氣溶膠濃度對(duì)雷暴云放電特征對(duì)比

歐珠措姆 索郎多吉 洛松卓瑪

摘 要：本文的研究開展在已有的三維雷暴云起電放電模式中加入了一種典型的氣溶膠活化參數(shù)化方案為基礎(chǔ)，大量開展敏感性模擬實(shí)驗(yàn)并選取合適的觀測個(gè)例。探討不同的氣溶膠濃度對(duì)雷暴云中閃電頻次以及放電行為等影響。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示;隨著氣溶膠濃度的增大，雷暴云中的閃電頻次也明顯增加，其中隨著氣溶膠濃度的增大有利于正地閃發(fā)生。此外還發(fā)現(xiàn)雷暴云的中部與底部閃電發(fā)生的次數(shù)更為頻繁。

關(guān)鍵詞：氣溶膠濃度;閃電頻次

一、方法

1.模式簡介

本文采用的模式是譚涌波（2006）利用三維雷暴云起放電數(shù)值模式探討氣溶膠影響雷暴云電過程的內(nèi)在物理機(jī)制。該模式建立在已有的中國氣象科學(xué)研究院的一個(gè)積云數(shù)值模式的框架上。第一次實(shí)現(xiàn)了500 m的三維雷暴云起電放電的數(shù)值模擬研究。此模式中假設(shè)大氣為無粘性而可以壓縮的流體，地轉(zhuǎn)偏向力可以忽略的基礎(chǔ)上利用非靜力平衡條件，模式的計(jì)算領(lǐng)域?yàn)?6 km×76 km ×20 km，從而可以詳細(xì)的表達(dá)出云微物理過程。本文主要通過已有的三維雷暴云起電放電模式中建立一套與氣溶膠有關(guān)的雷暴云起電放電模型為基礎(chǔ)，以氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)作為背景場并結(jié)合相應(yīng)的大氣層結(jié)探空曲線的雷暴個(gè)例進(jìn)行大量的敏感性模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同的氣溶膠濃度對(duì)雷暴云起過程的變化，探討氣溶膠濃度對(duì)雷暴云中的閃電頻次、云地閃比例以及正負(fù)地閃比例之間存在的關(guān)系，放電行為等影響，并給出合理的解釋。

2.試驗(yàn)個(gè)例及初始擾動(dòng)條件

本文結(jié)合一次個(gè)例，0°C層位于685hPa左右，地面溫度大概在21°C左右，露點(diǎn)溫度在14 °C左右。低層中大氣相對(duì)濕度為40%～75%，比較弱的熱力不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)在400hPa～600hPa之間的層結(jié)里。此個(gè)例已經(jīng)分別被周志敏等（2009）建立云物理耦合分檔電過程的冰粒子分檔模式分析云中的電荷空間結(jié)構(gòu)以及譚涌波（2006）在一個(gè)對(duì)流云模式的基礎(chǔ)上，加入起電放電參數(shù)化方案，建立一套較為完善的雷暴云模式中用來模擬雷暴云微物理發(fā)展與電過程的演變，所以此該探空曲線很適合用在模擬一次雷暴過程中。初始時(shí)間設(shè)置成水平半徑為 4 km，垂直半徑為1 km的濕熱泡擾動(dòng)，中心在模擬區(qū)域的中心。高度在1 km的格點(diǎn)上，擾動(dòng)區(qū)域的厚度為4km，長和寬都為20km，溫度擾動(dòng)和濕度擾動(dòng)分別取2.5 K和80%，從中心向外以余弦函數(shù)遞減。模式的計(jì)算域?yàn)?6 km×76 km ×20 km，模擬時(shí)間為90 min，時(shí)間步長4 s。

二、分析

1.溶膠濃度對(duì)雷暴云放電特征對(duì)比

氣溶膠濃度對(duì)起電過程有重大的作用，另外氣溶膠濃度對(duì)放電過程會(huì)不會(huì)有影響。近幾年來大量的研究表明了氣溶膠濃度不僅對(duì)起電過程有影響，而且放電過程也有著顯著的影響。而發(fā)生閃電放電現(xiàn)象的條件必須滿足，在雷暴云中局部電場的值必須大于400kv/m時(shí)才能發(fā)生閃電，由此得出雷暴云是雷電最重要的產(chǎn)生源。雷暴云中首次閃電過程基本為云閃，地閃發(fā)生的時(shí)間基本上晚于云閃。而且地閃的閃電頻次小于云閃的頻次。閃電過程對(duì)雷暴云內(nèi)形成復(fù)雜的電荷結(jié)構(gòu)有一定的作用。從而確定雷暴云中電荷分布與閃電通道結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系，本文主要通過不同的氣溶膠濃度對(duì)閃電先導(dǎo)分布特征進(jìn)行分析。

（1）閃電初始觸發(fā)點(diǎn)。大部分閃電初始觸發(fā)點(diǎn)高度大概在8km左右，最低在6km左右。當(dāng)初始觸發(fā)高度為6km以下時(shí)，雷暴云中只有5次閃電發(fā)生;最低觸發(fā)點(diǎn)在1.5km，大部分閃電高度在7km左右觸發(fā)，當(dāng)初始觸發(fā)高度為6km以下時(shí)，雷暴云中有248次閃電頻次;最低觸發(fā)點(diǎn)在1.5 km，大多數(shù)閃電在7km高度處觸發(fā)，當(dāng)初始觸發(fā)高度為 6km以下時(shí)， 雷暴云中包含300多次閃電次數(shù)。從中可以確定隨著氣溶膠濃度的增加閃電頻次也明顯增加，主要在雷暴云的底部與中部。

（2）正負(fù)先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)。氣溶膠濃度為100cm-3時(shí)，最多的正先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)發(fā)生在3km左右，在3km以下的閃電頻次總共發(fā)生的次數(shù)有121次，而且高度為3km以上的正先導(dǎo)傳播次數(shù)由高度的遞增而減小，正先導(dǎo)主要分布在高度為7.5km以下;氣溶膠濃度為500 cm-3時(shí)，在高度為3km處正先導(dǎo)步數(shù)達(dá)到最大值，并且高度為3.5km以上的閃電次數(shù)由高度的遞增而減小，在3.5km以下閃電頻次總共有154 次，正先導(dǎo)主要分布在高度為6km以下;濃度為1000cm-3的氣溶膠，同樣的結(jié)果，正先導(dǎo)主要分布在高度為6.5km以下，高度為3.5km時(shí)正先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)最多，之后隨著高度的增加而閃電次數(shù)減小，高度為3.5km以下發(fā)生的閃電頻次總共有251次。因此說明了隨著氣溶膠濃度的增大，雷暴云中的正先導(dǎo)在高度為較低的區(qū)域有利于閃電發(fā)展。是因?yàn)榍懊嫣接戇^在感應(yīng)起電機(jī)制的作用下，小云滴與霰粒子之間發(fā)生碰撞后轉(zhuǎn)移電荷，對(duì)雷暴云中部以負(fù)電荷為主的電荷堆集以及底部為次正電荷為主的電荷堆集具有積極的作用。因此隨著雷暴云中部負(fù)電荷為主的電荷堆集越強(qiáng)也就正先導(dǎo)越容易傳播，尤其是濃度越大高度越低的區(qū)域傳播更為頻繁。

圖1的g、h和i分別表示氣溶膠濃度為100cm-3、500cm-3和1000cm-3下的負(fù)先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)。圖1g看出負(fù)先導(dǎo)主要在2km到18.5km內(nèi)，而且高度在9km左右時(shí)達(dá)到最大值。圖1h內(nèi)很明顯的看出負(fù)先導(dǎo)主要分布在1km到14km內(nèi)，當(dāng)高度為8km時(shí)達(dá)到最大值，圖1i可以看出負(fù)先導(dǎo)主要分布在1km至10km內(nèi)，高度為7km處達(dá)到最大值。總體來說，負(fù)先導(dǎo)區(qū)域在非感應(yīng)起電機(jī)制的作用下冰晶獲得正電菏形成雷暴云中以正電菏為主電荷堆集，有利于負(fù)先導(dǎo)在內(nèi)部發(fā)展。此外，與正先導(dǎo)同樣的結(jié)論，氣溶膠濃度越大雷暴云中部以及底部的電荷量越大閃電發(fā)生的頻次越明顯。

圖1 ?正負(fù)先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)隨高度的變化而變化

2.氣溶膠濃度對(duì)雷暴云中閃電頻次的影響

（1）氣溶膠濃度對(duì)云閃頻次的影響。在積雨云中兩個(gè)帶異號(hào)的電荷之間長距離的強(qiáng)放電過程稱為閃電。通常閃電大致可以分為云內(nèi)閃電、云空閃電、云際閃電和云地閃電。其中云地閃電簡稱為地閃，地閃是指發(fā)生在云體與地面之間的放電現(xiàn)象，地閃一般可以分為正地閃和負(fù)地閃。其中正地閃是指向地面運(yùn)送正電菏的對(duì)地面放電過程，而負(fù)地閃是指向地面運(yùn)送負(fù)電荷的地閃。此外，所有沒有到達(dá)地面的閃電統(tǒng)稱為云閃。云閃占全部閃電數(shù)的三分之二以上。

當(dāng)雷暴云中發(fā)生閃電時(shí)云閃頻次占主導(dǎo)地位，云閃占總閃的96.29%，地閃占總閃的頻次的3.71%。同時(shí)也證明了云閃占全部閃電數(shù)的三分之二以上的說法。也說明了我這次的模擬實(shí)驗(yàn)是合理的。

（2） 不同的氣溶膠濃度對(duì)閃電頻次的影響。氣溶膠濃度為100cm-3在雷暴云中閃電發(fā)生的次數(shù)占總閃的21.45%;氣溶膠濃度500cm-3時(shí)，閃電發(fā)生的次數(shù)占總閃電次數(shù)的33.05%;當(dāng)氣溶膠濃度為1000 cm-3時(shí)，在雷暴云里發(fā)生閃電次數(shù)占總閃電次數(shù)的45.5%。由此得出在雷暴云中隨著氣溶膠濃度的增加，不同濃度下發(fā)生的閃電次數(shù)占總閃電次數(shù)的比例也在增加。

隨著濃度的增加云閃頻次高于地閃頻次。并且隨著濃度的增加閃電總頻次也在增加。氣溶膠濃度為100cm-3至500cm-3之間閃電的次數(shù)整體已上升的趨勢(shì)，并且上升趨勢(shì)較快。此外，云閃高于負(fù)地閃，負(fù)地閃高于正地閃;當(dāng)濃度為 500cm-3至1000cm-3之間雖然是上升的趨勢(shì)，但是上升趨勢(shì)比較緩慢。重點(diǎn)是濃度為1000cm-3時(shí)，有了極大的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在雷暴云中云閃為最多，但是正地閃高于負(fù)地閃。

總體而言，隨著氣溶膠濃度的增大，不僅增加了閃電頻次，并且促進(jìn)了正地閃的發(fā)生。也證明了氣溶膠含量越高的雷暴云中電荷特征能夠促進(jìn)正地閃的發(fā)生。還有前面探討過在整個(gè)雷暴發(fā)展過程中氣溶膠濃度越大的雷暴云中部與底部閃電發(fā)生的頻率更多，因此雷暴云主正電荷堆下部的電荷容易被閃電先導(dǎo)通道所攜帶的感應(yīng)電荷所中和，更有利于形成主正電荷堆強(qiáng)于其下部負(fù)電荷堆的電荷結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)發(fā)生正地閃。

三、結(jié)語

本文的實(shí)驗(yàn)開展在已有的三維雷暴云起電放電模式中加入一種典型的氣溶膠活化參數(shù)方案為基礎(chǔ)。開展大量的敏感性模擬實(shí)驗(yàn)并選取合適的觀測個(gè)例，對(duì)比分析氣溶膠濃度為100cm-3、500cm-3以及1000cm-3下雷暴云中的放電過程以及閃電的頻次。通過以上對(duì)比分析，本文主要的研究結(jié)果如下：

1.氣溶膠濃度對(duì)雷暴云放電過程也有著顯著的影響，在雷暴云中氣溶膠的濃度越大，閃電初始觸發(fā)點(diǎn)相對(duì)位置較低的區(qū)域閃電發(fā)生更為頻繁。對(duì)于正先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)來分析隨著濃度的增大，正先導(dǎo)發(fā)展的步數(shù)越來越大，并且在雷暴云中高度相對(duì)為比較低的區(qū)域正相先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)增大的更明顯。對(duì)于雷暴云中的負(fù)先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)來說隨著氣溶膠濃度的增大，負(fù)先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)逐漸減少，但在雷暴云的底部隨著氣溶膠濃度的增大，負(fù)先導(dǎo)發(fā)展步數(shù)為增大的趨勢(shì)。

2.通過氣溶膠濃度的變化，我們探討了在雷暴云中云閃與地閃發(fā)生的頻次。我們發(fā)現(xiàn)雷暴云中發(fā)生閃電時(shí)云閃占主導(dǎo)地位，并且隨著氣溶膠濃度的增加云閃也隨之增加。地閃也隨著濃度而增大，其中氣溶膠濃度越大正地閃發(fā)生的越明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]師正，譚涌波，唐慧強(qiáng)，等. 氣溶膠對(duì)雷暴云起電以及閃電發(fā)生率影響的數(shù)值模擬[J]. 大氣科學(xué)， 2015，39（5）：941-952.

[2]譚涌波，陶善昌，祝寶友，等.云閃放電對(duì)云內(nèi)電荷和電位分布影響的數(shù)值模擬[J].地球物理學(xué)報(bào)， 2007，50（4）：1053-1065.

作者簡介：歐珠措姆（1992-11-15）女，藏族，西藏林芝市工布江達(dá)縣人，本科，助理工程師，從事氣象綜合服務(wù)工作。