重慶地區(qū)一次雷暴云電過程及其對初始云滴數(shù)濃度響應(yīng)的數(shù)值模擬

汪亞,銀燕,肖輝,趙鵬國,吳建成,吳奕霄

(1.南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.漳州市氣象局,福建 漳州 363000)

汪亞,銀燕,肖輝,等.2015.重慶地區(qū)一次雷暴云電過程及其對初始云滴數(shù)濃度響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(4):433-447.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131226001.

Wang Ya,Yin Yan,Xiao Hui，et al.2015.A numerical simualtion on a thunderstorm in Chongqing and its response to changes in initial number concentration of cloud droplets[J].Trans Atmos Sci,38(4):433-447.(in Chinese).

重慶地區(qū)一次雷暴云電過程及其對初始云滴數(shù)濃度響應(yīng)的數(shù)值模擬

汪亞1,銀燕1,肖輝1,趙鵬國1,吳建成2,吳奕霄1

(1.南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;2.漳州市氣象局,福建 漳州 363000)

摘要：采用耦合了Saunders和Takahashi兩種非感應(yīng)起電參數(shù)化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,對重慶地區(qū)一次雷暴過程進(jìn)行模擬,對比分析了兩種起電參數(shù)化方案下,電荷開始分離時(shí)和雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí)的水成物粒子的分布、所帶電荷密度以及雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)分布。模擬結(jié)果表明,在Saunders起電參數(shù)化方案下,雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)從起電到放電都呈現(xiàn)偶極性特征,而在Takahashi參數(shù)化方案下,雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)則由反偶極性發(fā)展成正偶極性。為研究CCN(cloud condensation nuclei)對雷暴云的影響,本文進(jìn)行了兩組敏感性試驗(yàn),隨著云滴初始數(shù)濃度增加,雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生極性翻轉(zhuǎn),但雷暴云中電荷量增加,電荷分布區(qū)域變大,有利于閃電發(fā)生。在Saunders起電參數(shù)化方案下,當(dāng)云滴初始數(shù)濃度大于2 000 cm-3時(shí),電荷量變小。通過分析微物理量場和微物理過程發(fā)現(xiàn),隨著云滴初始數(shù)濃度增加,冰相粒子質(zhì)量混合比增加,在Saunders起電參數(shù)化方案下,當(dāng)云滴初始數(shù)濃度大于2 000 cm-3時(shí),霰粒子質(zhì)量混合比減小。驗(yàn)證了CCN的變化能影響云的微物理過程,從而影響雷暴云的電荷分布以及閃電的發(fā)生,尤其是冰相物質(zhì)的變化顯著影響了雷暴云的起電過程。

關(guān)鍵詞：RAMS模式;非感應(yīng)起電參數(shù)化方案;電荷結(jié)構(gòu);云滴初始數(shù)濃度

A numerical simualtion on a thunderstorm in

0引言

有關(guān)雷電的研究一直是大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的重要方向,深入研究雷暴電荷結(jié)構(gòu)的差異及其產(chǎn)生機(jī)理具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來,大量學(xué)者的研究使人們對雷暴云的電過程又有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。通過外場觀測,使人們捕獲到了大量有關(guān)雷電的信息,但是不容易得到微觀水成物粒子的帶電情況。許多試驗(yàn)研究測量了霰粒子與冰晶碰撞分離后的荷電情況(Reynolds et al.,1957;Takahashi,1978;Jayaratne et al.,1983;Saunders et al.,1991;Saunders and Brooks,1992)。

數(shù)值模擬是研究雷暴云中起電、放電、電荷結(jié)構(gòu)以及電過程、微物理過程之間相關(guān)關(guān)系的重要研究方法。其中包括二維云模式:Chiu(1978)在二維時(shí)變軸對稱云模式中引入離子電導(dǎo)、擴(kuò)散和感應(yīng)起電機(jī)制;Takahashi(1984)在二維軸對稱云模式中考慮非感應(yīng)起電機(jī)制模擬對比了大陸性和海洋性雷暴;言穆弘等(1996a,1996b)把電場力耦合到二維云模式并分析了云內(nèi)電荷分布的發(fā)展以及云內(nèi)外因子對非感應(yīng)起電過程的影響;馬明(2004)在二維積雨云模式中引入了Mansell參數(shù)化基本框架。也包括三維云模式:Rawlins(1982)最早在三維積云對流模式中引入較完整的非感應(yīng)起電機(jī)制,得到起電過程中冰相間的轉(zhuǎn)移電荷量;Mansell et al.(2005)采用三維動(dòng)力學(xué)云模式,引入多種非感應(yīng)起電參數(shù)化方案以及放電參數(shù)化方案,結(jié)果表明不同方案下電荷結(jié)構(gòu)分布可能是偶極性或是反偶極性;孫安平等(2002a,2002b)在三維冰雹云模式中耦合了5種起電機(jī)制,分析CCOPE計(jì)劃中雷暴內(nèi)電過程中動(dòng)力、微物理過程與電過程和降水之間的關(guān)系;郭鳳霞等(2003,2007,2010,2012)在三維冰雹云模式中對首次放電前不同非感應(yīng)參數(shù)化方案進(jìn)行比較,討論了不同擾動(dòng)參數(shù)及溫濕層結(jié)對雷暴云空間電荷結(jié)構(gòu)的影響。周志敏和郭學(xué)良(2009a,2009b)在強(qiáng)風(fēng)暴冰雹分檔模式中建立了雷暴云的起、放電模式,結(jié)果表明霰粒子是起電的關(guān)鍵因子。有關(guān)起、放電的模擬研究開始從云模式逐漸發(fā)展到中尺度模式,利用中尺度模式進(jìn)行起、放電模擬不僅可以進(jìn)行閃電預(yù)報(bào)方法的研究,還能深入分析不同天氣系統(tǒng)的電結(jié)構(gòu)特征。Altaratz(2004)和Altaratz et al.(2005)在RAMS模式中引入Takahashi和Saunders起電參數(shù)化方案,對地中海附近的冬季雷暴進(jìn)行模擬研究。黃麗萍等(2008)利用高分辨率中尺度氣象模式GRAPES_Meso(Global/Region Assimilation and Prediction System)驅(qū)動(dòng)云模式,分析了雷暴云的動(dòng)力、微物理過程以及電結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征。王飛(2010)在上述模式中引入非感應(yīng)起電參數(shù)化方案對閃電活動(dòng)的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究。李萬莉等(2012)利用RAMS模式對北京夏季雷暴進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)在Takahashi起電參數(shù)化方案和Saunders起電參數(shù)化方案下,發(fā)生首次放電前雷暴云均呈現(xiàn)出三極性電荷結(jié)構(gòu)。徐良韜等(2012)在WRF模式中引入了感應(yīng)起電和非感應(yīng)起電機(jī)制以及放電模塊,對颮線過程進(jìn)行了模擬研究。

本文將利用耦合了Takahashi起電參數(shù)化方案和Saunders起電參數(shù)化方案的RAMSv4.3,對重慶夏季一次雷暴過程進(jìn)行模擬,對比研究兩種起電參數(shù)化方案對電荷結(jié)構(gòu)模擬的影響以及我國重慶地區(qū)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分布,并對初始云滴數(shù)濃度影響雷暴云進(jìn)行敏感性試驗(yàn),通過改變云滴初始數(shù)濃度研究雷暴云中水成物粒子的變化對電荷結(jié)構(gòu)變化的影響。

1模式簡介

1.1　RAMS模式介紹

本文采用美國科羅拉多州立大學(xué)的區(qū)域大氣RAMS模式。該模式于1986年結(jié)合了3個(gè)相關(guān)模式,分別為CSU(Colorado State University)云/中尺度模式(Saleeby and Cotton,2004)、流體靜力的云模式(Tremback,1990)和海陸風(fēng)模式(Mahrer and Pielke,1977)。

RAMS模式采用全彈性、可壓縮、非靜力平衡方程組,模式可用于二維和三維的模擬,模式的坐標(biāo)系統(tǒng)為垂直坐標(biāo)采用地形追隨σ-z坐標(biāo)(Gal-Chen and Somerville,1975)、水平坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)極射赤面投影,其格點(diǎn)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的C交錯(cuò)網(wǎng)格。網(wǎng)格嵌套為雙向守恒嵌套(Clark and Farley,1984;Clark and Hall,1991),可以指定空間和時(shí)間嵌套比。時(shí)間差分采用了混合差分方案,包括向前差分和蛙躍式差分。側(cè)邊界條件最常用的是輻射邊界條件,除此之外還包括海綿邊界條件等;上邊界條件有剛壁條件、重力波輻射條件、Rayleigh摩擦吸收層;下邊界對地表和土壤的參數(shù)化方案為Tremback and Kessler(1985)方案。還包括兩種湍流動(dòng)能參數(shù)化方案、兩種對流參數(shù)化方案以及兩種輻射參數(shù)化方案。

1.2　微物理參數(shù)化方案

RAMS模式對微物理過程有較好的描述,包括云滴、冰晶的核化,水汽的擴(kuò)散增長,蒸發(fā)、升華過程,熱擴(kuò)散、凍結(jié)、融化過程,凝華沉降、碰并過程以及次生冰晶過程(Walko et al.,1995;Meyers et al.,1997)。模式中考慮的水成物粒子包括:水汽、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、聚合物、霰、雹。該模式的微物理參數(shù)化方案中,各種水成物粒子采用Gamma譜分布(Verlinde et al.,1990;Walko et al.,1995):

(1)

其中:D表示水成物粒子的直徑;Dn表示修正的伽馬函數(shù)的特征直徑(Dmean=νDn);Γ(ν)表示關(guān)于形狀因子ν的伽馬函數(shù),作為歸一化因子使得對fGam在D上的積分等于1。

1.3　起電參數(shù)化方案

根據(jù)一系列的試驗(yàn)結(jié)果和觀測研究結(jié)果,人們認(rèn)為非感應(yīng)起電是云內(nèi)的主要起電機(jī)制。其中較主要的非感應(yīng)起電參數(shù)化方案分別是Saunders et al.(1991)起電參數(shù)化方案和Takahashi(1978)起電參數(shù)化方案。

1.3.1Saunders參數(shù)化方案

Saunders et al.(1991)首次提出了有效液水含量的概念,有效液水為液水含量與碰撞系數(shù)的乘積:

WE=CLW×Ecoll。

(2)

其中:WE為有效液水含量;CLW為液水含量;Ecoll為碰撞系數(shù)。

霰通過與冰晶、雪晶、聚合物相碰撞轉(zhuǎn)移的電荷量為δq:

δq(Dg,Di,CLW,T)=S(T,WE)·R(CLW)·

M(Dg,Di)。

(3)

其中:S表示電荷轉(zhuǎn)移的極性。并定義了有效液水的臨界值為

WEcrit=-0.49-6.64×10-2T。

(4)

該式適用于溫度在-10.7～-23.9 ℃之間。在給定的溫度范圍內(nèi),如果有效液水高于WEcrit,霰帶正電,反之帶負(fù)電。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)有效液水低于0.2 g/m3時(shí),若溫度低于-20 ℃,則霰帶正電,若溫度高于-20 ℃時(shí),則霰帶負(fù)電。R的值為0或1,決定電荷過程是否激發(fā):

R(CLW)=θ(CLW-CLWcrit)。

(5)

其中θ表示一個(gè)階躍函數(shù),即θ(x),當(dāng)x<0時(shí),θ(x)=0,反之θ(x)=1。因此,當(dāng)CLW

(6)

其中:Vg和Vi分別是霰和冰晶的下落末速度;k為常數(shù),值為3 m/s;Dg代表霰粒子直徑;Di代表冰晶、雪晶、聚合物粒子的直徑;G(Di)是與Keith and Saunders(1989)試驗(yàn)相對應(yīng)的一個(gè)多項(xiàng)式,由試驗(yàn)結(jié)果作出碰撞分離過程電荷的轉(zhuǎn)移隨冰晶尺度的變化曲線。G(Di)是根據(jù)上述變化曲線而得到的多項(xiàng)式,可得:

G+(Di)=a(Di)6+b(Di)5+c(Di)4+d(Di)3+

e(Di)2+f(Di)+g,

(7)

G-(Di)=h(Di)6+i(Di)5+j(Di)4+k(Di)3+

l(Di)2+m(Di)+n。

(8)

對于Saunders起電參數(shù)化方案,起電區(qū)域比較復(fù)雜,根據(jù)Saunders et al.(1991)的試驗(yàn)以及Helsdon et al.(2001)的試驗(yàn)結(jié)果可知,每個(gè)區(qū)域的電荷量都不一樣,因此在Saunders參數(shù)化方案下,不同區(qū)域具有不同的電荷轉(zhuǎn)移方程(見Altaratz et al.(2005)的表2)。

霰分別與冰晶、雪晶、聚合物發(fā)生碰撞分離,由于碰撞界面的溫差產(chǎn)生的表面接觸電位差使粒子間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移的電荷表示為

(9)

其中B、a和b是常量。根據(jù)冰晶尺度的不同,電荷轉(zhuǎn)移的極性不同,B、a和b的取值也不同(Saunders et al.,1991)。

1.3.2Takahashi(1978)參數(shù)化方案

在Takahashi(1978)的試驗(yàn)中,溫度變化范圍為0～-30 ℃,液水含量變化范圍為0.01～20 g/m3,云滴尺度變化由低液水含量時(shí)的10 μm增長到高液水含量時(shí)的100 μm,冰晶尺度為10～100 μm。研究得知,霰和冰晶碰撞發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移決定于碰撞處的溫度和液態(tài)水含量。為計(jì)算出每次碰撞分離過程所發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移,Takahashi(1978)給出了一個(gè)修正因子,表達(dá)式為

(10)

其中:D0和V0的值分別為100 μm和8 m/s;Vg和Vi分別是霰和冰晶的下落末速度;Di表示冰晶或者雪晶、聚合物的直徑。

通過計(jì)算每次碰撞所發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移,可以得出每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的總量,等于每次碰撞所發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移乘以碰撞次數(shù)。霰的電荷密度轉(zhuǎn)移率為

Egini(Di)ng(Dg)δqdDidDg。

(11)

其中:Dg是霰的直徑;Di是冰晶、雪晶或聚合物的直徑;Vg和Vi分別是霰和冰晶的下落末速度;n(D)是水成物粒子的粒徑分布;Egi=Ecoll·Esep·Ech,Ecoll表示粒子碰撞效率,Esep表示碰撞分離效率,Ech代表電荷分離效率。根據(jù)粒子的形狀,模式中Egi取值范圍為0.03～0.4。

2模式設(shè)置與結(jié)果分析

2.1　模式設(shè)置

2010年7月15日20:00至次日05:00(北京時(shí)間)重慶發(fā)生了一次雷暴過程,由閃電資料可知,這次雷暴過程地閃的閃擊次數(shù)達(dá)到4 394次,其中正閃80次,負(fù)閃4 314次。本次模擬采用重慶站于2010年7月15日20:00(北京時(shí)間)的探空資料(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)作為初始場,模式水平格點(diǎn)分辨率為300 m,格點(diǎn)數(shù)為105×105,垂直方向分辨率為100 m,比例為1.11,垂直方向一共30層,地形設(shè)置為平坦地形。模式積分60 min,時(shí)間步長為2 s。輻射參數(shù)化方案為Chen方案,湍流參數(shù)化方案為Mellor-Yamada方案。云滴初始數(shù)濃度為500 cm-3。為觸發(fā)對流云的發(fā)展,采用熱泡擾動(dòng),最大擾動(dòng)位溫為3 ℃,擾動(dòng)半徑為2 100 m。

2.2　結(jié)果分析

2.2.1云的雷達(dá)回波

圖1是重慶站新一代多普勒天氣雷達(dá)(CINRAD-SA)S波段探測的實(shí)際雷達(dá)回波和模式積分33 min時(shí)的雷達(dá)回波沿y=20 km的垂直剖面。圖1a是實(shí)際雷達(dá)回波RHI圖;圖1c是23:28實(shí)際雷達(dá)回波PPI圖(直線P1P2為垂直剖面位置)。雷達(dá)回波強(qiáng)度最大值為60 dBz左右,可以看出是由幾個(gè)雷暴單體連在一起。由圖1a可知,取雷達(dá)回波最強(qiáng)的雷暴單體做垂直剖面可以發(fā)現(xiàn),實(shí)測云頂高度在12 km左右,強(qiáng)回波中心約為60 dBz,強(qiáng)回波中心高度位于6 km左右。由圖1b可知,云頂高度在12 km左右,最大回波強(qiáng)度為65 dBz,強(qiáng)回波中心在6 km左右,同樣有多個(gè)強(qiáng)回波中心。通過實(shí)際雷達(dá)回波和模擬雷達(dá)回波的對比可知,云體寬度、云的形狀、云頂高度、最大回波中心所在高度等較一致,說明模式能夠模擬出此次雷暴過程的基本特征(黃興友等,2011;官莉等,2012)。

2.2.1.1水成物粒子的分布

模式積分8 min后,云開始逐漸形成,垂直速度和云中液水含量迅速增大,隨著上升氣流的增強(qiáng),液態(tài)水被帶到0 ℃層以上,液態(tài)水在6 000 m的高度發(fā)生凍結(jié)。19 min時(shí),形成了冰晶,20 min時(shí),在6 000～8 000 m形成了雪晶。由于冰晶和雪晶的凝華碰并增長,21 min時(shí),在8 000 m高度形成了聚合物,冰相粒子經(jīng)過淞附過程,在8 000 m左右形成了霰粒子,此時(shí)參與非感應(yīng)起電的各種冰相粒子均已形成,隨后云內(nèi)發(fā)生電荷分離過程。模式積分23 min時(shí),云內(nèi)最大上升速度為12 m/s,位于3 300 m左右。冰晶、雪晶、聚合物、霰的最大質(zhì)量混合比分別為1×10-4、3×10-4、3.3×10-5和2.4×10-5g/kg,最大值的高度分別位于8 500、8 700、8 700和7 800 m左右(圖略)。最大液水含量為4.5 g/kg,最大液水區(qū)域位于6 000～7 000 m,此時(shí)沒有明顯的降水。

圖1　實(shí)際雷達(dá)回波的垂直剖面(a)、模式積分33 min時(shí)的雷達(dá)回波的垂直剖面(b)以及實(shí)際雷達(dá)回波PPI圖(c)(單位:dBz)Fig.1　(a)Vertical section of actual radar echoes,(b)vertical profile of radar echoes at model integral 33 min,and (c)PPI of actual radar echoes(units:dBz)

模式積分35 min時(shí),垂直風(fēng)速如圖2所示,由于降水粒子的拖曳作用,最大上升速度為14 m/s,位于8 000 m高度處,雷暴云的四周以及云下出現(xiàn)了下沉氣流,絕對值最大值為6 m/s。此時(shí),冰晶粒子有兩個(gè)大值中心,分別位于9 800 m和7 700 m,質(zhì)量混合比分別為0.2 g/kg和0.06 g/kg;雪晶粒子也有兩個(gè)大值中心,分別位于10 600 m和7 800 m,質(zhì)量混合比分別為0.65 g/kg和0.15 g/kg;聚合物的最大值位于10 600 m附近,值為2.0 g/kg;霰粒子最大值位于8 500 m附近,值為2.2 g/kg;雹粒子的最大值位于0 ℃層以下(圖略)。35 min時(shí),液水含量分布如圖3所示,在-10 ℃以上的區(qū)域液水含量均低于0.5 g/kg,此時(shí)液水大值中心位于6 000 m,最大值為4 g/kg。

圖2　模式積分35 min時(shí)的垂直風(fēng)速(單位：m/s)Fig.2　Vertical wind speed at model integral 35 min(units:m/s)

圖3　模式積分35 min時(shí)液水含量的垂直剖面(單位：g/kg；水平實(shí)線和虛線表示等溫線，單位：℃)Fig.3　Vertical profile of liquid water content at model integral 35 min(units:g/kg;the horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)

2.2.1.2Saunders參數(shù)化方案的模擬結(jié)果

霰粒子于21 min時(shí)開始生成,霰與冰晶、雪晶、聚合物粒子的碰撞分離過程伴隨著電荷的分離,因此模式積分21 min時(shí)電荷開始分離,但電荷量很小。由圖4可見,冰晶、雪晶、聚合物主要攜帶正電荷,霰主要攜帶負(fù)電荷。初期雷暴云呈現(xiàn)出正偶極性電荷結(jié)構(gòu),負(fù)電荷中心值為-0.000 4 nC/m3,上部正電荷中心值為0.000 3 nC/m3。

圖4　Saunders參數(shù)化方案下23 min時(shí)水成物粒子所帶電荷密度的x-z垂直剖面(實(shí)線代表正電荷密度,虛線代表負(fù)電荷密度,單位:nC/m3;水平實(shí)線和虛線表示等溫線,單位:℃)　　a.冰晶;b.雪晶;c.聚合物;d.霰;e.全部水成物粒子Fig.4　The x-z vertical profiles of charge density(units:nC/m3) of hydrometeors at model integral 23 min with Saunders parameterization scheme(Solid line represents positive charge density and dashed line shows negative charge density with the unit of nC/m3.The horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)　　a.ice crystal;b.snow crystal;c.aggregates;d.graupel;e.total

圖5為模式積分35 min當(dāng)雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí)的電荷結(jié)構(gòu)以及水成物粒子的電荷密度沿y=20 km的垂直剖面。冰晶、雪晶主要帶正電荷,雪晶在7 800 m處有一負(fù)電荷區(qū),電荷量以及荷電區(qū)域都較小,聚合物主要攜帶正電荷并分布著兩個(gè)負(fù)電荷區(qū),其中一個(gè)因碰撞分離產(chǎn)生的負(fù)電荷區(qū)位于雷暴云的左側(cè)。霰主要分布在0～-40 ℃,其最大值中心在-15 ℃,此時(shí)霰粒子所帶電荷應(yīng)主要取決于環(huán)境中液態(tài)水含量,在環(huán)境溫度較高、液水含量較高的區(qū)域,霰粒子帶正電荷,該區(qū)域內(nèi)霰粒子的正電荷量小于10-2nC/m3,霰粒子大值區(qū)域在-10～-20 ℃,液水含量低于0.5 g/kg,因此35 min時(shí)霰主要帶負(fù)電荷。由圖5e可知,負(fù)電荷中心值為-0.4 nC/m3,上部正電荷中心值為0.7 nC/m3,下部正電荷小于10-2nC/m3,位于0 ℃附近。下部正電荷的來源有兩種可能性,一是冰相粒子的碰撞引起的電荷分離,主要是發(fā)生在下部左側(cè)的弱正電荷區(qū),該區(qū)域內(nèi)雪晶和聚合物攜帶了負(fù)電荷,霰攜帶了正電荷,由于電荷量太小,該處電過程并不強(qiáng)烈;二是下沉氣流的輸送作用,如圖2所示,在雷暴云的兩側(cè)存在下沉氣流,因此包含了從上部主正電荷區(qū)向下輸送的部分。雷暴云整體呈現(xiàn)出三極性電荷結(jié)構(gòu),但根據(jù)碰撞起電理論,此時(shí)電荷結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是正偶極性分布。

圖5　Saunders參數(shù)化方案下35 min時(shí)水成物粒子所帶電荷密度的x-z垂直剖面(實(shí)線代表正電荷密度,虛線代表負(fù)電荷密度,單位:nC/m3;水平實(shí)線和虛線表示等溫線,單位:℃)　　a.冰晶;b.雪晶;c.聚合物;d.霰;e.全部水成物粒子Fig.5　The x-z vertical profiles of charge density(units:nC/m3) of hydrometeors at model integral 35 min with Saunders parameterization scheme(Solid line represents positive charge density and dashed line shows negative charge density with the unit of nC/m3.The horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)　　a.ice crystal;b.snow crystal;c.aggregates;d.graupel;e.total

2.2.1.3Takahashi起電參數(shù)化方案的模擬結(jié)果

根據(jù)Takahashi參數(shù)化方案,模式積分22 min時(shí)電荷開始發(fā)生分離。由圖6可見,電荷開始形成初期雷暴云電荷結(jié)構(gòu)呈反偶極性,負(fù)電荷中心值為-0.000 4 nC/m3,下部正電荷中心值為0.000 6 nC/m3。此時(shí)液態(tài)水含量很低,霰帶正電荷,冰晶、雪晶、聚合物帶負(fù)電荷。

圖6　Takahashi參數(shù)化方案下23 min時(shí)水成物粒子所帶電荷密度的x-z垂直剖面(實(shí)線代表正電荷密度,虛線代表負(fù)電荷密度,單位:nC/m3;水平實(shí)線和虛線表示等溫線,單位:℃)　　a.冰晶;b.雪晶;c.聚合物;d.霰;e.全部水成物粒子Fig.6　The x-z vertical profiles of charge density(units:nC/m3) of hydrometeors at model integral 23 min with Takahashi parameterization scheme(Solid line represents positive charge density and dashed line shows negative charge density with the unit of nC/m3.The horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)　　a.ice crystal;b.snow crystal;c.aggregates;d.graupel;e.total

圖7為模式積分35 min當(dāng)雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí)雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)和水成物粒子所帶電荷密度的x-z剖面。與23 min對比,35 min時(shí)電荷區(qū)域分布更廣,高度更高。冰晶、雪晶、聚合物主要攜帶正電荷,霰主要攜帶負(fù)電荷,主要分布在-10～-25 ℃。而在8 000 m高度處,部分霰帶上正電荷,可能是由于液態(tài)水含量所致,使霰處于荷正電荷的區(qū)域,由于電荷碰撞分離,冰晶、雪晶、聚合物在該區(qū)域帶上了少量負(fù)電荷。由圖7e可知,中部負(fù)電荷中心值為-0.6 nC/m3,上部正電荷中心值為0.7 nC/m3,下部兩側(cè)也有一小部分正電荷,電荷量小于10-2nC/m3,位于0 ℃附近。由于冰晶、雪晶、聚合物在該正電荷區(qū)域并沒有攜帶負(fù)電荷,因此該正電荷不是由于冰相粒子碰撞發(fā)生的電荷分離,0 ℃附近極弱的正電荷區(qū)可能是由于下沉氣流將上部正電荷輸送至該區(qū)域所致,根據(jù)碰撞起電理論,此時(shí)電荷結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是正偶極性分布。與Saunders起電參數(shù)化方案進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),在雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí),兩者具有相似的電荷分布結(jié)構(gòu),兩種方案表現(xiàn)出了一致性。

圖7　Takahashi參數(shù)化方案下35 min時(shí)水成物粒子所帶電荷密度的x-z垂直剖面(實(shí)線代表正電荷密度,虛線代表負(fù)電荷密度,單位:nC/m3;水平實(shí)線和虛線表示等溫線,單位:℃)　　a.冰晶;b.雪晶;c.聚合物;d.霰;e.全部水成物粒子Fig.7　The x-z vertical profiles of charge density(units:nC/m3) of hydrometeors at model integral 35 min with Takahashi parameterization scheme(Solid line represents positive charge density and dashed line shows negative charge density with the unit of nC/m3.The horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)　　a.ice crystal;b.snow crystal;c.aggregates;d.graupel;e.total

由模擬結(jié)果可知,在23 min雷暴云發(fā)展期時(shí),Saunders參數(shù)化方案下雷暴云呈正偶極性,而Takahashi參數(shù)化方案下雷暴云呈反偶極性,表現(xiàn)出了兩種參數(shù)化方案的差異性。23 min時(shí),霰主要分布在-10～-20 ℃,霰的最大值中心接近于-10 ℃,此時(shí)霰粒子所處區(qū)域液態(tài)水含量很小,低于0.2 g/m3,該區(qū)域?yàn)榈鸵核繀^(qū),在Saunders起電參數(shù)化方案下處于負(fù)電荷范圍,而在Takahashi參數(shù)化方案下霰處于正電荷范圍,說明雷暴云的電荷分離決定于環(huán)境溫度以及液態(tài)水含量。兩種參數(shù)化方案是建立在不同的試驗(yàn)基礎(chǔ)之上,在與凇附靶接觸前,Takahashi方案是將冰晶和過冷水置于不同的云室中,而Saunders方案是將冰晶與過冷水滴置于相同的云室中,這一差異是影響模擬結(jié)果的主要原因。除此之外,Saunders方案將液態(tài)水含量轉(zhuǎn)換成了有效液態(tài)水含量,這一差異在一定程度上也影響了模擬結(jié)果。

對于本次個(gè)例,兩種參數(shù)化方案在首次放電前均呈現(xiàn)出正偶極性電荷結(jié)構(gòu),Altaratz(2004)和Altaratz et al.(2005)在RAMSv4.3中引入這兩種起電參數(shù)化方案,對發(fā)生在地中海附近的冬季雷暴云進(jìn)行了模擬研究,指出Takahashi參數(shù)化方案下呈現(xiàn)三極性電荷結(jié)構(gòu),而Saunders參數(shù)化方案下呈現(xiàn)反偶極性結(jié)構(gòu)。這說明,對于不同的個(gè)例,其環(huán)境溫度以及液水含量都不同且影響著粒子的荷電情況。大量觀測研究表明雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其中較為常見的幾種雷暴云電荷結(jié)構(gòu)為正偶極性電荷結(jié)構(gòu)(Wilson,1916,1929)。反偶極性電荷結(jié)構(gòu)(Wormell,1939)以及三極性電荷結(jié)構(gòu)(Simpson and Scrase,1973),除此之外也曾觀測到過四極性電荷結(jié)構(gòu)(Stolzenburg et al.,1998)。大量模擬研究也表明了雷暴云的偶極性(Mansell et al.,2005)和三極性電荷結(jié)構(gòu)(Krehbiel et al.,2003)。就目前而言,由于雷暴研究的局限性,無法討論Saunders起電參數(shù)化方案和Takahashi起電參數(shù)化方案兩者誰更優(yōu)越,但從本文的模擬結(jié)果可以看出,兩個(gè)參數(shù)化方案下的電荷結(jié)果有較好的對應(yīng),并與以往的觀測和模擬研究結(jié)果相符合。

3敏感性試驗(yàn)

氣溶膠是影響雷暴云的一個(gè)重要部分,氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度存在非線性關(guān)系,總體而言,云滴數(shù)濃度隨著氣溶膠數(shù)濃度的增加而增加。為了研究雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)特征隨云滴初始數(shù)濃度的變化,本文進(jìn)行了兩組敏感性試驗(yàn)。云滴初始數(shù)濃度分別設(shè)置為50、500、1 000和2 000 cm-3,分別代表在較清潔海洋性氣團(tuán)、典型大陸性氣團(tuán)、污染背景和嚴(yán)重污染背景下云的發(fā)展?fàn)顩r(銀燕等,2009;楊正卿等,2012)。

3.1　雷暴云中電荷變化分析

3.1.1Takashi參數(shù)化方案下試驗(yàn)結(jié)果

模式積分第35 min時(shí)雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)分別如圖8a、7e、8b、8c所示。正電荷中心密度依次為0.1、0.7、1.0和1.8 nC/m3,負(fù)電荷中心密度依次為-0.06、-0.6、-0.6和-1.2 nC/m3。由此發(fā)現(xiàn),當(dāng)云滴初始數(shù)濃度增加時(shí),雷暴云中電荷量增加。但是,雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)未發(fā)生極性的轉(zhuǎn)變,仍為正偶極電荷結(jié)構(gòu)。若再繼續(xù)增加云滴初始數(shù)濃度,則在云滴初始數(shù)濃度低于2 500 cm-3范圍內(nèi),電荷密度隨著云滴初始數(shù)濃度的增加而逐漸增大;在云滴初始數(shù)濃度達(dá)到5 000 cm-3左右時(shí),電荷密度驟減;超過5 000 cm-3時(shí),電荷密度較低(圖略)。在實(shí)際云中,一般云滴初始數(shù)濃度最大值小于2 000 cm-3,超過該值的云在實(shí)際中較少存在,僅為數(shù)值模擬結(jié)果。

圖8　云滴初始數(shù)濃度分別為50 cm-3 (a)、1 000 cm-3 (b)和2 000 cm-3(c)時(shí)Takahashi參數(shù)化方案下35 min時(shí)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的x-z垂直剖面(實(shí)線代表正電荷密度,虛線代表負(fù)電荷密度,單位:nC/m3;水平實(shí)線和虛線表示等溫線,單位:℃)Fig.8　The x-z vertical profiles of charge structure in thunderstorm at model integral 35 min with Takahashi parameterization scheme when the initial number concentration of cloud droplets is (a)50 cm-3,(b)1 000 cm-3,and (c)2 000 cm-3,respectively(Solid line represents positive charge density and dashed line shows negative charge density with the unit of nC/m3.The horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)

3.1.2Saunders參數(shù)化方案下試驗(yàn)結(jié)果

模式積分第35 min時(shí)雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)分別如圖9a、5e、9b、9c所示。正電荷中心密度依次為0.25、0.7、2.0和1.2 nC/m3,負(fù)電荷中心密度依次為-0.25、-0.4、-2.0和-1.2 nC/m3?？芍?dāng)云滴初始數(shù)濃度增加時(shí),雷暴云中電荷量增加,當(dāng)云滴初始數(shù)濃度增加到2 000 cm-3時(shí),電荷量減小。

圖9　云滴初始數(shù)濃度分別為50 cm-3 (a)、1 000 cm-3 (b)和2 000 cm-3(c)時(shí)Saunders參數(shù)化方案下35 min時(shí)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的x-z垂直剖面(實(shí)線代表正電荷密度,虛線代表負(fù)電荷密度,單位:nC/m3;水平實(shí)線和虛線表示等溫線,單位:℃)Fig.9　The x-z vertical profiles of charge structure in thunderstorm at model integral 35 min with Saunders parameterization scheme when the initial number concentration of cloud droplets is (a)50 cm-3,(b)1 000 cm-3,and (c)2 000 cm-3,respectively(Solid line represents positive charge density and dashed line shows negative charge density with the unit of nC/m3.The horizontal solid and dashed lines indicate isotherm with the unit of ℃)

由上述結(jié)果可知,在兩種起電參數(shù)化方案下,隨著云滴初始數(shù)濃度的增加,雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生極性轉(zhuǎn)變。電荷量的變化是先增加然后變緩,隨后電荷量減小。當(dāng)云滴初始數(shù)濃度增加到1 000 cm-3時(shí),在Saunders參數(shù)化方案下雷暴云帶電量比在Takahashi參數(shù)化方案下增加迅速,電荷量相差兩倍左右。當(dāng)云滴數(shù)濃度大于2 000 cm-3時(shí),Takahashi參數(shù)化方案下雷暴云電荷量繼續(xù)增加,Saunders參數(shù)化方案下雷暴云電荷量減小。

關(guān)于CCN(cloud condensation nuclei)的變化對雷電的影響,不同的研究者給出了不完全相同的結(jié)果。Westcott(1995)最早提出城市氣溶膠造成雷暴云閃電增加的觀點(diǎn)。Orville et al.(2001)根據(jù)閃電定位資料發(fā)現(xiàn)美國休斯頓地區(qū)城市比郊區(qū)有更高的閃電密度。Kar et al.(2009)分析韓國五大城市地區(qū)氣溶膠對閃電活動(dòng)的影響并得到相似結(jié)果。Albrecht et al.(2011)運(yùn)用耦合了Takahashi參數(shù)化方案的一維云模式,對亞馬遜地區(qū)CCN對雷暴云電過程影響進(jìn)行研究,認(rèn)為高CCN數(shù)濃度情況下能夠產(chǎn)生更高混合比的冰相粒子以及更多的閃電。Wang et al.(2011)統(tǒng)計(jì)分析了2000—2006年間珠江三角洲地區(qū)閃電等觀測資料,指出更高的閃電密度與大氣氣溶膠增加有關(guān),其數(shù)值模擬結(jié)果表明閃電潛力指數(shù)在污染條件下增加。Altaratz et al.(2010)通過分析觀測資料指出,隨著氣溶膠數(shù)濃度的增加,對流強(qiáng)度增強(qiáng),當(dāng)氣溶膠數(shù)濃度增加到一定程度時(shí),抑制對流云的發(fā)展,減小了雷電發(fā)生的可能性。Mansell and Ziegler(2013)應(yīng)用高分辨率的三維云模式(COMMAS)分析不同CCN數(shù)濃度對云微物理結(jié)構(gòu)和起電過程的影響,指出:當(dāng)CCN數(shù)濃度小于1 000 cm-1時(shí),電荷分離和閃電緩慢增加;當(dāng)CCN數(shù)濃度在1 000～2 000 cm-1時(shí),電荷分離和閃電顯著增加,主要原因是次生冰晶過程即Hallett-Mossop過程;當(dāng)CCN數(shù)濃度大于2 000 cm-1時(shí),在忽略云滴尺度的微物理參數(shù)化方案下,閃電繼續(xù)增加,在考慮云滴尺度的微物理參數(shù)化方案下,閃電減少。根據(jù)本文的敏感性試驗(yàn)得知,對于云內(nèi)電荷量的變化是先增加然后變緩,隨后電荷量減小,電荷的增加和聚集促進(jìn)了閃電的發(fā)生。尤其是在Takahashi參數(shù)化方案下,在云滴初始數(shù)濃度小于2 500 cm-1時(shí),電荷量隨云滴初始數(shù)濃度是單調(diào)增加的。因此,與其他相關(guān)研究結(jié)果比較可知,本文的敏感性試驗(yàn)結(jié)果與前人的研究結(jié)果在一定程度上是相符合的。

云滴初始數(shù)濃度決定了微物理過程的效率,而微物理過程的改變會(huì)影響云的動(dòng)力學(xué)過程,從而改變雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)。因此,分析雷暴云中微物理量場和微物理過程隨云滴初始數(shù)濃度的變化是必要的。

3.2　微物理量場分析

模式積分35 min時(shí),當(dāng)云滴初始數(shù)濃度為50 cm-3時(shí),冰晶、雪晶、聚合物和霰的質(zhì)量混合比最大值分別為0.27、0.7、2和1.1 g/kg;當(dāng)云滴初始數(shù)濃度為500 cm-3時(shí),上述粒子質(zhì)量混合比最大值分別為0.2、0.6、2.4和1.6 g/kg;當(dāng)云滴初始數(shù)濃度為1 000 cm-3時(shí),質(zhì)量混合比最大值分別為0.18、0.6、2.4和1.4 g/kg;當(dāng)云滴初始數(shù)濃度為2 000 cm-3時(shí),質(zhì)量混合比最大值分別為0.16、0.6、2.6和1.2 g/kg。當(dāng)云滴初始數(shù)濃度增加時(shí),幾種冰相粒子在空間分布上更廣(圖略)。

由上述結(jié)果可知,在增大云滴初始數(shù)濃度的過程中能夠產(chǎn)生更高混合比的冰相粒子,并且冰相粒子在空間上的分布更廣,有利于冰相粒子的碰并,利于聚合物、霰粒子碰撞分離產(chǎn)生電荷。結(jié)合雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果可知,高云滴初始數(shù)濃度情況下使得冰相粒子混合比增大,雷暴云中電荷量增加,理論上能夠縮短電場達(dá)到擊穿閾值的時(shí)間,有利于閃電發(fā)生。

3.3　微物理過程分析

在雷暴云發(fā)展初期,當(dāng)云滴初始數(shù)濃度從50 cm-3增長到500 cm-3時(shí),云滴、雨滴、聚合物、霰的質(zhì)量混合比增加。由于云滴初始數(shù)濃度增大,云滴有效半徑減少,導(dǎo)致云中碰并過程減弱,大量云水停留云中,有利于云滴凝結(jié)增長,使得云滴的質(zhì)量混合比增長。大量云水停留在云中,也有利于冰相粒子淞附增長和貝吉隆過程,導(dǎo)致聚合物和霰的質(zhì)量混合比增加。聚合物和霰增長變大后,下落到0 ℃層以下融化成雨滴,使雨滴質(zhì)量濃度增加。當(dāng)云滴初始數(shù)濃度增長到1 000 cm-3時(shí),云滴的質(zhì)量混合比增加,雨滴、冰晶、雪晶、聚合物和霰的質(zhì)量混合比與云滴數(shù)濃度為500 cm-3時(shí)相近,由于爭食云內(nèi)可被利用的水汽,這將阻止微滴的增長過程,因此此時(shí)增加云滴初始數(shù)濃度,微滴的增長將逐漸減緩,變化并不顯著。當(dāng)云滴初始數(shù)濃度繼續(xù)增加到2 000 cm-3時(shí),云滴數(shù)濃度增加,云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化率降低,雨滴數(shù)濃度減少,云滴有效半徑減小,與霰的碰撞效率降低,導(dǎo)致霰的質(zhì)量濃度降低,由于云滴數(shù)濃度的增加,隨著垂直上升氣流,更多的云滴輸送到更高層凍結(jié)成冰晶,導(dǎo)致了冰晶、雪晶、聚合物的增加(圖略)。

如圖10所示,模式積分35 min時(shí),隨著對流云的發(fā)展、垂直速度的增加,液水被帶到0 ℃層以上,發(fā)生凍結(jié),有利于冰粒子淞附增長,另外通過貝吉隆過程,大量水汽從液滴上蒸發(fā)轉(zhuǎn)移到冰粒子上凝華。同時(shí)冰晶和雪晶的增長促成聚合物的增長,冰晶等與過冷水接觸促進(jìn)霰粒子的增長。隨著云滴初始數(shù)濃度增加,霰粒子先增加再減小,冰晶和雪晶質(zhì)量混合比減小,聚合物粒子增加,此時(shí)主要是聚合物粒子與霰粒子碰撞發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。對于液相粒子,在0 ℃層以下,隨著云滴初始數(shù)濃度增加,云滴質(zhì)量混合比增加,雨滴質(zhì)量混合比減小,模式積分到35 min時(shí)各種水成物粒子的變化趨勢與模式積分到25 min時(shí)的變化趨勢幾乎是一致的。

從微物理特性方面可知,云滴數(shù)濃度增加,云滴有效半徑減少,從而抑制了收集、碰并過程,并增強(qiáng)了混合相過程,尤其是聚合物粒子,隨云滴初始數(shù)濃度增加而質(zhì)量混合比增長。在云滴初始數(shù)濃度小于2 000 cm-3時(shí),霰粒子質(zhì)量混合比增大;當(dāng)云滴初始數(shù)濃度大于2 000 cm-3時(shí),霰粒子質(zhì)量混合比減小。從雷暴云電荷結(jié)構(gòu)方面可知,當(dāng)云滴數(shù)濃度增加,兩種參數(shù)化方案下雷暴云中的電荷量增加,電荷分布區(qū)域更廣。因此,冰相物質(zhì)變化直接影響雷暴云的起電過程。在Saunders參數(shù)化方案下,當(dāng)云滴初始數(shù)濃度為2 000 cm-3時(shí),雷暴云電荷量減小,其變化趨勢與霰粒子質(zhì)量混合比是一致的,證明霰在與冰相粒子碰撞發(fā)生電荷分離的過程中起主要作用。

4結(jié)論

本文采用耦合了Takahashi和Saunders兩種非感應(yīng)起電參數(shù)化方案的RAMS模式,模擬分析了2010年7月15日發(fā)生在重慶地區(qū)的一次雷暴過程,并進(jìn)行了兩組云滴初始數(shù)濃度對雷電產(chǎn)生影響的敏感性試驗(yàn),得到如下主要結(jié)論:

1)對比雷達(dá)反射率模擬結(jié)果與實(shí)際雷達(dá)回波可知,模擬的云頂高度、云形分布、最大雷達(dá)回波及其高度與實(shí)況較為一致。雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí),云的高層主要由冰晶、雪晶和聚合物組成,構(gòu)成了高層的電荷載體,中層主要是由霰粒子構(gòu)成,構(gòu)成中層的電荷載體,下層主要是由雹粒子、雨滴和云滴構(gòu)成。

圖10　云滴初始數(shù)濃度分別為50 cm-3(a)、500 cm-3(b)、1 000 cm-3(c)和2 000 cm-3(d)時(shí)模式積分35 min時(shí)水成物的質(zhì)量混合比(單位:g/kg)Fig.10　Mixing ratio(units:g/kg) of hydrometeor at model integral 35 min when the initial number concentration of cloud droplets is (a)50 cm-3,(b)500 cm-3,(c)1 000 cm-3,and (d)2 000 cm-3,respectively

2)對比Takahashi起電參數(shù)化方案和Saunders起電參數(shù)化方案的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在模式積分35 min雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí),電荷結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)正偶極性分布且為同一電荷密度量級,此時(shí)兩方案表現(xiàn)出較好的一致性。在模式積分23 min雷暴云發(fā)展初期時(shí),兩種起電參數(shù)化方案下電荷結(jié)構(gòu)不同,在Saunders方案下為正偶極分布,在Takahashi方案下呈反偶極性分布。環(huán)境溫度和云中液態(tài)水含量影響雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的分布特征,并且兩種起電參數(shù)化方案分別建立在不同的試驗(yàn)條件下,對起電區(qū)域的劃分有明顯差異,不同區(qū)域帶電情況的計(jì)算方法也不同,使得電荷結(jié)構(gòu)的模擬出現(xiàn)差異。其次,在Saunders參數(shù)化方案下液態(tài)水含量轉(zhuǎn)換成了有效液態(tài)水含量,在一定程度上影響電荷結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。當(dāng)雷暴云發(fā)展到成熟階段時(shí),在其下層均出現(xiàn)了一小部分正電荷,可認(rèn)為是下沉氣流將上部主正電荷區(qū)的部分正電荷挾帶至雷暴云的下層。雷暴云電荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同地區(qū)、不同季節(jié)的雷暴分布也有所不同,具有地域和氣候特征,例如我國南方多觀測到正偶極性結(jié)構(gòu),北方多觀測到三極性電荷結(jié)構(gòu)(張其林等,2010)。李萬莉等(2012)用該模式模擬北京的一次雷暴過程時(shí)發(fā)現(xiàn),在兩種參數(shù)化方案下雷暴云電荷結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出三極性的分布。而本文用RAMSv4.3模式模擬重慶的一次雷暴過程時(shí)發(fā)現(xiàn),在這兩種參數(shù)化方案下雷暴云電荷結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出偶極性的分布。

3)通過增加云滴初始數(shù)濃度,分析了兩種參數(shù)化方案下雷暴云電荷結(jié)構(gòu)、水成物粒子的變化情況。隨著增加云滴初始數(shù)濃度增加,兩種方案下雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生極性轉(zhuǎn)變,但電荷量出現(xiàn)了顯著變化,先增加再變化緩慢,隨后減小。在Saunders參數(shù)化方案下,當(dāng)達(dá)到嚴(yán)重污染背景時(shí),雷暴云中電荷量減小。而對于水成物粒子,當(dāng)云滴初始數(shù)濃度大于2 000 cm-3時(shí),霰粒子質(zhì)量濃度也減小,說明霰在冰相粒子碰撞發(fā)生電荷分離的過程中起著重要作用。Mansell and Ziegler(2013)在改變次生冰晶過程的相關(guān)參數(shù)指出,在CCN數(shù)濃度大于2 000 cm-3時(shí),閃電減少。本試驗(yàn)在Saunders起電參數(shù)化方案下也得到了相似的變化,但引起變化的原因不同。起電參數(shù)化方案能夠?qū)е履M結(jié)果不同,冰相過程的參數(shù)化方案也能夠?qū)е履M結(jié)果的顯著不同,冰相物質(zhì)直接影響了電荷的分離,因此微物理過程顯得尤為重要。除此之外,雷暴云還受到環(huán)境參量、輻射過程以及大尺度背景場等方面的影響。因此,本文的模擬結(jié)果還需要結(jié)合微物理參數(shù)化方案的改變、冰相過程中參數(shù)的設(shè)置、更多的起電機(jī)制、輻射參數(shù)化方案等以及結(jié)合更多的觀測資料對模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證,并改進(jìn)模式的模擬性能。

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

Chongqing and its response to changes in

initial number concentration of cloud droplets

WANG Ya1,YIN Yan1,XIAO Hui1,ZHAO Peng-guo1,WU Jian-cheng2,WU Yi-xiao1

(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Zhangzhou Meteorological Bureau,Zhangzhou 363000,China)

Abstract:In this paper,RAMS(Regional Atmospheric Modeling System) model,coupled with two non-inductive charging parameterization schemes(Saunders and Takahashi schemes),is adopted to stimulate a thunderstorm occurred in Chongqing.A comparative analysis of two schemes is presented on the distribution of hydrometeor particles,the charge density and the distribution of charge structure in the thunderstorm when the charges start to separate and the thunderstorm reaches its maturity.Simulation results show that a dipole characteristic is presented from electrifying to discharging in the charge structure with Saunders scheme,while the characteristic in the charge structure switches from inverse dipole to positive dipole with Takahashi scheme.To study the impact of CCN(cloud condensation nuclei) on the thunderstorm,two sets of sensitivity tests have been carried out.As the initial number concentration of cloud droplets increase,no polarity conversion occurs in the charge structure,however,in the thunderstorm,the charge amount increases and the distribution area of charge expands,which is conductive to the occurrence of lightning.With Saunders scheme,the amount of charge decreases when the initial number concentration of cloud droplets is over 2 000 cm-3.Through analysis of the microphysical field and microphysical process,it is found that the mass mixing ratio of ice-phase particles increases as the initial number concentration of cloud droplets increases,while the mass mixing ratio of graupel particles decreases when the initial number concentration of cloud droplets is over 2 000 cm-3,with Saunders scheme.This verifies the impact of CCN variation on the microphysical process,thus further on the distribution of charge in the thuderstorm and the occurrence of lightning,especially the impact of variation of ice-phase materials on the electrification process of thuderstorm.

Key words:RAMS model;non-inductive charging parameterization scheme;charge structure;initial number concentration of cloud droplets

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131226001

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)04-0433-15P427.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：銀燕,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樵平邓锢砼c大氣氣溶膠,yinyan@nuist.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB441403);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

收稿日期：2013-12-26;改回日期:2014-03-13