云水饱和度对雷暴云非感应起电过程的影响

孙京,郭凤霞

(1.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,湖北 武汉 430074;

2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

3.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044)

孙京,郭凤霞.2015.云水饱和度对雷暴云非感应起电过程的影响[J].大气科学学报,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).

云水饱和度对雷暴云非感应起电过程的影响

孙京1,郭凤霞2,3

(1.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,湖北 武汉 430074;

2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

3.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044)

摘要：在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入基于Saunders et al.(1991) 实验结果的非感应起电参数化方案S91,在此基础上,利用云水饱和度替代环境温度和有效液水含量将S91方案变形。对比分析一次雷暴单体首次放电前,变形后的S91方案和原S91方案模拟得到的非感应转移电荷的极性、量级、电荷结构以及与霰和冰晶粒子分布之间的关系。结果表明,虽然两种方案采用的电荷密度变化率以及每次碰撞平均转移的电荷量均相同,但不同方案中决定粒子间电荷转移的因子不同对电荷的分布存在较大的影响。加入云水饱和度的S91方案,非感应转移电荷的极性多为正极性,电荷结构先呈单极性后转变为三极性,并有进一步转变为偶极性的趋势。但这两种方案模拟得到的霰与冰晶粒子电荷分布的重合区的范围、大小均不同,这也是造成两种方案电荷结构和转移电荷分布不同的主要原因。

关键词：雷暴云;数值模拟;非感应起电机制;云水饱和度

0引言

大量的观测试验表明非感应起电过程是雷暴云内主要的起电机制(Takahashi,1978;Jayaratne et al.,1983),这种起电机制在没有环境电场作用下,云降水粒子仍然能够获得净电荷。在雷暴云中存在霰或雹和冰晶,霰或雹因凇附增温导致其温度一般高于冰晶。因此在冰晶和霰粒或雹接触后分离的过程中,由于霰或雹块的温度较高,则带负电,而冰晶的温度较低,则带正电。这种温度差导致了电荷的转移,且电荷的转移与温度、液态水含量(Liquid Water Content)、相对碰撞速度和有效液态水含量等因子有关(Takahashi,1978;Saunders et al.,1991)。

通过实验研究进一步发现,非感应转移电荷的极性与云水饱和度的变化程度有关(Saunders et al.,2006)。Baker and Dash(1989,1994)结合理论和实验表明,在冰—水汽的平衡界面上存在准液膜,其厚度约几个分子的尺度。具有准液膜的冰粒子在碰撞分离的过程中,应该会通过液膜产生质量交换,通常质量从厚的准液膜转移到薄的准液膜,而准液膜的厚度随温度的升高而增厚,因此温度高的冰粒失去质量和负电荷,结果使粒子带正电。可以看出,电荷的极性与粒子的生长方式有关,而且云水饱和度的变化会影响粒子的质量变化,所以不同的温度和液态水含量对非感应转移电荷量级和极性的影响,其实是云水饱和度通过对霰粒和冰晶增长方式的影响进而影响它们碰撞分离后电荷转移的大小和极性(孙京,2012)。

Saunders et al.(2001)通过云室实验研究表明转移电荷的极性与粒子表面的增长率有关,增长快的冰粒带正电,在没有凇附的情况下,冰粒的凝华增长因潜热释放而使其温度高于环境温度,相应处于升华状态的冰粒温度低于环境温度。并发现极性反转温度与冰粒子的环境温度和水汽场有关,云中过饱和度和冰晶粒子的增长速率呈正相关(Saunders et al.,2006)。Mitzeva et al.(2005)通过数值模式研究了云水饱和度和粒子相对增长率对雷暴云中冰相粒子所带电荷极性的影响,结果指出当温度低于-20 ℃,有效液水含量小于1 g·m-3时,云水饱和度会影响霰粒子的增长率。当云水饱和度接近霰粒子的饱和度时,霰主要带正电荷。Emersic and Saunders(2010)利用最新的人工影响天气关键技术通过实验室研究了雷暴云中霰和冰晶粒子之间的非感应起电机制,实验结果表明云中过饱和度会影响冰晶和霰粒子所带电荷极性,并得出负电荷区主要集中在-5 ℃温度层,这一结果与Saunders et al.(2006)一致。

本文在以上工作的基础上,在基于以Saunders et al.(1991)实验结果为基础的非感应起电参数化方案(简称S91)中引入三维强风暴动力—电耦合数值模式(孙安平,200),并利用Tsenova(2009a)提出的含有云水饱和度因子的临界液态水函数替换S91方案中的临界液态水(简称变形后的S91)。通过对比,分析首次放电前,云水饱和度的变化对非感应起电过程中空间电荷结构、转移电荷极性及粒子分布之间的影响。

1模式及非感应起电参数化介绍

1.1　模式介绍

三维强风暴动力—电耦合数值模式的动力框架以中国科学院大气物理研究所建立的三维冰雹云模式为基础(孔繁铀等,1990),微物理参数化方案采用双参数谱特征和体积水技术。水物质分为水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹七类,详细参数化方案见文献(洪延超,1998)。在此基础上加入了五种起电机制,分别为正负离子的扩散、电导起电、感应起电、非感应起电以及次生冰晶起电。郭凤霞等(2003,2004,2010,2012)利用此模式解释了不同地域、强度的雷暴云所产生的空间电荷结构不同的原因,并从微物理场和流场的角度讨论了高原雷暴空间电荷结构的特点以及主要的形成原因。

考虑到在非感应起电过程中,以霰和冰晶粒子碰撞转移的电荷量为主(Takahashi,1978;Jayaratne et al.,1983;Brooks et al.,1997),所以本文只研究霰和冰晶粒子之间的非感应碰撞过程。

1.2　电荷浓度变化率

大粒子nL和小粒子nS之间碰撞时电荷浓度变化率

(1)

其中:ρ是电荷密度;δq是转移到大粒子上的电荷量,单位为fC,取值参考Saunders et al.(1991)。

(2)

其中:DL和DS分别为大粒子(霰和冰雹)和小粒子(冰晶和雪)的直径;εLS=εcolliεsep,εcolli是碰撞效率,εsep是反弹系数。碰撞分离率取值参考孙安平(2000)。

1.3　转移电荷量δq

Saunders et al.(1991)提出δq的表达式为

(3)

其中:kq、m、n、f(T,Qew)对于不同的粒子直径、转移电荷极性、温度和有效液水含量有不同的值(Saunders et al.,1991)。研究发现大于-7.4 ℃的试验数据不存在,故对0～-7.4 ℃之间的f(T,Qew)做了线性外推,Mansell(2005)、郭凤霞等(2010)均将此外推结果加入了S91参数化方案。

在一定温度下,正、负电荷极性反转所对应的有效液水含量的范围被称为临界有效液水含量CEWcr。

CEWcr=-0.066 4T-0.49。

(4)

Tsenova et al.(2009a,2009b)利用数值模式研究了正、负电荷极性反转与温度和有效液水含量之间的关系,所得电荷极性反转线的结果与Saunders et al.(1991)一致,并进一步对电荷极性反转线进行了修改,将其用含有云水饱和度因子的函数表示

(5)

其中:s为水面饱和度;en为环境温度对应的饱和水汽压;es为平液面饱和水汽压;S=s·Sw,Sw表示水汽达到100%的饱和状态,S表示亚饱和(s<1)、饱和(s=1)和过饱(s>1)三种水汽状态。模式中只考虑云水饱和度因子对起电过程的影响,不考虑加入饱和度因子后对云内微物理过程的影响。

结合以上分析,Tsenova et al.(2009a)将公式(4)变形为:

CEWcr(s)=-0.066 4An(s)T+0.49Bn(s)。

(6)

其中,Tsenova et al.(2009a)利用数值模拟和多元线性回归方法得到了不同s下临界有效液水含量CEWcr。

当s>1时,

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

18.478 3)+0.49(162.016s2-

394.822s+233.774);

(7)

当s≤1时,

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

21.019 38)+0.49(153.246s3-

458.581s+306.329 4)。

(8)

这种非感应起电参数化方案即为变形后的S91方案。且在方案中,每次碰撞平均转移的电荷量随着温度和粒子半径的变化而不同,取值参考Saunders et al.(1991)的实验结果。

2电结构模拟结果

模式初始场取自肖辉等(2002) 1997年7月28日13:00(北京时间)在旬邑太村施放的一次探空值,该过程分析选自郭凤霞等(2010)。表1为用3 cm雷达观测此次过程得到的雷达回波资料(肖辉等,2002)与模拟结果的对比情况。可以看出,模拟的最大回波强度为60 dBz,比实测值偏大,但冰雹生成前后45 dBz回波顶高的模拟值与观测值相一致,且该雷达回波顶高的模拟结果与沈永海等(2010)和李京校等(2013)的分析结果相一致。

表1雷暴云中雷达回波的观测与模拟结果

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

参数冰雹生成前45dBz回波顶高/km最大回波强度/dBz冰雹生成后45dBz回波顶高/km观测值5.2507.4模拟值5.4607.0

由于两种方案均在模拟云发展到第33分钟之后开始放电,因此本文主要分析雷暴云首次放电前(第27、30和33分钟)的模拟结果

2.1　S91方案电结构

第27分钟时,模拟雷暴云空间电荷结构呈正极性,非感应转移电荷量主要集中在垂直高度4～8 km(0～-30 ℃),x方向15～22 km范围。霰在此区域带正电荷,冰晶带负电荷。净空间电荷只在-10～-30 ℃有一个正电荷区,电荷密度最大值为0.024 nC·m-3。

第30分钟时,非感应碰撞转移电荷量上、下分别有两个正中心和一个负中心。在第27～30分钟,正转移电荷有减弱趋势。净空间电荷为三极性,且底部的正电荷区较弱,这可能是由于对流区中部带正电荷的霰粒随垂直气流上升引起的。主正电荷区和主负电荷区分别发生在7.8～9 km和6.5～7.7 km高度处,且对应的中心密度分别为0.12 nC·m-3和-0.12 nC·m-3。

随着对流的发展,在第33分钟时,转移电荷量上、下有两个负中心和中间一个正中心,受下沉气流的作用,下部的负中心的位置比第30分钟时的负中心有所下降,且最大电荷转移量增加到-100 pC·m-3·s-1,上部的负电荷转移中心主要位于在-30～-40 ℃,最大电荷转移率为-20 pC·m-3·s-1,正中心落于-20～-27 ℃层结处,最大电荷转移率为10 pC·m-3·s-1,且此时空间电荷结构由偶极性过渡为三极性结构。

图1　首次放电前S91方案的非感应转移电荷率(a—c;等值线;单位:pC·m-3)和空间电荷密度(d—f;等值线;单位:nC·m-3)沿y=18 km 处x-z剖面上的分布(细线表示温度,单位:℃;矢量为u-w风场)　　a,d.第27分钟;b,e.第30分钟;c,f.第33分钟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　变形后S91方案的电结构

由图2可见,变形后的S91方案产生的电荷转移没有分裂,基本呈单极性。第27分钟时,电荷转移率主要是正电荷,主要位于0～-20 ℃,且空间电荷结构呈单极性。

第30分钟时,受上升气流的影响,冰晶和霰粒子之间的碰撞作用增强,非感应转移电荷率达到-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(图3)。此时,空间电荷结构仍呈单极性,只是正电荷区的分布范围受上升气流的影响开始升高和扩大。虽然非感应转移电荷率的极性和量级不同,但两种方案产生的转移电荷的分布区域基本相似。

图2　首次放电前变形后的S91方案的非感应转移电荷率(a—c;等值线;单位:pC·m-3)和空间电荷密度(d—f;等值线;单位:nC·m-3)沿y=18 km 处x-z剖面上的分布(细线表示温度,单位:℃;矢量为u-w风场)　　a,d.第27分钟;b,e.第30分钟;c,f.第33分钟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

图3　有效液态水含量在水平14～24 km内随高度的变化(a,单位:g·m-3)和云水饱和度随温度(-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

图4　变形后的S91方案的霰粒子(a,c,e)和冰晶(b,d,f)的含水量(阴影;单位:g·m-3)、数浓度量级a(黑色等值线;数浓度单位:10a·m-3)、电荷浓度(蓝色等值线;单位:nC·m-3)以及转移电荷量(红色符号;单位:nC)在y=18 km处x-z剖面上的分布(细线表示温度,单位:℃)a,b.第27分钟;c,d.第30分钟;e,f.第33分钟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

随着对流进一步增强,第30分钟时,非感应转移电荷在高度7～9 km,x方向15～21 km处出现了两个正中心,分别为120 pC·m-3·s-1和180 pC·m-3·s-1,对应的平均有效液水含量基本大于1 g/m3(图3),且空间电荷结构直接由单极性过渡为明显的三极性结构。

综上所述,虽然两种方案都是基于Saunders et al.(1991)的研究结果,但模拟得到的非感应转移电荷极性、量级和电荷结构存在差异。造成这种差异的原因是由于饱和度的变化决定了转移电荷的极性和霰粒子所带电荷的极性。结合图4可以看出,由于霰和冰晶粒子的电荷浓度在空间分布上呈现较好的均一性,所以非感应转移电荷的空间分布和电荷结构也有较好的均一性,说明转移电荷的极性与霰粒的电荷浓度密切相关。从以上分析也可以看出,云水饱和度的变化决定了霰和冰晶之间非感应碰撞转移电荷的极性和空间电荷结构。

3云水饱和度与粒子的分布关系

结合图3和图4可以看出,在第27分钟时,在高度6～10 km、x方向14～24 km范围内,对流区中的平均有效液水含量基本大于0.6 g/m3。霰的数浓度中心与最大比含水量中心不重合,由于霰的粒子半径大于冰晶,所以冰晶的数浓度中心与含水量中心基本重合(图4)。由于霰粒子的电荷浓度中心位于-20 ℃温度层,对应的s>1(图3),说明云水环境呈过饱和状态,霰通过凝华增长,释放热量,当与-20 ℃层少量的冰晶碰撞作用后,带上正电荷。此时变形后的S91方案,其正转移电荷中心落于霰和冰晶数浓度的下边缘。对比S91方案产生的转移电荷和空间电荷的分布,可以看出两种方案的转移电荷中心和电荷分布与冰晶和霰粒子的分布范围有所差异。

第30分钟,上升气流将半径较小的冰晶粒子带入云的中上层,受上升气流的拖拽作用和自身的重力沉降作用,霰粒子的分布范围开始扩大。霰的数浓度中心仍高于最大比含水量中心,冰晶的数浓度中心则与最大含水量中心依然重合。在变形后的S91方案中,负转移电荷中心位于霰粒子的数浓度中心,冰晶数浓度的下边缘(图4),且霰和冰晶的数浓度中心对应的s都小于1(图3),对应的云水环境呈不饱和状态。霰通过升华,吸收热量,当与冰晶碰撞作用时,表面的正电荷就会失去,从而带上负电荷。对比发现,两种方案的起电中心与霰和冰晶的分布范围仍然不同。

经过一段时间的发展,在第33分钟时,霰粒子数目进一步增多,出现了两个含水量高值区,且上部的含水量高值区与霰粒的数浓度中心重合。在变形后的S91方案中,两个正转移电荷中心分别位于-40、-20 ℃高度处(图4),其中一个正转移电荷中心落于霰和冰晶粒子的数浓度中心,另一个落于霰粒子的数浓度中心,冰晶数浓度的下边缘,且对应的云水环境呈过饱和状态(图3)。

结合图3b和图4可以看出,霰粒子的累积区主要在对流区的中上部,约位于6 km高度,强上升气流会携带大量过冷水滴到达这个区域,当云水环境呈过饱和状态时,霰粒子易带正电荷;而大量过冷水在冰晶和霰的共存区累积,当云水环境呈不饱和状态时,霰粒子易带负电荷。说明云水饱和度通过对霰粒和冰晶增长方式的影响进而影响它们碰撞分离后电荷转移的大小和极性,这一结果与Baker and Dash(1989,1994)相一致。

4结论

在三维强风暴动力—电耦合数值模式中引入基于Saunders et al.(1991) 实验结果的非感应起电参数化方案S91,在此基础上,利用云水饱和度替代环境温度和有效液水含量将S91方案变形。对比分析一次雷暴单体首次放电前,两种方案模拟得到的非感应转移电荷的极性、量级、电荷结构以及与霰和冰晶粒子分布之间的关系,得出以下结论:

1)S91方案模拟得到的转移电荷分布呈正负交替,在整个起电过程中以负极性为主,且电荷结构呈明显的三极性。变形后的S91方案,转移电荷分布比较单一,以正极性为主。当云水环境趋于过饱和状态时,霰易带正电荷。反之,霰主要带负电荷,空间电荷结构有三极性转变为偶极性的趋势。说明霰和冰晶粒子的电荷极性对云水环境的变化很敏感,所以会出现不同的非感应转移电荷的极性和空间电荷结构。

2)S91方案中,决定粒子间电荷转移的因子是有效液水含量,而在变形后的S91方案中,决定因子是与温度和有效液态水含量的变化有关的云水饱和度。当云水环境呈过饱和状态时,霰易带正电,电荷主要产生于高温、低有效液态水区,反之亦然。

3)两种方案产生的转移电荷正中心都易出现在霰粒子数浓度中心和最大含水量中心的重合区,转移电荷的负中心主要集中在霰粒子的数浓度中心和冰晶粒子数浓度的下边缘。对于变形后的S91方案,当云水环境呈过饱和状态时,霰和冰晶粒子电荷分布的重合区变小,对应的转移电荷数目也减少。而当云水环境呈亚饱和或过饱和状态时,霰和冰晶粒子电荷分布的重合区开始变大,对应的转移电荷数目也开始增加;在整个模拟云中,非感应转移电荷的空间分布、电荷结构与霰和冰晶粒子的电荷分布有较好的均匀性。而在S91方案中,霰与冰晶粒子电荷分布的重合区较大,且粒子的电荷空间分布呈非均匀性。说明霰和冰晶粒子的电荷分布是影响电荷转移量和电荷结构的主要因素。

以往的模拟研究表明,电荷结构与起电参数方案的选取有直接关系(Mansell,2005;郭凤霞等,2010),本文通过在S91起电参数化方案中加入云水饱和度因子对比发现电荷的空间分布和转移电荷率均不同。除了考虑云水饱和度的影响外,在非感应起电参数化方案中也应该要考虑通风因子的影响,因为在上升气流区,云滴相对于环境大气有运动,通风因子的作用增加了水汽输送率,使凝结加快,而雨滴下落时和环境大气间有一定的相对速度,成为通风环境下的对流输送,水汽场也不再呈静止状态而呈球形对称,这种条件下使得蒸发加快,可以看出通风因子对水汽场有一定的影响。

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(责任编辑：刘菲)

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

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0502-08P427.3

文献标志码：A

通信作者：孙京,硕士,助理工程师,研究方向为大气电学,ningxiasunjing@sina.cn.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB441403);国家自然科学基金资助项目(41275008);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306069);湖北省雷电灾害防御专项(FL-Z-201401);中国气象科学研究院基本科研业务费专项资金(2010Z004)

收稿日期：2011-09-05；改回日期：2012-05-03