雷暴单体的对流强度对电荷结构的影响

利用三维雷暴云动力—电耦合数值模式,通过改变中心扰动位温,设置敏感性试验组,分析探讨雷暴单体对流强度对电荷结构的影响。结果表明:雷暴单体对流强度随着扰动位温的增加而增加。对流强度不同,其空间电荷结构也明显不同,但始终存在底部次正电荷区。当对流较弱时,雷暴电荷结构简单,只有主负电荷区和次正电荷区,无主正电荷区。在中等强度的对流雷暴中,雷暴内基本呈正常三极性电荷结构,且主负电荷区有上、下两个明显的电荷中心,上部中心的电荷密度更大。在强雷暴单体中,除了正常的三极性结构以外,次正电荷区以下出现了小范围弱的负电荷区,云顶出现了负屏蔽层,从下到上呈现出正负交替的五层,是电荷结构最复杂的阶段。这主要是由于云上部的正电荷区持续时间较长,电荷密度较大,增强了对周围大气中自由离子的吸引,自由离子被吸引到云边界附着到粒子上,在云顶形成了负屏蔽电荷层。同时,由于对流强,霰粒子可以得到更快的增长,固态降水增强,下沉气流中的霰通过与云滴的感应碰撞形成了云底部短时的弱负电荷区。     

初始冰晶浓度对雷暴云微物理和起电过程的影响

为了研究雷暴云中高温区次生冰晶浓度对雷暴云微物理过程和电过程的影响,根据模拟个例的地理位置,更新了原有的三维强风暴动力-电耦合数值模式中的初始冰晶核化公式;并在模式中的-5℃温度层结上均匀播撒了3.0 km×3.0 km×0.5 km的低中高三组浓度的自然冰晶,从而影响了云中次生冰晶的产量。结果表明:1初始冰晶的播撒量与次生冰晶的产量呈正相关;2繁生冰晶的增加使得云中冰晶粒子分布区域向雷暴云上部发展,霰粒子分布区域向雷暴云下部发展,从而增加了雷暴云中冰晶和霰的混合区域;3高播撒的初始冰晶会改变闪电的出现时刻并使得闪电频次明显增多。模拟中算例2和算例3闪电分别增多了24.4%和46.9%。     

地面湿度对雷暴云电过程影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

地面湿度对雷暴云电过程的影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

温湿层结对雷暴云起电过程及闪电活动的影响

为了探究环境温湿配置对雷暴云微物理、电过程及闪电的影响,本文利用法国三维非静力中尺度数值模式Meso-NH,通过改变该模式初始各层的环境温度和相对湿度,对南京地区雷暴云云微物理过程及闪电活动的发生情况进行了模拟。研究发现:大气低层、中低层环境温度和湿度的改变对雷暴云中对流强度,电场强度及分布,4种水成物粒子(雨、冰晶、雪、霰)的分布及其所带电荷量和总闪电数造成了较大影响;在低层和中低层增湿对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于增温;在中层和中高层,降温对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于降湿。结果表明,对低层、中低层大气环境温湿层结的影响能显著地改变雷暴云的云微物理过程,影响起电和放电,并剧烈地改变闪电活动的强度。     

地闪先导通道中电荷分布的数值模拟

将雷暴云电荷结构与闪电先导的发展相联系,模拟计算了不同雷暴云电荷结构下,先导通道中的感应电荷量.结果表明:随先导接近地面,通道中感应电荷密度不断增加,在先导通道接地瞬间,其通道中的总正(负)电荷量约为0.2～1.6C,通道中平均感应电荷线密度约为0.08～0.35mC/m.感应电荷密度大小虽然随不同的雷暴云电荷结构有所变化,但仅由感应电荷无法解释先导通道中的电荷量,通道中的主要电荷来源为云内电荷的转移.     

中国内陆高原雷暴云底部正电荷区的形成机制

为了进一步了解我国内陆高原雷暴的特殊性,本文基于以往高原雷暴存在范围深厚的底部正电荷区的观测及模拟事实,利用WRF模式对2017年6月20日一次内陆高原雷暴过程进行模拟,分析高原雷暴成熟阶段的底部正电荷结构特征并从微物理和动力角度对其形成机制进行讨论。模拟结果表明,内陆高原地区雷暴云成熟阶段主要呈倾斜的三级性电荷结构,其中底部正电荷区的范围和电荷密度均较大。底部正电荷区主要是由霰和冰雹等固态大粒子与冰晶、雪晶等固态小粒子非感应碰撞起电携带的正电荷以及霰粒子与云滴之间的感应碰撞起电携带正电荷组成,此外霰粒子与雹粒子降落过程中融化成携带正电荷的雨滴也对深厚的底部正电荷区存在一定的作用。     

雹暴云发展演变规律的回波特征参量和结构模型

介绍了用平凉地区观测到的大量强对流雷暴云回波资料,分析研究了雹暴云发展演变过程各回波的特征参量随反射率强度的变化和结构模型,及不同冰雹云回波云高与环境温度的关系。     

高原山区地形对雷暴云地面电场影响规律的数值模拟

为了在高原山区有效利用雷暴临近阶段的地面电场数据实现雷电的精准预警，搭建了典型雷暴云和基本山体模型，并结合高程数据模拟了真实高原山区地形，然后通过有限元方法研究了高原山区地形对雷暴云产生的地面电场分布特点和演变趋势的影响规律。结果表明：基本山体表面的雷暴云电场会发生畸变，畸变程度与山体形态和观测位置有一定关系；真实地形表面的雷暴云电场分布因为地貌的高低不平出现起伏波动，但整体趋势与平坦地面情况下基本一致；雷暴云临近观测点时近地电场的演变过程呈现先大幅上升再小幅下降的规律，但观测点地形特征会影响电场变化幅度。     

卫星闪电定位校正

从卫星资料处理出发，分析了雷暴云在多通道卫星云图上的基本特征，提出了利用多通道数字化卫星云图判识雷暴云的方法。在判识出雷暴云的基础上，对其中心进行定位，并利用其定位结果，对闪电定位仪测得的闪电资料进行校正，以提高闪电定位仪的定位精度及卫星资料判别雷暴云的正确率。初步分析表明，利用卫星定位对闪电定位进行校正，对闪电资料的定位精主工有较大的提高，得到了较好的结果。     

基于距离判别法的雹云识别模型

【目的】提高雹云识别准确率,降低因冰雹造成的经济损失。【方法】依据气象雷达反射率图像,利用Kmeans聚类提取云层的内外轮廓,计算其距离方差;利用雷达软件提取云高数据并计算云高的一阶统计测度;将云层内外层轮廓的距离方差与云高一阶统计测度相结合,构造雹云判别模型。【结果】利用此模型对已有样本检测,可知该模型识别率判别准确率为88.75%,准确率较高。【结论】通过内外轮廓方差与云高一阶统计测度构造的距离判别模型有较好的判别效果。     

Deep convective clouds with sustained supercooled liquid water down to -37.5 degrees C

In cirrus and orographic wave clouds, highly supercooled water has been observed in small quantities (less than 0.15 g m(-3)). This high degree of supercooling was attributed to the small droplet size and the lack of ice nuclei at the heights of these clouds. For deep convective clouds, which have much larger droplets near their tops and which take in aerosols from near the ground, no such measurements have hitherto been reported. However, satellite data suggest that highly supercooled water (down to -38 degrees C) frequently occurs in vigorous continental convective storms. Here we report in situ measurements in deep convective clouds from an aircraft, showing that most of the condensed water remains liquid down to -37.5 degrees C. The droplets reach a median volume diameter of 17 microm and amount to 1.8 gm(-3), one order of magnitude more than previously reported. At slightly colder temperatures only ice was found, suggesting homogeneous freezing. Because of the poor knowledge of mixed-phase cloud processes, the simulation of clouds using numerical models is difficult at present. Our observations will help to understand these cloud processes, such as rainfall, hail, and cloud electrification, together with their implications for the climate system.     

内蒙古巴彦淖尔市冰雹天气云地闪电特征分析

利用闪电定位数据和雷达数据,对内蒙古自治区巴彦淖尔市地区2009~2015年37次冰雹过程的地闪特征进行分析。地闪数据的统计分析结果表明,正地闪占总地闪比例大于25%。正地闪强度较大,负地闪强度较小,地闪发生频数在降雹前一般低于3 fl/5 min,降雹后负地闪频数有明显增大。雷达和地闪定位数据的个例对比分析表明,降雹前强回波区附近以正地闪为主,地闪频数低,地闪的空间分布与对流云系的发展阶段有一定关系。地闪的空间分布可能指示云系移动方向,强回波区正地闪的时空分布可能对冰雹天气的预判有一定帮助。     

复杂地形影响冰雹云发展的数值模拟实验

采用复杂地形条件下,中小尺度冰雹云发生发展的二维数值模式,在ＶＡＸ机上定量计算了在１６种微物理过程作用下云中各水态含量及云中宏,微观参量的大小,并模拟了复杂地形的各种热力,动力条件下冰雹云随时间发生发展的演变规律,得出的结构与实际相一致。     

The formation process and cloud physical characteristics for a typical downburstproducing thunderstorm in Beijing

The formation process and characteristics of cloud physical structure of a severe thunderstorm accompanied with strong wind on 23 August, 2001 in Beijing was studied using PSU/NCAR mesoscale model (MM5)coupling with a severe storm model with hail-bin microphysics. The results show that the specific topography and distribution features of cold/warm current in the Beijing region played prominent roles in forming, developing and maintaining the severe storm. Due to solar radiation heating and topographic lifting, the convective cells were easily formed when the westerly airflow passed over high mountainous regions in Beijing. The warm and wet air entered the cloud from its frontage and enhanced the convection, and formed a large amount of graupel/hail particles at the middle and upper portion of the clouds. The precipitation was primarily formed due to melting of graupel/hail particles. The strong downdraft was mainly produced by negative buoyancy due to loading,melting of graupel/hail particles as well as evaporative cooling of rain water. The divergent airflow induced by the strong downdraft led to the disastrous burst winds at the surface and also forced lifting of warm and wet airflow in the moving direction of the storm and formed new clouds that further promoted and maintained the storm development.     

三维云场景的模拟

为了模拟逼真且实时的三维云场景,把云团看成是受太阳光照射的粒子集,采用基于粒子系统的技术对三维云模型进行构建。通过比较云粒子、太阳和视点三者的关系,引入光照散射函数对云进行渲染。对现有的多重前向散射光照模型进行了简化和改进,使用纹理映射和O penGL函数进行加速。实现了三维天空背景的实时漫游。仿真结果表明,生成的三维云场景既有较好的真实感,又具有良好的实时性。     

面向全自动三维扫描系统的多视角三维数据自动配准技术

针对利用高精度转台进行配准模型的顶部和底部与模型进行配准时效果不佳的问题, 提出一种面向全自动三维扫描系统的多视角三维数据自动配准方案. 对待扫描模型, 利用单轴高精度转台获取由不同角度扫描的点云数据, 先使用一种快速简单的方法求解转台中轴, 利用中轴将多片点云拼合得到模型主体; 再通过点云包围盒变换, 完成点云的初始配准, 并通过改进的ICP算法完成点云的精确配准. 实验结果表明, 该方法具有较好的操作性和较高的精度.     

基于八叉树的点云数据的组织与可视化

三维激光扫描获取了大量的点云数据,数据的组织直接影响点云数据的操作速度.采用数据库管理点云数据,对点云数据采用八叉树数据模型进行组织,建立空间索引,对点云数据进行分块提取,实现点云数据的检索以及可视化.