譚涌波 楊憶 師正 周博文 張冬冬 廖義慧

?

冰晶核化對(duì)雷暴云微物理過程和起電影響的數(shù)值模擬研究

譚涌波1, 2楊憶1, 2師正1, 2周博文1, 2張冬冬1, 2廖義慧1, 2

1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, 南京210044;2南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京210044

本文在已有的二維對(duì)流云模式中采用了一種與氣溶膠有關(guān)的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化經(jīng)驗(yàn)公式，并選取個(gè)例，分別就兩種方案進(jìn)行了模擬對(duì)比試驗(yàn)。模擬結(jié)果表明：（1）新方案所得冰晶比含水量主要分布在－0.1～－7.6°C溫區(qū)之間，高于原方案所得的－50.1～－24.2°C溫區(qū)；在整個(gè)雷暴云的發(fā)展過程中新方案冰晶的分布高度、溫度區(qū)間以及最大濃度值均大于原方案。（2）在新方案中，溫度相對(duì)較高的過冷區(qū)產(chǎn)生大量冰晶，其爭食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增長。此外，與原方案相比，霰增長受雨滴大幅減小的影響進(jìn)一步得到限制，導(dǎo)致生成的霰小于原方案，且空間分布具有較大區(qū)別。（3）兩方案在雷暴云初期形成的電荷結(jié)構(gòu)不同；在發(fā)展旺盛與消散階段新方案中電荷空間分布區(qū)域和電荷量均大于原方案，此外，在不同時(shí)刻主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)的中心高度存在差異。本文對(duì)云微物理過程及起電的分析為后繼探討氣溶膠與雷暴云起放電過程、電荷結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系提供了有利條件。

冰晶 核化方案 微物理過程 云模式

1 引言

氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系，氣溶膠可以通過吸收和散射太陽輻射直接影響地—?dú)庀到y(tǒng)的輻射平衡，也可以作為云凝結(jié)核和冰核影響云微物理過程。目前，人們對(duì)氣溶膠—云滴的相互作用了解較多，但對(duì)氣溶膠—冰晶的相互作用了解較少，冰晶粒子由可溶性氣溶膠液滴同質(zhì)核化形成或在不可溶氣溶膠粒子（冰核）幫助下異質(zhì)核化形成，異質(zhì)核化過程有多種機(jī)制，如凝華、碰觸、浸潤等，多種氣溶膠可以充當(dāng)冰核，如沙塵、黑碳、花粉等（Blyth and Latham，1993；王春明等，1997；Yin et al., 2000，2002；Murray et al., 2010；房文和鄭國光，2011）。大量觀測證明氣溶膠濃度改變對(duì)冰晶含量及冰晶尺度均有影響，其中氣溶膠對(duì)冰晶數(shù)濃度影響最為明顯，氣溶膠數(shù)濃度增加導(dǎo)致云中過冷水量增多，冰晶粒子增加，霰粒子濃度降低（van den Heever et al., 2006；Fan et al., 2007；Yang et al., 2011）；Khain（2009）使用二維云模式證明了海洋上空氣溶膠的增多會(huì)增加雷暴云中過冷水滴含量、冰晶含量以及上升風(fēng)速；在沙塵天氣系統(tǒng)下，許多學(xué)者認(rèn)為沙塵氣溶膠作為有效冰核，在低于－8°C時(shí)通過接觸凍結(jié)核化、低于－15°C時(shí)凝華核化，在－9～－30°C時(shí)依靠表面的化學(xué)物質(zhì)通過浸潤凍結(jié)核化（Pruppacher and Klett, 1997; Khain et al., 2005）；近幾年一些學(xué)者探討了生物氣溶膠（如細(xì)菌、真菌和藻類）作為冰核影響冰晶形成，尤其典型的冰核活性細(xì)菌能有效地促進(jìn)其他冰核的異質(zhì)核化過程（Morris et al., 2004；Gon?alves et al., 2012）?？梢?，氣溶膠是參與冰晶形成的主要成分，它的分布可以改變云內(nèi)的動(dòng)力以及微物理過程，尤其是對(duì)冰晶的空間分布和譜變化影響最為突出。

目前云模式中與氣溶膠數(shù)濃度和類型有關(guān)的冰晶核化方案尚少。初期的云模式中，冰晶數(shù)濃度由野外探測或云室實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，冰核活化有不同的表達(dá)式，F(xiàn)letcher（1962）認(rèn)為冰核濃度是溫度的函數(shù)，Cooper（1980）認(rèn)為冰核濃度是飽和度的函數(shù)，許煥斌等（2004）和Thompson et al.（2008）則同時(shí)考慮空氣飽和度和溫度。但完全根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到的冰晶譜與實(shí)際觀測結(jié)果存在較大差異。Cooper（1980）、Saunders and Al-Naimi（1985）收集飛機(jī)觀測和云室結(jié)果，他們的研究結(jié)果中并沒有顯示出冰晶數(shù)濃度和溫度之間很好的相關(guān)性，此外，Ryan（2000）使用模型計(jì)算的冰晶數(shù)濃度在－17°C時(shí)為8×105m–3，而在－47°C時(shí)減小到2～3×104m–3，他的結(jié)果顯示冰晶數(shù)濃度并不是隨著溫度的降低而增加；Gultepe et al.（2000）在文章中總結(jié)了四個(gè)現(xiàn)場觀測，盡管是在不同的時(shí)期和不同的地方進(jìn)行的，但冰晶數(shù)濃度的分布范圍與所對(duì)應(yīng)的溫區(qū)范圍是相似的，在溫區(qū)－46～－2°C時(shí)對(duì)應(yīng)的冰晶數(shù)濃度量級(jí)為0.001～1×106m–3，但并未發(fā)現(xiàn)冰晶數(shù)濃度和溫度之間很好的相關(guān)性。鑒于此，近幾年許多學(xué)者用基于物理過程的參數(shù)化方案取代原有的經(jīng)驗(yàn)公式，改進(jìn)對(duì)冰云的模擬，如Barahona and Nenes（2009）給出的冰晶參數(shù)化方案，該方案考慮了氣溶膠的微物理化學(xué)特征以及同質(zhì)核化和異質(zhì)核化之間的競爭，根據(jù)不同粒度分布及化學(xué)組成的氣溶膠計(jì)算了冰晶數(shù)濃度、粒度分布和最大過飽和度；Liu and Penner（2002）專門考慮了硫酸鹽氣溶膠的同質(zhì)核化和煙塵氣溶膠的異質(zhì)核化并發(fā)現(xiàn)硫酸鹽氣溶膠液滴在205 K以下，呈現(xiàn)出類似于玻璃的特性，不再發(fā)生同質(zhì)核化，并提出冰晶核化參數(shù)化方案可以很大程度上影響核化的發(fā)生概率，進(jìn)而影響冰晶數(shù)濃度以及其他物理過程；Gultepe et al.（2000）提出風(fēng)速、冰面過飽和度、氣溶膠數(shù)濃度、溫度均應(yīng)被考慮到計(jì)算冰晶數(shù)濃度的參數(shù)化方案中，這和Heymsfield and Sabin（1989）對(duì)冰相卷云的研究結(jié)論一致。此外，風(fēng)速是一個(gè)計(jì)算冰晶數(shù)濃度的重要參數(shù)，Blyth and Latham（1993）使用飛機(jī)觀測夏季積云，他們發(fā)現(xiàn)不斷增加的風(fēng)速很可能導(dǎo)致低的冰晶數(shù)濃度，而在風(fēng)速小于3 m s?1的地方冰晶數(shù)濃度很大。而冰晶對(duì)于冷云降水、云的輻射效應(yīng)、水分循環(huán)甚至平流層的水汽含量、雷暴云的起放電等均有重要影響；冰晶譜分布能夠改變冰相粒子的垂直結(jié)構(gòu)，從而改變非感應(yīng)起電率的時(shí)空分布，導(dǎo)致雷暴云內(nèi)放電屬性、放電位置以及閃電頻次產(chǎn)生差異（Rawlins，1981；周志敏和郭學(xué)良，2009；謝屹然等，2005；Kr?mer，2009；Gon?alves et al., 2012）；冰晶粒子尺度和冰晶含量等均可影響卷云輻射特征，冰晶含量增加，尺度變小可以導(dǎo)致卷云在整個(gè)短波波段的反照率增大（Rangno and Hobbs，1994；毛節(jié)泰和李成才，2005；李娟和毛節(jié)泰，2006）；冰相物理過程增強(qiáng)，抑制雨水的生成，從而影響云的微物理過程（Pruppacher and Klett，1997；Morris et al., 2004；Khain et al., 2005；陳麗等，2007；王亞玲等，2012；Gon?alves et al., 2012）。因此，如何提高云模式中對(duì)冰晶核化過程的描述能力變得日益重要。

目前，國內(nèi)現(xiàn)有云模式中冰晶核化參數(shù)方案大都采用依靠云室實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式，模擬所得的冰晶分布也與實(shí)際觀測結(jié)果存在較大差異，除此之外，也難以探討氣溶膠濃度、化學(xué)組分等對(duì)冰晶數(shù)濃度、尺度、分布等的影響?；诖?，本文在已有的二維對(duì)流云起、放電模式（譚涌波等，2006，2007，2012；Tan et al., 2006）中耦合了一個(gè)與氣溶膠有關(guān)的冰晶核化方案，取代通過云室觀測得到的經(jīng)驗(yàn)公式；通過對(duì)比模擬試驗(yàn)，探討新方案對(duì)冰晶比含水量空間分布的影響，以及新方案加入后云滴、雨滴、霰、雹比含水量空間分布發(fā)生的調(diào)整；分析新方案對(duì)五種水成物粒子比含水量、電荷結(jié)構(gòu)的影響，為繼后探討氣溶膠與雷暴云起放電過程、電荷結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系提供了有利條件。

2 模式、參數(shù)化方案及背景場介紹

2.1 模式簡介

本文利用馬明和譚涌波等學(xué)者（馬明，2004；譚涌波等，2006，2007，2012；Tan et al., 2006）在中國氣象科學(xué)研究院發(fā)展的二維對(duì)流云數(shù)值模式（胡志晉和何觀芳，1987；王謙和胡志晉，1990；于達(dá)維等，2001）的基礎(chǔ)上，先后加入二維雷暴云起、放電參數(shù)化方案，建立的二維雷暴云起、放電數(shù)值模式，該模式中微物理過程根據(jù)積云中水粒子增長、下落速度以及物理特征的不同，將它們分成云滴、雨滴、冰晶（包括雪團(tuán)）、霰（包括凍雨滴）、雹五種成分，模式包括21個(gè)預(yù)報(bào)量，與微物理過程相關(guān)的預(yù)報(bào)量有水汽、云滴、雨滴、冰晶、霰、雹的比含水量（vcrigh）和五種水成物粒子的比濃度（righ），單位分別為g kg?1和 kg?1，其中云滴比濃度c取常數(shù)（4×108kg?1）。云內(nèi)的微物理過程考慮了云中凝結(jié)蒸發(fā)、碰并、自動(dòng)轉(zhuǎn)化、核化繁生、融化凍結(jié)等，包括積雨云中27種主要微物理過程，有冰、雨、云、霰、雹的凝結(jié)（凝華）和蒸發(fā)；冰、雨、霰、雹對(duì)云滴的碰并，雨和冰的碰并，霰、雹碰并雨，霰、雹碰并冰晶；冰晶核化、繁生；云雨轉(zhuǎn)化，冰霰轉(zhuǎn)化，霰雹轉(zhuǎn)化，雨凍結(jié)成霰，霰、雹、冰融化成雨；冰晶碰并，雨滴碰并，雹的濕增長極限過程等。其中微物理過程參數(shù)化的具體方程組以及各種水成物粒子譜和下落末速度公式詳見文獻(xiàn)（胡志晉等，1987），本文不再贅述。

在已有的微物理參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上，本文選用Liu and Penner（2005）發(fā)展的冰晶核化參數(shù)化方案（簡稱LP方案）取代原來模式中所采用的游來光和石安英（1964）通過云室觀測得到的經(jīng)驗(yàn)公式（簡稱YS方案），并通過模擬對(duì)比試驗(yàn)，探討兩種方案在云微物理過程中的差異。因此除參數(shù)化方案外，模式中還需考慮氣溶膠成分。在LP方案中氣溶膠通過同質(zhì)核化或作為冰核異質(zhì)核化直接形成冰晶，此外，氣溶膠也可充當(dāng)云凝結(jié)核形成云滴，但氣溶膠—云滴這部分工作已完成，詳見文獻(xiàn)（王寧寧等，2013a，2013b），本文不再贅述。

2.2 氣溶膠設(shè)置

參考Liu and Penner（2005）的做法，氣溶膠暫作為背景場，只是為核化過程提供初始分布，而不作為模式中新的預(yù)報(bào)量。將氣溶膠簡單分為硫酸鹽氣溶膠、沙塵氣溶膠和粉塵氣溶膠，不考慮氣溶膠的譜分布，僅考慮了氣溶膠的數(shù)濃度?？紤]到布朗運(yùn)動(dòng)和重力沉降作用，氣溶膠隨高度的增加按指數(shù)關(guān)系遞減（Yin et al., 2000；王寧寧等，2013b）。其指數(shù)遞減率為

其中，0表示高度=0時(shí)的氣溶膠數(shù)濃度，n表示不同高度對(duì)應(yīng)的氣溶膠數(shù)濃度。對(duì)氣溶膠各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)初始化時(shí)，模式假設(shè)各層氣溶膠數(shù)濃度是均勻分布的，所以只需給出地面氣溶膠的初始濃度就可算出整個(gè)空間的氣溶膠分布。

2.3 新冰晶核化方案

自然云通常是固、液相混合云，冰晶是形成其他大冰相粒子的“胚胎”，在冰相云微物理過程中有著重要作用（黃美元和徐華英，1999），因此，合理確定冰晶數(shù)濃度就非常重要。LP方案考慮了與核化有關(guān)的諸多因素，下面簡單介紹一下耦合進(jìn)云模式中的新核化方案。LP方案結(jié)合了Meyers et al.（1992，1994）、Liu and Penner（2002）給出的接觸凍結(jié)核化、浸潤核化、沉積核化計(jì)算理論，K?rcher and Lohmann（2002a，2002b）通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到的硫酸鹽同質(zhì)核化方案，以及K?rcher and Lohmann（2003）在同質(zhì)核化框架下得到的異質(zhì)核化方案等。該方案中發(fā)生同質(zhì)核化的為硫酸鹽氣溶膠，發(fā)生異質(zhì)核化的為粉塵氣溶膠和沙塵氣溶膠。在一定溫度和上升速度情況下，若有冰核的幫助，異質(zhì)核化能發(fā)生在過飽和度（相對(duì)于冰）較低情況下，若冰核數(shù)目較少（小于10 L?1），生成的冰晶少，對(duì)水汽的消耗相對(duì)也小，過飽和度還可以繼續(xù)上升，當(dāng)過飽和度達(dá)到同質(zhì)核化所要求時(shí)（至少0.4以上），同質(zhì)核化便可發(fā)生。通常過冷氣溶膠溶液滴濃度很高，一旦有同質(zhì)核化發(fā)生，便生成大量冰晶，過飽和度立即下降。因此，同質(zhì)核化持續(xù)時(shí)間很短。若冰核的數(shù)濃度足夠多，異質(zhì)核化生成的冰晶可阻止上升到同質(zhì)核化所需的過飽和度，同質(zhì)核化不再發(fā)生，可見同質(zhì)核化和異質(zhì)核化之間還存在競爭關(guān)系（Liu and Penner，2005；Barahona and Nenes，2009）。在LP方案中，在給定的氣溶膠數(shù)濃度和氣塊兒上升速度情況下，首先依據(jù)溫度判斷同質(zhì)核化是否會(huì)發(fā)生，這個(gè)溫度閾值（定義為c）是氣溶膠數(shù)濃度和上升風(fēng)速的函數(shù)，當(dāng)氣塊兒溫度高于c時(shí)，同質(zhì)核化不可能發(fā)生，冰晶來自異質(zhì)核化。當(dāng)溫度小于c－5時(shí)，同質(zhì)核化發(fā)生，冰晶主要來自同質(zhì)核化，僅由同質(zhì)核化計(jì)算。當(dāng)溫度在c－5到c之間時(shí)，為過度區(qū)間，由同質(zhì)核化和異質(zhì)核化共同計(jì)算。下面簡單介紹參數(shù)方案主要步驟。

（1）求溫度閾值：

其中，dust+soot表示總的沙塵氣溶膠和粉塵氣溶膠的數(shù)濃度（m?3），為上升速度（m s?1），c表示溫度閾值，單位采用°C。

（2）若－64.0≤≤c－5.0，可能發(fā)生同質(zhì)核化：

Rw為濕度閾值，若氣塊濕度超過閾值Rw，同質(zhì)核化才發(fā)生，方案中，將同質(zhì)核化分成兩類情況分別處理。一是冰晶快速增長，二是冰晶緩慢增長。依據(jù)溫度和上升速度的關(guān)系，判斷屬于哪種情況。

（一）當(dāng)＞6.07×ln()－55.0時(shí)，冰晶快速增長，冰晶快增長公式為

（二）當(dāng)≤6.07×ln()－55.0時(shí)，冰晶增長緩慢，冰晶慢增長公式為

其中，1212312為給定系數(shù)或是與風(fēng)速、溫度有關(guān)的量，a表示硫酸鹽氣溶膠溶的數(shù)濃度（m?3），ia表示硫酸鹽氣溶膠同質(zhì)核化生成的冰晶數(shù)濃度。

（3）若c≤≤－5.0發(fā)生異質(zhì)核化

（一）沙塵氣溶膠發(fā)生沉積核化，計(jì)算公式為

id=1×10?3×exp{?0.639+0.1296[100×(Ri?1)]},（7）

其中，Ri為冰面相對(duì)濕度，id表示沙塵氣溶膠異質(zhì)核化生成的冰晶數(shù)濃度。

（二）粉塵氣溶膠發(fā)生浸潤核化，計(jì)算公式為

其中，11122122111221、22為給定系數(shù)，s表示粉塵氣溶膠的數(shù)濃度（m?3），is表示粉塵氣溶膠異質(zhì)核化生成的冰晶數(shù)濃度。

（4）c－5.0＜＜c同質(zhì)核化和異質(zhì)核化同時(shí)發(fā)生

（一）＜－40.0°C并且＞1.0 m s?1，同質(zhì)核化占主導(dǎo)抑制異質(zhì)核化的發(fā)生，只考慮同質(zhì)核化。

（二）其他情況下兩者同時(shí)發(fā)生，冰晶數(shù)濃度的計(jì)算公式為

其中i表示同質(zhì)核化和異質(zhì)核化同質(zhì)發(fā)生時(shí)生成的冰晶數(shù)濃度。

（5）冰晶比濃度和比含水量的計(jì)算公式為

其中，ice為氣溶膠核化生成的冰晶數(shù)濃度，表示空氣密度，i0=10?10 g為單個(gè)冰晶的質(zhì)量，i和i分別表示最終計(jì)算得到的冰晶比濃度和比含水量。

2.4 背景場介紹

圖1為2005年6月10日20:00（北京時(shí)，下同）長春站環(huán)境溫、濕層結(jié)，0°C層位于685 hPa左右，地面溫度為21°C左右，露點(diǎn)溫度為14°C左右。低層大氣相對(duì)濕度為40%～75%，在400～600 hPa間層結(jié)呈現(xiàn)弱的熱力不穩(wěn)定狀態(tài)。周志敏等（2012）使用三維強(qiáng)風(fēng)暴冰雹分檔模式對(duì)此探空個(gè)例進(jìn)行了模擬和分析證明為強(qiáng)降雹個(gè)例，且該次對(duì)流過程發(fā)展迅速且強(qiáng)烈，過程伴有雷鳴和閃電，表明云內(nèi)電場能發(fā)展到擊穿閡值，因此該探空曲線適合用來模擬一次雷暴過程。在初始時(shí)間給出了一個(gè)水平半徑為5 km，垂直半徑為1 km的濕熱泡擾動(dòng)，中心位于模擬區(qū)域中心左側(cè)，高度為1 km的格點(diǎn)上，垂直擾動(dòng)半徑為40 km，水平擾動(dòng)半徑為6 km，溫度擾動(dòng)和濕度擾動(dòng)分別取0.5 K和72%，從中心向外以余弦函數(shù)遞減。模式的計(jì)算域?yàn)?6 km×20 km，模擬時(shí)間為80 min，時(shí)間步長2 s。地面氣溶膠的初始濃度參考2006年春季飛機(jī)在天津—唐山一帶進(jìn)行航測得到的觀測資料（楊素英等，2010），沙塵氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠的地面初始濃度取100 m?3，粉塵氣溶膠地面初始濃度取10 m?3。

圖1 環(huán)境溫、濕層結(jié)：（a）露點(diǎn)溫度和環(huán)境溫度；（b）相對(duì)濕度

3 結(jié)果分析

3.1 冰晶比含水量的空間分布對(duì)比驗(yàn)證

在耦合新冰晶核化方案的二維起、放電云模式的基礎(chǔ)上，對(duì)YS經(jīng)驗(yàn)公式和LP方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。核化方案直接影響冰晶空間分布，其他微物理過程受冰晶核化的影響發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而造成水成物粒子空間分布發(fā)生調(diào)整，因此有必要將模擬得到的冰晶空間分布與國內(nèi)外一些模擬和觀測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。若LP方案得到的冰晶空間分布正確，本文認(rèn)為由核化引起的其他云內(nèi)水成物粒子（云滴、雨滴、霰、雹）空間分布變化也是合理的。

圖2給出了LP方案和YS方案i在31、35、45、55、65、75 min的空間分布。從圖2可以明顯看出：（1）在冰晶發(fā)生核化的初始階段（雷暴云發(fā)展至31～40 min），兩種不同核化方案背景下，冰晶出現(xiàn)的高度差異明顯，其中LP方案下的冰晶中心高度在6 km左右，而YS方案冰晶則出現(xiàn)在8 km左右，相比YS方案，LP方案中濃度大于0.1 g kg?1的冰晶垂直空間分布區(qū)域更大；（2）40～65 min為核化發(fā)展最為旺盛階段，LP方案和YS方案下模擬得到的冰晶空間分布情況存在明顯區(qū)別，LP方案中冰晶空間分布區(qū)域大于YS方案，除45 min在 10 km左右處的冰晶水平分布增大外，此階段濃度大于0.5 g kg?1的冰晶垂直高度區(qū)間同樣增加明顯，例如：在45 min時(shí)刻，耦合LP方案后濃度大于0.5 g kg?1冰晶的垂直分布區(qū)間由YS方案中的6.0～8.8 km范圍變?yōu)?.3～9.0 km，此外，在旺盛階段LP方案中的冰晶最大濃度值大于YS方案；（3）在雷暴云消散階段（65～75 min），濃度大于0.5 g kg?1的冰晶存在高度區(qū)間和最大濃度值依然大于YS方案。

圖2 冰晶比含水量的空間分布：（a）冰晶核化參數(shù)化方案（LP方案）；（b）云室觀測經(jīng)驗(yàn)公式（YS方案）

為了更加細(xì)致的了解兩種不同冰晶核化方案對(duì)冰晶空間分布的影響，表1給出了i在不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的空間分布高度和溫度區(qū)間。從表1可以看出：（1）雷暴云發(fā)展至35 min時(shí)（冰晶核化發(fā)生初始階段），LP方案中濃度大于0.1 g kg?1的冰晶分布在4.2～7.5 km高度區(qū)間以及－14.6～－40.7°C溫度區(qū)間，YS方案則分布在7.2～8.4 km，－39.2～－46.9°C，因此，LP方案和YS方案高度區(qū)間段和溫區(qū)段分別為3.3 km，26.1°C和1.2 km，7.7°C，LP方案高度區(qū)間段是YS方案的2.8倍，溫度區(qū)間段是YS方案的3.4倍；（2）40～65 min 為核化發(fā)展旺盛階段，來自LP方案中的濃度大于0.5 g kg?1的冰晶垂直空間分布為：3.3～9.0 km，－7.6～－50.1°C，而YS方案中其分布在5.5～9.0 km，－24.2～－50.1°C，即LP方案和YS方案高度區(qū)間段和溫區(qū)段分別為5.7 km，42.5°C和3.5 km，25.9°C，此時(shí)LP方案高度區(qū)間段和溫度區(qū)間段是YS方案的1.6倍；（3）在雷暴云的消散階段（65～80 min），不同方案中濃度大于0.5 g kg?1的冰晶空間分布同樣存在差異，LP方案（高度區(qū)間：3.5～8.5 km，溫度區(qū)間：－9.1～－49.1°C）和YS方案（高度區(qū)間：5.9 km～8.7 km，溫度區(qū)間：－27.8～－48.5°C）高度區(qū)間段和溫度區(qū)間段分別為5.0 km，40.0°C和2.8 km，20.7°C，LP方案高度區(qū)間段是YS方案的1.8倍，溫度區(qū)間段是YS方案的1.9倍。從整體來看，LP方案得到的冰晶空間分布高度和溫度區(qū)間分別在3.3～9.0 km，－50.1～－7.6°C范圍內(nèi)，YS方案背景下核化發(fā)生在5.5～9.0 km，－50.1～－24.2°C。

由此可見，在雷暴云整個(gè)發(fā)展過程中，與YS方案相比LP方案得到的冰晶高度以及溫度分布區(qū)間要更大。YS方案產(chǎn)生的冰晶主要集中在低溫區(qū)（小于－25°C），在大于－25°C的溫區(qū)幾乎沒有冰晶存在，而LP方案在高溫區(qū)（大于－25°C）和低溫區(qū)（小于－25°C）均有大量冰晶存在，且LP方案在整個(gè)雷暴云的發(fā)展過程中冰晶的分布高度、溫度區(qū)間以及最大濃度值均大于YS方案。

表1 LP和YS方案值較大的Qi在不同時(shí)刻的分布高度和溫區(qū)

注：表中的高度和溫區(qū)僅考慮了值較大的i（模擬時(shí)間35 min為i大于0.1 g kg?1的分布，其余時(shí)刻均為i大于0.5 g kg?1的分布）

模式中與i有關(guān)的源項(xiàng)為核化過程、冰晶繁生以及新生冰晶和云滴的碰并，而核化產(chǎn)生的冰晶量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩項(xiàng)，對(duì)i產(chǎn)生影響的主要為核化過程（孔凡鈾等，1991a，1991b）。模式中冰晶比濃度變化率和單個(gè)冰晶質(zhì)量（模式中冰晶質(zhì)量取定值）的乘積為比含水量變化率，所以核化產(chǎn)生的冰晶數(shù)濃度直接影響i的空間分布。因此造成以上現(xiàn)象的主要原因是不同冰晶核化方案得到的冰晶譜不同進(jìn)而造成i空間分布差異很大（Fletcher，1962；Huffman，1973；Meyers et al., 1992；肖輝等，2012）。YS方案中基于云室觀測得到的冰晶譜分布很難觀測到每個(gè)溫度下的冰晶數(shù)濃度，只是按照溫度高低選取幾個(gè)溫度，記錄冰晶的日變化，根據(jù)這幾個(gè)高低不同溫度所對(duì)應(yīng)的冰晶數(shù)濃度的變化趨勢建立與溫度相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，但由于氣溶膠種類不同以及隨高度變化的空間分布，溫度、濕度、壓強(qiáng)等隨高度的變化，以及不同地區(qū)不同條件下冰核譜分布的差異等，所以傳統(tǒng)的以溫度為函數(shù)的YS經(jīng)驗(yàn)公式存在不準(zhǔn)確性（游來光和石安英，1964；楊磊等，2013）。原方案采用YS經(jīng)驗(yàn)公式隨溫度的降低呈e指數(shù)遞增，只是針對(duì)具體條件對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行了修訂和限制如在云水含量較低或過飽和度為0的空間，核化不發(fā)生，在溫度大于－40°C時(shí)，冰晶數(shù)濃度隨著溫度的降低而增加，低于－40°C時(shí)按照 －40°C計(jì)算，所以在高溫區(qū)（大于－25°C），核化產(chǎn)生的冰晶量極少，在－40°C左右為冰晶主要集中的溫區(qū)，而LP方案中用氣溶膠計(jì)算冰晶數(shù)濃度， 生成的冰晶數(shù)濃度與溫度、過飽和度和上升風(fēng)速等多個(gè)量相關(guān)，所以冰晶數(shù)濃度并不同經(jīng)驗(yàn)公式隨著溫度的降低而增加，它與溫度并無直接的相關(guān)性，而是與風(fēng)速、相對(duì)與冰的過飽和度，和氣溶膠數(shù)濃度、溫度等多個(gè)物理量有關(guān)，考慮的更為全面（Heymsfield and Sabin, 1989；Meyers et al., 1992；Gultepe et al., 2000）。

關(guān)于冰晶分布已有大量的模擬和探測資料，許多學(xué)者（Cooper, 1980；Saunders and Al-Naimi, 1985；Meyers et al., 1992；Heymsfield and Milosohevich, 1993；Ryan, 2000）收集飛機(jī)觀測和云室結(jié)果，研究顯示冰晶數(shù)濃度主要集中在106m?3，它并不是隨著溫度的降低而呈e指數(shù)增加，并未發(fā)現(xiàn)冰晶數(shù)濃度和溫度之間很好的相關(guān)性。由于YS方案冰晶數(shù)濃度隨溫度的降低呈e指數(shù)增加造成核化主要發(fā)生在低溫區(qū)（小于－25°C），顯然YS方案高估了低溫區(qū)冰晶的核化能力。此外，YS方案在高溫區(qū)（大于－25°C）幾乎無冰晶的存在，但研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠粒子在云水過飽和度更高的條件下，在大于－12°C時(shí)可自發(fā)發(fā)生核化產(chǎn)生高達(dá)106m?3的冰晶濃度，沙塵氣溶膠在低于－8°C時(shí)通過接觸凍結(jié)核化、低于－15°C發(fā)生凝華核化（Rangno and Hobbs, 1985；Levin et al., 2005；李磊，2007），可見YS方案中基于云室觀測得到的經(jīng)驗(yàn)公式低估了高溫區(qū)（大于－25°C）冰晶核化能力，此外許多探空觀測也證實(shí)了這一點(diǎn)，如CCOPE實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)光學(xué)冰粒子計(jì)數(shù)器和二維云探針測量和觀測以及一些資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果證明冰晶在云中－15～－4°C，平均濃度在4×105m?3左右，最高濃度可達(dá)106m?3左右（Turner and Radke, 1973；Knollenberg, 1981）。

綜上所述，LP方案中冰晶數(shù)濃度并不同YS方案隨溫度的降低呈e指數(shù)增加，而是與上升風(fēng)速、相對(duì)與冰的過飽和度、氣溶膠數(shù)濃度、氣溶膠種類和溫度等多個(gè)物理量有關(guān)，造成新核化方案和YS經(jīng)驗(yàn)公式得到的i空間分布存在明顯差異，主要體現(xiàn)在LP方案和YS方案冰晶核化發(fā)生的主要高度和溫度區(qū)間分別集中在3.3～9.0 km，－50～ －7.6°C左右和5.5～9.0 km，－50.1～－24.2°C左右，YS方案冰晶主要集中在低溫區(qū)（小于－25°C），在高溫區(qū)（大于－25°C）幾乎無冰晶的存在，而LP方案冰晶的空間分布高度和溫度區(qū)間大于YS方案，在高溫區(qū)和低溫區(qū)均分布大量的冰晶，通過對(duì)比國內(nèi)外的相關(guān)探測和模擬結(jié)果來看新的核化方案要比原經(jīng)驗(yàn)公式更為合理。

3.2 五種水成物粒子比含水量的變化

雷暴云中起、放電特征，依賴于云中微物理過程的發(fā)展和各粒子的空間分布特征，其中在非感應(yīng)和感應(yīng)起電機(jī)制下粒子所得到的電荷量大小、主負(fù)電荷區(qū)高度、以及電荷載體等均與各水成物粒子的空間分布相關(guān)，由此可見微物理過程的發(fā)展和各水成物粒子的空間分布特征和雷暴云的起電存在密切而又復(fù)雜的關(guān)系（言穆弘等，1996；孫平安等，2000；謝屹然等，2005），本文在二維對(duì)流云起、放電模式中耦合一個(gè)新冰晶核化方案，取代通過云室觀測得到的經(jīng)驗(yàn)公式后，致使核化過程發(fā)生變化，進(jìn)而影響其他微物理過程的變化，水成物粒子空間分布和數(shù)值大小勢必會(huì)改變？通過詳細(xì)討論兩方案引起的不同微物理過程變化，所導(dǎo)致的各水成物粒子的空間分布的不同，能為繼后分析雷暴云起電提供理論依據(jù)。

3.2.1 對(duì)比含水量最大值的影響

圖3給出了各水成物最大比含水量（max）隨模擬時(shí)間的變化；其中圖3a為以YS經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的冰晶數(shù)濃度各水成物最大比含水量隨模擬時(shí)間的變化；圖3b為耦合了LP參數(shù)化方案后各水成物最大比含水量隨模擬時(shí)間的變化。表2給出了各水成物最大比含水量的峰值以及到達(dá)峰值的時(shí)間。

圖3 LP方案和YS方案各水成物最大比含水量（Qmax）隨模擬時(shí)間的變化：（a）LP方案；（b）YS方案。Qc、Qr、Qi、Qg、Qh分別代表云滴、雨滴、冰晶、霰、雹的比含水量

新冰晶核化方案對(duì)冰晶和霰的影響最大，進(jìn)而對(duì)雨滴等含量也有很大影響。對(duì)云滴和雨滴的影響主要從17 min和30 min后開始，加入氣溶膠后使云水消耗變快，雨滴在34 min后出現(xiàn)急劇下降56 min后又緩慢回升的過程，在42 min時(shí)雨滴出現(xiàn)0.0000012 g kg?1的極小值。這主要是由于高溫時(shí)（大于－25°C）LP方案中的冰晶數(shù)濃度高于YS方案中的，加入氣溶膠后，在溫度較高的過冷區(qū)中產(chǎn)生大量的冰晶，爭食云中的水分，由于貝吉龍效應(yīng)（Bergeron），冰晶生長比過冷云滴和小雨滴快得多，使得大量過冷水提前凍結(jié)而轉(zhuǎn)化到冰相粒子上，同時(shí)，減慢過冷云滴的生長及其向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化速率，所以云中高溫冰晶數(shù)濃度高導(dǎo)致云中液態(tài)水提早消耗，阻止云滴的凝結(jié)增長和雨滴的長大（胡志晉等，1987）。此外，冰晶數(shù)濃度最大量級(jí)集中在35～60 min左右，因此在35～60 min時(shí)，冰晶數(shù)濃度是整個(gè)雷暴云中值最大的時(shí)段，此時(shí)有大量冰晶和雨滴發(fā)生碰撞，消耗掉雨滴，這是雨滴比含水量出現(xiàn)急劇下降的主要原因，隨后的緩慢回升是由于高空中的霰和冰晶在0°C層下融化造成的（Pruppacher and Klett，1997；肖輝等，2004；劉校辰，2006；楊慧玲等，2011）。

表2 LP方案和YS方案各水成物粒子最大比含水量的峰值以及到達(dá)的時(shí)間

與霰比含水量有關(guān)的微物理過程繁多，有冰晶碰并霰，冰晶碰并雨滴，雨滴碰并冰晶，霰碰并云滴，雨滴凍結(jié)成霰，冰晶轉(zhuǎn)化為霰、云滴自動(dòng)轉(zhuǎn)化成霰等，對(duì)比YS方案，其中造成Q值變化較大的物理過程有：雨滴凍結(jié)成霰和冰晶和雨滴間的碰并。LP方案得到的g值基本均小于YS方案，其主要原因是r在這時(shí)段大幅度減小，致使雨滴凍結(jié)成霰和雨滴碰并冰晶兩個(gè)物理過程要比YS方案減弱很多。

從圖3可看出：LP方案的i最大值基本均大于YS方案中的i。冰晶核化參數(shù)化方案可以很大程度上影響核化的發(fā)生概率，進(jìn)而影響冰晶數(shù)濃度以及其他微物理過程，不同的核化方案得到冰晶譜不同，必然會(huì)造成i在出現(xiàn)時(shí)間、峰值大小等方面差異，如Ｍeyer et al.（1992）的參數(shù)化公式，在較暖的溫區(qū)可給出較高的活化冰晶數(shù)濃度；而Fletcher（1962）和Huffman（1973）的參數(shù)化公式，在較低的溫區(qū)則產(chǎn)生出較高的活化冰晶數(shù)濃度。

相比YS方案雹的比含水量有所減小，與雹的形成和增長有關(guān)的過程有：雹碰并霰，霰雹自動(dòng)轉(zhuǎn)化，雹的凝華增長，雨滴碰并雹，冰晶碰并雹等，大多數(shù)物理過程都有不同程度的減弱，其中減弱最為明顯的是霰向雹的自動(dòng)轉(zhuǎn)化和雹的增長過程，前者減弱的主要原因是，氣溶膠加入后使大霰粒子所占比例減小，從而造成霰向雹的轉(zhuǎn)化率減??；后者減小的主要原因是，雹的增長過程與雹比濃度和雹的直徑有關(guān)，氣溶膠的加入使雹比濃度和直徑均減小，所以造成h的減小。

3.2.2 云滴、雨滴、霰、雹比含水量空間分布的變化

如圖4所示由LP方案得到的云滴和雨滴空間分布不同于YS方案，造成這種現(xiàn)象的原因同上述造成云滴和雨滴比含水量值不同的原因，新核化方案在溫度較高的過冷區(qū)中產(chǎn)生大量的冰晶，爭食云中的水分，由于貝吉龍效應(yīng)，冰晶生長比過冷云滴和小雨滴快得多，使得大量的過冷水提前凍結(jié)而轉(zhuǎn)化到各種冰相粒子上，同時(shí)，減慢過冷云滴的生長及其向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化速率，所以云中高溫冰晶數(shù)濃度高導(dǎo)致云中液態(tài)水提早消耗，阻止云滴的凝結(jié)增長和雨滴的長大。此外，生成的冰晶和雨滴發(fā)生碰撞，消耗掉雨滴，這也是LP方案得到的雨滴在核化階段小于由YS方案得到的雨滴的原因。隨后雨滴的緩慢回升是由于高空中的霰和冰晶在0°C層下融化造成的。

除上述提到的g值小于由YS方案計(jì)算得到的值外，從圖4可以看到另一個(gè)最大不同是g在4 km以下的空間分布，LP方案得到的g在40 min時(shí)全部分布在4 km以上，在45 min時(shí)g全部分布在2.3 km以上，在50 min時(shí)g全部分布在2.2 km以上，在55 min時(shí)g全部分布在2.1 km以上，而YS方案得到的g在40 min時(shí)全部分布在1.5 km以上，在45 min時(shí)g全部分布在0.5 km以上，在50 min時(shí)g全部分布在0.7 km以上，在55 min時(shí)g全部分布在1.0 km以上。4 km以下g的空間 分布主要受雨滴影響，從圖3可知由LP方案得到的雨滴在35～60 min為整個(gè)雷暴云峰谷階段，此階段LP方案的r要小于YS方案4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此大幅度的減弱了雨滴凍結(jié)成霰，雨滴碰并冰晶生成霰，雨滴碰并霰生成霰三個(gè)物理過程，這是導(dǎo)致g在 4 km 以下的空間分布不同于YS方案的主要原因。

圖4 云滴、雨滴、霰比含水量的空間分布：（a、b、c）LP方案；（d、e、f）YS方案

由于h的值相比其他四種水成物粒子值極小且有的時(shí)段為0，所以圖略。LP方案得到的雹比含水量空間分布范圍和值均要小于YS方案，原因同上述，與雹有關(guān)的多個(gè)物理過程均有不同程度的減弱。

3.3 電荷結(jié)構(gòu)空間分布的變化

在起電過程中，冰晶—霰（軟雹）的非感應(yīng)碰撞過程是雷暴云中主要荷電機(jī)制，因此冰晶的物理特征、出現(xiàn)時(shí)間等影響電過程的強(qiáng)弱、主負(fù)電荷區(qū)的高度及分布區(qū)域、和電荷載體等（孫安平等2002，2004）；此外，冰晶—霰（軟雹）的非感應(yīng)碰撞過程是雷暴云中強(qiáng)電場產(chǎn)生的根本原因，因?yàn)楦袘?yīng)起電需要在一定的雷暴環(huán)境電場作用下發(fā)生，因此冰晶粒子又間接影響感應(yīng)起電過程，而氣溶膠是參與冰晶形成的主要成分，它的分布特征不僅改變高層冰晶的分布，而且還通過核化過程影響云的微物理過程，而雷暴云的起電機(jī)制，依賴云中微物理過程的發(fā)展和各粒子的空間分布特征，尤其是冰相粒子的分布特征，由3.1節(jié)知，考慮氣溶膠后的核化方案得到的冰晶空間分布和原經(jīng)驗(yàn)公式得到的冰晶空間分布特征存在明顯差別，霰、雨滴、云滴、雹四種粒子的空間分布也略有不同，雷暴云的起電機(jī)制與云微物理過程以及水成物粒子息息相關(guān)，因此考慮氣溶膠后的核化方案必然對(duì)雷暴云內(nèi)起電過程產(chǎn)生影響。

圖5給出了LP方案和YS方案雷暴云在39、45、55、70 min四個(gè)時(shí)刻的空間電荷結(jié)構(gòu)分布，從圖5可以明顯看出：（1）在雷暴云初期時(shí)刻，LP方案和YS方案模擬得到的電荷結(jié)構(gòu)空間分布情況存在明顯區(qū)別，LP方案中為四極性電荷結(jié)構(gòu)，而YS方案中則為偶極性電荷結(jié)構(gòu)；（2）在雷暴云發(fā)展旺盛與消散階段（40～80 min），兩種不同核化方案背景下，電荷的空間分布差異明顯，LP方案中電荷空間分布區(qū)域和電荷量均大于YS方案；（3）在整個(gè)雷暴云的發(fā)展過程中兩方案模擬得到的主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)的中心高度不同。

圖5 電荷結(jié)構(gòu)的空間分布：（a）LP方案；（b）YS方案

由此可見，在雷暴云整個(gè)發(fā)展過程中，LP方案與YS方案在不同時(shí)刻得到的空間電荷在雷暴云初期結(jié)構(gòu)不同，在發(fā)展旺盛與消散階段LP方案中電荷空間分布區(qū)域和電荷量均大于YS方案，此外，在不同時(shí)刻主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)的中心高度不同。

4 結(jié)論

利用耦合了新冰晶核化方案的二維對(duì)流云起、放電模式對(duì)長春地區(qū)降雹型強(qiáng)雷暴個(gè)例的微物理特征和起電過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了新的核化方案較原計(jì)算冰晶數(shù)濃度的經(jīng)驗(yàn)公式更為合理，分析了LP方案的加入造成雷暴云一些微物理過程與電荷結(jié)構(gòu)不同于YS方案的原因，得到以下結(jié)論：

（1）冰晶數(shù)濃度在LP方案中與上升風(fēng)速、相對(duì)與冰的過飽和度、氣溶膠數(shù)濃度、氣溶膠種類和溫度等多個(gè)物理量有關(guān)，而在YS方案隨溫度的降低呈e指數(shù)增加，造成新核化方案和原經(jīng)驗(yàn)公式得到的i空間分布差異明顯，主要體現(xiàn)在LP方案和YS方案冰晶核化發(fā)生的主要高度和溫度區(qū)間分別集中在3.3～9.0 km，－50.1～－7.6°C左右和5.5～9.0 km，－50.1～－24.2°C左右，YS方案冰晶主要集中在低溫區(qū)（小于－25°C），在高溫區(qū)（大于 －25°C）幾乎無冰晶的存在，而LP方案在高溫區(qū)和低溫區(qū)均分布大量的冰晶，在整個(gè)雷暴云的發(fā)展過程中LP方案冰晶的分布高度、溫度區(qū)間以及最大濃度值均大于YS方案。通過對(duì)比國內(nèi)外的相關(guān)探測和模擬結(jié)果來看新的核化方案要比原經(jīng)驗(yàn)公式更加合理。

（2）冰晶核化方案的改變使五種水成物粒子的空間分布發(fā)生了調(diào)整，相比YS方案的模擬結(jié)果，LP方案中高溫冰晶數(shù)濃度高導(dǎo)致云中液態(tài)水提早消耗，阻止云滴的凝結(jié)增長和雨滴的長大；雨滴凍結(jié)成霰、雨滴碰并冰晶生成霰、雨滴碰并霰生成霰等多個(gè)物理過程發(fā)生變化，造成LP方案得到的g值小于YS方案，在4 km以下的空間分布不同于YS方案的模擬結(jié)果；與雹的形成和增長有關(guān)的過程基本均有不同程度減弱，減弱最為明顯的是霰向雹的自動(dòng)轉(zhuǎn)化和雹的增長兩個(gè)微物理過程。

（3）雷暴云的起電機(jī)制與云微物理過程以及水成物粒子息息相關(guān)，尤其是冰相粒子的空間分布，LP方案與YS方案對(duì)云的微物理過程影響不同，得到的冰晶空間分布差異明顯，造成在雷暴云整個(gè)發(fā)展過程中，LP方案與YS方案在不同時(shí)刻得到的空間電荷在雷暴云初期結(jié)構(gòu)不同，在發(fā)展旺盛與消散階段LP方案中電荷空間分布區(qū)域和電荷量均大于YS方案，此外，主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)的中心高度不同。

5 展望

本文利用與氣溶膠有關(guān)的冰晶核化方案取代原云室觀測得到的經(jīng)驗(yàn)公式后，通過對(duì)比模擬試驗(yàn)證明核化方案對(duì)云的微物理過程影響明顯，特別是冰晶的空間分布，而雷暴云中的起電過程與冰相粒子的物理特征息息相關(guān)，因此本文利用耦合新核化方案的云模型初步探討了氣溶膠—冰晶對(duì)雷暴云內(nèi)起電過程的影響，而氣溶膠譜分布、化學(xué)成分等如何影響雷暴云起、放電過程將是下一步的工作重點(diǎn)。此外，氣溶膠不僅能夠充當(dāng)云凝結(jié)核活化成為云滴，而且可以成為冰核核化生成冰晶粒子，而云滴和冰晶是雷暴云中主要荷電貢獻(xiàn)粒子，因此氣溶膠如何影響雷暴云起電過程、電荷結(jié)構(gòu)等成為今后的主要工作方向。

（References：）

Barahona D, Nenes A. 2009. Parameterizing the competition between homogeneous and heterogeneous freezing in ice cloud formation— Polydisperse ice nuclei [J]. Atmos. Chem. Phys., 9 (16): 5933–5948.

Blyth A M, Latham J. 1993. Development of ice and precipitation in New Mexican summer time cumulus clouds [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 119 (509): 91–120.

陳麗, 銀燕, 楊軍, 等. 2007. 沙塵氣溶膠對(duì)云和降水影響的模擬研究 [J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào), 30 (5): 590–600. Chen Li, Yin Yan, Yang Jun, et al. 2007. Effects of sand dust particles on cloud and precipitation: A numerical study [J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology (in Chinese), 30 (5): 590–600.

Cooper W A. 1980. A method of detecting contact ice nuclei using filter samples [C]. Preprints, Eighth International Conf. on Cloud Physics, Clermont-Ferrand, France, 665–668.

Fan J, Zhang R, Li Guohui, et al. 2007. Effects of aerosols and relative humidity on cumulus clouds [J]. J. Geophys. Res., 112: D14204, doi:10. 1029/2006JD008136.

房文, 鄭國光. 2011. 巨核對(duì)暖云降水影響的模擬研究 [J]. 大氣科學(xué), 35 (5): 938–944. Fang Wen, Zheng Guoguang. 2011. The effect of giant cloud condensation nuclei on warm-cloud precipitation [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 35 (5): 938-944.

Fletcher N H. 1962. Physics of Rain Clouds [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 386pp.

Gon?alvesl F L T, Martins J A, Albrecht R I. 2012. Effect of bacterial ice nuclei on the frequency and intensity of lightning activity inferred by the BRAMS model [J]. Atmos. Chem. Phys., 12 (13): 5677–5689.

Gultepe I, Isaac G A, Hudak D, et al. 2000. Dynamical and microphysical characteristics of Arctic clouds during BASE [J]. J. Climate, 13 (7): 1225–1254.

Heymsfield A J, Sabin R M. 1989. Cirrus crystal nucleation by homogenous freezing of solution droplets [J]. J. Atmos. Sci., 46 (14): 2252–2264.

Heymsfield A J, Milosovich L M. 1993. Homogenous ice nucleation and supercooled liquid water in orographic wave clouds [J]. J. Atmos. Sci., 50 (15): 2335–2353.

胡志晉, 何觀芳. 1987. 積雨云微物理過程的數(shù)值模擬（一）微物理模式 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 45 (4): 467–484. Hu Zhijin, He Guanfang. 1987. Numerical simulation of microprocesses in cumulonimbus cloud (I)—Microphysical model [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 45 (4): 467–484.

黃美元, 徐華英. 1999. 云和降水物理 [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 218–291. Huang Meiyuan, Xu Huaying. 1999. Physics of Cloud and Precipitation [M]. Beijing: Science Press (in Chinese), 218–291.

Huffman P. 1973. Supersaturation dependence of ice nucleation by deposition for silver-iodide and natural aerosols [J]. DAI., 34 (05): 2224.

K?rcher B, Lohmann U. 2002a. A parameterization of cirrus cloud formation: Homogeneous freezing of supercooled aerosols [J]. J. Geophys. Res., 107 (D2): AAC 4-1–AAC 4?10, doi:10.1029/ 2001JD000470.

K?rcher B, Lohmann U. 2002b. A parameterization of cirrus cloud formation: Homogeneous freezing including effects of aerosol size [J]. J. Geophys. Res., 107 (D23): AAC 9-1–AAC 9?10, doi:10.1029/ 2001JD001429.

K?rcher B, Lohmann U. 2003. A parameterization of cirrus cloud formation: Heterogeneous freezing [J]. J. Geophys. Res., 108 (D14), doi:10.1029/ 2002JD003220.

Khain A P. 2009. Notes on state-of-the-art investigations of aerosol effects on precipitation: A critical review [J]. Environ. Res. Lett., 4 (1): 15004, doi:10.1088/1748-9326/4/1/015004.

Khain A, Rosenfeld D, Pokrovsky A. 2005. Aerosol impact on the dynamics and microphysics of deep convective clouds [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 131 (611): 2639–2663.

Knollenberg R G. 1981. Techniques for probing cloud microstructure [M]// Cloud, Their Formation, Optical Properties and Effects, Hobbs P V, Deepak A, Eds. New York: Academic Press, 15–91.

孔凡鈾, 黃美元, 徐華英. 1991a. 冰相過程在積云發(fā)展中的作用的三維數(shù)值模擬研究 [J]. 中國科學(xué): 化學(xué), 21 (9): 1000–1008. Kong Fanyou, Huang Meiyuan, Xu Huaying. 1991a. The 3D numerical simulation study on effect of ice phase processes in convective cloud in cumulus developing [J]. Science China: Chemistry (in Chinese), 21 (9): 1000–1008.

孔凡鈾, 黃美元, 徐華英. 1991b. 對(duì)流云中冰相過程的三維數(shù)值模擬Ⅱ: 繁生過程作用 [J]. 大氣科學(xué), 15 (6): 78–88. Kong Fanyou, Huang Meiyuan, Xu Huaying. 1991b. Three-dimensional numerical simulation of ice phase microphysics in cumulus clouds. Part II: Effects of multiplication processes [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 15 (6): 78–88.

Kr?mer M. 2009. Ice supersaturations and cirrus cloud crystal numbers [J]. Atmos. Chem. Phys., 9: 3505–3522.

Levin Z, Teller A, Ganor E. 2005. On the interactions of mineral dust, sea-salt particles, and clouds: A measurement and modeling study from the Mediterranean Israeli Dust Experiment campaign [J]. J. Geophys. Res., 110: D20202, doi:10.1029/2005JD005810.

李娟, 毛節(jié)泰. 2006. 冰晶性質(zhì)對(duì)卷云輻射特征影響的模擬研究 [J]. 氣象, 32 (2): 9–13.Li Juan, Mao Jietai. 2006. Simulation about influences of ice property changes on cirrus radiative properties [J]. Meteorogical Monthly (in Chinese), 32 (2): 9–13.

李磊. 2007. 沙塵氣溶膠作為冰核影響區(qū)域降水的數(shù)值研究 [D]. 南京信息工程大學(xué)碩士論文. Li Lei. 2011. The Numerieal Study of the Effeets of Dust Aerosols as Atmospherie Ice Nueleion Regional Precipitation [D]. M. S. thesis (in Chinese), Nanjing University of Information Science and Technology.

劉校辰. 2006. 氣溶膠對(duì)暖云影響的數(shù)值模擬 [D]. 中國氣象科學(xué)研究院碩士論文. Liu Xiaochen. 2006. Numerical Modeling of Aerosols Effects on Warm Cloud [D]. M. S. thesis (in Chinese), Chinese Academy of Meteorological Sciences.

Liu X H, Penner J E. 2002. Effect of Mount Pinatubo H2SO4/H2O aerosol on ice nucleation in the upper troposphere using a global chemistry and transport model [J]. J. Geophys. Res., 107, doi:10.1029/2001JD000455.

Liu X H, Penner J E. 2005. Ice nucleation parameterization for global models [J]. Meteorol. Z., 14 (4): 499–514.

馬明. 2004. 雷電與氣候變化相互關(guān)系的一些研究 [D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文. Ma Ming. 2004. A study of the relationship between lightning activity and climaticvariation [D]. Ph. D. dissertation (in Chinese). University of Science and Technology of China.

毛節(jié)泰, 李成才. 2005. 氣溶膠輻射特性的觀測研究 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 63 (5): 622–635. Mao Jietai, Li Chengcai. 2005. Observation study of aerosol radiative properties over China [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 63 (5): 623–635.

Meyers M P, DeMott P J, Cotton W R. 1992. New primary ice-nucleation parameterizations in an explicit cloud model [J]. J. App. Meteor., 31: 708–721.

Meyers M P, Demott P J, Cotton W R. 1994. Parameterization and impact of ice initiation processes relevant to numerical model simulations of cirrus clouds [J]. J. Atmos. Sci., 51: 77–90.

Morris C E, Georgakapoulos D G, Sands D C. 2004. Ice nucleation active bacteria and their potential role in precipitation [J]. J. Phys. IV, 121: 87–103.

Murray B J, Wilson T W, Dobbie S, et al. 2010. Heterogeneous nucleation of ice particles on glassy aerosols under cirrus conditions [J]. Nat. Geosci., 3 (4): 233–237.

Pruppacher H R, James D K, Pao K W. 1998. Microphysics of clouds and precipitation [J]. Aerosol Sci. Tech., 28 (4): 381–382, doi:10.1080/ 02786829808965531.

Rangno A L, Hobbs P V. 1985. Ice particle concentrations in clouds [J]. J. Atmos. Sci., 42 (23): 2523–2549.

Rangno A L, Hobbs P V. 1994. Ice particle concentrations and precipitation development in small continental cumuliform clouds [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 120 (517): 573–601.

Rawlins F. 1981. A numerical study of thunderstorm electrification using a 3D model incorporating the ice phase [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 108: 779–800.

Ryan B F. 2000. A bulk parameterization of the ice particle size distribution and the optical properties in ice clouds [J]. J. Atmos. Sci., 57: 1436–1451.

Saunders C P R, Al-Naimi R. 1985. Measurements of natural deposition and condensation-freezing ice-nuclei with a continuous-flow chamber [J]. Atmos. Environ., 19 (11): 1871–1882.

Segal Y, Pinsky M, Khain A. 2007. The role of competition effect in the raindrop formation [J]. Atmos. Res., 83 (1): 106–118.

孫安平, 言穆弘, 張義軍, 等. 2002. 三維強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力—電耦合數(shù)值模擬研究I: 模式及其電過程參數(shù)化方案 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 60 (6): 722–731. Sun Anping, Yan Muhong, Zhang Yijun, et al. 2002. Numerical study of thunderstorm electrification with a three-dimensional dynamics and electrificati on coupled model. I: Model description and parameteriz ation of electrical process [J]. Quarterly Journal of Meteorology (in Chinese), 60 (6): 722-731.

孫安平, 張義軍, 言穆弘. 2004. 雷暴電過程對(duì)動(dòng)力發(fā)展的影響研究 [J]. 高原氣象, 23 (1): 26–32. Sun Anping, Zhang Yijun, Yan Muhong. 2004. Study on influence of electrical processes on dynamical development in thunderstorm [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 23 (1): 26–32.

譚涌波, 陶善昌, 祝寶友, 等. 2006. 雷暴云內(nèi)閃電雙層、分支結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬 [J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 36 (5): 486–496. Tan Yongbo, Tao Shanchang, Zhu Baoyou. 2006. The numerical simulation of thundercloud lightning double and branch structure [J]. Science China: Earth Science (in Chinese), 36 (5): 486–496.

譚涌波, 陶善昌, 祝寶友. 2007. 云閃放電對(duì)云內(nèi)電荷和電位分布影響的數(shù)值模擬 [J]. 地球物理學(xué)報(bào), 50 (4): 1053–1065. Tan Yongbo, Tao Shanchang, Zhu Baoyou. 2007. A simulation of the effects of intra-cloud lightning discharges on the charges and electrostatic potential distributions in a thundercloud [J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 50 (4): 1053–1065.

譚涌波, 師正, 王寧寧, 等. 2012. 隨機(jī)性與電環(huán)境特征對(duì)地閃擊地點(diǎn)影響的數(shù)值模擬 [J]. 地球物理學(xué)報(bào), 55 (11): 3534–3541, doi:10.6038/ j.issn.0001-5733.2012.11.003. Tan Yongbo, Shi Zheng, Wang Ningning, et al. 2012. Numerical simulation of the effects of randomness and characteristics of electrical environment on ground strike sites of cloud-to-ground lightning [J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 55 (11): 3534–3541.

Tan Y B, Tao S C, Zhu B Y. 2006. Fine-resolution simulation of the channel structures and structures and propagation features of intracloud lightning [J]. Geophys. Res. Lett., 33: L09809, doi:10.1029/2005GL025523.

Thompson G P, Field R, Rasmussen R M, et al. 2008. Explicit forecasts of winter precipitation using an improved bulk microphysics scheme. Part II: Implementation of a new snow parameterization [J]. Mon. Wea. Rev., 136 (12): 5095–5115, doi:10.1175/2008MWR2387.1.

Turner F M, Radke L F. 1973. The design and evaluation of an airborne optical ice paritical counter [J]. J. Appl. Meter., 12: 1309–1318.

van den Heever S C, Carrió G G, Cotton W R, et al. 2006. Impacts of nucleating aerosol on Florida storms. Part I: Mesoscale simulations [J]. J. Atmos. Sci., 63: 1752–1775.

王春明, 葉家東, 魏紹遠(yuǎn). 1997. 氣溶膠濃度影響暖雨過程的數(shù)值模擬試驗(yàn) [J]. 氣象科學(xué), 17 (4): 316–324. Wang Chunming, Ye Jiadong, Wei Shaoyuan. 1997. A numerical experiment of aerosol concentration affecting warm rain process [J]. Scientia Meteorologica Sinica (in Chinese), 17 (4): 316–324.

王寧寧, 譚涌波, 師正, 等. 2013a. 氣溶膠對(duì)云中水成物粒子荷電情況的影響 [J]. 南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào), 5 (4): 331–335. Wang Ningning, Tan Yongbo, Shi Zheng, et al. 2013a. Effect of aerosol on electric charge of particle [J]. Journal of Nanjing University of Information Science and Technology (in Chinese), 5 (4): 331–335.

王寧寧, 譚涌波, 師正, 等. 2013b. 耦合氣溶膠模塊的雷暴云起電模式 [J]. 高原氣象, 32 (2): 541–548, doi:10.7522/j.issn.1000-0534.2012. 00051. Wang Ningning, Tan Yongbo, Shi Zheng, et al. 2013b. Coupled aerosol cloud from the power module model of thunderstorm [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 32 (2): 541–548.

王謙, 胡志晉. 1990. 三維彈性大氣模式和實(shí)測強(qiáng)風(fēng)暴的模擬 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 48 (1): 91–101. Wang Qian, Hu Zhijin. 1990. Three-dimensional elastic atmospheric model and simulation of the observed strong storms [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 48 (1): 91–101.

王亞玲, 杜睿, 梁宗敏, 等. 2012. 大氣主要污染物與細(xì)菌氣溶膠在冰核核化過程中的作用: 對(duì)液滴凍結(jié)溫度的影響 [J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 42 (5): 692–700. Wang Yaling, Du Rui, Liang Zongmin, et al. 2012. The interaction between atmospheric typical pollutants and bacteria aerosols in ice heterogeneous nucleation: Effect of droplets freezing temperature [J]. Science China: Earth Science (in Chinese), 42 (5): 692– 700.

肖輝, 王孝波, 周非非, 等. 2004. 強(qiáng)降水云物理過程的三維數(shù)值模擬研究 [J]. 大氣科學(xué), 28 (3): 385–404. Xiao Hui, Wang Xiaobo, Zhou Feifei, et al. 2004. A Three-dimensional numerical simulation on microphysical processes of torrential rainstorms [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 28 (3): 385–404.

肖輝, 楊慧玲, 洪延超, 等. 2012. 大氣冰核譜分布對(duì)對(duì)流風(fēng)暴云人工催化影響的數(shù)值模擬研究 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 17 (6): 833–847, doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2012.06.20. Xiao Hui, Yang Huiling, Hong Yanchao, et al. 2012. Numerical simulation of the impacts of ice nucleus spectra on cloud seeding effects in convective storm clouds [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 17 (6): 833–847.

謝屹然, 郄秀書, 郭鳳霞, 等. 2005. 液態(tài)水含量和冰晶濃度對(duì)閃電頻數(shù)影響的數(shù)值模擬研究 [J]. 高原氣象, 24 (4): 598–603. Xie Yiran, Qie Xiushu, Guo Fengxia, et al. 2005. Numerical simulation of the effect of liquid water content and ice crystal concentration on lightning flash frequency [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 4: 598–603.

許煥斌, 段英, 劉海月. 2004. 雹云物理與防雹的原理和設(shè)計(jì) [M]. 北京: 氣象出版社, 123–125. Xu Huanbin, Duan Ying, Liu Haiyue. 2004. Hail Physics and the Theory of Hail Suppression [M]. Beijing: Meteorological Press (in Chinese), 123?125.

言穆弘, 劉欣生, 安學(xué)敏, 等. 1996. 雷暴非感應(yīng)起電機(jī)制的模擬研究I. 云內(nèi)因子影響 [J]. 高原氣象, 15 (4): 425?437. Yan Muhong, Liu Xinsheng, An Xuemin, et al. 1996. A simulation study of non-inductive charging mechanism in thunderstorm. I: Affect of cloud factor [J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 15 (4): 425?437.

楊慧玲, 肖輝, 洪延超. 2011. 氣溶膠對(duì)云宏微觀特性和降水影響的研究進(jìn)展 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 16 (4): 525–542, doi:10.3878/j.issn. 1006-9585.2011.04.13. Yang Huiling, Xiao Hui, Hong Yanchao. 2011. Progress in impacts of aerosol on cloud properties and precipitation [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 16 (4): 525–542.

Yang H L, Xiao H, Hong Y C. 2011. A numerical study of aerosol effects on cloud microphysical processes of hailstorm clouds [J]. Atmos. Res., 102 (4): 432–443.

楊潔帆, 雷恒池, 胡朝霞. 2010. 一次層狀云降水過程微物理機(jī)制的數(shù)值模擬研究 [J]. 大氣科學(xué), 34 (2): 275–289. Yan Jiefan, Lei Hengchi, Hu Zhaoxia. Simulation of the stratiform cloud precipitation microphysical mechanism with the numerical model [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 34 (2): 275–289.

楊磊, 銀燕, 楊紹忠, 等. 2013. 南京地區(qū)大氣冰核濃度的測量及分析 [J]. 大氣科學(xué), 37 (3): 579?594. Yang Lei, Yin Yan, Yang Shaozhong, et al. 2013. Measurement and analysis of atmospheric ice nuclei in Nanjing [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 37 (3): 579? 594.

楊素英, 馬建中, 胡志晉, 等. 2010. 華北地區(qū)多化學(xué)組分氣溶膠對(duì)暖云微物理特征的影響 [J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 40 (11): 1468?1478. Yang Suying, Ma Jianzhong, Hu Zhijin, et al. 2010. Influence of multi-chemical-component aerosols on the microphysics of warm clouds in North China [J]. Science China: Earth Science (in Chinese), 40 (11): 1468?1478.

Yin Y, Levin Z, Reisin T G, et al. 2000. The effect of giant cloud condensation nuclei on the development of precipitation in convective clouds—A numerical study [J]. Atmos. Res., 53 (1?3): 91?116.

Yin Y, Wurzler S, Levin Z, et al. 2002. Interactions of mineral dust particles and clouds: Effects on precipitation and cloud optical properties [J]. J. Geophys. Res., 107 (D23): AAC 19-1–AAC 19?14.

游來光, 石安英. 1964. 北京地區(qū)1963年春季冰核濃度變化特點(diǎn)的觀測分析 [J]. 氣象學(xué)報(bào), 34 (4): 548–554. You Laiguang, Shi Anying. 1964. The measurement and analysis of ice-nucleus concentration at Peking during the period from March 18th to April 30th in 1963 [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 34 (4): 548–554.

于達(dá)維, 何觀芳, 周勇, 等. 2001. 三維對(duì)流云催化模式及其外場試用 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 12 (增刊): 122–132. Yu Dawei, He Guanfang, Zhou Yong, et al. 2001. Three-dimensional convective cloud seeding model and its field application [J]. Quarterly Journal of Applied Meteorology (in Chinese), 12 (Suppl.): 122–132.

趙春生, 彭大勇, 段英. 2005. 海鹽氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠在云微物理過程中的作用 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 16 (4): 417–425. Zhao Chunsheng, Peng Dayong, Duan Ying. 2005. The impacts of sea-salt and nss-sulfate aerosols on cloud microproperties [J]. Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 16 (4): 417–425.

周志敏, 郭學(xué)良. 2009. 強(qiáng)雷暴個(gè)例云內(nèi)閃電與上升氣流及液水含量關(guān)系的三維數(shù)值模擬 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 14 (1): 31–44, doi:10.3878/j.issn.1006-9585. Zhou Zhimin, Guo Xueliang. 2009. 3D modeling on relationships among intracloud lightning, updraft and liquid water content in a severe thunderstorm case [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 14 (1): 31–44.

譚涌波, 楊憶, 師正, 等. 2015. 冰晶核化對(duì)雷暴云微物理過程和起電影響的數(shù)值模擬研究[J]. 大氣科學(xué), 39 (2): 289?302, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895.1405.13330. Tan Yongbo, Yang Yi, Shi Zheng, et al.. 2015. Numerical simulation research on the effect of ice nucleation on thundercloud microphysical process and electrification[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 39 (2): 289?302.

Numerical Simulation Research on the Effect of Ice Nucleation on Thundercloud Microphysical Process and Electrification

TAN Yongbo1, 2, YANG Yi1, 2, SHI Zheng1, 2, ZHOU Bowen1, 2, ZHANG Dongdong1, 2, and LIAO Yihui1, 2

1,,210044;2,,210044

Based on an existing two-dimensional convective cloud model, this work adopts a nucleation scheme associated with aerosols to replace the original ice crystal nucleation empirical formula, and conducts a simulation contrast test on the two schemes. Simulation results show that: (1) The mass of ice crystals in the new scheme is mainly distributed in the －50.1°C to －7.6°C temperature region, higher than the original scheme’s temperature region of －50.1°C to －24.2°C. Throughout the thundercloud development process in the new scheme, the distribution height, temperature 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.

Ice crystals, Nucleation scheme, Microphysical process, Cloud model

1006-9895(2015)02-0289-14

P446

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1405.13330

2013-12-10；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2014-05-23

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2014CB441403，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41175003、41475006，江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目PAPD，江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目CXZZ13_0515

譚涌波，男，1977年生，副研究員，主要從事雷電物理學(xué)以及雷氣象學(xué)研究。E-mail: ybtan@ustc.edu