三维粒子全分档雷暴云起电模式的建立和电活动特征的研究

A 3D thunderstorm electrification model with spectral bin microphysics is built based on a 3D thunderstorm electrical model with spectral double parameters and a 3D convective bin cloud model. All kinds of hydrometeors including CCN, liquid drop, ice crystal, snow and graupel are binned according to the method of qutity mutiple. Three parameterization schemes of non-inductive electrical mechanisms based on different lab results are introducted in the model. Classic thunderstorm observations derived from some compositive thunderstorm experments at home and abroad are used to test the model. By using the model several problems are studied: (1) the effects of distribution characteristics of every bin particle on microphysical, dynamic and electrification processes; (2) the differences in electrification and charge structures characteristics among three schemes under the same dynamic condition;(3) the determination of dominant scales of ice particles in the thunderstorm electrification process; (4)the testing of complex charge structures in past observations and the discussion for its mechanism;(5)the effects of cloud and precipitation within different thunderstorms on electrification and so on. This study hopeful to produce more detial cloud charge distribution and probe the effection of different hydrometeor on electrical process and the forming of complex charge structure in thunderstorm. It is helpful to optimize the dominant electrification factors in parameterization schemes in thunderstorm electrical model in the future.

在已有的三维粒子谱双参数化雷暴云动力-电耦合数值模式和对和对水成物进行分档处理的三维完全弹性对流云数值模式的基础上，建立一个三维粒子全分档的雷暴云起电模式。采用质量加倍法，对CCN、液滴、冰晶、雪粒和霰粒进行全分档，并在模式中引入基于多个实验室试验结果的非感应起电机制参数化方案。利用国内外已有的雷暴综合试验积累的典型过程观测资料检验该模式。利用此模式研究：（1）粒子分档后对雷暴云微物理、动力和电过程的可能影响；（2）相同动力条件下，不同NIC机制引起的起电及电结构差异及其原因；（3）确定雷暴云起电中处于优势的尺度段冰粒；（4）验证复杂电荷结构的观测事实并讨论其形成机制；（5）不同类型雷暴中云和降水分布差异对雷暴起电的影响等。本研究有望产生更精细的云内电荷分布特征，有助于探索不同类型不同尺段的水成物在雷暴起电及复杂电荷结构形成过程中所起的作用，也有助于优化起电机制参数化方案中的部分起电因子。

雷暴云的放电特性和类型由电荷结构决定。近十几年来，大量观测表明，某些雷暴云或雷暴云某些发展阶段的电荷结构远比以往认识的垂直偶极性或三极性结构复杂的多。本项目利用三维云起电放电模式，深入研究了超级单体雷暴和一般单体雷暴的电荷结构演变特征、形成的原因及其与放电类型的关系。. 首先进一步认识了强雷暴中和一般单体雷暴的电荷结构特征。讨论了强雷暴中上升气流区和下沉气流区中电荷区分布的差异，给出了强雷暴中反极性电荷结构的形成和上升气流强度之间的关系，分析了强下沉气流区的出现对于电荷结构和放电类型的可能影响，解释了以往观测中强雷暴中复杂电荷结构的形成原因。通过敏感性实验，讨论了一般单体雷暴中电荷结构的演变特征及其复杂性和对流强度的关系。. 讨论了强雷暴中和一般单体雷暴中正地闪发生的条件。强雷暴中正地闪的频发是和雷暴发展到更强的强度时对应的电荷结构有密切关系。一般单体雷暴中，倾斜的三极性电荷结构或低层次正电荷区增强的三极性电荷结构不是产生正地闪的主要原因，而降水退屏蔽作用对正地闪的发生是有利的。. 通过敏感性模拟实验，分析了闪电和固、液态降水的关系。主要探讨了闪电和固、液态降水对垂直风速的依赖关系，闪电与固、液态降水的时空分布关系和单次闪电表征的降水量。讨论了中低层水平风速对闪电和降水的影响。结果表明，中低层水平风对闪电和降水影响明显，在对雷暴云闪电和降水的研究中应当综合考虑它对云内动力、微物理过程的影响。. 利用自行设计的基于电晕放电的电场探空系统，对一次雷暴云消亡阶段进行了垂直电场探空，并反推了云内的电荷结构，分析了电荷结构的演变特征。 . 初步建立了三维粒子全分档雷暴云起电模式。. 整个项目的顺利实施及已取得的研究成果深化了我们对于雷暴电荷结构的形成与云的动力和微物理过程之间关系的认识。这在提高雷暴和闪电的预报准确性、研究人工影响天气的新方法等方面都具有较高的应用价值。