雷暴电过程对动力发展的影响研究

　　　　　　　　　　　2004年2月February,2004PLATEAUMETEOROLOGY文章编号:100020534(2004)0120026207

雷暴电过程对动力发展的影响研究

孙安平,张义军,言穆弘(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州　730000)

摘　要:利用三维时变积云动力—电过程耦合模式对雷暴中的电过程对动力发展的影响进行了模拟计算。结果表明,随着雷暴云体发展,云内形成三极性电荷结构。电场力对雷暴发展的直接作用与动力场相比很小,电涡度10-6・s-1比动力涡度小两个量级。但电场力影响了雷暴中的微物理过程,特别是水成物粒子的降落速度,并通过对三相水成物之间转换过程的调制,改变了三相水成物的时空结构,使云中水汽总量增加41%,释放潜热增加19.4%,从而改变了流场结构,电涡度达到10-4・s-1量级,和动力涡度相当。模拟结果指出,雷暴内电过程在云体成熟阶段对雷暴发展有较大影响。关键词:数值模式;电荷结构;微物理和动力过程中图分类号:P427.32+1

文献标识码:A

1　引言

　　气流场、降水场和电场是雷暴发展的三个重要参量场。有很多工作研究它们之间的耦合、制约作用,以及时空演变特征,通常是只考虑了电场力的直接作用。Sartor[1]、张义军等[2]在积云运动方程中引入电场力,并假定云中空间电荷分布且给予电荷浓度值,计算电场力引起的垂直涡度。发现对于强电化云即电荷浓度很高时,电场力作用和动力场相当。这类研究是理想情况,没有时间变化,电量假定也缺乏观测依据。飞机穿云观测发现,云中强电场区域很小,电场力对流场的直接影响似乎不大。本文利用一个考虑电过程的三维时变积云模式,在模拟积云发展生命史过程中,讨论了电活动对模拟云的发展影响,除了研究电场力直接作用外,重点讨论电场力通过对微观过程的调制来影响流场的可能机制。

扰动区域和文献[4]相同,取自美国Montana州探

空资料(1981年7月19日14:40,当地时间)。由于是CCOPE计划(国际对流性降水协作试验),有较好实测资料对比。模式计算中采用大小时间步长(10s和2s)交叉使用,从而保证了计算的稳定性。由于起电特征时间很短,对于每个时间步长内的起电量采用解析求解以保证起电量计算过程稳定。模式除了能模拟流场和微物理过程外,还能模拟云中空间电荷和电场的时空演变。模式计算中电过程对模拟云的影响主要考虑有两种途径:一种是电场力直接影响空气运动速度,从而改变了云中垂直涡度和散度;另一种是电场和荷电水成物粒子的相互作用改变水成物粒子降落末速度,并使各类相变过程、潜热释放发生相应变化。即一种方案是仅在运动方程中引入电场力,而忽略电参量的其它影响(E1);另一种方案是考虑全部电影响(E2),即既考虑电场力在运动方程中的影响,也考虑电场力对水成物粒子降落速度的影响。相应无电场力影响为NE1和NE2。

2　模式和计算

　　模式是一个三维时变积云动力和电过程数值模式。模式方程、概念和数值计算框架已在文献[3]中给予了详细描述。模式检验表明,计算结果和实际观测结果有很好的一致性[4]。模式初始环境场、

3　计算结果

3.1

电场力直接作用

　　在自然坐标系中,垂直涡度是风场垂直切变和

　　收稿日期:2003203213;改回日期:2003204223

　　基金项目:国家自然科学重点基金(40135010);中国科学院知识创新重大项目(220014207);科技部社会公益研究专项基金项目(青海高

原地区冰雹预测与防止研究)共同资助

),男,江苏人,副研究员,主要从事大气电学和人工影响天气研究.E2mail:supyzn@Yahoo.com　　作者简介:孙安平(1967—

　1期　　　　　　　　　　　　　　　孙安平等:雷暴电过程对动力发展的影响研究　　　　　　　　　　　　　　　　27水平旋转气流共同作用的结果,它通常可以表征对流运动发展。观测和模拟指出,对流风暴内垂直涡度强度和位置与上升气流区之间有很好的对应关系[5]。垂直涡度为

η=9v-9u,

9x9y

这里u和v为模拟水平速度,取E1模拟方案。图

1是42min时刻(模拟云发展旺盛期)两算例垂直涡度之差(E1-NE1,后者在方程中略去电场力)的垂直分布。从图1可见,电场力直接作用,使模拟云中下部云核区域的垂直涡度略有增加。最大增加值为8×10-6・s-1,位于6.5km(x=20km)和3.5～4km(x=16km)两处高度。增加区域从2km高度伸展到约8km。在云后部还有一个较小负

水成物之间的转换、相变过程及潜热释放量,从而改变流场。3.2.1　水成物电荷和降落末速度　　图2是E2方案模拟42min时刻水成物电荷和降落末速度差值(E2-NE2)的垂直分布。此时模拟云顶已伸展到14km高度,最大上升速度约30m・s-1。云内出现大量冰相物,雹、霰和冰晶最大含量分别为5,3.6和0.3g・m-3,数浓度分别为101.2,104和108个・m-3。云内已经形成三极性电荷结构,云中部为负电荷区,最大电荷浓度为-1.35nC・m-3,云下及上部为正电荷区,最大浓度约为0.4nC・m-3(图2a)。相应在云中部为负电场区,最大负电场达到-16kV・m-1(7.5km高度),云上、下部为正电场区,最大电场分别为4kV・m-1(12.5km高度)和10kV・m-1(5km高度)(图2b)。在所有水成物粒子中以霰粒携带电荷量最大(图2c)。在云上层带负电荷,最大电荷浓度为-3nC・m-3(约12km),云下部霰粒带正电荷(约5km高度)。相应冰晶电荷也有类似分布,只是极性相反(图略),说明主要是霰粒和冰晶碰撞起电。同一种粒子在不同高度携带不同极性电荷是由于反转

)[6]。其它水成物电荷很小,电温度所致(约-10℃

荷浓度约小一个量级。图2d是两种算例霰粒降落末速度之差。电场和电荷极性配置(图2b,c),使云上层的霰粒降落速度增大(即电场力和重力同方向),最大差值达到3.5m・s-1,水平区域约扩展10km,垂直区域扩展约3km(10～13km),部分正值区域还伸展到地面附近,在正差区后部有一个负差值区,即降落速度减小区域,从地面约伸展到10km高度,最大负值达到4m・s-1。其它水成物降落

值区,最大减小量也达到6×10-6・s-1。而动力场

产生的垂直涡度量纲为10-4～10-2・s-1[5],因此,直接电场力产生的垂直涡度量级为10-6・s-1,约小两个量级,可以被忽略。文献[1,2]由于仅考虑了强起电的极端情况,计算值达到10-4・s-1,明显偏大,说明计算中所采用的电荷浓度值太大,取了局部高值。

速度变化不大,冰雹主要是减小,最大约-2m・s-1;区域很小,雨滴主要是增加,最大约-1m・s-1(图略)。冰晶虽然也有较大电荷浓度,但其体积小,单个冰晶荷电量低,故降落速度变化也小,

图1　两计算个例垂直涡度之差(×10-6・s-1)的

垂直剖面(y=18km)

Fig.1　Verticalcross2section(y=18km)ofverticalvorticitydifferences(×10-6・s-1)betweentwocases

3.2　电场力间接作用

　　由于云中水成物粒子都携带某种极性电荷量,因此电场力作用除了直接体现于运动方程中,还可以通过对带电水成物粒子降落末速度的调制来影响

主要发生在云上部,最大减小值为-0.16m・s-1。

电场力引起霰粒降落速度变化必将导致相应微物理过程尤其是碰并过程的变化。因为霰粒无论在云中微物理过程还是在起电过程中都起着非常重要的作用。

3.2.2微观过程和潜热　　表1是模拟42min时E2和NE2两种算例不同微观过程的相态转换量。由表1可见,在云上部,由于电场力增大了霰粒降落速度,使霰碰并云水(CLcg)增加了209.30t,碰并冰晶(CLig)增加了

　　　　　　　　　　　　　　　　　高　　原　　气　　象　　　　　　　　　　　　　　　23卷　28图2　(a)空间电荷浓度(nC・m-3),(b)空间垂直电场(kV・m-1),(c)霰电荷浓度(nC・m-3),

(d)E2和NE2算例霰下落速度差(m・s-1)的垂直剖面(沿y=18km)

Fig.2　Verticalcross2section(alongy=18km)for(a)electricalchargedensity(nC・m-3),(b)verticalelectricfield(kV・m-3),m-1),(c)electricalchargedensityofgraupel(nC・

(d)terminalvelocitydifference(m・s-1)ofgraupelbetweencasesE2andNE2

5.75t。增长率比例分别为11%和2%。云下部霰

粒减速,与雨滴碰并(CLrg)减弱,减少量约-150t(2.2%)。此外,由于电场力使云上部冰晶减速,冰晶和云水的碰冻过程(CLci)也随之减弱,冰晶生成量将减小一半。于是使CLrig过程(雨水碰冻冰晶成霰)相应减弱,霰减少量约36.62t(6.5%)。所以在碰并过程中,云上部霰增加+178.43t,云下部减少-150t。从表1还可见,由于电场力使冰雹减速,使冰雹碰并增长量都减小,尤其是与云水和雨水碰冻过程(CLch,CLrh),减小量分别为-70.8t和-86.42t,合计减小百分比为12.6%。由于冰雹增长主要依赖于和过冷水滴的碰冻作用,所以此结果为利用电催化手段来抑雹增长提供了理论依据。此外,冰雹和霰在降落过程中与过冷雨滴的

碰冻量也减小,以及霰自动转换成雹过程相应减弱。这方面的详细研究将另文介绍。

霰、雹在降落过程中将吸热融化(MLhr)和升华(VDgv,VDhv),从表1可见,电作用使这些量都减少,即从环境中吸收热量减少。表2是模拟70min时段内相变物和潜热的累计总量。

从表2可见,由于电作用,使模拟云内总水汽量增加了0.74×103kt,增加百分比约41%。结合表1分析,通过相变产生的水汽量不多,云中水汽主要来自于云边界处的夹卷和湍流混合。从经典概念来讲,夹卷是通过上升气流和环境之间的切变产生。云外水汽通过侧向气流进入上升气流区而被带入云内。增加的水汽通过相变过程将释放更多潜热。总凝结量和凝华量分别增加0.×106和0.65

　1期　　　　　　　　　　　　　　　孙安平等:雷暴电过程对动力发展的影响研究　　　　　　　　　　　　　　　　29表1　42min时刻E2和NE2算例微物理过程

的相态转换量(单位:t)

Table1　TheaccumulatedmassofhydrometeortransferredindifferentmicrophysicalprocessesforcasesE2andNE2at42min.(Unit:t)过程

　　E2

CLciCLrigCLigCLcgCLrgCLinCLchCLghCLrhVDviVDgvVDhvMLhr

1.326.12332.982129.456655.130.87635.562.134.562476.00145.25245.2156.36

×102kt,增长百分比分别为30%和8%。而相应总蒸发量和总升华量却是减少,分别为3.14×106

kt(-0.35),0.03×102kt(-0.1)。在相变过程中,凝结和凝华是放出热量,蒸发和升华是吸收热量。所以,由于电作用使云内总释放潜热增加约1.7×1014J,增长百分比为19.4%。扰动位温和上升速度电活动增强了云内的潜热释放,从而改变了云内热力场的时空分布,引起扰动位温和动力场的相应变化。图3是模拟42min时刻两种算例扰动位温的垂直分布。从图3可见,电活动使正位温扰动

)约强度增大,最大达到+1.9℃(无电活动则<1℃3.2.3算例

　　NE2

2.70562.74327.231920.106805.100.86707.366.530.982438.121.76265.313145.69

增加1倍。扰动区域也增大,垂直范围为3.0～10

km,与无电活动相比(NE2),几乎增加了5倍,这显然是潜热增加所致。42min时刻是模拟云发展到最旺盛并刚开始衰减时刻(39min达到最大上升速度约32m・s-1)。电活动使模拟中心区域的正扰动强度增强,范围扩大,从而抑制了云体衰减。图4是两算例最大正位温扰动随时间变化图。由图可见,在模拟39min以前,两算例变化曲线重合,电活动影响很弱;39min以后,电活动作用明显,

注:表中CL表示碰并过程,VD为凝(升)华,ML为融化过程。下

标c,i,r,g,h分别表示云水、冰晶、雨水、霰和雹。下标后一位表示生成物

表2　相变物和潜热累计总量(模拟到70min)

Table2　Theaccumulatedmassofphasetransformationandlatentamountat70min

算例

E2NE2总凝结量

/kt2.33×1061.79×106

总蒸发量

/kt5.84×1068.98×106

总水汽量

/kt2.55×1031.81×103

总凝华量

/kt8.36×1027.71×102

总升华量

/kt2.69×1022.72×102

总释放潜热

/(1014J)10.458.75图3　E2(a)和NE2(b)算例y=18km处扰动位温垂直分布

实线为正扰动,虚线为负扰动

Fig.3　Verticaldistribution(y=18km)ofinitialstatetemperatureforcasesE2(a)andNE2(b).

Solidlinesforpositivedistribution,anddashedlinesfornegative

　　　　　　　　　　　　　　　　　高　　原　　气　　象　　　　　　　　　　　　　　　23卷　30),扰动位温显著增大;42min达到最大(+1.9℃此后慢慢减弱,48min又和NE2曲线重合,即电活动影响时间约9min(39～48min)。而此时段正好是电活动时段,最强电活动在达到最大上升速度后开始回落[6],在此时段外云内电场强度很小。

-4.9m・s-1冷出流。3.2.4　涡度和散度

　　在中小尺度对流系统中,垂直涡度η和水平散度ξ通常可以反映对流运动发展,常用于分析对流系统中的辐合和辐散运动,而

η=9v-9u,9x9yξ=9u+9v.9x9y　　图6是模拟42min时刻两种算例垂直涡度和

水平散度剖面图,在此时刻前,两算例结果差别不大。图6a是垂直涡度的垂直剖面图。从图6a可见,两种算例正涡度区的范围变化不大,垂直伸展从2km到10km,但E2算例强涡度区面积无论在低层或上层都增大。在低层6×10-4・s-1等值线从5km(NE2例)伸展到6.5km(E2例)。8×10-4・s-1强涡度区也增大,且在云前方产生新的8×10-4・s-1区。在高层8×10-4・s-1强涡度区垂直伸展增加了1km(从8km发展到9km)。在云的后部,E2算例强负涡度区(-6×10-4・s-1)也扩展,垂直伸展到8km。图6c是中层6km高度垂直涡度水平分布。由于电作用,正强涡度区(5×10-4・s-1以上)面积明显增大,最大值从10×10-4・s-1增大到15×10-4・s-1,最大负值从-5.0×10-4・s-1增大

图4　E2和NE2算例云中最大扰动位温随时间分布Fig.4　DistributionofmaximuminitialtemperaturewithtimeinthunderstormforcasesE2andNE2

　　云内热力场变化必将导致动力场的相应变化。

正扰动位温和上升速度有很好的对应关系。图5是整个模拟时段两算例最大上升速度随时间变化图。从图5可见,在39min前两算例曲线重合,39min达到最大上升速度约32m・s-1,此后电活动开始影响且一直持续到min,影响时间约15min。在48min两算例上升速度达到最大差值为3.1m・s-1。与最大位温扰动(见图4)相比,时间滞后6min。综上所述,由于云内起电过程,使水成物粒

子带上不同极性电荷且被分离,在云内形成不同极性电场。这类电结构将增强云内动力场,使上升气流区扩展(垂直伸展约增加5倍),强度增加(最大增大约3.1m・s-1),时间延长,使强上升气流持续时间延长10～15min。例如在39～49min时段,E2算例的上升速度减小4m・s-1,而NE2算例已减小12m・s-1。尽管电活动对模拟云生命史影响不大,但延长了强动力场的持续时间,并减弱了云底下沉气流且时间滞后。例如NE2算例在47min云底出现-6m・s-1冷出流,而E2算例在51min才出现

到-10.0×10-4・s-1。与图1比较可见,电场力对

垂直涡度的间接作用的量级为10-4・s-1,比直接作用约大两个量级且与文献[1,2]结果相似。显然电活动对于雷暴发展的影响已不能随便忽略。图6b是水平散度垂直分布,电活动使强负散度区(-40×10-4・s-1以上)垂直伸展增强,在中层(4～5km)新生一个-60×10-4・s-1强负散度区,相应强正散度区也增强,达到40×10-4・s-1。比较图6a和b可见,正垂直涡度区和负水平散度区有很好的对应,反之亦然。也就是说,电活动通过增强水平辐合来调制上升气流,从而增强垂直涡度,并进一步触发雷暴发展,图6d是6km高度水平散度的水平分布,易见电活动使正、负强散度区面积增加,值增大,但整个散度区域变化不大。

4　结论和讨论

图5　E2和NE2算例云中最大垂直速度随时间分布

Fig.5　Distributionofmaximumverticalvelocitywith

timeinthunderstormforcasesE2andNE2

本文利用一个三维积云动力—电过程耦合时变模式,数值模拟研究云演变过程中电活动对云发展的影响,分析得到如下结论:

　1期　　　　　　　　　　　　　　　孙安平等:雷暴电过程对动力发展的影响研究　　　　　　　　　　　　　　　　31图6　(a)垂直涡度在y=20km处X—Z剖面分布,(b)水平散度在y=20km处X—Z剖面分布,

(c)6km高度上垂直涡度的水平分布,(d)6km高度上水平散度的水平分布左图列为E2算例,右图列为NE2算例,单位10-4・s-1,实线为正值,虚线为负值

Fig.6　(a)verticalcross2sectionofverticalvorticity(y=20km),(b)verticalcross2sectionofhorizontaldivergence(y=20km)(c)horizontaldistributionofverticalvorticityat6km,(d)horizontaldistributionofhorizontaldivergenceat6km.LeftinFig.6forcaseE2,andrightfor

caseNE2.Unit:10-4・s-1.Solidlinesforpositivevalue,dashedlinesfornegative

　　　　　　　　　　　　　　　　　高　　原　　气　　象　　　　　　　　　　　　　　　23卷　32　　(1)　随着模拟云发展,在云中可形成显著的三极性电荷结构(上正、中负、下正)和电场强度,最大电荷浓度为+0.4×10-9C・m-3和-1.35×10-9C・m-3;最大负电场为-16kV・m-1,正电场为10kV・m-1。　　(2)　电场力直接作用动力场影响很小,计算垂直涡度为10-6・s-1,比动力场(10-4・s-1)小两个量级。电活动直接影响云发展可以忽略。　　(3)　云中电结构增大了水成物粒子降落末速度,尤其是霰粒,最大增值3.5m・s-1,增值区域垂直伸展约3km。水成物粒子降落速度变化通过对相态转换微观过程调制,改变了三相水成物时空结构,使云中水汽总量增加约41%。大大地增加了相变过程中的潜热释放,增长百分比为19.4%。　　(4)　潜热增加使云中正位温扰动区垂直伸展增加5倍,扰动温度增加1.9℃。上升气流区域和强度也有相应增加,上升速度最大增长值为3.1m・s-1。　　(5)　气流场时空结构变化使垂直涡度和水平散度的区域和强度值都有很大增强。上述电场力间接作用产生的垂直涡度达到8×10-4・s-1,已与动力涡度同量级,强涡度区垂直伸展增加1～1.5km。最大水平散度也从40×10-4・s-1增加到60×10-4・s-1,区域也扩大。

相水成物之间转换过程的调制来增加云内潜热,从

而增强对流和雷暴发展。上述过程发生在雷暴发展成熟阶段,且明显依赖于云内电场分布。尽管该过程作用时间很短约10min。但对雷暴强度影响很大,本文给出一些定量数据,为人工进行“电催化”、播撒铝泊或人工触发闪电和通过释放电能来减弱雷暴发展提供了理论依据。至于电活动对影响降水和抑雹的作用将另文介绍。参考文献[1]　SartorJD.Atmosphericvorticityproductioninelectrifiedclouds

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　　综上所述,尽管电活动对云动力发展的直接作

用很小,通常可以被忽略。但电活动可以通过对三

StudyonInfluenceofElectricalProcessesonDynamical

DevelopmentinThunderstorm

SUNAn2ping,　ZHANGYi2jun,　YANMu2hong

(ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

　　Abstract:Theinfluenceofelectricalprocessesondynamicaldevelopmentwascalculatedbyusingathree2di2

mensionaldynamicsandelectrificationcoupledmodel.Theresultsrevealedthatthetripleelectricalstructurewasformatedwiththedevelopmentofsimulatedthunderstorm.Thedirecteffectofelectricfieldforceondevelop2mentofthunderstormwassmallerthanthatofdynamics.Thevorticitythatelectricfieldforceproducedwas10-6・s-1and2orderssmallerthanthatofdynamics.However,theelectricfieldforceinfluencedthemicro2physicalprocesses,especiallythefallingvelocityofhydrometeors.Theelectricalprocesseschangedthetemporalandspecialstructuresofhydrometeorsdistributionbyadjustingthetransformationbetweenhydrometeors.Bythisway,thewatervaporincreasedby41%andthelatentheatingincreasedby19.4%.Thestructureofstreamfieldwaschangedandelectricalvorticitywasabout10-4・s-1.Itcorrespondedtothatofdynamics.Therefore,therewasalargeinfluenceofelectricalprocessesondevelopmentofthunderstorminmaturestageofthunderstorm.

Keywords:Numericalmodel;Electricstructure;Microphysicalanddynamicalprocesses