呼和浩特地區(qū)一次雷暴過程的數(shù)值模擬

王曼霏

（內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預(yù)警防護(hù)中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

1 概述

雷暴是一種常見的災(zāi)害性天氣,特別是在夏季,雷暴不但多發(fā),而且出現(xiàn)的生命周期短、范圍小,而業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報模式時空擴(kuò)展性小以及水平、垂直分辨率較低,導(dǎo)致對其的預(yù)警預(yù)報是天氣預(yù)報中較困難的工作之一。強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展具有突發(fā)性和局地性,目前對空間內(nèi)對流的探測十分有限,所以對雷暴的研究與觀測更多地借助于實時監(jiān)測手段,如雷達(dá)、閃電定位儀、地面大氣電場儀等儀器。然而,雷暴云中粒子電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、閃電的發(fā)生存在不確定性和隨機(jī)性,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地面探測技術(shù)所能了解范圍。因此,數(shù)值模擬技術(shù)也更多地應(yīng)用到雷暴的研究中。言穆弘等[1]利用二維時變軸對稱模式,發(fā)現(xiàn)云下部次正電荷區(qū)的持續(xù)時間與對流場關(guān)系密切,張義軍等[2]通過利用二維時變軸對稱模式研究發(fā)現(xiàn),次正電荷區(qū)的發(fā)展強(qiáng)弱和持續(xù)時間的長短與溫濕條件有關(guān)。Mansell 等[3]通過對雷暴數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),不同階段的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,普通極性和反極性電荷結(jié)構(gòu)可能會同時存在。通過對雷暴過程的模擬,還原了觀測無法得到的三維空間內(nèi)雷暴云發(fā)生發(fā)展的過程,以及云內(nèi)部微物理結(jié)構(gòu)、電荷結(jié)構(gòu)分布、雷暴中的電場,為探究雷暴發(fā)生發(fā)展機(jī)制、雷電監(jiān)測預(yù)警提供了理論依據(jù)。

2 數(shù)值模式介紹

本文采用孔凡鈾[4-6]等在三維冰雹云模式基礎(chǔ)上加入了詳細(xì)的起電和放電參數(shù)化方案而形成的三維雷暴云動力- 電耦合數(shù)值模式對個例進(jìn)行模擬。本次模擬過程中,模擬時長為60分鐘,與實際預(yù)警時間相符。模式的模擬區(qū)域設(shè)置為36km×36km×18.5km,其中水平網(wǎng)格距1km,垂直網(wǎng)格距0.5km,將地面電場的觀測點(diǎn)設(shè)置在模擬域下層中心,即閃電發(fā)生在距離18km 范圍內(nèi)。對流云采用熱泡擾動方式啟動。其中水平擾動半徑為8km×8km,垂直擾動半徑為2km。最大擾動位溫為4.0℃。

3 2018 年8 月6 日雷暴過程實況

根據(jù)觀測表明,8 月6 日07 時-7 日07 時呼和浩特市區(qū)域內(nèi)平均降水量達(dá)18.3 毫米,最大降水量出現(xiàn)在呼和浩特市區(qū)北部豪沁營鄉(xiāng)降水量為65.2 毫米,最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在土默特左旗紅房子村18-19 時34.7 毫米/小時。大氣電場預(yù)警系統(tǒng)在19:40:06 至20:37:25 發(fā)出預(yù)警。從圖1 中可以看出,雷暴發(fā)生時大氣電場起伏變化明顯,在電場達(dá)到預(yù)警閾值后及時觸發(fā)了預(yù)警信號,發(fā)出有效預(yù)警。呼和浩特當(dāng)日8 時,地面氣溫為25.4℃,氣壓為882hPa,相對濕度約為89%,濕度較大,風(fēng)向隨著高度由南向東發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn),環(huán)境水平風(fēng)速和風(fēng)向均有很強(qiáng)的切變。由表1 可見,其中表征對流潛能的大小的對流有效位能（CAPE）為620.2J kg-1,K 指數(shù)42.3℃,表明底層暖濕,中層濕度層厚,高層冷,K 值越大,層結(jié)越不穩(wěn)定,K 指數(shù)＞36℃的時候有100%的可能形成雷暴天氣,SI 指數(shù)-3.39 沙氏指數(shù)（SI）小于0 時,表示層結(jié)不穩(wěn)定,層結(jié)不穩(wěn)定,有利于對流的發(fā)展。從當(dāng)日20 時中尺度分析來看,呼和浩特地區(qū)上游有高空槽,低層700hPa、850hPa存在切變, 地面受低壓控制,也利于發(fā)生對流天氣。

表1 呼和浩特地區(qū)雷暴日層結(jié)參數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 水凝物粒子分布

由圖1 可見,0℃等溫線和-20℃等溫線分別位于4.5km 和8.2km 高度附近,與實際觀測結(jié)果相差不大。冰晶主要分布在6-10km 高度,比含水量中心約在8km 高度。霰粒子總體范圍較大,從2km 高度一直延伸到-20℃以上的高層。雨滴主要分布在0℃線以下,高度約在0～5km 處,從30min 左右近地面雨滴比含水量較大可以看出此時降水較強(qiáng)。霰粒子的比含水量中心主要集中在20-30min 的-10℃等溫線一下,高度在約8km。盡管霰粒子和雹粒子都出現(xiàn)了下沉氣流拖曳向下的形狀,但霰和雹在4.5km（0℃等溫線）高度以下比含水量不斷降低,兩者分布范圍都沒有接地,霰和雹的底部分別在2km 和1km 高度以上,離地面較高,說明沒有固態(tài)降水產(chǎn)生。

4.2 閃電、電場及電荷分布

圖1 粒子比含水量（各高度水平最大值）的時空演變

通過模擬,在整個過程中閃電發(fā)生的時間與實際對流發(fā)生過程中19:41:36、19:48:58 和19:56:06 發(fā)生的三次負(fù)地閃相為吻合。模擬過程中發(fā)生正極性云閃37 次,負(fù)地閃4 次,閃電發(fā)生時間主要集中在30～40 分鐘（即時步180～240 步）,即對流旺盛時期,引起的電場變化較大。由圖2 可知,在模擬出的電荷區(qū)域總體上是一個上負(fù)下正的反偶極結(jié)構(gòu),集中在3-8km。相較于其他地區(qū),形成這樣的電荷結(jié)構(gòu)明顯對流總體并不強(qiáng)烈。其中負(fù)電荷區(qū)位于5-8km,與霰粒子中心區(qū)域高度較為一致；正電荷區(qū)位于3-5km,與雹粒子中心區(qū)域較為一致。時長30min 左右發(fā)生的云地閃主要起始于5-8km 正負(fù)電荷區(qū)之間。模擬過程中發(fā)生的云閃和負(fù)地閃高度都較低,相較于模擬域18.5km 來說,負(fù)地閃發(fā)生的起始點(diǎn)僅僅在5-7km 之間,處于對流中下部,負(fù)極性先導(dǎo)發(fā)生發(fā)展更劇烈,對電場變化有較強(qiáng)影響。

圖2 模擬的各高度上的最大電荷密度隨時間的分布（單位：nCm-3；）

5 結(jié)論與討論

本文對2018 年8 月6 日呼和浩特地區(qū)一次雷暴天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明：（1）0℃等溫線和-20℃等溫線與實際觀測結(jié)果相吻合,其中冰晶粒子、霰粒子、雨滴粒子、雹粒子分別分布在6-10km 高度、2-8km 高度、0～5km 高度和2-6km 高度。（2）在不同粒子的碰撞起電過程中形成了一個上負(fù)下正的反偶極結(jié)構(gòu),負(fù)電荷區(qū)與霰粒子中心區(qū)域高度較為一致,正電荷區(qū)與雹粒子中心區(qū)域較為一致。（3）云閃和負(fù)地閃高度都較低,處于對流中下部,負(fù)極性先導(dǎo)發(fā)生發(fā)展更劇烈,對電場變化有較強(qiáng)影響。本次模擬較好的還原了當(dāng)日的對流過程,為今后的雷電預(yù)報服務(wù)提供理論參考。