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为了结合新的观测手段和数值模拟结果对雷暴云内起电机制做进一步探讨,本论文首先在X波段多普勒双偏振天气雷达的观测资料基础上,利用伴随方法进行了单多普勒雷达径向风速的三维风场反演,结果基本可以定性定量的反映流场的特征。根据偏振参量ZH,ZDR,KDP,ρHV和高度H,对雷暴云内的水凝物粒子类型进行识别,识别结果基本能合理反应雷暴云内的相态结构。
然后对三维强风暴动力-电耦合数值模式主要做了三点改进:1.考虑带电水成物粒子对电导率的影响,利用电路分析方法求解电位;2.对比了基于Saunders等非感应机制实验结果的参数化方案S91和SP98;3.放电参数化中击穿阈值根据不同参量取不同的值。结果表明电路分析方法得到的电位对电荷分布的依赖性更强,得到的垂直电场最大值出现的位置与以往的观测结果更接近。雷暴云发展初期,对起电贡献最大的是上升气流区中部(约-5~-20℃)、有效云水含量较大的区域,软雹主要获得正电荷。S91方案中,NLEZ和PLEZ区对于起电的贡献至关重要。雷暴云发展中期,随着NLEZ区起电的增强,软雹所带的负电荷逐渐增多,空间电荷呈现反极性结构。随着继续发展,PLEZ区的起电增强,云上部出现正的非感应转移电荷,电荷结构转变为三极性。在雷暴云生命期的大多数时间,因为软雹分布范围较广,下落速度较大,所以结霜增长率RAR大值区范围较大,因此在SP98方案中,软雹以携带正电荷占绝对优势。
在以上工作基础上,结合观测和模拟结果对甘肃平凉地区雷暴云底部正电荷区和中部负电荷区的形成机理、降水和闪电及地面电场的关系做了一些分析,结果表明,此地区雷暴云空间电荷结构在发展初期为反偶极性,旺盛期逐渐转变为三极性,云底部有持续时间很长的正电荷区,由带正电荷的软雹形成。负电荷区对应软雹和冰晶最大的重合区,此区域有效云水含量较低,容易使软雹通过非感应碰撞带负电荷。在雷暴发展的不同时刻,负电荷区中心对应的温度不变,在-15℃左右,但垂直高度高于强回波中心高度2km左右。降雨倾泻期间,云闪常会引起地面电场的负极性变化,所以推断云内放电基本发生于云中部的主负电荷和下部的正电荷之间,与以往的观测结果一致。上部正电荷区出现时间较晚,云砧处的正电荷区由带正电荷的软雹形成,降雨倾泻后期会出现正地闪。闪电频数与大于30dBZ的各强度回波最大项高之间的距离密切相关,大于30dBZ的各强度回波最大顶高之间的距离越近,越容易产生闪电;越远,闪电越少。在底部有较大范围正电荷区的情况下,地面降水阶段前期伴随着大量的闪电,且地闪的比例增多。降雨倾泻后期地面电场达到负的最大值。随着降水的结束,地面电场又逐渐向正极性恢复,且闪电又开始出现。