气溶胶作为云凝结核对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:cfyanis
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为进一步探讨气溶胶作为云凝结核对雷暴云微物理过程和起电的影响,本文将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,较真实的描述了雷暴云的微物理和起电过程;基于改进的模式,再结合一次山地雷暴个例,选取11组气溶胶浓度(100 cm-3至5000 cm-3)进行模拟试验,深入分析了气溶胶对雷暴云中各水成物粒子含量及分布的影响,进而探讨了起电以及空间电荷结构的变化。在此基础上,通过改变湿热泡的扰动温度和湿度,对比了不同对流强度下(弱对流,中等对流和强对流)气溶胶影响雷暴云微物理过程和起电的差异。主要研究结论如下:气溶胶浓度的改变对雷暴云的微物理过程和起电作用明显:1)随着气溶胶浓度的增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度降低,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。2)气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。气溶胶对雷暴云起电的影响在强对流条件下更加显著:1)对流强度随着扰动温度和湿度的增加而增强,强对流条件下,云内的各水成物粒子形成较早,含量更高;随着气溶胶浓度的增加,云滴和冰晶的尺度快速降低,对雨滴和霰粒子的抑制更加明显。2)随着对流的增强,冰晶和霰提前出现快速启动起电过程,雷暴起电强度增强,空间分布更广;增加气溶胶浓度,较多的冰晶和霰发生碰撞起电导致非感应起电率增加。3)随着气溶胶浓度的增加,强对流条件下的电荷结构更为复杂,当气溶胶浓度高达3000 cm-3,较多的冰粒子发生碰撞起电后在不同区域携带不同极性的电荷和放电后电荷重新分配,使得电荷结构出现明显的分层,形成极为复杂的四极性电荷结构。
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