一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法

摘要

本发明公开了一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，包括：利用天气及云雷达对强对流天气进行监测，通过大气颗粒物粒径谱仪及激光雷达对颗粒物分布特征进行观测，同时在天气过程中利用雷电定位系统对雷电过程进行观测；通过城市及其上下游区域气溶胶分布与雷电活动特征参量之间的关系，建立气溶胶‑云凝结核与冰核－雷电过程相互作用的概念模型；利用改进的三维对流云催化电耦合模式对城市下垫面强对流天气中的气溶胶影响雷电过程的机制进行数值模拟。本发明对三维对流云催化电耦合模式进行改进，并就所建的概念模型进行数值模拟，揭示了城市下垫面气溶胶对雷电活动影响的机制。

说明书

技术领域

本发明属于气象技术领域，尤其涉及一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法。

背景技术

近年来四川盆地城市化进程加快，该区域已成为我国气溶胶浓度高值区和雷电活动多发区之一。受城市下垫面气溶胶等因素的影响，城市区域雷电活动特征明显有别于其邻近非城市区域，目前学术界就城市气溶胶对于雷电过程的影响机理尚未形成统一的看法。城市与其相邻非城市区域比较而言，气溶胶浓度会明显较高，Rosenfeld et al.(2008)与封彩云(2011)的研究也表明，城市大气中直径为2.5-10μm的气溶胶粒子对云及降水影响最大，其有利于云和降水粒子的生成。尽管Yin et al.(2000)与房文等(2011)的研究表明气溶胶可核化为云凝结核，特别是其中的巨核可能有利于暖云降水的形成，但气溶胶对于暖云降水的影响却表现出了一定的复杂性(贵志成等，2014)。此外，越来越多的学者(Stithet al.，2009；DeMott et al.，2010；Chou et al.，2011)的研究结果也表明粒径大于0.5μm的气溶胶粒子也容易通过冰相核化成为冰核。受城市中人类活动造成的气溶胶浓度增加和城市下垫面热力效应的共同作用，城市区域强对流天气中雷电活动的特征，明显有别于其对流系统移动的上下游非城市区域。在城市区域由于污染物排放强度高，其上空的云的凝结核浓度往往也较高，云微物理过程也会因此而改变。这种云微物理过程的改变可能又会影响对流云的起电和电荷分离过程，因为这些过程与云粒子的浓度、相态和尺度等密切相关。Orville et al.(2001)的研究指出，由于一方面较高的气溶胶粒子浓度可以产生较高浓度的云滴，这会抑制云滴之间的碰并，从而抑制了暖云过程；另一方面，气溶胶粒子可以作为冰核更多地参与冷云过程，产生更多的冰相粒子，在充足的云水条件下则会对电荷分离起积极的作用，进而产生更多的地闪。Farias et al.(2014)最近的研究也指出城市污染会使雷暴明显加强，而对流云中雷电活动也有较大的增强。Andreae等(2004)也指出气溶胶粒子的成分及其浓度变化对于对流的影响是显而易见的。但是，Heever和Cotton(2007)的研究则认为城市气溶胶对于雷电的影响由于城市热岛作用的存在而变得较为复杂。对比污染和非污染条件下对流云的起电过程，Williams et al.(2002)认为气溶胶对于地闪活动的影响并不明确。在数值模拟研究方面，对于气溶胶粒子参与起电过程的数值研究，到目前为止开展得还较少。

目前学术界就城市气溶胶对于强对流天气中雷电活动的影响并未形成统一的看法，其主要原因是雷电活动对城市气溶胶活化颗粒物浓度增加的响应较为复杂，因此需要从全球的不同区域就这一问题进行更加深入的观测和数值模拟研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，旨在解决城市气溶胶对于强对流天气中雷电活动影响的物理机制问题。

本发明是这样实现的，一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，所述城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法包括以下步骤：

步骤一，利用天气及云雷达对强对流天气进行监测，通过大气颗粒物粒径谱仪及激光雷达对颗粒物分布特征进行观测，同时在天气过程中利用雷电定位系统对雷电过程进行观测；

步骤二，通过城市及其上下游区域气溶胶分布与雷电活动特征参量之间的关系，建立气溶胶-云凝结核与冰核－雷电过程相互作用的概念模型，即：气溶胶作为CCN与IN影响冷云与暖云过程，从而影响水成物粒子的起电，进而影响云中电荷结构的形成，最终影响云闪及地闪的发生的整个物理过程；

步骤三，利用改进的三维对流云催化电耦合模式对城市下垫面强对流天气中的气溶胶影响雷电过程的机制进行数值模拟，可以更好地对城市及其周边区域的强对流天气和雷电活动作出预警和预报。

进一步，利用观测资料分析大气中PM_2.5与PM₁₀颗粒物在城市及其上下游区域的分布与地闪主要特征参量之间的关系；利用结果建立气溶胶—云凝结核或冰核－雷电过程的概念模型。

进一步，所述三维对流云催化电耦合模式为：

三维对流云模式中引入对电场贡献最大的非感应起电机制，其中非感应起电是由霰-雪粒子和霰-冰晶碰撞分离引起；同时引入放电过程，能够模拟出电荷结构、总闪、云闪和地闪等电学参量。微物理方案中还加入气溶胶作为CCN的云滴活化方案以及冰晶核化方案，研究不同污染背景下，云微物理过程与电过程的差异。

进一步，所述三维对流云催化电耦合模式中云凝结核活化参数化方法：

利用Cohard的CCN的活化数浓度表达式如下：

其中S_VW为水面过饱和度，F(a,b,c,d)为超几何函数，对于大陆性的云而言，参考取值为：C＝8.04×10¹¹m^-3,k＝3.50,μ＝3.76,β＝44.1。

进一步，所述三维对流云催化电耦合模式中冰核活化参数化方法：

对于给定的温度活化的冰核数浓度(L^-1)为：

N_IN,T＝a(273.16-T)^b(n_aer,0.5)^{(c(273.16-T)+d)}；

其中：a＝0.0000594，b＝3.33，c＝0.0264，d＝0.0033；T是云内温度(K)；n_aer，0.5代表直径大于0.5μm颗粒物的数浓度cm^-3。

进一步，所述三维对流云催化电耦合模式中随机放电参数包括：

雷电启动的阈值取Marshall等给出的随高度变化的逃逸电子电场阈值：

E_be(z)＝±167ρ(z)

ρ(z)＝1.208exp(-z/8.4)；

E_be的单位是kV/m，ρ是与高度Z有关的空气密度kg/m³；击穿阈值150－200kV/m；

通道的双向、随机发展和通道电位，当新的扩展点选定以后，点的电位为：

$>\phi \left(m\right)={\phi }_{ref}-s\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{E}_{\mathrm{int}}{d}_i;$>

其中是该点距通道起始点的路径长度，m是路径段数，d是各段的长度，s是通道携带电荷的极性，φ_ref为参考电位；通过迭代方法求解泊松方程▽²φ＝-ρ/ε，以求得通道周围新的电位分布。

本发明提供的城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，通过系统的观测研究，建立城市下垫面“气溶胶—云凝结核和冰核—雷电过程”的概念模型；对三维对流云催化电耦合模式进行改进，并就所建的概念模型进行数值模拟，揭示城市下垫面气溶胶对雷电活动影响的机制。本发明可以对云中CCN和IN活化后形成各主要相态水成物粒子的微物理过程、云中粒子的起电、云中电荷结构形成，及雷电的发生过程等均能较好地模拟；通过该模式可以对于由观测建立的概念模型进行模拟；也可以通过风廓线雷达的风场观测、雨滴谱仪的水成物粒子地面观测，大气电场仪的近地面平均大气电场，及雷电定位系统的观测等方法进行验证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法包括以下步骤：

S101：利用天气及云雷达等对强对流天气进行监测，通过大气颗粒物粒径谱仪及激光雷达等对颗粒物分布特征进行观测，同时在天气过程中利用雷电定位系统等对这些区域的雷电过程进行观测；

S102：通过城市及其上下游区域气溶胶分布与雷电活动特征参量之间的关系，建立“气溶胶-云凝结核与冰核－雷电过程”相互作用的概念模型；

S10：利用改进的三维对流云催化电耦合模式对城市下垫面强对流天气中的“气溶胶”影响“雷电过程”的机制进行数值模拟。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的实施例于汛期在四川盆地中心城市及其对流系统移动的上下游区域，利用天气及云雷达等对强对流天气进行监测，通过大气颗粒物粒径谱仪及激光雷达等对颗粒物分布特征进行观测，同时在天气过程中利用雷电定位系统等对这些区域的雷电过程进行观测；研究城市及其上下游区域气溶胶分布与雷电活动特征参量之间的关系，建立“气溶胶-云凝结核与冰核－雷电过程”相互作用的概念模型。利用改进的三维对流云催化电耦合模式对城市下垫面强对流天气中的“气溶胶”影响“雷电过程”的机制进行数值模拟，通过揭示四川盆地城市下垫面气溶胶对雷电过程的影响机理，这将有助于提高城市雷电活动预警预报及其防护的水平。

实施例1

1、采取的技术方案及可行性分析

1.1拟采取的技术方案

首先将对观测资料进行综合分析，其次在观测的基础上建立相应的理论概念模型，再次利用数值模式对观测中提出的概念模型进行数值模拟，最后揭示城市下垫面气溶胶对雷电活动影响的机理。

1.1.1历史资料的分析

首先，对2006-2015年四川盆地核心城市成都及周边区域强对流天气过程中的地闪资料进行分析；

其次，对2006-2015年四川盆地成都市区及周边区域近地面大气中PM_2.5与PM₁₀颗粒物的浓度进行分析；

最后，分析城市及其对流系统移动的上下游区域地闪主要特征量与颗粒物浓度分布于不同时间尺度(年、季、月、日及强对流天气发生前12-0小时)之间的关系。

1.1.2观测安排及其资料的综合分析

在2016-2019年4-10月在强对流天气集中发生的汛期，进行重点观测。

将四川盆地主要城市成都及其周围邻近区域，按照具体天气过程中对流系统移动的方向分为城市上游、城市，及城市下游区域。

首先，参照中期及短期天气预报的结果，并关注成都市区及其周边区域天气的实时演变；

其次，利用X波段双偏振多普勒雷达对城市及周边的强对流天气进行监测；

再次，在四川省环境监测总站对四川盆地全区域颗粒物连续监测的基础上，项目组重点于强对流天气发生前12-0小时内，在城区也利用地面颗粒物粒径谱仪、八级颗粒物分级采样器和激光雷达对PM_2.5与PM₁₀颗粒物的近地面及大气中的分布进行监测，并通过风廓线雷达观测地面至5km高度的风场结构；

与此同时，利用云雷达对对流云初期的云粒子进行观测，通过云雷达观测的回波强度(Z)、径向速度(V_r)和速度谱宽(S_W)反演云中的云滴数密度、滴谱尺度和分布范围等参数，并与CloudSat云雷达相应的观测结果进行对比验证。

然后，在强对流天气过程中利用X波段双偏振多普勒雷达监测强对流天气的同时，通过雷电定位系统、快慢电场变化仪、大气电场及Rogski线圈进行雷电流的跟踪测量(城区及其对流云移动的上下游非城市区域各一套)，对强对流天气中的主要雷电活动特征参量进行监测。

分析并比较四川盆地城市区域及其邻近的对流系统移动的上下游区域的雷电活动特征参量(正负地闪次数、密度、比率、地闪的峰值电流)的分布，特别是研究城市及其上下游区域的特征参量时空演变特征；利用观测资料分析大气中PM_2.5与PM₁₀颗粒物在城市及其上下游区域的分布与地闪主要特征参量之间的关系；进而利用结果建立“气溶胶—云凝结核或冰核－雷电过程”的概念模型，并为数值模式及其验证提供基础资料。

1.1.3数值模拟

模式采用改进的三维对流云催化电耦合模式，该模式是在中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性、体积水双参数化对流云人工催化模式的基础上，由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所进行了电耦合升级以后的模式，即三维对流云催化电耦合模式。模式能够模拟出对流云在云凝结核活化后形成初始云滴及在冰核播撒条件下，对流云发展的基本宏观和微观特征；并且能很好地描述出对流云中电荷时空分布的变化特征。本发明将对原有的碘化银催化过程参数化方案进行针对大气颗粒物作为云凝结核和冰核播撒的修正，并在模式中引入随机放电参数化方案，从而使其能够模拟地闪发生的过程。

(1)模式的具体模拟过程设计

首先，模式中颗粒物作为CCN的处理方法如下：根据Cohard(2000)的方法确定3.5km以下CCN的活化浓度，结合强对流天气初期地面云雷达与CloudSat云雷达的观测结果最终确定天气过程产生时的初始云滴数浓度，并以此加入模式中模拟颗粒物作为CCN的作用。

其次，模式中颗粒物作为IN的处理方法如下：将地面观测站及激光雷达观测到的颗粒物浓度结果，可以按照地面观测到的平均浓度随高度呈指数递减，或者激光雷达观测的消光系数反演得到3.5-5.5km大气中颗粒物浓度分布，利用DeMott(2010)的活化参数化处理后，加入模式中。

通过模式模拟城市气溶胶粒子由布朗运动和惯性碰撞而发生在冰核和云、雨滴之间的接触冻结核化，以及水汽在冰核上的凝华核化，粒子的成核作用，使得水成物粒子浓度发生变化，进而影响水成物粒子的起电过程、电荷反转温度及云中电荷结构的形成等。

其次，在改进的三维对流云催化电耦合模式中应用对流云随机放电参数化方案，模拟地闪活动的发生过程。

最后，通过模式模拟验证“气溶胶—云凝结核和冰核—雷电过程”的概念模型。

(2)PM_2.5与PM₁₀颗粒物活化成为云凝结核和冰核参数化方案设计

模式中将假设颗粒物为单分散谱，颗粒物粒子与八类水物质(水汽、云水、雨水、云冰、雪花、冻滴、霰和冰雹)及参与暖、冷微物理过程，包括核化、升华、自转化、碰并、冻结、融化、繁生等；除水汽和云水外，其它水成物均采用双参数粒子谱演变方案计算。涉及的主要冰晶过程，有自然冰核活化形成冰晶、云水在-40℃时的均质冻结形成冰晶、冰晶凝华增长、结淞增长、自动转化、过冷雨滴碰冻冰晶形成霰，霰对冰晶的收集、冰晶在0℃层以下融化以及淞附过程和大滴冻结与繁生产生的次生冰晶。

云凝结核活化参数化方法：

CCN的活化和云滴的凝结增长是显著影响云形成初期的数浓度和比含水量的决定性过程，利用Cohard的CCN的活化数浓度表达式如下：

其中S_VW为水面过饱和度，F(a,b,c,d)为超几何函数，对于大陆性的云而言，参考取值为：C＝8.04×10¹¹m^-3,k＝3.50,μ＝3.76,β＝44.1。

其中C值可利用2.5km观测值进行修正。

冰核活化参数化方法：

颗粒物数浓度可由直接观测并计算其分布和激光雷达观测反演得到。大气颗粒物异质冰相核化过程将采用DeMott et a1.(2010)的参数化方案，混合相云中在水面过饱和情况下，对于给定的温度活化的冰核数浓度(L^-1)为：

N_IN,T＝a(273.16-T)^b(n_aer,0.5)^{(c(273.16-T)+d)}；

其中：a＝0.0000594，b＝3.33，c＝0.0264，d＝0.0033；T是云内温度(K)；n_aer，0.5代表直径大于0.5μm颗粒物的数浓度(cm^-3)(该值可由观测值计算得到)

(3)模式中随机放电参数化方案设计

选取随高度变化的逃逸电子电场阈值为雷电的初始击穿阈值，设置雷电是从初始点双向传播的，模式中雷电通道的扩展采用步进方式，同时考虑放电过程中通道电位对环境电位的影响，通道每扩展一步，非通道点的电位便重解一次，当整个模拟域中不再有后继通道扩展点时雷电便终止。雷电通道的构建采用分形的方法对通道的传播进行描述。

雷电通道向下发展到离地面0.5km时就认为是地闪：

(a)雷电的启动

雷电启动的阈值取Marshall等给出的随高度变化的逃逸电子电场阈值：

E_be(z)＝±167ρ(z)

ρ(z)＝1.208exp(-z/8.4)；

E_be的单位是kV/m，ρ是与高度Z(km)有关的空气密度kg/m³。

击穿阈值也可尝试取固定的常数，如：150－200kV/m。

(b)通道的双向、随机发展和通道电位

雷电是从触发点开始，正、负先导沿着平行于和逆平行于电力线的双向传播。只要大于逃逸击穿阈值，先导就能向前传播。通道的扩展是采用步进方式，即每次正负通道各自只扩展一个后继通道点。计算全部己有的通道点与其环境点之间的电场强度。

当新的扩展点选定以后，该点的电位为：

$>\phi \left(m\right)={\phi }_{ref}-s\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{E}_{\mathrm{int}}{d}_i;$>

其中是该点距通道起始点的路径长度，m是路径段数，d是各段的长度，s是通道携带电荷的极性，φ_ref为参考电位(取初始点的环境电位)。通过迭代方法求解泊松方程▽²φ＝-ρ/ε，以求得通道周围新的电位分布。

雷电通道向下发展到离地面0.5km时即为地闪发生，接地先导通道的发展终止，电荷密度变为0以达到放电中和电荷的目的，而先前存在的向上的先导通道则允许其继续发展。若云闪出现雷电通道两端都没有后继发展的可能性，或者雷电通道到达了边界(非地面)，则云闪过程结束。

(4)模式条件设置

初始条件选用四川盆地中心城市成都强对流天气过程发生前的成都探空站资料插值后作为模式初始场，模式采用热泡启动方式。

模拟中云滴数浓度，可结合雷暴发生前CCN的活化浓度、地面云雷达观测量的反演结果，及CloudSat云雷达产品2B-CWC-RVOD中云滴数浓度最终确定。

冰核的播撒拟以(3.5-5.5km)某一高度的上升气流极大值、过冷水极大值、冻滴极大值、霰极大值或者冰雹极大值为中心的9个水平格点上进行。

模式顶垂直电场强度取晴天大气电场强度假设地面为一平面良导体，其电位为0。各水成物粒子的电荷密度在初始时刻均为0。

(5)模式的验证和改进

(a)风场验证

风廓线雷达观测结果与模拟风场的对比。

(b)水成物粒子分布验证

地面雨滴谱仪粒子分布及降水量观测与模式模拟结果的对比。

(c)地面电场验证

利用球对称模式计算改进的三维对流云催化电耦合模式模拟的对流云电荷在地面产生的电场变化，并与实际的地面观测进行对比。

(d)单位地闪频数验证

地面观测的地闪频数与模式的模拟结果的对比。

(e)国外综合实验探空结果验证

利用CCOPE实验结果进行综合验证。

通过分析对模式的验证结果，适时地对模式的各主要参数化方案进行调整，不断地完善模式，以使模式的模拟效果更加接近真实的天气过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。