冰晶核化对雷暴云电活动影响的数值模拟研究

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为了探讨冰晶核化对雷暴云闪电行为的影响,结合一次真实的雷暴云个例,通过已有的三维对流云起、放电模式探讨对比了三种冰晶核化方案,分别为原模式中的经验公式YS方案及与气溶胶相关的DE方案和LP方案,探讨不同冰晶核化方案下雷暴云微物理过程,尤其是冰晶的微物理过程、起电特征、放电结果的差异性以及给出相应的物理解释和定量分析。选取出更为合理的冰晶核化参数化方案DE方案进行后续气溶胶浓度改变对雷暴云闪电行为影响的敏感性实验,进一步研究讨论不同气溶胶背景下冰晶微物理过程、起电特征及放电结果之间的差异,从而给雷暴云宏观表现和微观物理特征之间关系的研究提供一个更好的背景,为后续研究不同气溶胶种类、粒径等如何影响雷暴云电过程提供参考。主要成果如下:(1)冰晶核化参数化方案直接影响冰晶的微物理过程,与气溶胶相关的DE方案和LP方案下冰晶的垂直空间分布特征与实际观测更为符合,数值较大,高温区也会有一定数量级的冰晶产生,同时高温区的冰晶在非感应起电过程中出现极性反转的现象,使得最终雷暴云电荷结构在旺盛期表现为三极性,与实际观测一致。(2)冰晶核化通过影响雷暴云电荷结构改变闪电放电特征,雷暴云电荷结构决定闪电类型,电荷强度决定闪电频次。由于新加入的两种冰晶核化参数化方案中电荷结构呈现三极性,底部出现次正电荷区,这促进了负地闪的产生;同时新的方案中产生的冰晶更多,最终导致雷暴云电荷结构也更强,因此云内闪电活动更强,正、负先导的传播次数普遍大于YS方案,且负先导在较低的高度范围内传播,传播的空间范围更大;由于电荷结构分布区域更大,新方案中少量闪电的触发出现在相对位置更高的区域。(3)气溶胶浓度的改变主要影响冰晶粒子的比含水量和数浓度,对于冰晶的垂直分布影响不大。当气溶胶浓度增加时,冰晶的比含水量也随之增加,当气溶胶浓度增加到2000时,冰晶比含水量反而呈现下降趋势;而冰核数浓度与气溶胶浓度则是一直呈现正相关的关系,这表明冰晶尺寸是减小的。当气溶胶浓度进一步提升时,冰晶的平均混合比保持稳定,非感应起电率之间的差别也不大。当气溶胶浓度增加到10000时,雷暴云闪电活动反而有减弱的趋势,相对较高浓度的气溶胶对云内的冰相粒子浓度影响相对较小,由于云水竞争的关系,冰晶生成受到限制。
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