内陆高原大气边界层温湿特征对雷暴云初始阶段电荷结构影响的数值模拟研究

The air humidity and temperature of the atmospheric boundary layer, as an important factor to the occurrence and development of the thunderstorm, provide water vapor source and ambient temperature conditions for different kinds of hydrometeor particles formation in thundercloud. While both effective liquid water content which is one kind of hydrometeor particles and ambient temperature can affect the charge density and polarity charge. So can the characteristics of atmospheric boundary layer humidity and temperature impact the thundercloud charge structure? The observation and numerical simulation methods will be used to analyze the air humidity and temperature characteristics in the atmospheric boundary layer before thunderstorm occurrence. The thundercloud charge structure is determined by analyzes the lightning mapping data and compare difference of the charge structure in the initial stage among the different intensity thunderstorm. The different boundary layer parameterization schemes simulation experiment will be designed for the purpose of analyzing the impact of the characteristics of atmospheric boundary layer humidity and thermal on the different hydrometeor particles mixing ratio distribution over time, mutual conversion process among these kinds of particles, change of effective liquid water content and the charge density and charge polarity of the different hydrometeor particles. Eventually explore the mechanism of characteristics of atmospheric boundary layer humidity and thermal effects on thundercloud charge structure. The study provides a new thought for thundercloud charge structure study. Moreover, it can provide a theoretical foundation for lightning warning.

大气边界层温湿条件为雷暴云的形成提供水汽和环境条件，是雷暴天气发生发展的重要因素，而雷暴云中水成物粒子的荷电量和荷电极性与云中有效液态水含量和环境温度有关，那么大气边界层温湿条件对雷暴云形成的初始阶段电荷结构是否会产生影响？本项目拟采用观测与数值模拟相结合的方法，首先对雷暴发生前期大气边界层温湿特征进行分析；然后利用甚高频辐射源定位资料推算不同发展阶段雷暴云电荷结构，分析不同强度雷暴过程初始阶段雷暴云电荷结构的差异；最后通过设计不同大气边界参数方案模拟实验，分析边界层温湿差异对不同水成物粒子混合比的随时间分布、粒子之间相互转化过程、有效液态水含量变化、不同水成物粒子荷电量及荷电极性影响，得出大气边界层温湿特征对雷暴云电荷结构的影响机理。本研究为雷暴云电荷结构研究提供一种新思路，为雷电预警技术的发展提供理论基础，具有一定的理论和现实意义。

大气边界层温湿条件为雷暴云的形成提供水汽和环境条件，是雷暴天气发生发展的重 要因素，而雷暴云中水成物粒子的荷电量和荷电极性与云中有效液态水含量和环境温度有 关，那么大气边界层温湿条件对雷暴云形成的初始阶段电荷结构是否会产生影响？本项目通过对层结条件、水汽条件、环流场条件等要素与雷暴日之间的关系的分析探讨西北地区东部雷暴日数年际变化特征的成因；利用观测资料，对不同强度的雷暴天气过程的雷暴云电荷结构演变特征进行分析，推断出雷暴云不同发展阶段的正负电荷区域的时空位置；利用数值模式分别对发生在青藏高原东北部的雷暴云过程和华北平原北京地区的雷暴过程进行模拟，对比分析了两个地区雷暴个例不同发展阶段电荷结构的差异，并对其原因进行了分析；利用MYJ和YSU两种不同大气边界层参数化方案，模拟对比了不同大气边界层参数化方案对雷暴发生的环境条件及雷暴云电荷结构的影响。通过以上研究，得到的重要结果如下：（1）CAPE、水汽条件及形势场的变化对雷暴日数变化的影响很大；（2）利用BSP非感应起电机制模拟的闪电发生时间及闪电频数与实际观测较为吻合，电荷结构与利用甚高频辐射源方法推测出的雷暴云电荷结构较为一致；（3）不同地区初始阶段雷暴云电荷结构差异的原因主要是由于霰粒子混合比的差异所致；（4）不同大气边界层方案模拟的雷暴云发展前期空气温度、湿度的差异使得进入雷暴云的水汽量不同，通过微物理过程，MYJ方案模拟的霰粒子混合比和云水含量都较大，所在的高度也较高。雷暴云下层正电荷区主要是由霰粒子所带正电荷所致，而中下层的负电荷主要是由冰、雪粒子所带的负电荷所致，中上层的正电荷区域主要是由雪粒子所带的正电荷所致。本研究为雷暴云电荷结构研究提供一种新思路，具有一定的理论和现实意义。