气溶胶作为云凝结核和冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

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本文使用耦合了非感应起电机制和整体放电参数化方案的WRF(v3.4.1)中尺度模式,选取Morrison双参数微物理方案,讨论气溶胶分别作为云凝结核(CCN)和冰核(IN)对雷暴云微物理过程及电过程的影响。  运用气溶胶活化经验公式,改变初始云凝结核浓度(CCN;浓度变化从500cm-3到4000cm-3),共模拟15组试验,模拟了一个理想的超级雷暴单体,讨论了CCN浓度(nCCN)对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随nCCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。  对2014年6月13日发生在华北地区的一次飑线过程进行数值模拟,通过改变IN浓度进行敏感性试验,讨论不同IN浓度背景下雷暴云微物理过程及电活动的区别。研究发现:高浓度IN背景下,冰晶粒子数浓度增加,促进其碰并过程及贝吉隆过程,从而形成更多的冰晶粒子和雪粒子,同时高数浓度的冰晶粒子和雪粒子收集云滴、雨滴的过程增强,导致霰粒子的数浓度增加。高IN浓度背景下,冰晶粒子、雪粒子、霰粒子的数浓度均增加,导致霰粒子与冰晶粒子和霰粒子与雪粒子的碰撞分离过程增强,从而增强雷暴的起电强度。另外,由于冰晶粒子的数浓度比雪粒子的数浓度高约2个量级,说明霰粒子与冰晶粒子的碰撞分离过程对雷暴起电过程起到较为主要的作用。
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