雷暴云非感應起電過程的影響范文

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《大氣科學學報》2015年第五期

摘要:

在三維強風暴動力—電耦合數值模式中引入基于Saundersetal．(1991)實驗結果的非感應起電參數化方案S91，在此基礎上，利用云水飽和度替代環境溫度和有效液水含量將S91方案變形。對比分析一次雷暴單體首次放電前，變形后的S91方案和原S91方案模擬得到的非感應轉移電荷的極性、量級、電荷結構以及與霰和冰晶粒子分布之間的關系。結果表明，雖然兩種方案采用的電荷密度變化率以及每次碰撞平均轉移的電荷量均相同，但不同方案中決定粒子間電荷轉移的因子不同對電荷的分布存在較大的影響。加入云水飽和度的S91方案，非感應轉移電荷的極性多為正極性，電荷結構先呈單極性后轉變為三極性，并有進一步轉變為偶極性的趨勢。但這兩種方案模擬得到的霰與冰晶粒子電荷分布的重合區的范圍、大小均不同，這也是造成兩種方案電荷結構和轉移電荷分布不同的主要原因。

關鍵詞:

雷暴云;數值模擬;非感應起電機制;云水飽和度

大量的觀測試驗表明非感應起電過程是雷暴云內主要的起電機制(Takahashi，1978;Jayaratneetal．，1983)，這種起電機制在沒有環境電場作用下，云降水粒子仍然能夠獲得凈電荷。在雷暴云中存在霰或雹和冰晶，霰或雹因凇附增溫導致其溫度一般高于冰晶。因此在冰晶和霰?；虮⒔佑|后分離的過程中，由于霰或雹塊的溫度較高，則帶負電，而冰晶的溫度較低，則帶正電。這種溫度差導致了電荷的轉移，且電荷的轉移與溫度、液態水含量(LiquidWaterContent)、相對碰撞速度和有效液態水含量等因子有關(Takahashi，1978;Saundersetal．，1991)。

通過實驗研究進一步發現，非感應轉移電荷的極性與云水飽和度的變化程度有關(Saundersetal．，2006)。BakerandDash(1989，1994)結合理論和實驗表明，在冰—水汽的平衡界面上存在準液膜，其厚度約幾個分子的尺度。具有準液膜的冰粒子在碰撞分離的過程中，應該會通過液膜產生質量交換，通常質量從厚的準液膜轉移到薄的準液膜，而準液膜的厚度隨溫度的升高而增厚，因此溫度高的冰粒失去質量和負電荷，結果使粒子帶正電?？梢钥闯?，電荷的極性與粒子的生長方式有關，而且云水飽和度的變化會影響粒子的質量變化，所以不同的溫度和液態水含量對非感應轉移電荷量級和極性的影響，其實是云水飽和度通過對霰粒和冰晶增長方式的影響進而影響它們碰撞分離后電荷轉移的大小和極性(孫京，2012)。

Saundersetal．(2001)通過云室實驗研究表明轉移電荷的極性與粒子表面的增長率有關，增長快的冰粒帶正電，在沒有凇附的情況下，冰粒的凝華增長因潛熱釋放而使其溫度高于環境溫度，相應處于升華狀態的冰粒溫度低于環境溫度。并發現極性反轉溫度與冰粒子的環境溫度和水汽場有關，云中過飽和度和冰晶粒子的增長速率呈正相關(Saundersetal．，2006)。Mitzevaetal．(2005)通過數值模式研究了云水飽和度和粒子相對增長率對雷暴云中冰相粒子所帶電荷極性的影響，結果指出當溫度低于－20℃，有效液水含量小于1g•m－3時，云水飽和度會影響霰粒子的增長率。當云水飽和度接近霰粒子的飽和度時，霰主要帶正電荷。EmersicandSaun-ders(2010)利用最新的人工影響天氣關鍵技術通過實驗室研究了雷暴云中霰和冰晶粒子之間的非感應起電機制，實驗結果表明云中過飽和度會影響冰晶和霰粒子所帶電荷極性，并得出負電荷區主要集中在－5℃溫度層，這一結果與Saundersetal．(2006)一致。

本文在以上工作的基礎上，在基于以Saundersetal．(1991)實驗結果為基礎的非感應起電參數化方案(簡稱S91)中引入三維強風暴動力—電耦合數值模式(孫安平，200)，并利用Tsenova(2009a)提出的含有云水飽和度因子的臨界液態水函數替換S91方案中的臨界液態水(簡稱變形后的S91)。通過對比，分析首次放電前，云水飽和度的變化對非感應起電過程中空間電荷結構、轉移電荷極性及粒子分布之間的影響。

1模式及非感應起電參數化介紹

1.1模式介紹三維強風暴動力—電耦合數值模式的動力框架以中國科學院大氣物理研究所建立的三維冰雹云模式為基礎(孔繁鈾等，1990)，微物理參數化方案采用雙參數譜特征和體積水技術。水物質分為水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹七類，詳細參數化方案見文獻(洪延超，1998)。在此基礎上加入了五種起電機制，分別為正負離子的擴散、電導起電、感應起電、非感應起電以及次生冰晶起電。郭鳳霞等(2003，2004，2010，2012)利用此模式解釋了不同地域、強度的雷暴云所產生的空間電荷結構不同的原因，并從微物理場和流場的角度討論了高原雷暴空間電荷結構的特點以及主要的形成原因?？紤]到在非感應起電過程中，以霰和冰晶粒子碰撞轉移的電荷量為主(Takahashi，1978;Jayaratneetal．，1983;Brooksetal．，1997)，所以本文只研究霰和冰晶粒子之間的非感應碰撞過程。

1.2電荷濃度變化率大粒子nL和小粒子nS之間碰撞時電荷濃度變化率

1.3轉移電荷量δqSaundersetal．(1991)提出δq的表達式為Tsenovaetal．(2009a，2009b)利用數值模式研究了正、負電荷極性反轉與溫度和有效液水含量之間的關系，所得電荷極性反轉線的結果與Saundersetal．(1991)一致，并進一步對電荷極性反轉線進行了修改，將其用含有云水飽和度因子的函數表示。這種非感應起電參數化方案即為變形后的S91方案。且在方案中，每次碰撞平均轉移的電荷量隨著溫度和粒子半徑的變化而不同，取值參考Saun-dersetal．(1991)的實驗結果。

2電結構模擬結果

模式初始場取自肖輝等(2002)1997年7月28日13:00(北京時間)在旬邑太村施放的一次探空值，該過程分析選自郭鳳霞等(2010)。表1為用3cm雷達觀測此次過程得到的雷達回波資料(肖輝等，2002)與模擬結果的對比情況?？梢钥闯觯M的最大回波強度為60dBz，比實測值偏大，但冰雹生成前后45dBz回波頂高的模擬值與觀測值相一致，且該雷達回波頂高的模擬結果與沈永海等(2010)和李京校等(2013)的分析結果相一致。由于兩種方案均在模擬云發展到第33分鐘之后開始放電，因此本文主要分析雷暴云首次放電前(第27、30和33分鐘)的模擬結果

2.1S91方案電結構第27分鐘時，模擬雷暴云空間電荷結構呈正極性，非感應轉移電荷量主要集中在垂直高度4～8km(0～－30℃)，x方向15～22km范圍。霰在此區域帶正電荷，冰晶帶負電荷。凈空間電荷只在－10～－30℃有一個正電荷區，電荷密度最大值為0.024nC•m－3。第30分鐘時，非感應碰撞轉移電荷量上、下分別有兩個正中心和一個負中心。在第27～30分鐘，正轉移電荷有減弱趨勢。凈空間電荷為三極性，且底部的正電荷區較弱，這可能是由于對流區中部帶正電荷的霰粒隨垂直氣流上升引起的。主正電荷區和主負電荷區分別發生在7.8～9km和6.5～7.7km高度處，且對應的中心密度分別為0.12nC•m－3和－0.12nC•m－3。隨著對流的發展，在第33分鐘時，轉移電荷量上、下有兩個負中心和中間一個正中心，受下沉氣流的作用，下部的負中心的位置比第30分鐘時的負中心有所下降，且最大電荷轉移量增加到－100pC•m－3•s－1，上部的負電荷轉移中心主要位于在－30～－40℃，最大電荷轉移率為－20pC•m－3•s－1，正中心落于－20～－27℃層結處，最大電荷轉移率為10pC•m－3•s－1，且此時空間電荷結構由偶極性過渡為三極性結構。

2.2變形后S91方案的電結構由圖2可見，變形后的S91方案產生的電荷轉移沒有分裂，基本呈單極性。第27分鐘時，電荷轉移率主要是正電荷，主要位于0～－20℃，且空間電荷結構呈單極性。第30分鐘時，受上升氣流的影響，冰晶和霰粒子之間的碰撞作用增強，非感應轉移電荷率達到－12pC•m－3•s－1，主要位于－20～－35℃，且平均有效液水含量大于0.8g/m3(圖3)。此時，空間電荷結構仍呈單極性，只是正電荷區的分布范圍受上升氣流的影響開始升高和擴大。雖然非感應轉移電荷率的極性和量級不同，但兩種方案產生的轉移電荷的分布區域基本相似。隨著對流進一步增強，第30分鐘時，非感應轉移電荷在高度7～9km，x方向15～21km處出現了兩個正中心，分別為120pC•m－3•s－1和180pC•m－3•s－1，對應的平均有效液水含量基本大于1g/m3(圖3)，且空間電荷結構直接由單極性過渡為明顯的三極性結構。綜上所述，雖然兩種方案都是基于Saundersetal．(1991)的研究結果，但模擬得到的非感應轉移電荷極性、量級和電荷結構存在差異。造成這種差異的原因是由于飽和度的變化決定了轉移電荷的極性和霰粒子所帶電荷的極性。結合圖4可以看出，由于霰和冰晶粒子的電荷濃度在空間分布上呈現較好的均一性，所以非感應轉移電荷的空間分布和電荷結構也有較好的均一性，說明轉移電荷的極性與霰粒的電荷濃度密切相關。從以上分析也可以看出，云水飽和度的變化決定了霰和冰晶之間非感應碰撞轉移電荷的極性和空間電荷結構。

3云水飽和度與粒子的分布關系

結合圖3和圖4可以看出，在第27分鐘時，在高度6～10km、x方向14～24km范圍內，對流區中的平均有效液水含量基本大于0.6g/m3。霰的數濃度中心與最大比含水量中心不重合，由于霰的粒子半徑大于冰晶，所以冰晶的數濃度中心與含水量中心基本重合(圖4)。由于霰粒子的電荷濃度中心位于－20℃溫度層，對應的s＞1(圖3)，說明云水環境呈過飽和狀態，霰通過凝華增長，釋放熱量，當與－20℃層少量的冰晶碰撞作用后，帶上正電荷。此時變形后的S91方案，其正轉移電荷中心落于霰和冰晶數濃度的下邊緣。對比S91方案產生的轉移電荷和空間電荷的分布，可以看出兩種方案的轉移電荷中心和電荷分布與冰晶和霰粒子的分布范圍有所差異。第30分鐘，上升氣流將半徑較小的冰晶粒子帶入云的中上層，受上升氣流的拖拽作用和自身的重力沉降作用，霰粒子的分布范圍開始擴大。霰的數濃度中心仍高于最大比含水量中心，冰晶的數濃度中心則與最大含水量中心依然重合。在變形后的S91方案中，負轉移電荷中心位于霰粒子的數濃度中心，冰晶數濃度的下邊緣(圖4)，且霰和冰晶的數濃度中心對應的s都小于1(圖3)，對應的云水環境呈不飽和狀態。霰通過升華，吸收熱量，當與冰晶碰撞作用時，表面的正電荷就會失去，從而帶上負電荷。對比發現，兩種方案的起電中心與霰和冰晶的分布范圍仍然不同。經過一段時間的發展，在第33分鐘時，霰粒子數目進一步增多，出現了兩個含水量高值區，且上部的含水量高值區與霰粒的數濃度中心重合。在變形后的S91方案中，兩個正轉移電荷中心分別位于－40、－20℃高度處(圖4)，其中一個正轉移電荷中心落于霰和冰晶粒子的數濃度中心，另一個落于霰粒子的數濃度中心，冰晶數濃度的下邊緣，且對應的云水環境呈過飽和狀態(圖3)。結合圖3b和圖4可以看出，霰粒子的累積區主要在對流區的中上部，約位于6km高度，強上升氣流會攜帶大量過冷水滴到達這個區域，當云水環境呈過飽和狀態時，霰粒子易帶正電荷;而大量過冷水在冰晶和霰的共存區累積，當云水環境呈不飽和狀態時，霰粒子易帶負電荷。說明云水飽和度通過對霰粒和冰晶增長方式的影響進而影響它們碰撞分離后電荷轉移的大小和極性，這一結果與BakerandDash(1989，1994)相一致。

4結論

在三維強風暴動力—電耦合數值模式中引入基于Saundersetal．(1991)實驗結果的非感應起電參數化方案S91，在此基礎上，利用云水飽和度替代環境溫度和有效液水含量將S91方案變形。對比分析一次雷暴單體首次放電前，兩種方案模擬得到的非感應轉移電荷的極性、量級、電荷結構以及與霰和冰晶粒子分布之間的關系，得出以下結論:1)S91方案模擬得到的轉移電荷分布呈正負交替，在整個起電過程中以負極性為主，且電荷結構呈明顯的三極性。變形后的S91方案，轉移電荷分布比較單一，以正極性為主。當云水環境趨于過飽和狀態時，霰易帶正電荷。反之，霰主要帶負電荷，空間電荷結構有三極性轉變為偶極性的趨勢。說明霰和冰晶粒子的電荷極性對云水環境的變化很敏感，所以會出現不同的非感應轉移電荷的極性和空間電荷結構。2)S91方案中，決定粒子間電荷轉移的因子是有效液水含量，而在變形后的S91方案中，決定因子是與溫度和有效液態水含量的變化有關的云水飽和度。當云水環境呈過飽和狀態時，霰易帶正電，電荷主要產生于高溫、低有效液態水區，反之亦然。3)兩種方案產生的轉移電荷正中心都易出現在霰粒子數濃度中心和最大含水量中心的重合區，轉移電荷的負中心主要集中在霰粒子的數濃度中心和冰晶粒子數濃度的下邊緣。對于變形后的S91方案，當云水環境呈過飽和狀態時，霰和冰晶粒子電荷分布的重合區變小，對應的轉移電荷數目也減少。而當云水環境呈亞飽和或過飽和狀態時，霰和冰晶粒子電荷分布的重合區開始變大，對應的轉移電荷數目也開始增加;在整個模擬云中，非感應轉移電荷的空間分布、電荷結構與霰和冰晶粒子的電荷分布有較好的均勻性。而在S91方案中，霰與冰晶粒子電荷分布的重合區較大，且粒子的電荷空間分布呈非均勻性。說明霰和冰晶粒子的電荷分布是影響電荷轉移量和電荷結構的主要因素。

以往的模擬研究表明，電荷結構與起電參數方案的選取有直接關系(Mansell，2005;郭鳳霞等，2010)，本文通過在S91起電參數化方案中加入云水飽和度因子對比發現電荷的空間分布和轉移電荷率均不同。除了考慮云水飽和度的影響外，在非感應起電參數化方案中也應該要考慮通風因子的影響，因為在上升氣流區，云滴相對于環境大氣有運動，通風因子的作用增加了水汽輸送率，使凝結加快，而雨滴下落時和環境大氣間有一定的相對速度，成為通風環境下的對流輸送，水汽場也不再呈靜止狀態而呈球形對稱，這種條件下使得蒸發加快，可以看出通風因子對水汽場有一定的影響。

作者：孫京 郭鳳霞 單位：中國氣象局 武漢暴雨研究所 暴雨監測預警湖北省重點實驗室 南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心 南京信息工程大學 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室