气溶胶浓度对雷暴云放电特征对比

欧珠措姆 索郎多吉 洛松卓玛

摘 要：本文的研究开展在已有的三维雷暴云起电放电模式中加入了一种典型的气溶胶活化参数化方案为基础，大量开展敏感性模拟实验并选取合适的观测个例。探讨不同的气溶胶浓度对雷暴云中闪电频次以及放电行为等影响。模拟实验结果显示;随着气溶胶浓度的增大，雷暴云中的闪电频次也明显增加，其中随着气溶胶浓度的增大有利于正地闪发生。此外还发现雷暴云的中部与底部闪电發生的次数更为频繁。

关键词：气溶胶浓度;闪电频次

一、方法

1.模式简介

本文采用的模式是谭涌波（2006）利用三维雷暴云起放电数值模式探讨气溶胶影响雷暴云电过程的内在物理机制。该模式建立在已有的中国气象科学研究院的一个积云数值模式的框架上。第一次实现了500 m的三维雷暴云起电放电的数值模拟研究。此模式中假设大气为无粘性而可以压缩的流体，地转偏向力可以忽略的基础上利用非静力平衡条件，模式的计算领域为76 km×76 km ×20 km，从而可以详细的表达出云微物理过程。本文主要通过已有的三维雷暴云起电放电模式中建立一套与气溶胶有关的雷暴云起电放电模型为基础，以气溶胶垂直结构作为背景场并结合相应的大气层结探空曲线的雷暴个例进行大量的敏感性模拟实验，对比不同的气溶胶浓度对雷暴云起过程的变化，探讨气溶胶浓度对雷暴云中的闪电频次、云地闪比例以及正负地闪比例之间存在的关系，放电行为等影响，并给出合理的解释。

2.试验个例及初始扰动条件

本文结合一次个例，0°C层位于685hPa左右，地面温度大概在21°C左右，露点温度在14 °C左右。低层中大气相对湿度为40%～75%，比较弱的热力不稳定状态出现在400hPa～600hPa之间的层结里。此个例已经分别被周志敏等（2009）建立云物理耦合分档电过程的冰粒子分档模式分析云中的电荷空间结构以及谭涌波（2006）在一个对流云模式的基础上，加入起电放电参数化方案，建立一套较为完善的雷暴云模式中用来模拟雷暴云微物理发展与电过程的演变，所以此该探空曲线很适合用在模拟一次雷暴过程中。初始时间设置成水平半径为 4 km，垂直半径为1 km的湿热泡扰动，中心在模拟区域的中心。高度在1 km的格点上，扰动区域的厚度为4km，长和宽都为20km，温度扰动和湿度扰动分别取2.5 K和80%，从中心向外以余弦函数递减。模式的计算域为76 km×76 km ×20 km，模拟时间为90 min，时间步长4 s。

二、分析

1.溶胶浓度对雷暴云放电特征对比

气溶胶浓度对起电过程有重大的作用，另外气溶胶浓度对放电过程会不会有影响。近几年来大量的研究表明了气溶胶浓度不仅对起电过程有影响，而且放电过程也有着显著的影响。而发生闪电放电现象的条件必须满足，在雷暴云中局部电场的值必须大于400kv/m时才能发生闪电，由此得出雷暴云是雷电最重要的产生源。雷暴云中首次闪电过程基本为云闪，地闪发生的时间基本上晚于云闪。而且地闪的闪电频次小于云闪的频次。闪电过程对雷暴云内形成复杂的电荷结构有一定的作用。从而确定雷暴云中电荷分布与闪电通道结构有密切的联系，本文主要通过不同的气溶胶浓度对闪电先导分布特征进行分析。

（1）闪电初始触发点。大部分闪电初始触发点高度大概在8km左右，最低在6km左右。当初始触发高度为6km以下时，雷暴云中只有5次闪电发生;最低触发点在1.5km，大部分闪电高度在7km左右触发，当初始触发高度为6km以下时，雷暴云中有248次闪电频次;最低触发点在1.5 km，大多数闪电在7km高度处触发，当初始触发高度为 6km以下时， 雷暴云中包含300多次闪电次数。从中可以确定随着气溶胶浓度的增加闪电频次也明显增加，主要在雷暴云的底部与中部。

（2）正负先导发展步数。气溶胶浓度为100cm-3时，最多的正先导发展步数发生在3km左右，在3km以下的闪电频次总共发生的次数有121次，而且高度为3km以上的正先导传播次数由高度的递增而减小，正先导主要分布在高度为7.5km以下;气溶胶浓度为500 cm-3时，在高度为3km处正先导步数达到最大值，并且高度为3.5km以上的闪电次数由高度的递增而减小，在3.5km以下闪电频次总共有154 次，正先导主要分布在高度为6km以下;浓度为1000cm-3的气溶胶，同样的结果，正先导主要分布在高度为6.5km以下，高度为3.5km时正先导发展步数最多，之后随着高度的增加而闪电次数减小，高度为3.5km以下发生的闪电频次总共有251次。因此说明了随着气溶胶浓度的增大，雷暴云中的正先导在高度为较低的区域有利于闪电发展。是因为前面探讨过在感应起电机制的作用下，小云滴与霰粒子之间发生碰撞后转移电荷，对雷暴云中部以负电荷为主的电荷堆集以及底部为次正电荷为主的电荷堆集具有积极的作用。因此随着雷暴云中部负电荷为主的电荷堆集越强也就正先导越容易传播，尤其是浓度越大高度越低的区域传播更为频繁。

图1的g、h和i分别表示气溶胶浓度为100cm-3、500cm-3和1000cm-3下的负先导发展步数。图1g看出负先导主要在2km到18.5km内，而且高度在9km左右时达到最大值。图1h内很明显的看出负先导主要分布在1km到14km内，当高度为8km时达到最大值，图1i可以看出负先导主要分布在1km至10km内，高度为7km处达到最大值。总体来说，负先导区域在非感应起电机制的作用下冰晶获得正电菏形成雷暴云中以正电菏为主电荷堆集，有利于负先导在内部发展。此外，与正先导同样的结论，气溶胶浓度越大雷暴云中部以及底部的电荷量越大闪电发生的频次越明显。

图1  正负先导发展步数随高度的变化而变化

2.气溶胶浓度对雷暴云中闪电频次的影响

（1）气溶胶浓度对云闪频次的影响。在积雨云中两个带异号的电荷之间长距离的强放电过程称为闪电。通常闪电大致可以分为云内闪电、云空闪电、云际闪电和云地闪电。其中云地闪电简称为地闪，地闪是指发生在云体与地面之间的放电现象，地闪一般可以分为正地闪和负地闪。其中正地闪是指向地面运送正电菏的对地面放电过程，而负地闪是指向地面运送负电荷的地闪。此外，所有没有到达地面的闪电统称为云闪。云闪占全部闪电数的三分之二以上。

当雷暴云中发生闪电时云闪频次占主导地位，云闪占总闪的96.29%，地闪占总闪的频次的3.71%。同时也证明了云闪占全部闪电数的三分之二以上的说法。也说明了我这次的模拟实验是合理的。

（2） 不同的气溶胶浓度对闪电频次的影响。气溶胶浓度为100cm-3在雷暴云中闪电发生的次数占总闪的21.45%;气溶胶浓度500cm-3时，闪电发生的次数占总闪电次数的33.05%;当气溶胶浓度为1000 cm-3时，在雷暴云里发生闪电次数占总闪电次数的45.5%。由此得出在雷暴云中随着气溶胶浓度的增加，不同浓度下发生的闪电次数占总闪电次数的比例也在增加。

随着浓度的增加云闪频次高于地闪频次。并且随着浓度的增加闪电总频次也在增加。气溶胶浓度为100cm-3至500cm-3之间闪电的次数整体已上升的趋势，并且上升趋势较快。此外，云闪高于负地闪，负地闪高于正地闪;当浓度为 500cm-3至1000cm-3之间虽然是上升的趋势，但是上升趋势比较缓慢。重点是浓度为1000cm-3时，有了极大的反转现象。在雷暴云中云闪为最多，但是正地闪高于负地闪。

总体而言，随着气溶胶浓度的增大，不仅增加了闪电频次，并且促进了正地闪的发生。也证明了气溶胶含量越高的雷暴云中电荷特征能够促进正地闪的发生。还有前面探讨过在整个雷暴发展过程中气溶胶浓度越大的雷暴云中部与底部闪电發生的频率更多，因此雷暴云主正电荷堆下部的电荷容易被闪电先导通道所携带的感应电荷所中和，更有利于形成主正电荷堆强于其下部负电荷堆的电荷结构，从而促进发生正地闪。

三、结语

本文的实验开展在已有的三维雷暴云起电放电模式中加入一种典型的气溶胶活化参数方案为基础。开展大量的敏感性模拟实验并选取合适的观测个例，对比分析气溶胶浓度为100cm-3、500cm-3以及1000cm-3下雷暴云中的放电过程以及闪电的频次。通过以上对比分析，本文主要的研究结果如下：

1.气溶胶浓度对雷暴云放电过程也有着显著的影响，在雷暴云中气溶胶的浓度越大，闪电初始触发点相对位置较低的区域闪电发生更为频繁。对于正先导发展步数来分析随着浓度的增大，正先导发展的步数越来越大，并且在雷暴云中高度相对为比较低的区域正相先导发展步数增大的更明显。对于雷暴云中的负先导发展步数来说随着气溶胶浓度的增大，负先导发展步数逐渐减少，但在雷暴云的底部随着气溶胶浓度的增大，负先导发展步数为增大的趋势。

2.通过气溶胶浓度的变化，我们探讨了在雷暴云中云闪与地闪发生的频次。我们发现雷暴云中发生闪电时云闪占主导地位，并且随着气溶胶浓度的增加云闪也随之增加。地闪也随着浓度而增大，其中气溶胶浓度越大正地闪发生的越明显。

参考文献：

[1]师正，谭涌波，唐慧强，等. 气溶胶对雷暴云起电以及闪电发生率影响的数值模拟[J]. 大气科学， 2015，39（5）：941-952.

[2]谭涌波，陶善昌，祝宝友，等.云闪放电对云内电荷和电位分布影响的数值模拟[J].地球物理学报， 2007，50（4）：1053-1065.

作者简介：欧珠措姆（1992-11-15）女，藏族，西藏林芝市工布江达县人，本科，助理工程师，从事气象综合服务工作。