积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

来源：高原气象杂志2015年第2期北京时间：

作者：郭凤霞;王昊亮;孙京;吴鑫;梁梦雪

单位：南京信息工程大学, 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044;2. 南京信息工程大学, 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 南京 210044;3. 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室, 武汉 430074

摘要：为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力, 将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进, 耦合了已有的三维强风暴动力-电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明, 引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明: 闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置, 只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪, 且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷, 这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计, 模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明, 随着起始击穿阈值的增大, 首次闪电时间会向后推迟, 当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早; 闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少; 当使用固定击穿阈值(100, 150和200 kV)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比, 使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。

关键词：积云模式;放电参数化;闪电分形结构;感应电荷;电荷结构

基金资助：中国气象科学研究院基本科研业务费专项资金(2013Z006); 公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306069); 国家重点基础研究发展计划资助(2014CB441403); 国家自然科学基金项目(41275008)