雷暴中上升气流的中和电荷率对于闪电的影响:仿真研究外文翻译资料

雷暴中上升气流的中和电荷率对于闪电的影响:仿真研究

简 介

闪电电荷速率(RNCL)是一个重要的说明雷电活动强度的参数。在一次雷击中，基于极性电荷守恒定理，提出了总充电率(CR)，比如一种极性(如负)电荷的总充电率(CROP)，和降落的外流电荷(ORCP)是影响闪电中电荷的速率(RNCL)关键因素。在本文中，运用三维云分析模型，通过分析发生在北京2008年9月6号的一次强烈风暴研究了CR和CROP两方面的对上升气流的影响。结果表明，上升气流推动并抑制RNCL。(1)上升总是促进ＣＲ、上升气流体积和CR之间的相关系数可以达到0.96。通过这种积极的影响，上升气流的加强有利于加强RNCL。(2)上升气流的加强也促进ORCP。上升气流体积和CROP之间的相关系数很高(约0.9)，但这种促进抑制了RNCL的加强。因为大多数情况下，CROP的加强抑制了RNCL增加。(3)此外，ORCP的提高抑制RNCL的加强。在幅度方面，ORCP的峰值等于CR的峰值。由于ORCP主要出现在闪电活动结束后，在闪电期间可以忽视ORCP对RNCL抑郁效果。

关键字:闪电活动,上升气流,中和电荷,充电速率,电荷量

引用:王飞,张义军,郑栋:上升气流的中和电荷率对于闪电的影响:闪电雷暴的仿真研究｡气象学报,29(6),997-1010,doi: 10.1007/s13351-015-5023-9.

1. 介绍

雷电活动是强对流系统的一个重要现象,与大气对流有着密切的关系｡例如,许多研究发现,雷暴的雷达回波顶是涉及到闪电率(Shackford,1960年,Jacobson和Krider,1976; Williams,1985年)｡基于该相关性,Price和Rind(1992)用全球数字模型,建立云顶部和闪电率的参数化方案｡此外,抬升凝结高度(LCL)被发现具有与闪电率的对数值非常高的相关性(Williams等,2005; Fuchs等人,2014年),和干球温度和可用的对流的组合势能(CAPE)与闪电率有明显的相关性,但相关系数不是很高(Fuchs等人,2014)｡威廉姆斯和斯坦菲尔 (2002)发现,高频雷电活动趋于雷暴要观察是否是高LCL和适度CAPE,而不是在高CAPE低LCL｡

上述研究表明,强对流气流的许多参数都与闪电活动有关系｡事实上,大多数这些参数的直接反映上升气流的特性｡观察表明,在混合相区(-40-0℃)一个强烈的上升气流的存在是产生闪电所必要的(Workman和Reynolds,1949; Williams和Lhermitte,1983; Dye等人,1988; Rutledge等人,1992; Carey和Rutledge,1996; Petersen等人,1996,1999; Pickering等人,1998; Baker等,1999;黑色和哈勒特,1999; Wang等人,2009; 海明斯菲尔德等人,2010; 派路基等,2011; Yao等,2013; Zhang等,2013; Reinhart等人,2014年;王等人,2015年)｡此外,在对流上升气流的作用的定量观察研究已经进行了｡Lang和Rutledge(2002)报道,雷暴,主要是正云地闪电,伴随着一片强烈的上升气流的的区域(速度大于20米每秒)｡ 滕森道尔福等(2005)和威恩斯等(2005年)发现了上升气流体积(速度超过10m/s)和雷电活动之间有良好的相关性｡达尔林和彼得森(2008)中发现的-5℃等温线之上,垂直速度在5和10米每秒之间的上升气流卷,与闪电活动相关很大,相关系数分别为0.93和0.92｡他们还指出,上升气流体积和总闪电活动之间的关系随温度的变化而变化,并取决于温度,也与区域有关｡巴特等(2010)还发现,最大上升气流速度与伴随强烈的上升气流的雷暴的闪电频率有很好的相关性｡

虽然上升气流和雷电活动之间的密切关系已被许多研究证实,但上升气流影响雷电活动的机制仍然是不明确的｡很多研究集中在上升气流对充电过程的影响,而其它的研究也表明,上升气流在放电过程中也有明显的影响(Zhang等人,1999年,2003年; Miller等,2001)｡然而,由于缺乏上升气流和充电过程的直接观察,对这两个问题开展的工作的大多数都是基于观察的逻辑推测｡ Carey和Rutledge(1996)发现上升气流的上部的霰的数量和体积与闪电率密切相关较强,这表明上升气流可以通过影响霰的充电过程影响闪电频率｡Lang 和Rutledge(2002)发现,一股强烈的上升气流可以产生更多的过冷水和造成颗粒之间更多的碰撞,这就导致上升气流和雷电活动之间的密切关系｡达尔林和皮特森(2008)提出,增强的上升气流在混合相层产生更多的冰颗粒,并且因此在随后的电荷分离中产生了更多的碰撞,这表明了上升气流与雷电频率的正相关性｡他们认为,上升气流体积与闪电频率之间的关系不太可能向着冷云基于有源沉淀的充电区逼近｡与此同时,理论分析表明,上升气流区,特别是在的冰点以下云层的区域应与生成电流密度有关｡转过来这又与风暴的雷电活动有关(Boccippio,2002)｡

在许多研究中,闪电频数被看做为雷电活动的强度的主要参数｡通常情况下,有更多的对流雷暴会产生更频繁的雷电活动(麦克等,2009)｡然而,最新的观察表明,在一个特定的期间闪电频次与深对流的上升气流的位置有关:在强上升气流里面或附近,闪电更小,闪烁更频繁,并且当他们远离强上升气流时闪烁有相反的倾向(Carey等,2005; Kuhlman等,2009; Weiss等,2012; 布鲁宁和MacCorman,2013年)｡最近的研究表明闪电尺度和闪电区域一般与闪电频次反相关(Mecikalski等人,2015年),这提醒我们,闪电频次不能代表雷电活动强度的全面特性｡在本文中,我们定义RNCL代表雷电活动的强度,RNCL是在特定的时间段对整个雷暴规模闪电的中和电荷｡此参数影响闪电频次和闪电尺度,因此应该更适合于描述雷电活动强度｡

此外,以前大多数的研究认为上升气流对充电过程有积极的影响,进而影响闪电活动｡然而,一些研究人员还发现,上升气流和闪电活动之间的关系有时会发生变化,或者只在特定条件下(达尔林和皮特森,2008年)｡这表明,闪电活动中上升气流的影响是复杂的,现有理解并不足｡因此,本研究的第一目标是找出影响RNCL的主要因素,然后找出上升气流和这些因素的影响关系,使得RNCL上升气流的影响可以全面分析｡这项研究不仅对于理解雷暴中上升气流和电活动之间的关系有重要的作用,同时也为闪电活动进一步研究进展非常重要｡

2.模型和定义

2.1模型

这里使用的模型是一个三维云解析模型,这个模型最先由Hu和He(1988)发明,然后Tan等人(2006)补充了充电和放电的过程｡非静力平衡方程适于构建动态框架｡空气被视为无粘性和可压缩流体｡云水凝包括五大类:云滴,冰晶,雨滴,霰,冰雹｡除了云滴,沉积作用和所有水汽的拖力都被考虑了｡27种云的微物理过程,如蒸发 - 冷凝,混凝,自动变换,核增殖和冻融,都是模拟在模型中｡模型的初始场可以根据探测数据建立｡对流初始是一个湿热气泡｡这是具有较高的湿度和温度比在较低水平人工添加的环境受限制的扰动场,并受根据垂直运动方程计算的浮力的影响｡

三个充电方案模拟雷暴的充电过程,其中包括在碰撞过程中的非感应充电过程和霰/冰雹和冰晶之间反弹(Gardiner等人,1985;佩雷拉等人,2000; Tan等人,2006),充电霰/冰雹和云滴之间的过程在干的生长过程(Ziegler等人,1991),和充电过程中由于冰晶繁生过程中的表面温度差(哈利特和桑德斯,1979)｡

在放电时,Marshall等(1995)规定雷击引发的电场阈值是为空气密度的函数,这关系到高度;由曼塞尔等(2002)提出的随机放电模式在放电方案中被采用; 基于双向导向的概念(Kasemir,1960,2012),阳性和阴性导向的传播和闪电通道感应电荷都被计算出来｡闪电通道被视为良导体,当闪电通道的一个新格的电势是通过使用下式计算电阻:

其中,phi;_ini是基准电位,通常是由环境潜能表示; p是在通道电荷极性; n是该信道已经传播路径的段数;Epsilon;_inner是在信道内的电场,每米500伏的常数;d_i是每个路径段的长度｡

一个新的闪电通道的步骤完成后,在电场的信道以外的分布被重新计算,在通道内的感应电荷密度rho;_induced的计算方法如下:

其中ε是空气的介电常数,n表示导体表面的法线方向｡若闪电通道的两端或任一端的发展都没有概率达到的模拟域的边界,此模拟放电过程将停止｡放电过程停止后,在该通道的所有电荷将根据内和附近的通道水凝的表面面积的比例被重新分配(在水凝原始电荷将被忽略)｡再分配式(Ziegler和MacGorman,1994; Mansell等人,2002)如下:

其中,Q_ex是水凝x再分配电荷密度sigma;_x是水凝x的总表面面积,是在该网格中的所有水汽的总表面面积,并且是在闪电通道的一格的电荷密度｡

该模型的水平分辨率和垂直分辨率分别设定为1千米和0.5千米｡时间间隔为1秒,模拟时间设置为60毫米｡

2.2定义

在分析中,RNCL是由所有雷雨闪电中和的中和电荷量,在指定的时间间隔内发生｡ CR为通过非感应充电过程,感应充电过程,在冰晶体乘法处理过程的充电,在相同的时间间隔,在雷暴由各种水凝物获得的两种相反极性的 一种极性(如,负的)的总电荷｡在雷暴中一种极性的电荷的总量(TAOC)是在一定时间间隔所有闪电后TAOC的剩余电荷量｡ OROP当前TAOC与先前的TAOC的差值｡ORCP是雷暴中相同时间间隔内降雨量里一种极性(例如,负的)的总电荷｡降水量是在等于或低于1公里落下的高度的所有水汽｡上升气流区域被定义为上升的垂直速度大于1m/s的区域｡

1. 案例大致描述

一连串的风暴于9月6日夜间至2008年9月7日的早晨袭击了北京｡

基于北京时间9月6号八点的探测,通过3D进行充电和放电云解析模型进行了雷暴模拟｡仿真结果示于图1.第一个模拟闪电发生在第16分钟和第31分钟结束｡总共,模拟雷电活动持续约15分钟｡前19分钟内,闪电频率处于增加状态,19分钟时,达到顶峰, 12次每分钟,之后下降(图1a)｡

图1.(a)观测和模拟闪电频数和比较(b)的电荷结构(彩色)沿在第二十四分钟的正电荷中心的垂直剖面和分布(线)的闪电辐射高度｡来源SAFIR3000｡

基于SAFIR3000的闪电定位系统的基础上,第一个雷暴单体的观察,表示在第15分钟的雷雨闪电频率类似于模拟闪电频率｡起初所观察到的闪电频率也增加,在雷电活动开始后的第6分钟达到峰值,14次每分钟｡所观察到的峰值是非常接近的模拟雷电频率的值｡

根据由SAFIR3000观察闪电的辐射源的高度分布,峰值分布范围是9到11公里,这表示主要电荷层的高度也应位于的9-11公里的高度｡沿模拟雷暴的垂直轮廓,当模拟闪电频率达到峰值时,具有最大正电荷密度时的位置相同｡雷暴电荷结构展示出了偶极结构,主正电荷层在主负电荷层之上｡主正电荷层的高度范围也是从9到11公里,这和从观察得到的主正电荷层的高度范围相同｡

上面的比较表明,在闪电的频率和电荷结构方面,模拟雷暴非常类似于在系统中观察到的｡因此,该模拟结果被认为是可信的,并适合于进一步的分析｡

在模拟结果,RNCL第13分钟后开始不断上升｡从23分钟至24分钟,RNCL达到约408C/min的峰值;然后逐渐减小,直到31分钟结束｡

1. 模拟结果分析

从微物理过程的角度来看,闪电不仅是简单中和的电荷的过程,也是一个具有电荷结构相互作用的复杂的过程｡实际上,雷电是一个非瞬态过程｡在这个过程中,充电广泛存在通过湍流交换､平流､重力沉降和充电的过程在雷电通道中沉积的于雷暴混合(在空间方面)｡电荷的一部分被中和,残留电荷将在下一个闪电过程开始之前参加在电荷结构的改造(Tan等人,2007)｡然而,在较大的空间和更长的时间尺度中,如果平衡在整个雷暴电荷的源和汇,一个单独的闪电过程的复杂性可以忽略不计,仅在特定时间间隔内的雷暴所有雷电的总的结果可以证明｡有一种在雷暴极性的电荷的来源和汇应该是平衡的,如下面的公式:

当Q_{t Delta;t}和Q_t是分别t Delta;t 和t处的TAOC时,Q_char在Delta;t时间内各种充电过程产生的电荷;Q_out是在Delta;t时间内降水的电荷;和Q_neu是_r在Delta;t时间内所有闪电中和的电荷.方程(4)可以转化为方程(5)如下式:

这表明RNCL(Q_neu)由三个因素影响:主要是CR(Q_char),CROP(Q_{t Delta;t}-Q_t),和ORCP(Q_out)｡下面是上升气流对这些因素的影响

4.1 C R

在此研究中使用的模型包含三种充电过程:碰撞过程中的非感应充电过程和霰/冰雹和冰晶体增殖之间的反弹;(Gardiner等人,1985)｡霰/冰雹和云滴之间(Ziegler等人,1991)的感应过程;和冰晶体增殖的充电过程(哈利特和桑德斯,1979)｡虽然这三个充电过程是仅是在雷暴所有充电过程的一部分,但是许多研究已经证明,至少前两个充电过程是在雷暴中充电过程

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