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雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用

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孙凌, 郄秀书, Edward R.Mansell, 陈志雄, 徐燕, 蒋如斌, 孙竹玲. 2018: 雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用, 物理学报, 67(16): 371-383. doi: 10.7498/aps.67.20180505
引用本文: 孙凌, 郄秀书, Edward R.Mansell, 陈志雄, 徐燕, 蒋如斌, 孙竹玲. 2018: 雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用, 物理学报, 67(16): 371-383. doi: 10.7498/aps.67.20180505
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Sun Ling, Qie Xiu-Shu, Edward R. Mansell, Chen Zhi-Xiong, Xu Yan, Jiang Ru-Bin, Sun Zhu-Ling. 2018: Feedback effect of electric field force on electrification and charge structure in thunderstorm, Acta Physica Sinica, 67(16): 371-383. doi: 10.7498/aps.67.20180505
Citation: Sun Ling, Qie Xiu-Shu, Edward R. Mansell, Chen Zhi-Xiong, Xu Yan, Jiang Ru-Bin, Sun Zhu-Ling. 2018: Feedback effect of electric field force on electrification and charge structure in thunderstorm, Acta Physica Sinica, 67(16): 371-383. doi: 10.7498/aps.67.20180505
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雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用

  • 中国科学院大气物理研究所, 中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029;成都信息工程大学, 成都 610225;中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049

  • 中国科学院大气物理研究所, 中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029;中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049

  • Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies, University of Oklahoma and U.S. NOAA/OAR/National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma, USA

  • 中国科学院大气物理研究所, 中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029

Feedback effect of electric field force on electrification and charge structure in thunderstorm

  • 摘要: 利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物理过程,建立了双向耦合WRF-Elec模式.利用改进后的WRF-Elec模式,通过敏感性数值实验,定量分析了雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用.结果发现:雷暴云发展旺盛阶段,由于电场力作用,霰、雹粒子质量加权平均降落末速度的瞬时变化极值可以超过4 m/s,但这种情况仅出现在雷暴云内局部区域,并且维持时间较短;电场力对直径小且数浓度较低的霰和雹粒子影响较大,但这种影响不是由单一物理量决定,而是由电场强度和霰、雹粒子的电荷密度、极性以及粒子的直径与数浓度共同决定;电场力通过对霰、雹粒子降落末速度的调整,增强了雷暴云内感应、非感应起电率,且前者远大于后者,云内局部产生?0.6—1.2 nC/m3总电荷密度的变化,从而使电荷结构重新分布,局部垂直电场强度增强5 kV/m,总闪电数增加,与此同时,雷暴云内降水粒子的微观增长过程也发生改变.总体上,电场力对雷暴云起电过程的作用为正反馈,电场力对雷暴云电荷结构的反馈作用不可忽略.
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出版历程
  • 刊出日期:  2018-08-30

雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用

  • 中国科学院大气物理研究所, 中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029;成都信息工程大学, 成都 610225;中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
  • 中国科学院大气物理研究所, 中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029;中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
  • Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies, University of Oklahoma and U.S. NOAA/OAR/National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma, USA
  • 中国科学院大气物理研究所, 中层大气与全球环境探测重点实验室, 北京 100029

摘要: 利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物理过程,建立了双向耦合WRF-Elec模式.利用改进后的WRF-Elec模式,通过敏感性数值实验,定量分析了雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用.结果发现:雷暴云发展旺盛阶段,由于电场力作用,霰、雹粒子质量加权平均降落末速度的瞬时变化极值可以超过4 m/s,但这种情况仅出现在雷暴云内局部区域,并且维持时间较短;电场力对直径小且数浓度较低的霰和雹粒子影响较大,但这种影响不是由单一物理量决定,而是由电场强度和霰、雹粒子的电荷密度、极性以及粒子的直径与数浓度共同决定;电场力通过对霰、雹粒子降落末速度的调整,增强了雷暴云内感应、非感应起电率,且前者远大于后者,云内局部产生?0.6—1.2 nC/m3总电荷密度的变化,从而使电荷结构重新分布,局部垂直电场强度增强5 kV/m,总闪电数增加,与此同时,雷暴云内降水粒子的微观增长过程也发生改变.总体上,电场力对雷暴云起电过程的作用为正反馈,电场力对雷暴云电荷结构的反馈作用不可忽略.

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