强风暴动务和电合数值模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 孙安平 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2000 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 言穆弘 |
| 关键词 | 雷暴 起电过程 电环境 微物理过程 动力过程 |
| 中文摘要 | 本文主要通过数值模拟手段研究了雷暴内电结构时空特征及其形成原因，并着重分析了雷暴云中电环境对云微物理和云动务学的影响，讨论了冰雹粒子在电环境中的增长特性。最后，分析了雷暴云下电晕电荷层形成的机理，提出了雷暴云中播撒金属线抑制云中电场发展的最佳方案。本文主要由两部分组成，前一部分主要叙述了新建立的三维强风暴动务和电耦合模式动力学框架和各种微物理过程和电过程的参数化方案，后一部分主要围绕以上问题进行展开研究。全文共分十章。第一章主要介绍了国内外关于雷暴起电数值模拟以及电环境对雷暴微物理和动力过程影响研究的现状，并分析了存在的问题。在此基础上提出了本文的研究内容和意义。第二章主要介绍了在一个三维冰雹云模式和一个二维轴对称积云起电模式基础上建立的三维强风暴动力和电耦合模式的动务学框架和各种微物理过程参数化方案，并阐述了模式的初边值条件和对流启动方式。第三章主要介绍了模式的五种起电参数方案和云内放电参数化方案，并对各种参数的选取进行了详细的叙述。第四章首先介绍了本模式的格点物理量配置，然后介绍了模式中所应用的差分方案，并给出了各个预报方程和诊断方程的差分表达式，最后对模式中所应用的数值处理技术进行了详细的描述。第五章首先利用CCOPE计划1981年7月19日雷暴的综合观测资料从宏、微观两方面详细的分析了该模式的模拟效能。通过分析表明，对于雷暴云不同发展阶段，模拟计算得到的雷达反射率、电荷浓度和电场强度的分布与实际观测结果具有较好的一致性，虽然计算出的冰晶粒子的最大浓度、最大直径比实测值偏高，而且冰晶谱也实测值略宽，但两者在随时间的变化特征上比较接近，因而本模式所描述的雷暴云中的动力、微物理和电过程是可信的。在此基础上，详细分析了该雷暴的电结构时空演变特征及其电结构形成机制，并讨论了对流、起电和降水的关系以及冰晶繁生过程对起电的影响。结果表明：感应和非感应起电机制是雷暴云中电结构形成的主要因素，雷暴云中起电活动的强弱很大程度上依赖于冰相物的出现时间，对流运动与起电过程的关系主要体现在对流运动影响着云中的凝结和冻结过程，从而与冰相物出现的时间有关。冰晶繁生过程加了雷暴云冰化速度，使雷暴云内感应和非感应起电率提高，雷暴云下部次正电荷区出现时间提前，而且量值增大。第六章详细讨论了雷暴内电环境对微物理和云动力学的影响特征。通过分析得到：由于电场对各种降水粒子下落末速度的影响，引起云内微物理场的变化。使得在云中下部因相变而释放潜热，造成雷暴云中下部局部区域增温，最后反馈到动力场的变化，导致雷暴云中下部区域对流增强，垂直涡度增大，散度减小。第七章详细讨论了雷暴内部电环境影响下冰雹粒子形成和增长的源汇项变化情况，分析了两种情况下地面降雹的特征。结果表明：冰雹粒子形成和增长的源项减少，但同时由于雷暴中云内浮力的加强，对流运动的旺盛以及在云中部冰雹下落末速度的减小使冰雹的融化和蒸发量减少，因而在电环境的影响下，地面降雹时间推迟，但地面固态降水量增大，地面雹块粒径增大。第八章利用一个引入了地面尖端电晕放电物理过程的二维轴对称积云起电模式，讨论了雷暴云下空间电荷层的空间分布和随时间的演化规律。在模式计算上采用了“时步分离法”，即在小时步上计算电导及各种反极性离子的复合作用，在大时步上计算平流、对流和湍流扩散项，对于不同的时间步长垂直方向采用不同的格距。通过模拟分析，得到了一些较为合理的结果。最后简单的讨论了本工作在以后需改进的地方。第九章利用积云动力和电耦合二维轴对称模式，模拟分析了雷暴不同发展阶段在云中上升速度最大区播撒线对雷暴云电结构的总体影响。通过与未播撒模拟结果相比较，发现各种降水粒子的荷电率及电场强度都有所减小，这种减小在雷暴发展的成熟阶段尤发明显，雷暴云内的扩散、电导和感应起电机制作用减弱。通过不同播撒位置和播撒率的敏感性试验得到，在云中强上升气流区播撒对垂直电场的抑制效果比在云底和云顶更好，不同的播撒率引起的电场强度减小幅度不同，播撒率存在一阈值，由此提出播撒金属丝抑制雷暴内电过程发展的最佳方案。第十章对全文进行了总结，并对今后的发展方向进行了展望。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 144 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21896]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孙安平. 强风暴动务和电合数值模拟研究[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2000. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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