不同水汽條件下氣溶膠對雷暴云電過程影響的數(shù)值模擬研究*

林曉彤 師 正 譚涌波 李璐瀅 汪海潮

南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京，210044

1 引言

氣溶膠與云、霧和降水的相互耦合作用一直以來是大氣科學領(lǐng)域研究的核心問題，而起、放電過程作為雷暴云動力-微物理過程的產(chǎn)物之一，其與氣溶膠的關(guān)系持續(xù)受到學者們的關(guān)注。目前，中外科學家們（Westcott，1995；Lyons，et al，1998；Murray，et al，2000；Williams，et al，2002；Steiger，et al，2003；Kar，et al，2009；Tan，et al，2016；Shi，et al，2020）通過光、閃電定位、衛(wèi)星遙感等觀測手段，獲得了一大批有關(guān)氣溶膠和閃電活動的觀測事實，而通過對比分析不同情境（海洋與陸地、城市與郊區(qū)、火山噴發(fā)和森林火災前后）的閃電活動特征發(fā)現(xiàn)氣溶膠對閃電活動作用明顯。

由于探測手段的限制，為了全面了解氣溶膠影響雷暴云起、放電過程的物理原因，中外學者已開展相應的模式研究。例如：Mansell 等（2013）基于一個三維云模式進行敏感性試驗，結(jié)果表明氣溶膠濃度（氣溶膠數(shù)濃度，下同）為50—2000 cm-3時，雷暴云電過程隨著氣溶膠濃度升高而增強；大于2000 cm-3時，閃電活動呈現(xiàn)出急劇減弱和增強兩種相反的趨勢，這種差異歸因于采用了不同的冰晶繁生參數(shù)化方案。師正等（2015）利用耦合了氣溶膠模塊的二維雷暴云起、放電模式分析了氣溶膠對雷暴云電過程的作用，發(fā)現(xiàn)電過程隨著氣溶膠濃度升高而增強，但當氣溶膠濃度較高時，云水競爭導致電過程保持穩(wěn)定。此外，鄧美玲等（2017）基于WRF 中尺度模式模擬發(fā)現(xiàn)雷暴起電強度與氣溶膠濃度呈正相關(guān)。但最新的模式研究（劉俊等，2018）表明，氣溶膠濃度與雷暴云起電量為非線性關(guān)系，高氣溶膠濃度會通過抑制霰粒的發(fā)展而導致云中起電量降低。由此可見，有關(guān)氣溶膠與雷暴云電過程相互作用的研究結(jié)果存在一定的差異，這些差異一方面可能是由于模式中采用不同的微物理參數(shù)化方案引起的，另一方面雷暴云電過程與初始氣象環(huán)境特征息息相關(guān)，而不同的水汽條件可能會給模擬結(jié)果帶來極大的不確定性。

氣溶膠可以通過改變雷暴云內(nèi)的液態(tài)水和冰相粒子微物理過程發(fā)展來影響雷暴云的電活動。水汽是形成云的基本物質(zhì)，充足的水汽提供了冰相粒子可持續(xù)生長的必要條件，對雷暴云起電和放電過程產(chǎn)生顯著的影響（Shi，et al，2018）。目前已有相關(guān)研究揭示了水汽條件在氣溶膠影響云降水過程中發(fā)揮的作用。例如：Fan 等（2006）認為在相對較干的環(huán)境下，氣溶膠對云內(nèi)微物理過程和降水的作用可忽略不計；而在相對濕潤的環(huán)境下，氣溶膠對降水過程影響較為明顯。Carrió等（2014）發(fā)現(xiàn)低層水汽含量較低時，冰相降水質(zhì)量隨氣溶膠濃度的升高而減小；隨著低層水汽含量的升高，冰相降水質(zhì)量隨氣溶膠濃度的升高單調(diào)遞增?？梢娝谠坪蜌馊苣z相互作用過程中扮演著重要角色。現(xiàn)今的大部分研究要么針對氣溶膠濃度對云動力、微物理及電過程的影響而不考慮水汽含量的影響（Mansell，et al，2013；師正等，2015；鄧美玲等，2017；劉俊等，2018）；要么只分析水汽含量對閃電活動的作用未考慮氣溶膠因素（Williams，et al，2004；Shi，et al，2018；李春筍等，2019），兩因素都考慮的模式研究工作少見報道。目前僅有趙鵬國（2015）基于WRF 模式揭示了不同濕度條件下氣溶膠對雷暴云電活動的影響，研究發(fā)現(xiàn)這種影響對水汽含量具有強依賴性。為了全面了解水汽在氣溶膠影響雷暴云電過程中的作用，有必要開展相應的模式研究。

鑒于此，文中在已有的二維雷暴云起、放電模式基礎(chǔ)上，通過分別設(shè)置不同水汽含量（較高、正常、較低）作為背景，再改變氣溶膠濃度進行敏感性試驗，進而分析不同水汽條件下氣溶膠濃度對雷暴云動力、微物理及起電過程的影響，并就氣溶膠濃度與雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的關(guān)系給出微物理解釋。

2 模式簡介

采用二維高分辨率雷暴云起、放電模式（譚涌波，2006），該模式中的非靜力積云模型來源于中國氣象科學研究院（胡志晉等，1987）。模式的計算域為76 km×20 km，云模式框架分辨率為250 m×250 m，放電過程在高分辨率12.5 m 背景下計算完成。水成物粒子分為云滴、雨、冰晶、霰粒和冰雹5 種。微物理轉(zhuǎn)換過程包括5 種粒子的蒸發(fā)、碰并、凝結(jié)凝華、自動轉(zhuǎn)化、融化凍結(jié)以及核化繁生等。在該模式基礎(chǔ)上劉俊等（2018）進行了冰晶核化方案的更新改進，進一步提高了模式的模擬能力。

模式主要考慮2 種起電機制：（1）霰（雹）和云滴碰撞分離時產(chǎn)生的感應起電；（2）霰（雹）與冰晶（雪晶）碰撞回彈產(chǎn)生的非感應起電。

感應起電采用Ziegler 等（1991）的參數(shù)化方案

非感應參數(shù)化方案基于Gardiner-Pereyra 方案

為了限制云中電荷過量增長，模式考慮了閃電放電過程，放電參數(shù)化方案基于譚涌波（2006）和Tan 等（2014）的二維隨機高分辨率放電模型。

2.1 氣溶膠的初始場和活化方案

考慮到布朗運動和重力沉降作用的影響，氣溶膠濃度隨高度的升高呈指數(shù)關(guān)系遞減（Yin，et al，2000）。定義為

式中，Na(z)為不同高度層的氣溶膠濃度，N0為地面處氣溶膠濃度即初始濃度，Z 為高度，Zs為氣溶膠標高（氣溶膠濃度隨高度分布保持不變時氣溶膠層的等效厚度），取固定值2 km（Yin，et al，2000）。在初始化時，文中假設(shè)每個高度層的氣溶膠濃度是均勻的，初始氣溶膠濃度即為整層氣溶膠濃度。

模式中耦合了一種經(jīng)典的氣溶膠活化方案

式中，NCCN為活化的云凝結(jié)核數(shù)濃度，C0為氣溶膠的初始濃度（Li，et al，2008），S 為云中的水汽過飽和度，k 取0.7（Wang，2005），其值與氣溶膠的物理性質(zhì)及化學成分有關(guān)?？梢?，氣溶膠活化成多少數(shù)目的云滴與氣溶膠初始濃度和云內(nèi)的水汽過飽和度均有關(guān)。同時參照譚涌波等（2017）給出的診斷過程來判斷是否有新的云滴產(chǎn)生。

式中，NC為云滴活化率，為新時間步長算出的可活化云滴數(shù)濃度，為前一時間步長的云滴數(shù)濃度，Δt為時間步長。如果則有新的云滴生成。

2.2 試驗個例及初始擾動條件

圖1 為雷暴天氣探空廓線個例（Studies of Electrical Evolution in Thunderstorms，SEET）環(huán)境的溫、濕度層結(jié)和風垂直廓線，0℃層位于550 hPa左右，地面溫度為20℃左右。初始時間設(shè)置的濕熱泡擾動大小為：水平半徑5 km，垂直半徑1 km，中心所在的格點位于該模式區(qū)域中的左側(cè)，高度為1 km，中心取70%相對濕度擾動，中心最高擾動溫度取4 K，以余弦函數(shù)向外依次減小。文中將每層大氣的相對濕度都乘以相應的系數(shù)（0.8（S1）、1.0（S2）、1.2（S3））來表征不同濕度環(huán)境模擬個例。在每種濕度環(huán)境基礎(chǔ)上，再通過改變式（3）中的氣溶膠初始濃度（N0）進行模擬試驗，N0分別為100、500、1000、3000 cm-3。時間步長為2 s，模擬時間為80 min。

圖1 雷暴天氣探空廓線個例的（a）環(huán)境溫、濕度層結(jié)（黑色實線為環(huán)境溫度、虛線為露點溫度（黃色：S1，藍色：S2，紅色：S3））和（b）風垂直廓線（黑色實線為水平風、黑色虛線為垂直風）Fig.1 Environmental temperature and humidity stratification（a，the black solid line represents the environmental temperature，thee dashed line represents the dew point（yellow：S1，blue：S2，red：S3））and vertical wind profile（b，the black solid line represents horizontal wind，the dashed line represents vertical wind profile）

3 模式結(jié)果與分析

3.1 雷暴云動力和微物理特征對比

動力因素影響雷暴云內(nèi)水成物粒子的垂直分布及其演變特征。雷暴云的發(fā)展與上升氣流和下沉氣流息息相關(guān)，上升氣流和下沉氣流不僅可以影響云的生長周期，還可以改變云內(nèi)粒子的微物理過程。圖2 給出了3 種水汽含量和4 種氣溶膠濃度情況下雷暴云內(nèi)的最大上升氣流和下沉氣流速度隨時間的變化。12 種個例中，最大上升氣流和下沉氣流速度的時間演變大致相似，均經(jīng)歷了從快速增大到緩慢減小的過程。當水汽含量升高時，最大上升氣流的發(fā)展速度變快，出現(xiàn)峰值的時間提前，極值變大。這是由于上升氣流將更多的水汽帶到了過冷區(qū)，有利于各相態(tài)粒子生長從而釋放大量潛熱，大氣被加熱，對上升氣流有正反饋作用。上升氣流速度增大，能夠更快地將水汽向上帶動，從而進一步促進水成物粒子的生成過程。類似地，在較高水汽條件下，由于更大的水成物粒子的質(zhì)量負載會降低浮力，下沉氣流速度隨著水汽含量的升高而增大。值得說明的是，在S3 中氣溶膠濃度為500 cm-3時上升氣流和下沉氣流速度的峰值最大，這可能是由于在更高的氣溶膠濃度（1000 cm-3）情況下冰相粒子的出現(xiàn)時間變得更早，數(shù)量更多，尺度更大，使得最大上升氣流受到抑制。在S2 的雷暴消散階段（45 min 之后），最大上升氣流速度在氣溶膠濃度為500 cm-3時達到最大，之后隨著氣溶膠濃度升高而逐漸減小，當水汽含量繼續(xù)增多（S3）時，上升氣流速度的峰值隨著氣溶膠濃度升高而增大，3000 cm-3時達到最大，同時出現(xiàn)了較多的小峰值，有些時刻最大上升氣流速度甚至超過10 m/s，這可能是由于充足的水汽和氣溶膠濃度有利于維持長時間的粒子間相互作用。

圖2 最大上升氣流（正值）和下沉氣流（負值）速度隨時間的變化（a.S1，b.S2，c.S3）Fig.2 Temporal evolutions of maximum updraft（positive value）and downdraft（negative value）velocities（a.S1，b.S2，c.S3）

圖3 為不同水汽條件下氣溶膠濃度分別為100、500、1000、3000 cm-3時雷暴云中云滴的最大數(shù)濃度和最大混合比隨高度的變化。在3 種水汽條件下，隨著氣溶膠濃度的升高，云滴混合比和數(shù)濃度及其垂直分布均有所升高。在較低的水汽條件下，雖然有大量的云凝結(jié)核，但沒有足夠的水汽使其活化形成云滴。隨著水汽增多，云滴的數(shù)濃度和混合比的增幅均隨著氣溶膠濃度升高明顯增大，氣溶膠濃度為3000 cm-3時，云滴在高度較低的位置大量生成。除此之外，云滴垂直分布的范圍增大。值得注意的是，隨著水汽含量的升高，云滴混合比的增幅遠小于數(shù)濃度的增幅，但是在具有較高水汽含量（S3）情況下，二者的差距減小。這驗證了之前研究（Yin，et al，2000；Mansell，et al，2013；鄧美玲等，2017；譚涌波等，2017）的一些猜測：更多的氣溶膠活化生成云滴并爭食水汽，凝結(jié)增長過程受到抑制，產(chǎn)生大量小尺度云滴。

圖3 三種方案（a、d.S1，b、e.S2，c、f.S3）云滴的最大數(shù)濃度（a—c，單位：108 kg-1）和最大混合比（d—f，單位：g/kg）的垂直剖面Fig.3 Vertical profiles of maximum number concentration（a—c，unit：108 kg-1）and maximum mixing ratio（d—f，unit：g/kg）of cloud droplets for the three cases（a，d.S1；b，e.S2；c，f.S3）

圖4 為不同水汽條件下氣溶膠濃度分別為100、500、1000、3000 cm-3時雷暴云中雨滴的最大數(shù)濃度和最大混合比隨高度的變化。從中可以看出，在3 種水汽條件下，雨滴含量都是隨著氣溶膠濃度的升高而降低，這主要是由于隨著氣溶膠濃度的升高，云滴尺度變小，云滴譜變窄，使得云滴碰撞效率變低，更難轉(zhuǎn)化為雨滴。許多研究（Yin，et al，2000；Lynn，et al，2007）表明，氣溶膠濃度的升高會抑制暖云降水。在水汽條件較差的情況下（圖4a 和d），由于水汽含量有限，隨著氣溶膠濃度升高，雨滴含量變化相對較小，在氣溶膠濃度達到1000 cm-3時大幅度降低，繼續(xù)升高氣溶膠濃度，雨滴含量進一步降低，但在底層影響不顯著。過高濃度（3000 cm-3）的氣溶膠粒子會抑制暖云降水過程，而其他氣溶膠含量中雨滴的數(shù)濃度和混合比均隨水汽含量升高而明顯升高，垂直分布范圍也有所擴大。相對于低水汽含量，較高水汽含量下，氣溶膠濃度對雨滴數(shù)濃度的作用更為顯著，這與Fan 等（2006）和趙鵬國（2015）的相關(guān)研究結(jié)論一致，在相對較干的環(huán)境下，氣溶膠濃度對微物理過程和降水的影響幾乎可忽略不計，而在相對較濕潤的環(huán)境下，氣溶膠濃度對降水的影響較為明顯。

圖4 三種方案（a、d.S1，b、e.S2，c、f.S3）雨滴的最大數(shù)濃度（a—c，單位：104 kg-1）和最大混合比（d—f，單位：g/kg）的垂直剖面Fig.4 Vertical profiles of maximum number concentration（a—c，unit：104 kg-1）and maximum mixing ratio（d—f，unit：g/kg）of raindrops for the three cases（a，d.S1；b，e.S2；c，f.S3）

圖5 為不同水汽條件下氣溶膠濃度分別為100、500、1000、3000 cm-3時雷暴云中冰晶的最大數(shù)濃度和最大混合比隨高度的變化。從中可以看出，在3 種水汽條件下，氣溶膠濃度低于3000 cm-3時，改變氣溶膠濃度，冰晶數(shù)濃度的變化并不明顯，但當氣溶膠濃度升到3000 cm-3時，冰晶的數(shù)濃度明顯升高，這可能是由于氣溶膠濃度升高后，導致大量的小云滴未能轉(zhuǎn)化成為雨滴，隨上升氣流到達凍結(jié)高度以上形成了更多的冰相粒子，這也與許多已有的研 究（Andreae，et al，2004；Khain，et al，2005；Koren，et al，2005；Wang，2005；Lin，et al，2006；Van Den Heever，et al，2006）結(jié)論一致。隨著水汽含量的升高，不同氣溶膠濃度條件下的冰晶數(shù)濃度和混合比均有所升高。水汽含量越高，冰晶數(shù)濃度和混合比的增幅越大。對比來看，在較高水汽條件下的冰晶混合比增幅明顯高于較低水汽條件下的增幅。這可能是因為在較低水汽條件下，雖然有足夠多的氣溶膠粒子，但沒有足夠的水汽使其活化成云滴輸送到凍結(jié)層以上參與凍結(jié)過程；而當水汽含量充足時，氣溶膠濃度升高會產(chǎn)生更多云滴粒子，隨著上升氣流進入對流云冰相區(qū)域凍結(jié)產(chǎn)生更多冰晶（Khain，2009）。較高的氣溶膠濃度（3000 cm-3）下冰晶數(shù)濃度的增長速度大于其混合比的增長速度，因此形成了大量的小尺度冰晶，而水汽含量的增加促進了這一過程的發(fā)展，如圖5a 和c 所示，S1 的冰晶數(shù)濃度峰值為4.24×108kg-1，S3 則達到了17.7×108kg-1，而冰晶混合比的峰值增幅僅為2.84 g/kg。

圖5 三種方案（a、d.S1，b、e.S2，c、f.S3）冰晶的最大數(shù)濃度（a—c，單位：108 kg-1）和最大混合比（d—f，單位：g/kg）的垂直剖面Fig.5 Vertical profiles of maximum number concentration（a—c，unit：108 kg-1）and maximum mixing ratio（d—f，unit：g/kg）of ice crystals for the three cases（a，d.S1；b，e.S2；c，f.S3）

Miller 等（2001）和Mansell 等（2013）在相關(guān)研究中指出，霰粒對于雷暴云起電過程非常重要，霰粒微物理特征與雷暴云電活動密切相關(guān)。圖6 為不同水汽條件下氣溶膠濃度分別為100、500、1000、3000 cm-3時雷暴云中霰粒的最大數(shù)濃度和最大混合比隨高度的變化。在較低的水汽條件下，氣溶膠濃度的改變對于霰粒的影響較小。這可能是因為水汽含量有限，且氣溶膠濃度變化較小時，氣溶膠對雨滴和冰晶的影響較小，冰晶碰并雨滴凍結(jié)成霰粒較少；而氣溶膠濃度較高（3000 cm-3）時冰晶數(shù)量雖多，但均為小尺度冰晶，很難轉(zhuǎn)化為霰粒。較低的水汽含量抑制了氣溶膠的影響。隨著水汽含量升高，霰粒開始對氣溶膠濃度的變化有所響應。在S2 時霰粒的數(shù)濃度在氣溶膠濃度為500 cm-3時達到最大，隨后減小，這可能是因為隨著氣溶膠濃度升高，冰晶尺度減小，冰晶-霰粒轉(zhuǎn)化過程減弱，且雨滴含量同樣減少，導致霰粒的生成受到抑制。由于霰粒碰并收集小云滴保持繼續(xù)生長，因此霰?；旌媳鹊南陆党潭炔幻黠@。當水汽含量較高（S3）時，氣溶膠濃度為1000 cm-3時霰粒數(shù)濃度最大（圖6c），這與前面分析的結(jié)果一致，當水汽含量升高時，水汽競爭導致霰粒生成的抑制作用被削弱。但水汽的升高對較高氣溶膠濃度（3000 cm-3）個例的影響并不明顯，這可能是因為在較高水汽條件下，較高的氣溶膠濃度使得冰晶的數(shù)濃度增長遠大于其混合比增長，導致該濃度下的冰晶尺寸較小，不利于霰粒的生成。并且高氣溶膠濃度（3000 cm-3）下霰?；旌媳鹊淖兓煌赟1 和S2，含量沒有繼續(xù)升高，但垂直分布區(qū)域明顯增大，這可能是因為水汽的增加使得更多的小云滴被帶到凍結(jié)層以上轉(zhuǎn)化為冰晶，小云滴含量減少，霰粒難以碰并收集小云滴繼續(xù)長大，因此霰粒的生長受到抑制。

圖6 三種方案（a、d.S1，b、e.S2，c、f.S3）霰粒的最大數(shù)濃度（a—c，單位：105 kg-1）和最大混合比（d—f，單位：g/kg）的垂直剖面Fig.6 Vertical profiles of maximum number concentration（a—c，unit：105 kg-1）and maximum mixing ratio（d—f，unit：g/kg）of graupel for the three cases（a，d.S1；b，e.S2；c，f.S3）

不難發(fā)現(xiàn)，隨著水汽含量的升高，不同氣溶膠濃度下的各水成物粒子的數(shù)濃度和混合比的增幅均逐漸增大?？梢姡瑲馊苣z濃度變化對各水成物粒子的影響受水汽含量影響較大。水汽含量較低時，由于氣溶膠活化成云滴需要爭食水汽，氣溶膠濃度升高后沒有足夠的水汽供其活化成小云滴，小云滴含量較低使得云雨自動轉(zhuǎn)化率降低，雨滴含量難以增長，因此氣溶膠濃度升高對云滴和雨滴影響不大，使得冰相粒子的發(fā)展受到抑制。水汽含量較高時，上升氣流增強，隨著氣溶膠濃度的升高，云滴含量大幅增加，更多的小云滴被帶到凍結(jié)層以上凍結(jié)成冰晶，保障了冰相粒子的生長。因此，水汽含量較高時，各水成物粒子對氣溶膠濃度變化更為敏感，尤其是冰相粒子含量的增長，更有利于起電過程的發(fā)生。

3.2 雷暴云起電特征對比

非感應起電機制是雷暴云起電過程的研究重點，非感應起電轉(zhuǎn)移電荷量的主要過程是冰晶和霰粒（包括軟雹）的相互作用（Mansell，et al，2005；譚涌波等，2006）。在非感應起電過程中，冰晶作為主要的荷電粒子，其數(shù)濃度和粒徑大小均影響著雷暴云起電的強弱。不同的水汽條件會影響到氣溶膠濃度變化對于云內(nèi)各種水成物粒子發(fā)展的作用，使得冰晶的空間分布、數(shù)濃度、混合比等產(chǎn)生差異，從而影響冰相粒子的荷電量和主電荷區(qū)的高度，進而影響雷暴云的起電過程。隨著水汽增多，冰晶和霰粒對氣溶膠濃度的變化更為敏感，尤其是高氣溶膠濃度下的冰晶，其數(shù)濃度和混合比均大幅增大，分布空間也有所擴大，從而碰撞機會增多，使得非感應起電率空間分布范圍和數(shù)值變大。

圖7 和8 分別為不同水汽和氣溶膠濃度條件下冰晶產(chǎn)生的正、負極性最大非感應起電率隨時間的變化趨勢。如圖所示，海拔5—9 km 高度處的正極性非感應電荷率最高，負極性非感應電荷主要分布在3—5 km 高度處。較低的溫度（＜-15℃）下，冰晶帶正電荷，而在溫度較高（＞-15℃）的地區(qū)，冰晶獲得了負電荷（-15℃時冰晶不帶電荷）。在水汽含量較低時，起電過程大概在30 min 開始發(fā)生，較低的水汽含量會抑制霰粒的生成，導致雷暴云的冰相過程較弱，使得雷暴云的非感應起電受到抑制。在水汽含量較高的情況下，起電過程大概在20 min 開始發(fā)生，隨著氣溶膠濃度增大，起電過程將持續(xù)到80 min，這是因為充足的水汽使得冰晶和霰粒對氣溶膠濃度變化的響應更敏感，非感應起電過程更強。因此，隨著水汽含量的升高，電荷密度極值隨氣溶膠濃度變化的增幅有所增大，起電過程的持續(xù)時間更長。另外，由于在氣溶膠濃度較低時水汽的改變對冰晶數(shù)濃度的影響變小，因此主要關(guān)注3000 cm-3濃度情況下的非感應起電情況。S1 和S2 條件下的結(jié)果與Mansell 等（2013）和劉俊等（2018）的研究結(jié)果一致：隨著氣溶膠濃度升高，非感應起電率升高，在1000 cm-3濃度時達最大值，之后降低，但在水汽充足（S3）的條件下這種情況并不存在，因為充足的水汽保證了霰粒和冰晶的增長，隨著氣溶膠濃度升高，其非感應起電率逐漸增大，在3000 cm-3氣溶膠濃度下達最大值。

圖7 不同方案下（a1—a4.S1，b1—b4.S2，c1—c4.S3；下角標數(shù)字1—4 分別代表氣溶膠濃度100、500、1000、3000 cm-3）正極性的最大非感應起電率隨時間變化（黑實線為等溫線，單位：℃）Fig.7 Evolution of positive non-inductive charging rate（black solid lines represent isotherms，unit：℃）（a1—a4.S1，b1—b4.S2，c1—c4.S3；1—4 represent aerosol concentrations of 100，500，1000 and 3000 cm-3）

圖8 同圖7，但為負極性的最大非感應起電率Fig.8 Same as Fig.7 but for evolution of negative non-inductive charging rate

感應起電是在非感應起電過程引起的環(huán)境電場增強的情況下產(chǎn)生的。模式中的起電機制主要考慮的是云滴和霰粒的碰撞。雖然相較于非感應起電率來說，感應起電率的數(shù)值較小（Takahashi，1978；Saunders，et al，1991；Ziegler，et al，1991；Mansell，et al，2013），但仍不能忽視其在雷暴云起電過程中的作用。圖9 和10 為不同水汽條件下改變氣溶膠濃度得到的正、負極性最大感應起電率隨時間的變化趨勢。隨著氣溶膠濃度升高，云滴數(shù)量大幅增加，起電率與氣溶膠濃度存在正相關(guān)。由于較低的水汽抑制了霰粒的產(chǎn)生，因此在水汽含量較低的情況下，其感應起電過程也會受到一定的抑制。隨著水汽含量升高，各氣溶膠濃度下霰粒的數(shù)濃度和混合比增幅逐漸增大，同時充足的水汽緩解了較高氣溶膠濃度下產(chǎn)生大量小尺度云滴的情況。因此，充足的水汽含量使得起電過程的啟動時間均有所提前，感應起電對氣溶膠濃度變化的響應敏感度增大。在較高水汽含量條件下，起電過程發(fā)展得更快、更強，分布區(qū)域和持續(xù)時間均有明顯的增大。水汽含量的升高促進了氣溶膠對雷暴云起電過程的作用。

圖9 同圖7，但為正極性的最大感應起電率Fig.9 Same as Fig.7 but for evolution of positive inductive charging rate

可見，充足的水汽保證了冰相粒子的增長，較高的水汽含量促進了氣溶膠對雷暴云起電過程的作用。S1 和S2 條件下的感應起電率和非感應起電率均先增大，在氣溶膠濃度為1000 cm-3時達到最大，隨后減小。隨著水汽含量的升高（S3），感應起電和非感應起電不再遵循前兩種情況的規(guī)律，呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢，起電率在氣溶膠濃度為3000 cm-3時達到極大值，且電荷密度值的增幅較前兩種情況有所增大。

3.3 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)特征對比

由前面分析可知，水汽含量將影響氣溶膠對雷暴云內(nèi)各水成物粒子的作用，進而影響雷暴云的起電過程，而起電過程將直接影響云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的發(fā)展，電荷結(jié)構(gòu)又將影響雷暴云的放電特征（Mansell et al，2005，2010）。此部分進一步探討不同水汽條件下的氣溶膠濃度在電荷結(jié)構(gòu)中的作用。圖11、12和13 為不同水汽條件下雷暴云發(fā)展不同時期（初期、旺盛期和消散期）的電荷結(jié)構(gòu)剖面。因為雷暴云中存在放電這一不確定因素，所以文中只選取幾個典型的個例進行分析。由于水汽含量不同，雷暴云的起電啟動時間不同，分別取首次放電后的整分鐘作為發(fā)展初期的時刻（29、24、23 min），旺盛期和消散期取相同的時刻分別為40 和60 min。

圖10 同圖7，但為負極性的最大感應起電率Fig.10 Same as Fig.7 but for evolution of negative inductive charging rate

圖11 S1 條件下雷暴云發(fā)展不同時期（下標數(shù)字1—3 分別代表第29、40 和60 min）的電荷結(jié)構(gòu)（a—d 氣溶膠濃度分別為100、500、1000、3000 cm-3，粗黑線代表雷暴云的輪廓）Fig.11 Charge structures at different time of thunderstorm development in S1（a—d represent aerosol concentrations of 100，500，1000，3000 cm-3；1—3 represent 29th，40th，60th min；the thick black line represents the shape of thunderstorm）

電荷結(jié)構(gòu)整體上以三極性為主，其中主正電荷區(qū)主要由冰晶通過非感應起電攜帶正電荷貢獻，主負電荷區(qū)主要由霰粒通過非感應起電攜帶負電荷貢獻，下部的次正電荷區(qū)由霰粒通過感應起電獲得正電荷以及高出反轉(zhuǎn)溫度部分通過非感應起電帶正電貢獻。在較差的水汽條件下（圖11），由于100 cm-3氣溶膠濃度的電荷密度數(shù)值太小，未形成足夠量級的電荷結(jié)構(gòu)（圖11a1），而其他濃度下的電荷結(jié)構(gòu)均由三極性結(jié)構(gòu)開始發(fā)展，一直持續(xù)到旺盛期。到消散期，其底部正電荷區(qū)開始消散，演變成偶極性電荷結(jié)構(gòu)。整體來看，水汽在一定程度上抑制了氣溶膠的作用，使得不同氣溶膠濃度下，雷暴云的電荷密度相差不大且雷暴云規(guī)模較小。同樣，在正常水汽條件下（圖12），不同氣溶膠濃度下雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)均由偶極性始發(fā)，隨著雷暴云發(fā)展到旺盛期，開始形成底部有少量正電荷的三極性電荷結(jié)構(gòu)，并在消散期演變?yōu)榕紭O性電荷結(jié)構(gòu)。電荷密度隨氣溶膠濃度升高而增大，在1000 cm-3時達到最大值，隨后逐漸減小，這與其起電率的變化趨勢一致。不論較低水汽含量還是正常水汽含量，均顯示氣溶膠濃度越高，雷暴云越早由三極性變?yōu)榕紭O性。隨后，主負電荷區(qū)逐漸減小，主正電荷區(qū)變大，最終主正電荷區(qū)大于主負電荷區(qū)。在較高的水汽條件下（圖13），隨著氣溶膠濃度增大，雷暴云迅速發(fā)展，其生長規(guī)模在旺盛期就超過了S1 和S2 條件下消散期的大小，并且電荷結(jié)構(gòu)也變得復雜多樣。這可能是由于在雷暴云內(nèi)產(chǎn)生放電的區(qū)域植入了異極性電荷（譚涌波等，2007；黃麗萍等，2008；郭鳳霞等，2015；于夢穎等，2019；Wang，et al，2019）。除此之外，水汽含量升高后，充足的水汽保證了冰相粒子的增長，且對氣溶膠濃度改變的響應敏感性提高，感應起電率增大，從而地閃次數(shù)增加，使得電荷結(jié)構(gòu)被打亂的頻次更高。在發(fā)展初期，雷暴云在較低的氣溶膠濃度情況下就呈現(xiàn)出了多極性的復雜結(jié)構(gòu)。當雷暴云發(fā)展到旺盛期，隨著氣溶膠濃度增加，電荷結(jié)構(gòu)同樣呈現(xiàn)了復雜、不規(guī)則的多極性結(jié)構(gòu)，且其電荷密度隨著氣溶膠濃度的變化增幅有所增大，并在氣溶膠濃度為3000 cm-3時達到最大，與起電率的變化趨勢一致。在消散階段，不同氣溶膠濃度下的電荷結(jié)構(gòu)同樣呈現(xiàn)出多樣性，不再只是單一的演變?yōu)榕紭O性，甚至在氣溶膠濃度為500 cm-3時，電荷結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反三極性，這可能是因為上升氣流等因素影響了上升氣流區(qū)液態(tài)含水量等微物理條件，從而對粒子碰撞起電有影響，使得霰粒荷正電，冰晶等粒子荷負電（張義軍等，2014）。另外，由于氣溶膠濃度為3000 cm-3時的非感應起電率垂直分布隨著水汽含量增加而逐漸升高，其電荷結(jié)構(gòu)中心高度隨著水汽含量增加也逐漸升高。由此可見水汽含量的增加對氣溶膠濃度變化帶來的影響起到了促進作用，使得雷暴云對于氣溶膠濃度變化的響應敏感性更高，更易發(fā)展為深厚的雷暴云，云內(nèi)對流發(fā)展變得更強。

圖12 同圖11，但為S2（a1—d1 代表第24 min）Fig.12 Same as Fig.11 but for S2（a1—d1 represent 24th min）

圖13 同圖11，但為S3（a1—d1 代表第23 min）Fig.13 Same as Fig.11 but for S3（a1—d1 represent 23th min）

綜上所述，水汽含量較低時，電荷結(jié)構(gòu)由三極性開始發(fā)展，并在消散期演變?yōu)榕紭O性。較低的水汽含量對氣溶膠的影響具有一定的抑制作用，氣溶膠濃度升高需要充足的水汽來活化成小云滴，進而提高冰相粒子的含量，因此較低的水汽含量使得氣溶膠濃度變化對雷暴云的影響不大。水汽含量較高時，電荷結(jié)構(gòu)在旺盛期發(fā)展為多級性，電荷結(jié)構(gòu)更加復雜。較高的水汽含量對氣溶膠的影響具有促進作用，充足的水汽促進了云中動力和微物理過程的進行，有利于起電過程的發(fā)生。因此，氣溶膠濃度變化會使雷暴云發(fā)展的更迅速、更劇烈，云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)因地閃次數(shù)的增加變得復雜多樣沒有規(guī)律。

4 結(jié)論和討論

在已有的二維雷暴云起、放電模式上，結(jié)合一次山地雷暴個例，通過改變相對濕度和氣溶膠初始濃度進行敏感性模擬試驗。重點對比分析了不同水汽條件下氣溶膠濃度變化對雷暴云微物理、起電過程以及電荷結(jié)構(gòu)影響的差異。通過以上研究，得到如下幾個主要結(jié)論：

（1）不同水汽條件下，雷暴云動力過程變化趨勢相似。當水汽含量升高時，不同氣溶膠濃度的最大上升氣流和下沉氣流均明顯增強。氣溶膠濃度變化對雷暴云內(nèi)微物理過程的作用受水汽條件影響較大，隨著水汽含量升高，不同氣溶膠濃度下各水成物粒子的數(shù)濃度和混合比的增幅均逐漸增大。較低水汽含量下，云滴含量隨氣溶膠濃度升高的增幅較小，同時雨滴和冰相粒子的生長對氣溶膠濃度改變的響應相對較弱。較高水汽含量下，提高氣溶膠濃度可以使云內(nèi)生成更多的小云滴，這些小云滴被更強的上升氣流帶到凍結(jié)層以上區(qū)域形成更多的冰相粒子。水汽含量的改變對于較低氣溶膠濃度下的冰晶數(shù)濃度作用不大，但可以大幅度提升冰晶在較高氣溶膠濃度下（3000 cm-3）的數(shù)濃度。

（2）較低的水汽含量抑制了氣溶膠對冰相粒子的作用，雷暴云的起電過程因此受到抑制。在水汽含量較高的條件下，充足的水汽保證了霰粒和冰晶的增長，冰晶和霰粒對氣溶膠濃度變化的響應敏感度增大，非感應起電過程更強，使得電荷密度極值隨氣溶膠濃度變化的增幅增大，起電持續(xù)的時間更長。隨著氣溶膠濃度升高，非感應起電率不再是先增后減而是逐漸增大，3000 cm-3濃度下達到最大。水汽含量較高時，云滴和霰粒的含量均明顯升高，所以感應起電同樣遵循這樣的規(guī)律。因此，水汽含量的升高促進了氣溶膠對雷暴云起電過程的作用。

（3）較低的水汽含量會抑制雷暴云的發(fā)展，雷暴云難以發(fā)展為深厚的系統(tǒng)，使得云內(nèi)冰相過程較弱，氣溶膠濃度對云內(nèi)電過程的影響主要依賴于對冰相粒子的影響，因此較低的水汽含量抑制了氣溶膠對雷暴云電過程及電荷結(jié)構(gòu)的影響。當水汽含量較高時，雷暴云得到迅速發(fā)展，且很快就發(fā)展成為深厚的系統(tǒng)，云內(nèi)起電過程劇烈，電荷結(jié)構(gòu)變得復雜多樣，且電荷密度隨著氣溶膠濃度變化的增幅明顯增大。

在已有的二維雷暴云起、放電模式中加入氣溶膠活化方案，分析了水汽含量在氣溶膠影響雷暴云微物理、起電過程影響以及電荷結(jié)構(gòu)中的作用，未來將基于三維雷暴云起、放電數(shù)值模式研究水汽含量在氣溶膠影響雷暴云放電過程中所扮演的角色。與此同時，目前對于不同地區(qū)的氣溶膠濃度和閃電活動的觀測資料結(jié)果存在一定差異。例如：Thornton 等（2017）利用全球閃電定位系統(tǒng)12 a 的高分辨率全球閃擊數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)閃電活動與氣溶膠濃度呈正相關(guān)；Tan 等（2016）通過對中國南京地區(qū)10 a 的夏季觀測資料分析發(fā)現(xiàn)閃電活動與氣溶膠濃度呈負相關(guān)；Shi 等（2020）通過對中國中東部地區(qū)觀測資料研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度較低時，閃電頻率與氣溶膠濃度呈正相關(guān)，氣溶膠濃度較高時，無明顯的線性關(guān)系。因此采用多種觀測資料分析不同水汽條件下氣溶膠與閃電活動之間的相關(guān)性是未來的研究方向之一。

致 謝：文中所用的積雨云微物理過程由中國氣象科學研究院胡志晉研究員提供。