气溶胶微物理效应和辐射效应对四川盆地雷暴云及雷电活动的影响

The effect of aerosol on severe convection system is one of the key research contents in the aerosol-cloud-precipitation field. Under global climate change, the impacts of aerosol on local thunderstorms have outstanding uncertainty. Sichuan Basin, located in the east of Qinghai-Tibet Plateau, is one of the areas most affected by anthropogenic emission of air pollutants. Due to the special topography and humid meteorological conditions, Sichuan Basin has become an area with high aerosol concentration and frequent thunderstorms. The microphysical and radiation effects of aerosol make a close link between the aerosols and thunderstorm activities. This project will use multi-source observation data included lightning, aerosol and meteorological parameters and utilize correlation analysis and WRF-Chem coupled with charging and discharging processes to study the effects of aerosol on the development and lightning activities over Sichuan Basin. This study will further clarify the correlation between aerosol concentration and lightning activity, analyze the response of microphysical process and thermodynamic structure of thunderstorm to the change of cloud condensation nucleus concentration and expound the mechanism of synergistic influence of aerosol microphysical and radiation effects on thunderstorm development and lightning activity under special topographic and meteorological conditions over Sichuan Basin. It will provide a scientific reference for understanding the influence of air pollutants on local extreme weather events.

气溶胶对强对流系统的影响是当前气溶胶-云-降水领域的重点研究内容之一。在全球气候变化的大背景下，气溶胶对局地雷暴系统的影响具有突出的不确定性。四川盆地位于青藏高原下游，是我国受人为排放大气污染物影响最为明显的区域之一。特殊的地形和湿润的气象条件，使四川盆地成为气溶胶浓度高且雷暴频发的区域，而气溶胶的微物理效应和辐射效应又将盆地地区气溶胶与雷暴活动紧密地联系起来。本项目将利用气溶胶、雷电和气象参量等多源观测资料，综合运用多种相关分析方法和耦合了起电放电过程的WRF-Chem模式，研究四川盆地气溶胶对雷暴发展和雷电活动的影响，进一步明晰四川盆地气溶胶浓度与雷电活动的相关关系，分析雷暴云微物理过程和热动力结构对云凝结核浓度改变的响应，阐明四川盆地特殊地形和气象条件下，气溶胶微物理效应和辐射效应协同影响雷暴云发展和雷电活动的机理，为理解大气污染物对局地极端天气事件的影响提供科学参考。

在全球气候变化的背景下，人为气溶胶对天气和气候的影响已受到全球各界的广泛关注。人为气溶胶对陆地和海洋对流系统具有显著影响，但具有突出的不确定性。在四川盆地特殊的地形下，气溶胶对雷电活动的影响，需要深入研究。本项目基于多源观测资料和数值模式，研究了四川地区雷电活动特征，以及气溶胶对雷电活动影响的机制。四川盆地的雷电活动强度明显高于川西高原，这主要与热动力条件有关。对流有效位能和降水与地闪密度具有较好的相关性，且相关性这盆地地区明显高于高原地区。对流有效位能和对流层中低层风切变是影响地闪极性最突出的因素，较小的对流有效势能代表相对较弱的对流，有利于正闪电的产生，而较大的垂直风切变导致上层带正电荷的冰晶发生水平位移，有利于正电荷向地面输送。模拟研究发现，在雷暴起电过程中，上升气流对冰晶-霰和雪-霰的碰撞分离影响很大，上升气流速度越大，冰相粒子碰撞分离的起电过程越强，电活动越强。气溶胶对川西高原和四川盆地闪电活动的影响具有明显区别。在高原地区，气溶胶负荷相对较低，通过微物理效应激发闪电活动。气溶胶载荷的增加降低了云滴的大小，产生了更多而更小的云滴，从而降低了碰并效率，抑制了暖雨过程。云中液态水含量的增加有利于冰相过程的发展，从而释放更多的潜热，进一步激发对流。对流的增加和冰粒子的增加导致了更强烈的闪电活动。盆地地区气溶胶负荷较大，通过辐射效应抑制了闪电活动。高浓度的气溶胶通过吸收和散射减少了到达地表的太阳辐射，并减少了从地面到低层大气的对流能量。对流抬升的减弱不利于液态水向冻结层以上的输送，抑制了冰相过程的发展。对流和冰相过程的减弱抑制了闪电活动的强度。硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶对闪电极性也具有突出的影响。通过本项目的研究，有利于进一步认知四川特殊地形区域雷电活动对人为气溶胶响应的机理，为四川地区雷电预警预报提供科学参考。