孫京,郭鳳霞

(1.中國(guó)氣象局 武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)

孫京,郭鳳霞.2015.云水飽和度對(duì)雷暴云非感應(yīng)起電過(guò)程的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(4):502-509.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20110905002.

Sun Jing,Guo Feng-xia.2015.Effect of cloud saturation on non-inductive electrification process in thunderstorm[J].Trans Atmos Sci,38(4):502-509.(in Chinese).

云水飽和度對(duì)雷暴云非感應(yīng)起電過(guò)程的影響

孫京1,郭鳳霞2,3

(1.中國(guó)氣象局 武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)

摘要：在三維強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力—電耦合數(shù)值模式中引入基于Saunders et al.(1991) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的非感應(yīng)起電參數(shù)化方案S91,在此基礎(chǔ)上,利用云水飽和度替代環(huán)境溫度和有效液水含量將S91方案變形。對(duì)比分析一次雷暴單體首次放電前,變形后的S91方案和原S91方案模擬得到的非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的極性、量級(jí)、電荷結(jié)構(gòu)以及與霰和冰晶粒子分布之間的關(guān)系。結(jié)果表明,雖然兩種方案采用的電荷密度變化率以及每次碰撞平均轉(zhuǎn)移的電荷量均相同,但不同方案中決定粒子間電荷轉(zhuǎn)移的因子不同對(duì)電荷的分布存在較大的影響。加入云水飽和度的S91方案,非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的極性多為正極性,電荷結(jié)構(gòu)先呈單極性后轉(zhuǎn)變?yōu)槿龢O性,并有進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O性的趨勢(shì)。但這兩種方案模擬得到的霰與冰晶粒子電荷分布的重合區(qū)的范圍、大小均不同,這也是造成兩種方案電荷結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移電荷分布不同的主要原因。

關(guān)鍵詞：雷暴云;數(shù)值模擬;非感應(yīng)起電機(jī)制;云水飽和度

0引言

大量的觀測(cè)試驗(yàn)表明非感應(yīng)起電過(guò)程是雷暴云內(nèi)主要的起電機(jī)制(Takahashi,1978;Jayaratne et al.,1983),這種起電機(jī)制在沒有環(huán)境電場(chǎng)作用下,云降水粒子仍然能夠獲得凈電荷。在雷暴云中存在霰或雹和冰晶,霰或雹因凇附增溫導(dǎo)致其溫度一般高于冰晶。因此在冰晶和霰粒或雹接觸后分離的過(guò)程中,由于霰或雹塊的溫度較高,則帶負(fù)電,而冰晶的溫度較低,則帶正電。這種溫度差導(dǎo)致了電荷的轉(zhuǎn)移,且電荷的轉(zhuǎn)移與溫度、液態(tài)水含量(Liquid Water Content)、相對(duì)碰撞速度和有效液態(tài)水含量等因子有關(guān)(Takahashi,1978;Saunders et al.,1991)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的極性與云水飽和度的變化程度有關(guān)(Saunders et al.,2006)。Baker and Dash(1989,1994)結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)表明,在冰—水汽的平衡界面上存在準(zhǔn)液膜,其厚度約幾個(gè)分子的尺度。具有準(zhǔn)液膜的冰粒子在碰撞分離的過(guò)程中,應(yīng)該會(huì)通過(guò)液膜產(chǎn)生質(zhì)量交換,通常質(zhì)量從厚的準(zhǔn)液膜轉(zhuǎn)移到薄的準(zhǔn)液膜,而準(zhǔn)液膜的厚度隨溫度的升高而增厚,因此溫度高的冰粒失去質(zhì)量和負(fù)電荷,結(jié)果使粒子帶正電?？梢钥闯?電荷的極性與粒子的生長(zhǎng)方式有關(guān),而且云水飽和度的變化會(huì)影響粒子的質(zhì)量變化,所以不同的溫度和液態(tài)水含量對(duì)非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷量級(jí)和極性的影響,其實(shí)是云水飽和度通過(guò)對(duì)霰粒和冰晶增長(zhǎng)方式的影響進(jìn)而影響它們碰撞分離后電荷轉(zhuǎn)移的大小和極性(孫京,2012)。

Saunders et al.(2001)通過(guò)云室實(shí)驗(yàn)研究表明轉(zhuǎn)移電荷的極性與粒子表面的增長(zhǎng)率有關(guān),增長(zhǎng)快的冰粒帶正電,在沒有凇附的情況下,冰粒的凝華增長(zhǎng)因潛熱釋放而使其溫度高于環(huán)境溫度,相應(yīng)處于升華狀態(tài)的冰粒溫度低于環(huán)境溫度。并發(fā)現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)溫度與冰粒子的環(huán)境溫度和水汽場(chǎng)有關(guān),云中過(guò)飽和度和冰晶粒子的增長(zhǎng)速率呈正相關(guān)(Saunders et al.,2006)。Mitzeva et al.(2005)通過(guò)數(shù)值模式研究了云水飽和度和粒子相對(duì)增長(zhǎng)率對(duì)雷暴云中冰相粒子所帶電荷極性的影響,結(jié)果指出當(dāng)溫度低于-20 ℃,有效液水含量小于1 g·m-3時(shí),云水飽和度會(huì)影響霰粒子的增長(zhǎng)率。當(dāng)云水飽和度接近霰粒子的飽和度時(shí),霰主要帶正電荷。Emersic and Saunders(2010)利用最新的人工影響天氣關(guān)鍵技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究了雷暴云中霰和冰晶粒子之間的非感應(yīng)起電機(jī)制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明云中過(guò)飽和度會(huì)影響冰晶和霰粒子所帶電荷極性,并得出負(fù)電荷區(qū)主要集中在-5 ℃溫度層,這一結(jié)果與Saunders et al.(2006)一致。

本文在以上工作的基礎(chǔ)上,在基于以Saunders et al.(1991)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的非感應(yīng)起電參數(shù)化方案(簡(jiǎn)稱S91)中引入三維強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力—電耦合數(shù)值模式(孫安平,200),并利用Tsenova(2009a)提出的含有云水飽和度因子的臨界液態(tài)水函數(shù)替換S91方案中的臨界液態(tài)水(簡(jiǎn)稱變形后的S91)。通過(guò)對(duì)比,分析首次放電前,云水飽和度的變化對(duì)非感應(yīng)起電過(guò)程中空間電荷結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移電荷極性及粒子分布之間的影響。

1模式及非感應(yīng)起電參數(shù)化介紹

1.1　模式介紹

三維強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力—電耦合數(shù)值模式的動(dòng)力框架以中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所建立的三維冰雹云模式為基礎(chǔ)(孔繁鈾等,1990),微物理參數(shù)化方案采用雙參數(shù)譜特征和體積水技術(shù)。水物質(zhì)分為水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹七類,詳細(xì)參數(shù)化方案見文獻(xiàn)(洪延超,1998)。在此基礎(chǔ)上加入了五種起電機(jī)制,分別為正負(fù)離子的擴(kuò)散、電導(dǎo)起電、感應(yīng)起電、非感應(yīng)起電以及次生冰晶起電。郭鳳霞等(2003,2004,2010,2012)利用此模式解釋了不同地域、強(qiáng)度的雷暴云所產(chǎn)生的空間電荷結(jié)構(gòu)不同的原因,并從微物理場(chǎng)和流場(chǎng)的角度討論了高原雷暴空間電荷結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及主要的形成原因。

考慮到在非感應(yīng)起電過(guò)程中,以霰和冰晶粒子碰撞轉(zhuǎn)移的電荷量為主(Takahashi,1978;Jayaratne et al.,1983;Brooks et al.,1997),所以本文只研究霰和冰晶粒子之間的非感應(yīng)碰撞過(guò)程。

1.2　電荷濃度變化率

大粒子nL和小粒子nS之間碰撞時(shí)電荷濃度變化率

(1)

其中:ρ是電荷密度;δq是轉(zhuǎn)移到大粒子上的電荷量,單位為fC,取值參考Saunders et al.(1991)。

(2)

其中:DL和DS分別為大粒子(霰和冰雹)和小粒子(冰晶和雪)的直徑;εLS=εcolliεsep,εcolli是碰撞效率,εsep是反彈系數(shù)。碰撞分離率取值參考孫安平(2000)。

1.3　轉(zhuǎn)移電荷量δq

Saunders et al.(1991)提出δq的表達(dá)式為

(3)

其中:kq、m、n、f(T,Qew)對(duì)于不同的粒子直徑、轉(zhuǎn)移電荷極性、溫度和有效液水含量有不同的值(Saunders et al.,1991)。研究發(fā)現(xiàn)大于-7.4 ℃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不存在,故對(duì)0～-7.4 ℃之間的f(T,Qew)做了線性外推,Mansell(2005)、郭鳳霞等(2010)均將此外推結(jié)果加入了S91參數(shù)化方案。

在一定溫度下,正、負(fù)電荷極性反轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的有效液水含量的范圍被稱為臨界有效液水含量CEWcr。

CEWcr=-0.066 4T-0.49。

(4)

Tsenova et al.(2009a,2009b)利用數(shù)值模式研究了正、負(fù)電荷極性反轉(zhuǎn)與溫度和有效液水含量之間的關(guān)系,所得電荷極性反轉(zhuǎn)線的結(jié)果與Saunders et al.(1991)一致,并進(jìn)一步對(duì)電荷極性反轉(zhuǎn)線進(jìn)行了修改,將其用含有云水飽和度因子的函數(shù)表示

(5)

其中:s為水面飽和度;en為環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓;es為平液面飽和水汽壓;S=s·Sw,Sw表示水汽達(dá)到100%的飽和狀態(tài),S表示亞飽和(s<1)、飽和(s=1)和過(guò)飽(s>1)三種水汽狀態(tài)。模式中只考慮云水飽和度因子對(duì)起電過(guò)程的影響,不考慮加入飽和度因子后對(duì)云內(nèi)微物理過(guò)程的影響。

結(jié)合以上分析,Tsenova et al.(2009a)將公式(4)變形為:

CEWcr(s)=-0.066 4An(s)T+0.49Bn(s)。

(6)

其中,Tsenova et al.(2009a)利用數(shù)值模擬和多元線性回歸方法得到了不同s下臨界有效液水含量CEWcr。

當(dāng)s>1時(shí),

CEWcr(s)=-0.066 4T(13.884 3s2-31.367 72s+

18.478 3)+0.49(162.016s2-

394.822s+233.774);

(7)

當(dāng)s≤1時(shí),

CEWcr(s)=-0.066 4T(11.570 5s3-31.594 4s+

21.019 38)+0.49(153.246s3-

458.581s+306.329 4)。

(8)

這種非感應(yīng)起電參數(shù)化方案即為變形后的S91方案。且在方案中,每次碰撞平均轉(zhuǎn)移的電荷量隨著溫度和粒子半徑的變化而不同,取值參考Saunders et al.(1991)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2電結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

模式初始場(chǎng)取自肖輝等(2002) 1997年7月28日13:00(北京時(shí)間)在旬邑太村施放的一次探空值,該過(guò)程分析選自郭鳳霞等(2010)。表1為用3 cm雷達(dá)觀測(cè)此次過(guò)程得到的雷達(dá)回波資料(肖輝等,2002)與模擬結(jié)果的對(duì)比情況?？梢钥闯?模擬的最大回波強(qiáng)度為60 dBz,比實(shí)測(cè)值偏大,但冰雹生成前后45 dBz回波頂高的模擬值與觀測(cè)值相一致,且該雷達(dá)回波頂高的模擬結(jié)果與沈永海等(2010)和李京校等(2013)的分析結(jié)果相一致。

表1雷暴云中雷達(dá)回波的觀測(cè)與模擬結(jié)果

Table 1The result of radar echo’s observation and simulation in the thunderstorm

參數(shù)冰雹生成前45dBz回波頂高/km最大回波強(qiáng)度/dBz冰雹生成后45dBz回波頂高/km觀測(cè)值5.2507.4模擬值5.4607.0

由于兩種方案均在模擬云發(fā)展到第33分鐘之后開始放電,因此本文主要分析雷暴云首次放電前(第27、30和33分鐘)的模擬結(jié)果

2.1　S91方案電結(jié)構(gòu)

第27分鐘時(shí),模擬雷暴云空間電荷結(jié)構(gòu)呈正極性,非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷量主要集中在垂直高度4～8 km(0～-30 ℃),x方向15～22 km范圍。霰在此區(qū)域帶正電荷,冰晶帶負(fù)電荷。凈空間電荷只在-10～-30 ℃有一個(gè)正電荷區(qū),電荷密度最大值為0.024 nC·m-3。

第30分鐘時(shí),非感應(yīng)碰撞轉(zhuǎn)移電荷量上、下分別有兩個(gè)正中心和一個(gè)負(fù)中心。在第27～30分鐘,正轉(zhuǎn)移電荷有減弱趨勢(shì)。凈空間電荷為三極性,且底部的正電荷區(qū)較弱,這可能是由于對(duì)流區(qū)中部帶正電荷的霰粒隨垂直氣流上升引起的。主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)分別發(fā)生在7.8～9 km和6.5～7.7 km高度處,且對(duì)應(yīng)的中心密度分別為0.12 nC·m-3和-0.12 nC·m-3。

隨著對(duì)流的發(fā)展,在第33分鐘時(shí),轉(zhuǎn)移電荷量上、下有兩個(gè)負(fù)中心和中間一個(gè)正中心,受下沉氣流的作用,下部的負(fù)中心的位置比第30分鐘時(shí)的負(fù)中心有所下降,且最大電荷轉(zhuǎn)移量增加到-100 pC·m-3·s-1,上部的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移中心主要位于在-30～-40 ℃,最大電荷轉(zhuǎn)移率為-20 pC·m-3·s-1,正中心落于-20～-27 ℃層結(jié)處,最大電荷轉(zhuǎn)移率為10 pC·m-3·s-1,且此時(shí)空間電荷結(jié)構(gòu)由偶極性過(guò)渡為三極性結(jié)構(gòu)。

圖1　首次放電前S91方案的非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷率(a—c;等值線;單位:pC·m-3)和空間電荷密度(d—f;等值線;單位:nC·m-3)沿y=18 km 處x-z剖面上的分布(細(xì)線表示溫度,單位:℃;矢量為u-w風(fēng)場(chǎng))　　a,d.第27分鐘;b,e.第30分鐘;c,f.第33分鐘Fig.1　The x-z cross section of (a—c)transfer charge rate(contours;units:pC·m-3) and (d—f)spatial charge density(contours;units:nC·m-3) at y=18 km in S91 before the first discharge (thin lines:temperature,units:℃;arrowheads:u-w wind)　　a,d.27 min;b,e.30 min;c,f.33 min

2.2　變形后S91方案的電結(jié)構(gòu)

由圖2可見,變形后的S91方案產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移沒有分裂,基本呈單極性。第27分鐘時(shí),電荷轉(zhuǎn)移率主要是正電荷,主要位于0～-20 ℃,且空間電荷結(jié)構(gòu)呈單極性。

第30分鐘時(shí),受上升氣流的影響,冰晶和霰粒子之間的碰撞作用增強(qiáng),非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷率達(dá)到-12 pC·m-3·s-1,主要位于-20～-35 ℃,且平均有效液水含量大于0.8 g/m3(圖3)。此時(shí),空間電荷結(jié)構(gòu)仍呈單極性,只是正電荷區(qū)的分布范圍受上升氣流的影響開始升高和擴(kuò)大。雖然非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷率的極性和量級(jí)不同,但兩種方案產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移電荷的分布區(qū)域基本相似。

圖2　首次放電前變形后的S91方案的非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷率(a—c;等值線;單位:pC·m-3)和空間電荷密度(d—f;等值線;單位:nC·m-3)沿y=18 km 處x-z剖面上的分布(細(xì)線表示溫度,單位:℃;矢量為u-w風(fēng)場(chǎng))　　a,d.第27分鐘;b,e.第30分鐘;c,f.第33分鐘Fig.2　The x-z cross section of (a—c)transfer charge rate(contours;units:pC·m-3) and (d—f)spatial charge density(contours;units:nC·m-3) at y=18 km in the deformation of S91 before the first discharge (thin lines:temperature,units:℃;arrowheads:u-w wind)　　a,d.27 min;b,e.30 min;c,f.33 min

圖3　有效液態(tài)水含量在水平14～24 km內(nèi)隨高度的變化(a,單位:g·m-3)和云水飽和度隨溫度(-23.9～-10.7 ℃)的分布(b)Fig.3　Height variation of (a)the average effective liquid water(g·m-3) over 14—24 km and (b)the temperature distribution (-23.9—-10.7 ℃) of cloud saturation

圖4　變形后的S91方案的霰粒子(a,c,e)和冰晶(b,d,f)的含水量(陰影;單位:g·m-3)、數(shù)濃度量級(jí)a(黑色等值線;數(shù)濃度單位:10a·m-3)、電荷濃度(藍(lán)色等值線;單位:nC·m-3)以及轉(zhuǎn)移電荷量(紅色符號(hào);單位:nC)在y=18 km處x-z剖面上的分布(細(xì)線表示溫度,單位:℃)a,b.第27分鐘;c,d.第30分鐘;e,f.第33分鐘Fig.4　The x-z cross sections of water content(shaded;units:g·m-3),order of magnitude of number concentration a(black isoline;number concentration uints:10a·m-3),charge density(black isoline;units:nC·m-3) and transfer charge center(red symbol;units:nC) of the (a,c,e)graupel particles and (b,d,f)ice crystals at y=18 km(thin lines:temperature,units:℃)　　a,b.27 min;c,d.30 min;e,f.33 min

隨著對(duì)流進(jìn)一步增強(qiáng),第30分鐘時(shí),非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷在高度7～9 km,x方向15～21 km處出現(xiàn)了兩個(gè)正中心,分別為120 pC·m-3·s-1和180 pC·m-3·s-1,對(duì)應(yīng)的平均有效液水含量基本大于1 g/m3(圖3),且空間電荷結(jié)構(gòu)直接由單極性過(guò)渡為明顯的三極性結(jié)構(gòu)。

綜上所述,雖然兩種方案都是基于Saunders et al.(1991)的研究結(jié)果,但模擬得到的非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷極性、量級(jí)和電荷結(jié)構(gòu)存在差異。造成這種差異的原因是由于飽和度的變化決定了轉(zhuǎn)移電荷的極性和霰粒子所帶電荷的極性。結(jié)合圖4可以看出,由于霰和冰晶粒子的電荷濃度在空間分布上呈現(xiàn)較好的均一性,所以非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的空間分布和電荷結(jié)構(gòu)也有較好的均一性,說(shuō)明轉(zhuǎn)移電荷的極性與霰粒的電荷濃度密切相關(guān)。從以上分析也可以看出,云水飽和度的變化決定了霰和冰晶之間非感應(yīng)碰撞轉(zhuǎn)移電荷的極性和空間電荷結(jié)構(gòu)。

3云水飽和度與粒子的分布關(guān)系

結(jié)合圖3和圖4可以看出,在第27分鐘時(shí),在高度6～10 km、x方向14～24 km范圍內(nèi),對(duì)流區(qū)中的平均有效液水含量基本大于0.6 g/m3。霰的數(shù)濃度中心與最大比含水量中心不重合,由于霰的粒子半徑大于冰晶,所以冰晶的數(shù)濃度中心與含水量中心基本重合(圖4)。由于霰粒子的電荷濃度中心位于-20 ℃溫度層,對(duì)應(yīng)的s>1(圖3),說(shuō)明云水環(huán)境呈過(guò)飽和狀態(tài),霰通過(guò)凝華增長(zhǎng),釋放熱量,當(dāng)與-20 ℃層少量的冰晶碰撞作用后,帶上正電荷。此時(shí)變形后的S91方案,其正轉(zhuǎn)移電荷中心落于霰和冰晶數(shù)濃度的下邊緣。對(duì)比S91方案產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移電荷和空間電荷的分布,可以看出兩種方案的轉(zhuǎn)移電荷中心和電荷分布與冰晶和霰粒子的分布范圍有所差異。

第30分鐘,上升氣流將半徑較小的冰晶粒子帶入云的中上層,受上升氣流的拖拽作用和自身的重力沉降作用,霰粒子的分布范圍開始擴(kuò)大。霰的數(shù)濃度中心仍高于最大比含水量中心,冰晶的數(shù)濃度中心則與最大含水量中心依然重合。在變形后的S91方案中,負(fù)轉(zhuǎn)移電荷中心位于霰粒子的數(shù)濃度中心,冰晶數(shù)濃度的下邊緣(圖4),且霰和冰晶的數(shù)濃度中心對(duì)應(yīng)的s都小于1(圖3),對(duì)應(yīng)的云水環(huán)境呈不飽和狀態(tài)。霰通過(guò)升華,吸收熱量,當(dāng)與冰晶碰撞作用時(shí),表面的正電荷就會(huì)失去,從而帶上負(fù)電荷。對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩種方案的起電中心與霰和冰晶的分布范圍仍然不同。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展,在第33分鐘時(shí),霰粒子數(shù)目進(jìn)一步增多,出現(xiàn)了兩個(gè)含水量高值區(qū),且上部的含水量高值區(qū)與霰粒的數(shù)濃度中心重合。在變形后的S91方案中,兩個(gè)正轉(zhuǎn)移電荷中心分別位于-40、-20 ℃高度處(圖4),其中一個(gè)正轉(zhuǎn)移電荷中心落于霰和冰晶粒子的數(shù)濃度中心,另一個(gè)落于霰粒子的數(shù)濃度中心,冰晶數(shù)濃度的下邊緣,且對(duì)應(yīng)的云水環(huán)境呈過(guò)飽和狀態(tài)(圖3)。

結(jié)合圖3b和圖4可以看出,霰粒子的累積區(qū)主要在對(duì)流區(qū)的中上部,約位于6 km高度,強(qiáng)上升氣流會(huì)攜帶大量過(guò)冷水滴到達(dá)這個(gè)區(qū)域,當(dāng)云水環(huán)境呈過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),霰粒子易帶正電荷;而大量過(guò)冷水在冰晶和霰的共存區(qū)累積,當(dāng)云水環(huán)境呈不飽和狀態(tài)時(shí),霰粒子易帶負(fù)電荷。說(shuō)明云水飽和度通過(guò)對(duì)霰粒和冰晶增長(zhǎng)方式的影響進(jìn)而影響它們碰撞分離后電荷轉(zhuǎn)移的大小和極性,這一結(jié)果與Baker and Dash(1989,1994)相一致。

4結(jié)論

在三維強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力—電耦合數(shù)值模式中引入基于Saunders et al.(1991) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的非感應(yīng)起電參數(shù)化方案S91,在此基礎(chǔ)上,利用云水飽和度替代環(huán)境溫度和有效液水含量將S91方案變形。對(duì)比分析一次雷暴單體首次放電前,兩種方案模擬得到的非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的極性、量級(jí)、電荷結(jié)構(gòu)以及與霰和冰晶粒子分布之間的關(guān)系,得出以下結(jié)論:

1)S91方案模擬得到的轉(zhuǎn)移電荷分布呈正負(fù)交替,在整個(gè)起電過(guò)程中以負(fù)極性為主,且電荷結(jié)構(gòu)呈明顯的三極性。變形后的S91方案,轉(zhuǎn)移電荷分布比較單一,以正極性為主。當(dāng)云水環(huán)境趨于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),霰易帶正電荷。反之,霰主要帶負(fù)電荷,空間電荷結(jié)構(gòu)有三極性轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O性的趨勢(shì)。說(shuō)明霰和冰晶粒子的電荷極性對(duì)云水環(huán)境的變化很敏感,所以會(huì)出現(xiàn)不同的非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的極性和空間電荷結(jié)構(gòu)。

2)S91方案中,決定粒子間電荷轉(zhuǎn)移的因子是有效液水含量,而在變形后的S91方案中,決定因子是與溫度和有效液態(tài)水含量的變化有關(guān)的云水飽和度。當(dāng)云水環(huán)境呈過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),霰易帶正電,電荷主要產(chǎn)生于高溫、低有效液態(tài)水區(qū),反之亦然。

3)兩種方案產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移電荷正中心都易出現(xiàn)在霰粒子數(shù)濃度中心和最大含水量中心的重合區(qū),轉(zhuǎn)移電荷的負(fù)中心主要集中在霰粒子的數(shù)濃度中心和冰晶粒子數(shù)濃度的下邊緣。對(duì)于變形后的S91方案,當(dāng)云水環(huán)境呈過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),霰和冰晶粒子電荷分布的重合區(qū)變小,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移電荷數(shù)目也減少。而當(dāng)云水環(huán)境呈亞飽和或過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),霰和冰晶粒子電荷分布的重合區(qū)開始變大,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移電荷數(shù)目也開始增加;在整個(gè)模擬云中,非感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷的空間分布、電荷結(jié)構(gòu)與霰和冰晶粒子的電荷分布有較好的均勻性。而在S91方案中,霰與冰晶粒子電荷分布的重合區(qū)較大,且粒子的電荷空間分布呈非均勻性。說(shuō)明霰和冰晶粒子的電荷分布是影響電荷轉(zhuǎn)移量和電荷結(jié)構(gòu)的主要因素。

以往的模擬研究表明,電荷結(jié)構(gòu)與起電參數(shù)方案的選取有直接關(guān)系(Mansell,2005;郭鳳霞等,2010),本文通過(guò)在S91起電參數(shù)化方案中加入云水飽和度因子對(duì)比發(fā)現(xiàn)電荷的空間分布和轉(zhuǎn)移電荷率均不同。除了考慮云水飽和度的影響外,在非感應(yīng)起電參數(shù)化方案中也應(yīng)該要考慮通風(fēng)因子的影響,因?yàn)樵谏仙龤饬鲄^(qū),云滴相對(duì)于環(huán)境大氣有運(yùn)動(dòng),通風(fēng)因子的作用增加了水汽輸送率,使凝結(jié)加快,而雨滴下落時(shí)和環(huán)境大氣間有一定的相對(duì)速度,成為通風(fēng)環(huán)境下的對(duì)流輸送,水汽場(chǎng)也不再呈靜止?fàn)顟B(tài)而呈球形對(duì)稱,這種條件下使得蒸發(fā)加快,可以看出通風(fēng)因子對(duì)水汽場(chǎng)有一定的影響。

參考文獻(xiàn)(References)：

Baker M B,Dash J G.1989.Charge transfer in thunderstorms and the surface melting of ice[J].J Growth,97:770-776.

Baker M B,Dash J G.1994.Mechanism of charge transfer between colliding ice particles in thunderstorms[J].J Geophys Res,99:10621-10626.

Brooks I M,Saunders C P R,Mitzeva R P,et al.1997.The effect on thunderstorm charging of the rate of rime accretion by graupel[J].Atmos Res,43:277-295.

Emersic C,Saunders C P R.2010.Further laboratory investigations into the relative diffusional growth rate theory of thunderstorm electrification[J].Atmos Res,98:327-340.

郭鳳霞,張義軍,郄秀書,等.2003.雷暴云不同空間電荷結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究[J].高原氣象,22(3):268-274.Guo Fengxia,Zhang Yijun,Qie Xiushu.2003.Numerical simulation of different charge structures in thunderstorm[J].Plateau Meteor,22(3):268-274.(in Chinese).

郭鳳霞,張義軍,言穆弘,等.2004.環(huán)境溫濕層結(jié)對(duì)雷暴云空間電荷結(jié)構(gòu)的影響[J].高原氣象,23(5):678-683.Guo Fengxia,Zhang Yijun,Yan Muhong,et al.2004.The effect of environment temperature and humidity stratification on charge structure in thunderstorms[J].Plateau Meteor,23(5):678-683.(in Chinese).

郭鳳霞,張義軍,言穆弘.2010.雷暴云首次放電前兩種非感應(yīng)起電參數(shù)化方案的比較[J].大氣科學(xué),34(2):361-373.Guo Fengxia,Zhang Yijun,Yan Muhong.2010.Comparison of two parameterization schemes for noninductive mechanism before the first discharge in a simulated single cell storm[J].Chinese J Atmos Sci,34(2):361-373.(in Chinese).

郭鳳霞,張義軍,言穆弘,等.2012.西北內(nèi)陸高原雷暴云電活動(dòng)與微物理場(chǎng)特征的相關(guān)性[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(2):205-213.Guo Fengxia,Zhang Yijun,Yan Muhong,et al.2012.The relativity between electric activity and microphysical process in thunderclouds over northwest plateau[J].Trans Atmos Sci,35(2):205-213.(in Chinese).

洪延超.1998.三維冰雹云催化數(shù)值模式[J].氣象學(xué)報(bào),57(1):30-44.Hong Yanchao.1998.A 3-D hail cloud numerical seeding model[J].Acta Meteor Sinica,57(1):30-44.

Jayaratne E R,Saunders C P R,Hallett J.1983.Laboratory studies of the charging of soft-hail during ice crystal interactions[J].Quart J Roy Meteor Soc,109(461):609-630.

孔繁鈾,黃美元,徐華英.1990.對(duì)流云中冰相過(guò)程的三維數(shù)值模擬Ⅰ:模式建立及冷云參數(shù)化[J].大氣科學(xué),14(4):441-453.Kong Fanyou,Huang Meiyuan,Xu Huaying.1990.Numercial simulation of ice phase process in convective clouds (Ⅰ):Model established and cold cloud parameterization[J].Chinese J Atmos Sci,14(4):441-453.(in Chinese).

李京校,宋海巖,肖穩(wěn)安,等.2013.北京及其周邊地區(qū)閃電活動(dòng)的時(shí)空特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),36(2):235-245.Li Jingxiao,Song Haiyan,Xiao Wenan,et al.2013.Temporal-spatial characteristics of lightning over Beijing and its circumjacent regions[J].Trans Atmos Sci,36(2):235-245.(in Chinese).

Mansell E R.2005.Charge structure and lightning sensitivity in a simulated multicell thunderstorm[J].J Geophys Res,110,D12101.doi:10.1029/2004JD005287.

Mitzeva R P,Saunders C P R,Tsenova B.2005.A modeling study of the effect of cloud saturation and particle growth rates on charge transfer in thunderstorm electrification[J].Atmos Res,76:206-221.

Saunders C P R,Keith W D,Mitzeva R P.1991.The effect of liquid water on thunderstorm charging[J].J Geophys Res,96(D6):11007-11017.

Saunders C P R,Peck S L,Aguirre Varela G G,et al.2001.A laboratory study of the influence of water vapour and mixing on the charge transfer process during collisions between ice crystals and graupel[J].Atmos Res,58:187-203.

Saunders C P R,Bax-Norman H,Emersic C,et al.2006.Laboratory studies of the effect of cloud conditions on graupel/crystal charge transfer in thunderstorm electrification[J].Quart J Roy Meteorol Soc,132:2653-2673.

沈永海,蘇德斌,劉錦麗,等.2010.北京夏季強(qiáng)雷暴降水回波結(jié)構(gòu)與閃電特征個(gè)例分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(5):582-592.Shen Yonghai,Su Debin,Liu Jinli,et al.2010.Case study of the structures of radar precipitation echo and the features of lightning in thunderstorms over Beijing in summer[J].Trans Atmos Sci,33(5):582-592.(in Chinese).

孫安平.2000.強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力和電耦合數(shù)值模擬研究[D].蘭州:中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所.Sun Anping.2000.The numerical simulation study with three dimensional electrification model[D].Lanzhou:Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences.(in Chinese).

孫京.2012.雷暴電活動(dòng)的數(shù)值模擬研究[D].南京:南京信息工程大學(xué).Sun Jing.2012.Numerical simulation of electrical activity in thunderstorm[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science & Technology.(in Chinese).

Takahashi T.1978.Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms[J].J Atmos Sci,35:1536-1548.

Tsenova B D,Mitzeva R,Saunders C.2009a.Parameterization of thunderstorm charging including the cloud saturation effect[J].Atmos Res,96:356-365.

Tsenova B D,Mitzeva R,Saunders C.2009b.A modeling study of the effect of ice particle sizes and relative velocity on ice crystal/graupel collisional charge transfer[J].Atmos Res,91:250-258.

肖輝,吳玉霞,胡朝霞,等.2002.旬邑地區(qū)冰雹云的早期識(shí)別及數(shù)值模擬[J].高原氣象,21(2):159-166.Xiao Hui,Wu Yuxia,Hu Chaoxia,et al.2002.Earlier identification and numerical simulation of hail storms occurring in Xunyi region[J].Plateau Meteor,21(2):159-166.(in Chinese).

(責(zé)任編輯：劉菲)

Effect of cloud saturation on non-inductive electrification

process in thunderstorm

SUN Jing1,GUO Feng-xia2,3

(1.Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research,Institute of Heavy Rain,CMA,Wuhan 430074,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:In order to study the effect of cloud saturation on thunderstorm electrification,a parameterization of non-inductive graupel-ice charge separation S91 based on the laboratory results of Saunders et al.(1991) is introduced into a three-dimensional dynamic-electrification coupled model.The effective liquid water content and environment temperature in S91 are replaced by cloud saturation,resulting in the deformation of S91.The evolution characteristics of non-inductive charge separation polarity,magnitude,charge structure and their relationship with ice crystal and graupel particle distributions produced by the deformation of S91 and original S91 in a typical storm before the first discharge are analyzed,respectively.The results indicate that the transfer charges per collision and the change rates of charge density adopted in these two parameters are the same,but difference of factors which determine the increase of graupel and ice particles in these schemes exerts a relatively important influence on the distribution of charge.In the deformation of S91 scheme,the domain polarity of non-inductive charge separation changes is basically positive,the charge structure switches from unipolar to tripole,and it tends to produce a positive dipole charge structure.In addition,the difference of charge distribution and charge separation changes in the schemes are caused by the difference of coincidence region between graupel and ice particles.

Key words:thunderstorm;model simulation;non-inductive charge mechanism;cloud saturation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20110905002

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)04-0502-08P427.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：孫京,碩士,助理工程師,研究方向?yàn)榇髿怆妼W(xué),ningxiasunjing@sina.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB441403);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41275008);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306069);湖北省雷電災(zāi)害防御專項(xiàng)(FL-Z-201401);中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2010Z004)

收稿日期：2011-09-05；改回日期：2012-05-03