大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟_师正.pdf

师正,管啸林,林晓彤,等.2023.大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟 J.大气科学,47(1):2033.SHIZheng,GUANXiaolin,LINXiaotong,etal.2023.NumericalSimulationontheEffectofIceNucleiontheElectrificationProcessofThunderstormsJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(1):2033.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21101大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟师正1,2管啸林1林晓彤1谭涌波1郭秀峰2,3汪海潮11南京信息工程大学大气物理学院/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京2100442中国气象科学研究灾害研究院灾害天气国家重点实验室,北京1000813无锡学院大气与遥感学院,无锡214105摘要利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气，并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明：随着大气冰核浓度的增加，雷暴云发展提前，上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强，冰晶在高温区大量生成，而同质核化过程被抑制，因此冰晶整体含量降低，引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中，正极性非感应起电率逐渐减小，负极性非感应起电率逐渐增大。由于液态水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低，高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中，由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗，感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电，不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期，随着冰核浓度增加，空间电荷结构由三极性转变为复杂四极性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构，且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。关键词大气冰核起电率电荷结构数值模拟文章编号1006-9895(2023)01-0020-14中图分类号P421文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21101Numerical Simulation on the Effect of Ice Nuclei on the ElectrificationProcess of ThunderstormsSHIZheng1,2,GUANXiaolin1,LINXiaotong1,TANYongbo1,GUOXiufeng2,3,andWANGHaichao11School of Atmospheric Physics/China Meteorological Administration AerosolCloudPrecipitation Key Laboratory,Nanjing University ofInformation Science&Technology,Nanjing 2100442State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 1000813College of Atmospheric and Remote Sensing,Wuxi University,Wuxi 214105AbstractThisworkisconductedbasedonanexistingtwo-dimensionalconvectivecloudmodeltoinvestigatetheroleoficenucleiindynamic,microphysical,electrification,andchargestructureinthunderstormcloudsbychangingtheconcentrationoficenuclei.Theresultsshowthatthunderstormcloudsdevelopaheadoftimeasicenucleiincreaseand收稿日期2021-06-17；网络预出版日期2022-01-05作者简介师正，男，1986 年出生，副教授，主要从事大气电学、雷电物理学研究。E-mail:资助项目国家自然科学基金项目 41805002、42205078，灾害天气国家重点实验室开放课题 2021LAW-B05，南京信息工程大学人才启动项目 2016r042Funded byNationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41805002,42205078),OpenGrantsoftheStateKeyLaboratoryofSevereWeather(Grant2021LASW-B05),StartupFoundationforIntroducingTalentofNUIST(Grant2016r042)第47卷第1期大气科学Vol.47No.12023年1月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJan.2023bothupdraftanddowndraftvelocitiesdecrease.Ahighconcentrationoficenucleienhancestheheterogeneousnucleationprocess.Inthehigh-temperatureregion,alargenumberoficecrystalsformwhilethehomogeneousnucleationprocessisinhibited.Therefore,theoverallcontentoficecrystalsdecreases,resultinginadecreaseingraupelcontentinthelow-temperatureregionandadecreaseingraupelsizeinthehigh-temperatureregion.Therefore,thepositivenon-inductiveelectrificationratedecreaseswhilethenegativenon-inductiveelectrificationrateincreases.Thetimeforthepolarityofchargecarriedbyhigh-temperatureicecrystalstochangefromnegativetopositiveisadvancedastheliquidwatercontentgradually decreases with increasing ice nuclei concentration.The extreme value of the inductive electrification rategraduallydecreasesduringtheprocessofinductiveelectrificationduetothedecreaseingraupelparticlesizeandtherapidconsumptionofclouddroplets.Becausetheicecrystalsarepreferentiallygeneratedinthehigh-temperatureregionandarenegativelycharged,thespacechargestructureofthunderstormcloudswithdifferenticenucleiconcentrationspresentsanegativedipolechargestructureattheinitialstageofthunderstormclouddevelopment.Withanincreaseinicenucleiconcentration,the space charge structure changes from three polarities to a complex four-order structure during thethunderstormsgrowingperiod.Inthedissipationstageofathunderstormcloud,differentcasesshowdipolechargestructures,andthechargedensitydecreaseswiththeincreasedconcentrationoficenuclei.KeywordsIcenuclei,Chargingrate,Chargestructure,Numericalsimulation 1 引言迄今为止，冰晶与霰粒/雹之间的非感应起电过程被认为是雷暴云中最重要的起电机制。云室实验揭示了霰粒和冰晶单次碰撞过程中转移电荷的量级和极性，其中霰粒用直径小于 5mm 的淞附探头表 示（Takahashi,1978;Jayaratne and Saunders,1983;Saunders et al.,1991;Pereyra et al.,2000）。这表明冰晶是一种参与雷暴云起电过程的重要冰相粒子。研究表明非感应起电率与冰晶尺寸密切相关，当冰晶尺寸较小时，单次碰撞后的电荷转移量随冰晶尺寸增大而快速增加；而当冰晶尺寸较大时，电荷转移量对冰晶尺寸的响应不敏感（JayaratneandSaunders,1983;Manselletal.,2005）。冰晶与霰粒碰撞引起的转移电荷极性主要依赖于温度和液态水含量（Takahashi,1978;JayaratneandSaunders,1983;Saundersetal.,1991;Pereyraetal.,2000），处于高温区的冰晶粒子电荷极性发生反转，因此雷暴云底部形成强正电荷区（谭涌波等,2015）。Manselletal.（2005）模拟了一次理想多单体个例，研究了冰晶浓度对雷暴云电过程的作用，并揭示了高浓度的冰晶粒子是底部次正电荷堆形成的关键因素。由此可见，冰晶微物理特征（尺度、分布及浓度）对雷暴云起电和空间电荷结构分布具有重要影响。可溶性气溶胶液滴的同质核化或是在大气冰核帮助下完成的异质核化是云中冰晶粒子形成的重要来源（PruppacherandKlett,1997;Koopetal.,2000;LiuandPenner,2005;DeMottetal.,2010）。而冰核在一定条件下核化形成冰晶粒子，那么大气冰核可能对雷暴云电过程的产生重要作用。由于目前对云微物理发展过程的观测手段比较有限，人们主要基于数值模式进行冰晶核化过程与云相互作用关系的研究，而且主要是集中在研究大气冰核对云降水的作用这一科学问题上。对流云的发生、发展和演变过程受冰核的影响较大，其很大程度上影响着云的微物理发展。冰核通过凝华增长使云滴不断蒸发消亡，云滴数浓度显著降低。当冰核浓度增加时，冰晶数浓度增加，冰晶尺度减小，大量小尺度冰晶滞留在云中，大大延长了云的生命周期（VanDenHeeveretal.,2006;Zengetal.,2009;Morrisonetal.,2015）。而有关大气冰核影响雷暴云电过程的研究工作还少见报道。Gonalvesetal.（2012）基于区域模式研究了细菌性冰核浓度对雷暴云微物理、降水及闪电发生率的作用。其中闪电发生率与沉降性冰相粒子质量流和非沉降性冰相粒子质量流密切相关，冰相粒子质量流由云内垂直上升气流速度和冰相粒子质量流计算得出。谭涌波等（2015）在雷暴云起放、电模式中试验了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案，并与原有的冰晶核化经验公式进行了对比试验，分析了两种方案下的冰晶粒子和电荷结