呼和浩特地区一次雷暴过程的数值模拟

王曼霏

（内蒙古自治区雷电预警防护中心,内蒙古 呼和浩特010051）

1 概述

雷暴是一种常见的灾害性天气,特别是在夏季,雷暴不但多发,而且出现的生命周期短、范围小,而业务数值预报模式时空扩展性小以及水平、垂直分辨率较低,导致对其的预警预报是天气预报中较困难的工作之一。强对流天气的发生、发展具有突发性和局地性,目前对空间内对流的探测十分有限,所以对雷暴的研究与观测更多地借助于实时监测手段,如雷达、闪电定位仪、地面大气电场仪等仪器。然而,雷暴云中粒子电荷结构的复杂性、闪电的发生存在不确定性和随机性,远远超过了地面探测技术所能了解范围。因此,数值模拟技术也更多地应用到雷暴的研究中。言穆弘等[1]利用二维时变轴对称模式,发现云下部次正电荷区的持续时间与对流场关系密切,张义军等[2]通过利用二维时变轴对称模式研究发现,次正电荷区的发展强弱和持续时间的长短与温湿条件有关。Mansell 等[3]通过对雷暴数值模拟发现,不同阶段的雷暴云电荷结构会发生变化,普通极性和反极性电荷结构可能会同时存在。通过对雷暴过程的模拟,还原了观测无法得到的三维空间内雷暴云发生发展的过程,以及云内部微物理结构、电荷结构分布、雷暴中的电场,为探究雷暴发生发展机制、雷电监测预警提供了理论依据。

2 数值模式介绍

本文采用孔凡铀[4-6]等在三维冰雹云模式基础上加入了详细的起电和放电参数化方案而形成的三维雷暴云动力- 电耦合数值模式对个例进行模拟。本次模拟过程中,模拟时长为60分钟,与实际预警时间相符。模式的模拟区域设置为36km×36km×18.5km,其中水平网格距1km,垂直网格距0.5km,将地面电场的观测点设置在模拟域下层中心,即闪电发生在距离18km 范围内。对流云采用热泡扰动方式启动。其中水平扰动半径为8km×8km,垂直扰动半径为2km。最大扰动位温为4.0℃。

3 2018 年8 月6 日雷暴过程实况

根据观测表明,8 月6 日07 时-7 日07 时呼和浩特市区域内平均降水量达18.3 毫米,最大降水量出现在呼和浩特市区北部豪沁营乡降水量为65.2 毫米,最大雨强出现在土默特左旗红房子村18-19 时34.7 毫米/小时。大气电场预警系统在19:40:06 至20:37:25 发出预警。从图1 中可以看出,雷暴发生时大气电场起伏变化明显,在电场达到预警阈值后及时触发了预警信号,发出有效预警。呼和浩特当日8 时,地面气温为25.4℃,气压为882hPa,相对湿度约为89%,湿度较大,风向随着高度由南向东发生逆时针旋转,环境水平风速和风向均有很强的切变。由表1 可见,其中表征对流潜能的大小的对流有效位能（CAPE）为620.2J kg-1,K 指数42.3℃,表明底层暖湿,中层湿度层厚,高层冷,K 值越大,层结越不稳定,K 指数＞36℃的时候有100%的可能形成雷暴天气,SI 指数-3.39 沙氏指数（SI）小于0 时,表示层结不稳定,层结不稳定,有利于对流的发展。从当日20 时中尺度分析来看,呼和浩特地区上游有高空槽,低层700hPa、850hPa存在切变, 地面受低压控制,也利于发生对流天气。

表1 呼和浩特地区雷暴日层结参数

4 模拟结果分析

4.1 水凝物粒子分布

由图1 可见,0℃等温线和-20℃等温线分别位于4.5km 和8.2km 高度附近,与实际观测结果相差不大。冰晶主要分布在6-10km 高度,比含水量中心约在8km 高度。霰粒子总体范围较大,从2km 高度一直延伸到-20℃以上的高层。雨滴主要分布在0℃线以下,高度约在0～5km 处,从30min 左右近地面雨滴比含水量较大可以看出此时降水较强。霰粒子的比含水量中心主要集中在20-30min 的-10℃等温线一下,高度在约8km。尽管霰粒子和雹粒子都出现了下沉气流拖曳向下的形状,但霰和雹在4.5km（0℃等温线）高度以下比含水量不断降低,两者分布范围都没有接地,霰和雹的底部分别在2km 和1km 高度以上,离地面较高,说明没有固态降水产生。

4.2 闪电、电场及电荷分布

图1 粒子比含水量（各高度水平最大值）的时空演变

通过模拟,在整个过程中闪电发生的时间与实际对流发生过程中19:41:36、19:48:58 和19:56:06 发生的三次负地闪相为吻合。模拟过程中发生正极性云闪37 次,负地闪4 次,闪电发生时间主要集中在30～40 分钟（即时步180～240 步）,即对流旺盛时期,引起的电场变化较大。由图2 可知,在模拟出的电荷区域总体上是一个上负下正的反偶极结构,集中在3-8km。相较于其他地区,形成这样的电荷结构明显对流总体并不强烈。其中负电荷区位于5-8km,与霰粒子中心区域高度较为一致；正电荷区位于3-5km,与雹粒子中心区域较为一致。时长30min 左右发生的云地闪主要起始于5-8km 正负电荷区之间。模拟过程中发生的云闪和负地闪高度都较低,相较于模拟域18.5km 来说,负地闪发生的起始点仅仅在5-7km 之间,处于对流中下部,负极性先导发生发展更剧烈,对电场变化有较强影响。

图2 模拟的各高度上的最大电荷密度随时间的分布（单位：nCm-3；）

5 结论与讨论

本文对2018 年8 月6 日呼和浩特地区一次雷暴天气过程进行数值模拟,结果表明：（1）0℃等温线和-20℃等温线与实际观测结果相吻合,其中冰晶粒子、霰粒子、雨滴粒子、雹粒子分别分布在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电过程中形成了一个上负下正的反偶极结构,负电荷区与霰粒子中心区域高度较为一致,正电荷区与雹粒子中心区域较为一致。（3）云闪和负地闪高度都较低,处于对流中下部,负极性先导发生发展更剧烈,对电场变化有较强影响。本次模拟较好的还原了当日的对流过程,为今后的雷电预报服务提供理论参考。