冰晶核化对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

师正1，曲凯悦1，李璐滢1，管啸林1，孙京2，崔雪东3，胡佳瑞1，吴子珉1

1. 南京信息工程大学应急管理学院，南京210044

2. 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室，武汉 430205

3. 浙江省气象安全技术中心，杭州310008

摘要：近年来，气溶胶与雷暴云电学活动相互作用关系已成为学术界关注的重点之一。可溶气溶胶液滴的同质核化和冰核异质核化是冰晶粒子形成的两种来源，而雷暴云中冰晶粒子大小和浓度对电荷的产生及其分层状况有一定影响，是导致闪电发生的重要因素。那么冰晶核化过程是否也会影响雷暴云的起、放电过程？目前，这类问题还缺乏深入的理论研究，而相应的模式研究工作也鲜有报道。同质核化和异质核化过程分别对雷暴云起电过程、空间电荷结构影响如何？两者是否存在竞争关系？如果存在，那么这种竞争关系对雷暴云微物理发展、闪电频次及云地闪比例等会有怎样的影响？这一系列的科学问题目前都少见报道，因此有必要深入探讨分析冰晶核化过程是否及如何对雷暴云起电过程以及电荷结构产生影响。本文基于二维雷暴云模式，耦合了不同冰晶核化过程的参数化方案，利用一次山地雷暴个例，对比分析了同质核化和异质核化对雷暴云动力结构、微物理、起电过程及空间电荷结构的影响。试验结果表明：源于同质核化过程的大量小冰晶分布在高处的低温区，而异质核化过程更早发生，生成的少量冰晶主要处于-20~0 ℃温区范围之内。同质核化过程与异质核化过程具有云水竞争关系，两种核化过程均受到抑制。竞争关系促进了雷暴中水成物粒子相变的发生，增强了潜热释放，从而表现为迅速发展的上升气流。同质核化过程产生的冰晶通过非感应起电过程获得正电荷主要贡献了雷暴云主正电荷区。异质核化过程在高温度产生的冰晶通过非感应起电过程获得负电荷，促进主负电荷区与次正电荷区的更早形成，形成负偶极性电荷结构。