不同冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

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本研究基于二维雷暴云模式,耦合不同冰晶核化过程的参数化方案,利用一次山地雷暴个例,探讨冰核在云中微物理过程、降水过程、起放电和空间电荷结构的具体影响途径及其与同质核化的异同之处。模拟结果表明:同质核化过程是云顶附近较小冰晶的主要贡献者,表现为相对较高的冰晶数浓度。大量生成的小冰晶增强了非感应起电过程,形成了较为稳定的主正电荷区与主负电荷区,在发展的初始阶段就呈现出三极性电荷结构。通过异质核化形成的冰晶粒径更大,所以尽管数浓度相对较低,反而增强了淞附,并且在-15°C左右具有更强的非感应起电率。因此,该个例下在消散期仍存在较强的主电荷区。当同质核化与异质核化过程共同作用时,两种冻结过程形成的冰晶比质量较轻,冰粒尺度更小。这有利于霰的淞附增长占主导,形成更广泛的小冰晶与有效半径更大的霰粒,但对流发展过快,随着混合性降水大量消耗霰与液滴,云内总电荷量呈现减少的趋势,电荷结构由正常三极性演化为主正电荷区更强的反偶极性。此外,本研究对原有冰晶异质核化方案细化改进,引入先进的异质核化方案。该方案基于较新实验结果和云气块模型,包含了典型的三种异质核化过程,同时考虑了冰核组分、各类冰核活化率等因素,冰晶分布特征更符合实际观测,且更适合云模式的耦合。结果表明:浸润核化是冰晶生成的最重要异质核化过程,较高数浓度的冰晶消耗雷暴云内液态水含量,抑制淞附过程,导致霰粒子比含水量低,表现为较强的负极性非感应起电率;接触核化生成的冰晶量最少,仅对雷暴云中下层3~5 km处的冰晶有贡献,同时霰粒子数浓度较低,导致该方案下的起电过程最弱;沉积核化主要影响云砧处的冰晶,有利于提高霰收集云滴的效率,表现为较高的霰比含水量,促进低温区非感应起电过程的发生。总体上来看,三个方案下的电荷结构均由较为复杂的多极性发展为偶极性。其中浸润方案中主正电荷区的抬升最为明显,而接触方案过低的冰晶分布高度与沉积方案过高的冰晶分布高度,都直接导致了次正电荷区更快的消散。
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