大气冰核影响雷暴云电过程的研究

In recent years, a host of studies have been proposed to investigate the influence of ice nuclei on clouds. The physical property of ice crystals in cloud can be altered by the ice nuclei, and thus the ice nuclei have a great effect on the dynamic and microphysics in thunderclouds, in which the electrification and lightning discharges can be produced. However, few studies have been conducted to investigate the relationship between ice nuclei and electrification and lightning discharges in thunderclouds. Therefore, several kinds of homogeneous freezing and heterogeneous nucleation parameterizations are tested in the cloud model. Thereafter, a verification simulation based on comprehensive lightning observations is conducted. In addition, for the same dynamic evolution, the electrification and lightning discharges combined with different ice nucleation processes are compared. Finally, numerical simulations are performed to investigate the response of charge structure, lightning characteristic to ice nuclei concentration. The interaction between ice nuclei and thunderstorm electrification will be revealed. The study not only can improve our knowledge of the cloud physical mechanism, but also can provide a foundation for lightning warning technology.

近年来，大气冰核逐渐成为学术界关注的热点，其通过改变冰晶粒子物理特性对雷暴云动力和微物理过程产生重要的影响，起、放电过程又是雷暴云的产物之一，而目前关于大气冰核影响雷暴云电荷结构和闪电行为的研究还较为少见。本项目拟在模式中引入几种成熟的冰晶同质核化和异质核化方案并结合国内外已有的雷暴综合试验积累的观测资料进行模式检验。分析不同核化过程引起的起电、电荷结构及放电频次差异及其原因。通过敏感性试验，研究大气冰核浓度与雷暴电荷结构、云闪频次、云地闪比例以及正负地闪比例之间存在的关系，并给出合理性评估。本研究不仅可以提升我们对雷暴电过程的科学认知，也可为雷电预警技术的发展提供理论基础。

近年来，大气冰核逐渐成为学术界关注的热点，其通过改变冰晶粒子物理特性对雷暴云动力和微物理过程产生重要的影响，起、放电过程又是雷暴云的产物之一，而目前关于大气冰核影响雷暴云电过程的研究还较为少见。本研究发现∶1）在低温区冰核浓度高的谱环境个例中，雷暴云中的非感应起电率和感应起电率高，导致起电量增加。高温区冰核多的谱环境，大量冰晶和霰获得正电荷形成次正电荷区，电荷结构呈现三极性。高温区冰核少的谱环境，参与起电的水成物粒子少，容易形成偶极性电荷结构。2）同质核化过程是云顶附近较小冰晶的主要贡献者，表现为相对较高的冰晶数浓度。大量生成的小冰晶增强了非感应起电过程，形成了较为稳定的主正电荷区与主负电荷区，在发展的初始阶段就呈现出三极性电荷结构。通过异质核化形成的少量大尺度冰晶粒子，增强了淞附过程，在-15°C左右高度层具有更强的非感应起电率。当同质核化与异质核化过程共同作用时，电荷结构由正常三极性演化为主正电荷区电荷量更强的反偶极性。3）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级性。在雷暴云消散阶段电荷结构呈现偶极性，并随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。4）不同异质核化方案下的空间雷暴云电荷结构均由较为复杂的多极性发展为偶极性。浸润核化过程导致主正电荷区的抬升显著，而接触核化形成的冰晶高度低，而沉积过程产生的冰晶分布相对高，均直接导致了次正电荷区更快的消散。5）在气溶胶含量低的环境下，气溶胶光学厚度与闪电密度呈明显正相关，而当气溶胶含量相对高时，闪电密度与气溶胶光学厚度无相关性。在大部分效对流位能和地面相对湿度的范围内，地闪密度在高气溶胶浓度的条件下更大，而正地闪占总闪的比例反而更低，同时地闪密度对有效对流位能的响应在相对较高的气溶胶浓度条件下更显著。研究成果丰富了关于大气气溶胶对雷暴电过程作用的认知。