PDF《冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的 数值模拟研究》

41175003、41475006,江苏高校优势学科建设工程 资助项目PAPD,江苏省普通高校研究生科研创新计划项目CXZZ13_0515 作者简介? 谭涌波,男,1977 年生,副研究员,主要从事雷电物理学以及雷气象学研究.E-mail: ybtan@ustc.edu? ? ? 大? ? 气? ? 科? ? 学? Chinese Journal of Atmospheric Sciences

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290 region, and maximum concentration value of ice crystals are greater than in the original scheme. (2) The new scheme produces a large number of ice crystals at relatively high temperature that dodge the water vapor and inhibit the growth of cloud droplets and rain. In addition, compared with the original scheme, graupel growth is greatly affected by the impact of raindrops and is dramatically reduced. This leads to the graupel being smaller than in the original scheme and to differences in its spatial distribution. (3) For thunderclouds, the early charge structure of the two schemes is different. The charge distribution area and amount of charge in the new scheme are greater than in the original scheme. In addition, the center heights of the main positive and the main negative charges differ at different times. This analysis of cloud microphysical process reveals the conditions favorable for researching the relationship between the thundercloud electrification process and the aerosol charge structure. Keywords Ice crystals, Nucleation scheme, Microphysical process, Cloud model

1 引言 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和液体微粒 与气体载体共同组成的多相体系,气溶胶可以通过 吸收和散射太阳辐射直接影响地―气系统的辐射 平衡,也可以作为云凝结核和冰核影响云微物理过 程.目前,人们对气溶胶―云滴的相互作用了解较 多,但对气溶胶―冰晶的相互作用了解较少,冰晶 粒子由可溶性气溶胶液滴同质核化形成或在不可 溶气溶胶粒子(冰核)帮助下异质核化形成,异质 核化过程有多种机制,如凝华、碰触、浸润等,多 种气溶胶可以充当冰核,如沙尘、黑碳、花粉等 (Blyth and Latham,1993;

王春明等,1997;

Yin et al., 2000, 2002;

Murray et al., 2010;

房文和郑国光, 2011) .大量观测证明气溶胶浓度改变对冰晶含量 及冰晶尺度均有影响,其中气溶胶对冰晶数浓度影 响最为明显,气溶胶数浓度增加导致云中过冷水量 增多,冰晶粒子增加,霰粒子浓度降低(van den Heever et al., 2006;

Fan et al., 2007;

Yang et al., 2011) ;

Khain(2009)使用二维云模式证明了海洋 上空气溶胶的增多会增加雷暴云中过冷水滴含量、 冰晶含量以及上升风速;

在沙尘天气系统下,许多 学者认为沙尘气溶胶作为有效冰核,在低于-8°C 时通过接触冻结核化、低于-15°C 时凝华核化,在-9~-30°C 时依靠表面的化学物质通过浸润冻结 核化(Pruppacher and Klett, 1997;

Khain et al., 2005) ;

近几年一些学者探讨了生物气溶胶(如细 菌、真菌和藻类)作为冰核影响冰晶形成,尤其典 型的冰核活性细菌能有效地促进其他冰核的异质 核化过程(Morris et al., 2004;

Gon?alves et al., 2012) .可见,气溶胶是参与冰晶形成的主要成分, 它的分布可以改变云内的动力以及微物理过程,尤 其是对冰晶的空间分布和谱变化影响最为突出. 目前云模式中与气溶胶数浓度和类型有关的 冰晶核化方案尚少.初期的云模式中,冰晶数浓度 由野外探测或云室实验得到的经验公式计算,冰核 活化有不同的表达式,Fletcher(1962)认为冰核浓 度是温度的函数,Cooper(1980) 认为冰核浓度是 饱和度的函数, 许焕斌等 (2004) 和Thompson et al. (2008)则同时考虑空气饱和度和温度.但完全根 据经验公式得到的冰晶谱与实际观测结果存在较 大差异.Cooper(1980) 、Saunders and Al-Naimi (1985)收集飞机观测和云室结果,他们的研究结 果中并没有显示出冰晶数浓度和温度之间很好的 相关性,此外, Ryan(2000)使用模型计算的冰 晶数浓度在-17°C 时为 8*10