李璐瀅，師正，譚涌波，汪海潮，林曉彤

（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044）

1 引言

大量的觀測(cè)與試驗(yàn)研究證明，雷暴云起電的主要機(jī)制是非感應(yīng)起電機(jī)制，即當(dāng)過(guò)冷水存在，大小冰相粒子碰撞而發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制[1-6]，因此雷暴云的冰晶在起、放電過(guò)程中有著重要的影響。Lal等[7]認(rèn)為冰晶直徑的增加有利于閃電的發(fā)生，但粒徑超過(guò)23～25μm的冰晶反而抑制了放電。Zheng等[8]通過(guò)日本冬季雷暴的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，伴隨著弱雷達(dá)回波的反極性電荷結(jié)構(gòu)主要是由零度層以上雪和冰晶之間的起電過(guò)程引起的。Ouyang等[9]通過(guò)WRF模式探討了霰粒密度對(duì)電荷結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明隨著霰密度的增加，主正電荷區(qū)減弱，負(fù)的非感應(yīng)起電率降低。冰相粒子的垂直分布也是通過(guò)直接影響非感應(yīng)起電率，從而導(dǎo)致了雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)、放電特征及閃電頻次出現(xiàn)顯著變化[10-15]。實(shí)際上，冰相粒子的分布特征與核化過(guò)程息息相關(guān)，準(zhǔn)確地描述冰晶核化方式更有利于提高大氣放電與云內(nèi)動(dòng)力微物理過(guò)程聯(lián)系的認(rèn)知。

在冰云的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，冰晶粒子的形成途徑主要是同質(zhì)核化與異質(zhì)核化[16-20]。目前，對(duì)同質(zhì)核化過(guò)程的研究認(rèn)為，在環(huán)境溫度低于-37°C且相對(duì)濕度較高的條件下，可溶性氣溶膠作為云凝結(jié)核，參與過(guò)冷水的凍結(jié)形成冰晶[21]。而異質(zhì)核化機(jī)制相對(duì)較復(fù)雜，如凝結(jié)凍結(jié)核化、接觸核化、浸潤(rùn)核化、沉積核化等，多種氣溶膠可活化為冰核，如黑碳、礦物粉塵、細(xì)菌等[16,22-25]，所以仍然存在較多的爭(zhēng)議。例如，凝結(jié)凍結(jié)和浸潤(rùn)核化之間的界限似乎并不明確[26-27]；沉積核化可能是由于粒子表面孔隙中水的凝結(jié)而形成冰晶，而這應(yīng)屬于凝結(jié)凍結(jié)核化機(jī)制[28]；黑碳難以通過(guò)浸潤(rùn)核化對(duì)冰晶的生成造成影響[29]。

近年來(lái)，隨著對(duì)冰核的觀測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模式工作的展開(kāi)，冰核參數(shù)化方案也趨于全面和復(fù)雜。例如早期研究認(rèn)為冰核主要受到溫濕條件的限制，往往采用活化溫度或飽和度對(duì)冰核濃度進(jìn)行計(jì)算[30]，而后的研究發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的氣溶膠作為冰核時(shí)具有不同的活性[31]，例如Phillips等[32]認(rèn)為氣溶膠組分及氣溶膠表面積應(yīng)考慮進(jìn)核化方案中。Ervens等[33]的方案同樣肯定了冰核粒子表面特性的影響。DeMott等[34]發(fā)現(xiàn)大于0.5μm的氣溶膠更具有轉(zhuǎn)化為冰核的活性，并提出了與氣溶膠有關(guān)的計(jì)算冰核參數(shù)化公式。這些方案主要為應(yīng)用于大尺度天氣和氣候數(shù)值模式開(kāi)發(fā)，適用于云模式的方案較少，且大部分采用參數(shù)化的方法，冰晶的產(chǎn)生或是只與溫度和過(guò)飽和度有關(guān)，或是未鏈接氣溶膠濃度、具體化學(xué)組分，模擬結(jié)果仍然與真實(shí)冰晶分布存在一定差距。此外，大部分研究?jī)H限于核化過(guò)程對(duì)降水、云物理屬性等方面的影響，少數(shù)涉及雷暴云電過(guò)程的研究也尚未從冰晶具體核化途徑出發(fā)，詳細(xì)探討氣溶膠與雷暴云間具體云物理過(guò)程的聯(lián)系。因此，為了更全面地了解氣溶膠具體作用于雷暴云的內(nèi)在機(jī)理，本研究對(duì)原有冰晶核化方案進(jìn)行改良，更換為Diehl等[35]異質(zhì)核化方案，用于研究雷暴云的起電過(guò)程。該方案基于較新實(shí)驗(yàn)結(jié)果和云氣塊模型，包含了典型的三類(lèi)異質(zhì)核化過(guò)程，同時(shí)考慮了冰核組分、各類(lèi)冰核活化率等因素，能更真實(shí)地反映冰晶分布特征。利用該核化方案，本研究在已有的二維雷暴云起、放電模式中，通過(guò)對(duì)比不同異質(zhì)核化途徑下云內(nèi)冰相粒子分布的差異，探討不同異質(zhì)核化過(guò)程影響雷暴云電過(guò)程的具體物理機(jī)制。

2 數(shù)值模式介紹

本研究采用譚涌波等[13,36-38]改進(jìn)的二維積云模式，其中包含了雷暴云起、放電參數(shù)化方案。積云模式以云滴、雨滴、冰晶、霰、雹的混合比與數(shù)濃度為預(yù)報(bào)量，計(jì)算了云物理特征量、凝結(jié)蒸發(fā)過(guò)程、凍結(jié)融化過(guò)程等。耦合的雷暴云起電參數(shù)化方案中，主要考慮了非感應(yīng)起電與感應(yīng)起電過(guò)程。其中非感應(yīng)起電采用的是Gardiner-Pereyra方案，描述了冰晶與霰粒子的碰撞導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移[39]；感應(yīng)起電則采用Ziegler等[40]參數(shù)化方案，描述了霰、雹分別與云滴碰撞分離導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移。

為深入分析冰晶異質(zhì)核化過(guò)程，研究中選取Diehl等[35]的異質(zhì)核化方案，涉及接觸核化，浸潤(rùn)核化和沉積核化，用于取代原Fletcher[30]實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的冰核活化經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)耦合氣溶膠作為冰核模塊，討論雷暴云微物理過(guò)程與電過(guò)程對(duì)不同冰晶異質(zhì)核化過(guò)程的響應(yīng)。下面對(duì)所采用的新型冰晶核化方案進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

2.1 異質(zhì)核化方案的改進(jìn)

2.1.1 接觸核化方案

接觸凍結(jié)核化通常是指干燥的氣溶膠顆粒與液滴碰并凍結(jié)的過(guò)程。因此方案中重點(diǎn)考慮以下三點(diǎn)：(1)環(huán)境溫度低于凍結(jié)溫度；(2)冰核與過(guò)冷液滴相互碰并；(3)作為冰核的氣溶膠粒子為干燥狀態(tài)。不同類(lèi)型的冰核對(duì)應(yīng)不同的凍結(jié)臨界溫度，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[35]，此處不再贅述。當(dāng)環(huán)境溫度低于閾值時(shí)，假設(shè)過(guò)冷液滴與冰核碰撞，發(fā)生接觸凍結(jié)核化：

其中，Nc代表凍結(jié)生成冰晶的數(shù)濃度，F(xiàn)INc是氣溶膠活化為可接觸凍結(jié)的冰核的百分?jǐn)?shù)，Nliq為可與冰核碰撞的液滴數(shù)濃度，T為云內(nèi)溫度，單位為℃，ac和bc為無(wú)量綱參數(shù)，具體數(shù)值參考表1。需要注意的是，該方案僅在1≤(ac T+bc)≤0條件下成立。冰核組分設(shè)置為：32%的污染物顆粒、24%的長(zhǎng)石、14%的伊利石、12%的高嶺石。

表1 接觸核化參數(shù)公式

2.1.2 凝結(jié)凍結(jié)和浸潤(rùn)核化方案

研究表明，浸潤(rùn)凍結(jié)溫度與水成物粒子體積呈反比[41]。根據(jù)Diehl等[35]的描述，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)溫度時(shí)，浸潤(rùn)凍結(jié)核化率為：

其中，Ni代表在溫度T下生成的冰晶數(shù)濃度，mice是浸入液滴中冰核的質(zhì)量，F(xiàn)INi是氣溶膠活化為可浸潤(rùn)凍結(jié)的冰核的百分?jǐn)?shù)，K(T)為冰核溫度譜：

這里，nact是在溫度T下單位質(zhì)量活化冰核的數(shù)濃度，ai和bi為無(wú)量綱參數(shù)，具體數(shù)值參考表2。當(dāng)環(huán)境溫度降至最低溫度以下，核化率限制為最低溫度下的固定值。該方案中冰核組分與接觸核化方案一致。

表2 浸潤(rùn)核化參數(shù)公式

凝結(jié)凍結(jié)過(guò)程與浸潤(rùn)凍結(jié)類(lèi)似，都是通過(guò)冰核浸入過(guò)冷液滴觸發(fā)凍結(jié)[42]，所以實(shí)際上方程(2)和(3)已經(jīng)隱含了凝結(jié)凍結(jié)過(guò)程。

2.1.3 沉積核化方案

Diehl等[23]的研究表明，冰面過(guò)飽和度的增加可有效提高冰核活化率。在方案中，沉積核化發(fā)生的條件為：(1)存在不參與接觸凍結(jié)過(guò)程的活化冰核；(2)環(huán)境溫度與冰面過(guò)飽和度達(dá)到閾值。沉積核化的計(jì)算公式：

其中，Nd代表沉積核化生成的冰晶數(shù)濃度，Naerd是氣溶膠活化為可沉積凍結(jié)的冰核數(shù)濃度，sice為冰過(guò)飽和度，ad和b d為無(wú)量綱參數(shù)，具體數(shù)值參考表3。由于沉積凍結(jié)方案中沒(méi)有高嶺石和污染物顆粒的參數(shù)化方程，所以將冰核組分設(shè)置為：32%的沙塵、24%的長(zhǎng)石、14%的伊利石、12%的生物氣溶膠。

表3 沉積核化參數(shù)公式

2.2 初始背景場(chǎng)簡(jiǎn)介

研究選擇山地弱雷暴作為背景，其初始探測(cè)場(chǎng)的溫濕層結(jié)曲線和垂直風(fēng)廓線見(jiàn)圖1(見(jiàn)下頁(yè))。濕熱泡位于模擬域中心高度1 km的格點(diǎn)上，溫度擾動(dòng)為3.5 K，濕度擾動(dòng)為60%。模擬域范圍為76 km×20 km，分辨率為250 m×250 m。模擬時(shí)間為80 min，時(shí)間步長(zhǎng)為2 s，地面氣溶膠背景選取污染的大氣環(huán)境，初始數(shù)濃度設(shè)置為1000 cm-3。研究中共設(shè)置三組模擬實(shí)驗(yàn)，接觸方案僅包含接觸核化過(guò)程，浸潤(rùn)方案包含了凝結(jié)凍結(jié)和浸潤(rùn)核化過(guò)程，沉積方案僅包含沉積核化過(guò)程。此外，模式中還考慮了同質(zhì)核化過(guò)程，并設(shè)置同一初始云凝結(jié)核濃度，因此三種方案的同質(zhì)凍結(jié)過(guò)程一致，下文不再討論。

圖1 試驗(yàn)個(gè)例的環(huán)境溫濕層結(jié)(a)和垂直風(fēng)廓線(b)

3 模式結(jié)果與分析

3.1 冰相粒子空間分布的變化

不同核化過(guò)程控制初始冰晶的生成，從而在冰晶的分布高度與溫度區(qū)間顯示出較大的差異。圖2給出了冰晶數(shù)濃度和比含水量隨時(shí)間的變化。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，接觸核化生成的冰晶數(shù)濃度和比含水量是最小的，主要集中在相對(duì)較高的溫度范圍(-20.0～-13.8°C)，且持續(xù)生成的時(shí)間較短，只在24～37 min期間數(shù)濃度能夠達(dá)到1×105kg-1，40 min后冰晶主要通過(guò)同質(zhì)核化產(chǎn)生。這主要是由于初期液態(tài)水主要分布在高溫區(qū)，只有小部分氣溶膠能活化并轉(zhuǎn)化為冰晶。之后的降水、淞附等過(guò)程不斷消耗云中液滴，由于冰核粒徑較小，即使借助上升氣流，也難以與其他大的水成物粒子競(jìng)爭(zhēng)云水，這些因素進(jìn)一步降低了發(fā)生接觸核化的概率。浸潤(rùn)核化方案中，相對(duì)較大的冰核活化溫度區(qū)間有效地促進(jìn)了冰晶的發(fā)展，冰晶顯現(xiàn)出較廣泛的垂直分布。隨著冰晶大量的產(chǎn)生，貝吉隆過(guò)程不斷加強(qiáng)，促進(jìn)了液滴的蒸發(fā)，使冰晶的質(zhì)量得到進(jìn)一步的增長(zhǎng)。所以在最初的發(fā)展中，冰晶的比含水量就超過(guò)3 g/kg。當(dāng)雷暴云進(jìn)入成熟階段，冰核活化釋放大量的潛熱，旺盛的上升氣流將冰晶向云頂-40°C以上的溫度層輸送，數(shù)濃度最高達(dá)到了6.87×106kg-1。對(duì)于沉積核化方案，由于受到冰面過(guò)飽和度和活化溫度的雙重限制，個(gè)例中直到25 min才有冰晶產(chǎn)生。盡管冰晶的最大比含水量不到3 g/kg，其數(shù)濃度仍然能達(dá)到106kg-1，這證明沉積核化主要作用在低溫區(qū)(-20℃以上)，是中高層小冰晶的重要生成途徑之一。三個(gè)方案下冰晶分布的對(duì)比足以表明，浸潤(rùn)核化是最重要的異質(zhì)核化方式。這與之前的研究結(jié)果相吻合[42-45]。

圖2 冰晶比含水量與數(shù)濃度的時(shí)空分布

為了進(jìn)一步探討核化過(guò)程分別對(duì)冰相粒子的貢獻(xiàn)，分別統(tǒng)計(jì)了三個(gè)方案下冰晶異質(zhì)核化率(圖3)，接觸凍結(jié)核化效率最低，該核化過(guò)程產(chǎn)生的冰晶主要分布在雷暴云的中下層3～5 km，4.8 km處核化率最高，同時(shí)也是浸潤(rùn)核化最活躍的高度。不過(guò)，浸潤(rùn)核的活化率遠(yuǎn)高于接觸核，浸潤(rùn)核化生成的冰晶質(zhì)量比接觸核化高出兩個(gè)量級(jí)，且凍結(jié)高度從4 km延伸至9 km。而沉積核化的凍結(jié)高度更高，在7.4 km處達(dá)到最大。也就是說(shuō)，-20～-40°C是異質(zhì)核化效率最高的溫度區(qū)間，過(guò)低的溫度環(huán)境反而不利于異質(zhì)核化的發(fā)展。

圖3 冰晶異質(zhì)核化率的垂直分布

霰粒子的生成依賴(lài)于冰晶的轉(zhuǎn)化，而云水則是霰粒子增長(zhǎng)的重要來(lái)源之一，所以不同核化方案中霰的分布取決于冰晶和云水條件，模擬結(jié)果如圖4所示。所有個(gè)例的霰粒最初都在-20°C附近產(chǎn)生，其中沉積核化個(gè)例生成的霰粒比含水量和數(shù)濃度最大，發(fā)展最旺盛。在溫度相對(duì)較高的過(guò)冷區(qū)，霰粒子由于比含水量較大(最大比含水量為26.2 g/kg)而迅速降落。當(dāng)下沉至2 km高度仍有部分質(zhì)量較小的霰粒(約為5×104kg-1)流向云頂，與同質(zhì)核化共同貢獻(xiàn)了云頂?shù)啮钡纳L(zhǎng)。接觸核化方案中的冰晶轉(zhuǎn)化量較小(表4，為5.65×10-3g/kg)，僅為沉積方案(1.71×10-2g/kg)的0.33倍，不過(guò)接觸核化過(guò)程主要發(fā)生在液態(tài)水含量相對(duì)較高的過(guò)冷區(qū)，霰粒與過(guò)冷液滴的碰撞效率反而提高了，所以生成的霰略少于沉積方案，最大比含水量也能達(dá)到7.97 g/kg。而浸潤(rùn)核化中霰粒主要集中在0～-20°C，最大比含水量?jī)H為7.58 g/kg，是三個(gè)方案里分布范圍最小的。這主要是由于在浸潤(rùn)核化過(guò)程消耗了大量的云水，同時(shí)削弱了水汽的向上輸入，抑制了高層霰的增長(zhǎng)。所以，盡管接觸核化能通過(guò)提前釋放潛熱，增加對(duì)流云過(guò)冷區(qū)的不穩(wěn)定能量，使上升氣流得到加強(qiáng)，也難以形成利于霰粒增長(zhǎng)的環(huán)境。

表4 霰粒源匯項(xiàng)

圖4 霰比含水量與數(shù)濃度的時(shí)空分布

綜上所述，浸潤(rùn)核的活化溫度范圍較廣，有利于冰晶的大量產(chǎn)生，該過(guò)程大量消耗云水，抑制了隨后霰的增長(zhǎng)。沉積核化主要貢獻(xiàn)了低溫區(qū)冰晶，而云中層仍存在豐富水汽與液水，顯著提高了霰收集云滴的效率，表現(xiàn)為極高的霰比含水量。接觸核活化率為三者最低，盡管該個(gè)例下冰晶的生成量最少，但云水環(huán)境足以滿(mǎn)足霰粒增長(zhǎng)的條件。也就是說(shuō)，接觸核化以最少的冰晶生成量顯著地改變了云中水成物粒子的分布。這些結(jié)論表明，不同異質(zhì)核化方式在雷暴云的電過(guò)程中可能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

3.2 雷暴云起電特征與電荷結(jié)構(gòu)

冰晶與霰作為主要的荷電的粒子，由不同異質(zhì)核化過(guò)程導(dǎo)致的冰相粒子微物理特征變化可能顯著影響起電過(guò)程。圖5為冰晶最大非感應(yīng)起電率隨時(shí)間的變化。接觸與浸潤(rùn)核化方案的非感應(yīng)起電于22 min左右開(kāi)始發(fā)生，而沉積方案由于冰晶與霰的生成稍晚，直至30 min才開(kāi)始出現(xiàn)電荷分離。此外，由于所有個(gè)例中的冰晶粒子主要分布在-20°C以上區(qū)域，所以最大非感應(yīng)起電率位于-20～-40°C，與冰晶分布的中心區(qū)域重合。其中沉積方案低溫區(qū)的非感應(yīng)起電率最高，達(dá)到了1401.80 pc/(m3·s)。而浸潤(rùn)方案中，可與冰晶碰撞的霰主要分布在0～-20°C溫區(qū)，所以在高于反轉(zhuǎn)溫度(-15°C)區(qū)域的冰晶所攜帶負(fù)電荷量為三者最高。接觸核化生成的冰晶較少，非感應(yīng)起電率主要依賴(lài)同質(zhì)核化形成的冰晶，所以該方案下的起電并不強(qiáng)。

圖5 最大非感應(yīng)起電率隨時(shí)間的變化

雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)主要是冰相粒子在空間里相互碰撞的結(jié)果，所以三種方案的電荷結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)(圖6)?？傮w上來(lái)看，電荷結(jié)構(gòu)均由較復(fù)雜的三極性發(fā)展為偶極性，但隨著冰晶分布高度的增加，次正電荷區(qū)出現(xiàn)不同程度的減弱，主正電荷區(qū)明顯抬高。在云內(nèi)電荷分離的初始階段，接觸方案與浸潤(rùn)方案的電荷結(jié)構(gòu)呈反偶極性，主電荷區(qū)主要位于3～6 km高度，隨后，在次正電荷區(qū)下出現(xiàn)了小范圍的負(fù)電荷團(tuán)(約-0.5 nC/(m2·s))。對(duì)比該時(shí)刻的冰晶分布(圖2a、2b)發(fā)現(xiàn)，這與異核化冰晶的形成高度相吻合，該高度層的環(huán)境溫度高于反轉(zhuǎn)溫度，使異質(zhì)核化生成的冰晶顯負(fù)電。較于接觸方案，浸潤(rùn)方案形成的冰晶數(shù)濃度更高，次正電荷區(qū)更弱，小范圍的負(fù)電荷團(tuán)更強(qiáng)。隨著雷暴進(jìn)入旺盛期，冰晶大量生成釋放潛熱，云體溫度進(jìn)一步降低，在上升氣流的幫助下，三個(gè)方案下的主正電荷區(qū)均突破了-40°C溫度層，其中浸潤(rùn)方案與沉積方案的主正電荷區(qū)分別在38 min和42 min達(dá)到9.5 km高度。對(duì)于浸潤(rùn)方案，其冰晶分布范圍較廣，數(shù)濃度相對(duì)較高，而霰粒集中在5 km以下，導(dǎo)致云體中部本是荷負(fù)電的霰粒應(yīng)聚集的區(qū)域，出現(xiàn)了超過(guò)0.5 nC/(m2·s)的正電荷團(tuán)(冰晶)。而接觸方案與沉積方案中，底部的次正電荷區(qū)在該階段就已經(jīng)消散，電荷結(jié)構(gòu)提前演變?yōu)榕紭O性。雖然兩個(gè)方案的電荷結(jié)構(gòu)發(fā)展類(lèi)似，但成因完全相反。接觸方案的對(duì)流相對(duì)較弱，霰粒更早地降落至反轉(zhuǎn)溫度層高度以下，形成次正電荷區(qū)，隨著霰粒降落至地面，次正電荷區(qū)消失。反觀沉積方案，冰晶主要在-20°C形成，旺盛的上升氣流不斷地將冰晶向云頂輸送，所以只有位于-20°C附近的霰粒能與冰晶碰撞起電(圖5c)，直接導(dǎo)致了次正電荷區(qū)范圍的縮小，電荷量的減弱。此外，霰的下落速度本就比冰晶更快，中層充沛的云水促使霰?？焖僭鲩L(zhǎng)，進(jìn)一步增加了霰的下落速度，大幅度降低了霰與冰晶碰撞的概率，從而造成了次正電荷區(qū)的消失。也就是說(shuō)，不同異質(zhì)核化生成的冰晶對(duì)空間電荷結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在次正電荷區(qū)上。接觸方案生成的次正電荷區(qū)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，分布更廣，浸潤(rùn)方案次之，沉積方案最小。這與王夢(mèng)旖等[15]對(duì)大氣冰核譜在雷暴云電過(guò)程的研究結(jié)果類(lèi)似。

圖6 三種方案下空間電荷結(jié)構(gòu)分布

4 結(jié)論

研究通過(guò)改變異質(zhì)核化方案進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了三種異質(zhì)核化過(guò)程對(duì)冰相粒子的發(fā)展在雷暴云起電過(guò)程中的影響。

(1)不同異質(zhì)核化過(guò)程在雷暴云內(nèi)有效高度存在差異。接觸核化生成的冰晶量最少，僅對(duì)雷暴云中下層3～5 km處的冰晶有貢獻(xiàn)，所以霰粒子數(shù)濃度并不高，但優(yōu)良的云水條件足以使霰粒充分增長(zhǎng)；浸潤(rùn)核化是最重要的異質(zhì)核化方式，冰晶分布更廣泛，4.8 km處核化率最高，但大量的冰晶消耗了云水，抑制了霰的生長(zhǎng)，導(dǎo)致較小的比含水量；沉積核化主要影響了云砧處的冰晶，而云中層仍存在豐富水汽與液水，顯著提高了霰收集云滴的效率，表現(xiàn)為極高的霰比含水量。

(2)冰相粒子的分布差異直接影響了雷暴云非感應(yīng)起電過(guò)程，從而表現(xiàn)出不同的電荷結(jié)構(gòu)。總體上來(lái)看，電荷結(jié)構(gòu)均由較復(fù)雜的三極性發(fā)展為偶極性。隨著冰相粒子的分布在接觸方案、浸潤(rùn)方案和沉積方案里依次升高，最大非感應(yīng)起電率也依次增加，主正電荷區(qū)依次升高，但較高與較低的冰晶分布高度都不利于維持次正電荷區(qū)，反而使其更快地消散。

本研究通過(guò)加入具體的異質(zhì)核化過(guò)程，提高了模式的模擬能力，進(jìn)一步揭示了氣溶膠作為不同冰核影響雷暴云微物理、起電過(guò)程的物理機(jī)制。由于文章篇幅的限制，本文只給出一類(lèi)污染氣溶膠作為具有代表性的模擬結(jié)果，所以在未來(lái)的工作中，我們將進(jìn)一步探討其它環(huán)境背景下不同類(lèi)型冰核對(duì)雷暴云放電行為的影響。

致謝：感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院胡志晉研究員提供了本文所采用的積雨云微物理框架。