國華北地區(qū)雹暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成。風(fēng)暴在降雹前和降雹后都是正常的電荷結(jié)構(gòu)分布,而降雹階段,風(fēng)暴前緣臨近強(qiáng)上升氣流的區(qū)域形成了反極性的電荷結(jié)構(gòu),在云的上部形成負(fù)電荷區(qū),云的中部形成正電荷區(qū)。由于強(qiáng)烈的上升氣流,大小粒子的碰撞起電主要發(fā)生在云頂附近,霰粒子荷負(fù)電,冰晶粒子荷正電。當(dāng)上升氣流到達(dá)云頂后會形成向前和向后的出流,較輕的冰晶粒子更容易被氣流所傳輸。同時,在風(fēng)暴前緣還有下沉氣流的存在,被向前輸送帶正電的冰晶在下沉氣流的影響下,被傳輸?shù)奖容^低的位置,從而在-25℃～-10℃溫度區(qū)形成正電荷區(qū),帶負(fù)電的霰粒子在云頂形成負(fù)電荷區(qū),導(dǎo)致在風(fēng)暴前緣形成反極性電荷結(jié)構(gòu)。(3)強(qiáng)風(fēng)暴對流區(qū)可以通過反極性起電而形成反極性電荷結(jié)構(gòu),雪晶在風(fēng)暴層云區(qū)反偶極性電荷結(jié)構(gòu)形成中起了重要作用。利用WRF-Elec模式對美國STEPS試驗中的次多單體強(qiáng)風(fēng)暴電荷結(jié)構(gòu)的形成進(jìn)行了模擬。研究使用了兩種不同的非感應(yīng)起電方案,分析結(jié)果表明：風(fēng)暴在對流區(qū)和層云區(qū)呈現(xiàn)了不同的電荷結(jié)構(gòu)。層云區(qū)主要呈現(xiàn)上負(fù)下正的反偶極性電荷結(jié)構(gòu),其形成主要是由于帶正電的冰晶粒子大量轉(zhuǎn)化為雪晶粒子,從而形成一個雪晶粒子組成的正電荷區(qū),同霰粒子形成的負(fù)電荷區(qū)構(gòu)成了反偶極性的電荷結(jié)構(gòu)。層云區(qū)的電荷很可能是由對流區(qū)產(chǎn)生并輸送而來的,層云區(qū)反偶極性電荷結(jié)構(gòu)的形成原因也可歸為動力輸送。SP98方案模擬的對流區(qū)電荷結(jié)構(gòu)存在了正常-反轉(zhuǎn)-正常的演變過程,這同觀測中的反極性電荷結(jié)構(gòu)的演變相一致。在反極性電結(jié)構(gòu)的對流區(qū),伴隨了強(qiáng)烈的上升氣流(16 m s-1)以及高的液態(tài)水含量(2 g m-3),這使得在對流區(qū)的云頂發(fā)生了反極性的起電,即低溫下大小冰相粒子碰撞后霰粒子荷正電,而冰晶荷負(fù)電,從而在云內(nèi)形成反三極性的電荷結(jié)構(gòu)。不同地區(qū)不同風(fēng)暴中的反極性電荷結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)由不同的機(jī)制形成。(4)構(gòu)建熱帶氣旋中電荷結(jié)構(gòu)演變的完整圖景。對于一個理想熱帶氣旋起電的演變進(jìn)行了模擬,現(xiàn)有的熱帶氣旋電荷結(jié)構(gòu)的模擬及觀測研究并沒有取得一致性,而本文的結(jié)果得到大多數(shù)觀測事實的支持。分析結(jié)果表明：眼壁區(qū)對流一般表現(xiàn)出反轉(zhuǎn)的偶極性結(jié)構(gòu),有一個負(fù)電荷區(qū)在正電荷區(qū)之上,但在加強(qiáng)階段,眼壁區(qū)伴隨了強(qiáng)烈上升氣流的極端強(qiáng)對流呈現(xiàn)正常的三極性電荷結(jié)構(gòu),有一個主負(fù)電荷區(qū)夾在兩個正電荷區(qū)之間。外螺旋雨帶對流的電荷結(jié)構(gòu)在不同階段均呈現(xiàn)正常的偶極性電荷結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的分析表明,不同的電荷結(jié)構(gòu)主要是上升氣流和粒子分布的差異造成的。在眼壁區(qū),對流的上升氣流一般較弱,不同粒子的混合區(qū)域主要分布在較低的層次,導(dǎo)致起電過程主要發(fā)生在霰粒子的正起電區(qū)。在加強(qiáng)階段,眼壁區(qū)爆發(fā)的強(qiáng)對流具有強(qiáng)的垂直上升氣流,起電在霰粒子的正、負(fù)起電區(qū)同時發(fā)生。而在外螺旋雨帶對流中,霰粒子和冰晶粒子的主要共存區(qū)在云的中高層,起電過程也主要發(fā)生在霰粒子的負(fù)起電區(qū),從而形成正常的偶極性電荷結(jié)構(gòu)。(5)研究登陸過程對臺風(fēng)莫拉菲(2009)電荷結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響。利用數(shù)值模式以及衛(wèi)星和閃電定位等觀測資料對比分析了臺風(fēng)莫拉菲(2009)在登陸前后以及衰亡階段的電荷結(jié)構(gòu)及形成。莫拉菲在登陸前存在近海加強(qiáng)過程,加強(qiáng)中逐漸形成了清晰的臺風(fēng)眼并伴隨眼壁區(qū)閃電活動的多發(fā)。眼壁區(qū)對流在近海加強(qiáng)階段呈現(xiàn)了正的三極性電荷結(jié)構(gòu),主負(fù)電荷區(qū)位于-25℃～-10℃層之間,其上下各有一個正電荷區(qū)。而在臺風(fēng)達(dá)到最大強(qiáng)度后呈現(xiàn)了負(fù)的偶極性電荷結(jié)構(gòu),僅存在云中部的負(fù)電荷區(qū)和下部的正電荷區(qū)。眼壁區(qū)對流的電荷結(jié)構(gòu)同臺風(fēng)強(qiáng)度變化密切相關(guān)而不受登陸直接影響。外螺旋雨帶對流在登陸前主要表現(xiàn)為正的三極性結(jié)構(gòu),而在登陸后主要以正的偶極性電結(jié)構(gòu)為主,之前的研究一般認(rèn)為外雨帶對流在各個階段只能呈現(xiàn)正的偶極性電結(jié)構(gòu)。外雨帶三極性電結(jié)構(gòu)的形成可以類似于眼壁區(qū)三極性結(jié)構(gòu)的形成,也存在其它形成機(jī)制,即在霰粒子與冰晶組成的正偶極性電荷結(jié)構(gòu)下存在一個由雹粒子組成的正電荷區(qū),從而形成正的三極性電荷結(jié)構(gòu)。臺風(fēng)衰亡階段對流主要表現(xiàn)了負(fù)的偶極性電荷結(jié)構(gòu),對流活動較弱,類似于陸地雷暴消散階段的特性。本文同時討論了不同類型的電荷結(jié)構(gòu)所對應(yīng)對流的相對強(qiáng)度。
【學(xué)位單位】：中國氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：P427.3
【部分圖文】：

Ｖｏｉｍｅｇｕｔ邋ａｎｄ邋Ｍｏｏｒｅ邋（１９５８）觀測認(rèn)為云上部是負(fù)電荷區(qū)而非正電荷區(qū)。Ｍａｒｓｈａｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑（１９％）在分析氣球探空觀測的垂直場強(qiáng)分布中最早給出了反極性電荷結(jié)構(gòu)的觀測個例，逡逑數(shù)據(jù)顯示電荷垂直方向有４個分層，電荷極性同經(jīng)典的電結(jié)構(gòu)相反。圖１．４為Ｍａｒｓｈａｌｌ邋ｅｔ逡逑５逡逑

正常Ｓ極性電荷結(jié)構(gòu)。民ｕｓｔａｎｄＭａｃＧｏｒｍａｎ（２００２）提出了反極性電荷結(jié)構(gòu)的概念，即在逡逑本應(yīng)存在正電荷區(qū)的高度上（或溫度區(qū)）聚集了負(fù)電荷，而在本應(yīng)當(dāng)存在負(fù)電荷區(qū)的高逡逑度上（或溫度區(qū)）聚集了正電荷，稱之為反極性電荷結(jié)構(gòu)（圖１．７）。逡逑寬泛的概念中正電荷區(qū)夾在兩個負(fù)電荷區(qū)之間的電荷結(jié)構(gòu)配置即可稱為反Ｈ極性電逡逑荷結(jié)構(gòu)。但嚴(yán)格的講，只有在本應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)負(fù)（正）電荷區(qū)的濕度層或高度層出現(xiàn)了正（負(fù)）逡逑電荷區(qū)才算是反極性電荷結(jié)構(gòu)。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑： 逡逑＋邐Ｍ逡逑Ｂ邐＋逡逑＂＇ｔｅｎ逡逑手！邐Ｂ逡逑ｍｉｎｔ逡逑圖１．７正常（ａ）與反轉(zhuǎn)（ｂ）的蘭極性巧荷結(jié)構(gòu)概念。逡逑在電荷結(jié)構(gòu)描述中還常使用偶極性電荷結(jié)構(gòu)的概念。前人的研究中一般將正電荷區(qū)逡逑位于負(fù)電荷區(qū)之上的電結(jié)構(gòu)配置稱為正常的偶極性電荷結(jié)構(gòu)，而上負(fù)下正的電巧結(jié)構(gòu)稱逡逑為反轉(zhuǎn)的偶極性電荷結(jié)構(gòu)。這同樣是寬泛的概念，本文的論述中暫且使用這樣的概念。逡逑根據(jù)本文的模巧結(jié)果，在第走章將�？趯τ谂紭O性和Ｈ極性電荷結(jié)構(gòu)概念的使用進(jìn)行討逡逑論，建議使用正、負(fù)偶極性的概念替代正常、反轉(zhuǎn)偶極性的概念。逡逑大小粒子碰撞時桯（或雷）所獲得的電荷極性受碰撞時的濕度、粒子速度１＾１及液態(tài)逡逑水含量等多個因素的影響。我們將云內(nèi)適合霞（或霞）獲得正電荷的區(qū)域R儻劑Ｗ擁膩義險鸕縝�，蠂娄的，适合羡Eɑ騏┗竦酶旱綰傻那虺莆劑Ｗ擁母浩鸕縝�。辶x希保當(dāng)疚難芯磕康暮鴕庖邋義戲醇緣綰山峁故且恢鐘朐趾π蘊炱喙亓姆綾┑綰山峁固卣鰨歡醇越峁瑰義喜⒎竊詵綾┑鈉鶚冀錐尉統(tǒng)魷

本文編號：2816373