气溶胶物理特性对雷暴云电荷结构、闪电行为影响的研究

Aerosol, serving as cloud condensation nuclei (CCN) and ice nuclei (IN), is increasingly recognized as one of the key factors influencing the microphysical process of thunderstorm, which is also closely related to the electrification process and linghtning discharges in thunderstorm. However, few attempt has yet been made to investigate the effects of aerosol on charge structure and lingtning process in thunderstorm, and the aerosol -electrification and discharge coupling model is still relatively few. The parameterization scheme of cloud drops activation and ice crystals nucleation will be embed into the existing thunderstorm electrification and lightning discharge model to build a relatively perfect coupling model. Combining with sensitive simulation experiments and a large number of observation data,the study investigates the influence of aerosol drop spectrum and concentration on thunderstorm electrification and space charge structure. The relationship between aerosol and lightning characters will be analyzed, such as lingtning frequency, lightning intensity, frequency ratio of IC (intracloud ) lightning to CG（cloud to ground）lightning, frequency ratio of positive CG lightning to negative CG lightning and so on. A theory charge structure model will be explored to present quantitative result about the effect of charge structure on lightning characteristics. The study can improve the simulation ability of thunderstorm electric coupling model, and deepen a knowledge of people about the influence of aerosol on the microphysical process, and the electrification and discharge process in the thunderstorm. Moreover, it can provide a foundation for lightning warning and the technology of artificial lightning modification.

气溶胶作为云凝结核和冰核是影响雷暴云微物理过程的重要因素，雷暴云的起电、放电过程又与雷暴云微物理过程息息相关，而目前关于气溶胶对雷暴云电荷结构以及闪电行为的研究还十分匮乏，气溶胶与雷暴云起、放电的耦合模型还几乎未见。本项目拟在已有的雷暴云起、放电模式基础上，将气溶胶活化、冰核核化参数化方案植入模式中，建立一个较为完善的气溶胶与雷暴云起、放电耦合模型；结合敏感性模拟实验和大量观测资料，探讨气溶胶的粒径、浓度等特征对雷暴云起电过程以及空间电荷结构的影响；分析其与雷暴云闪电频次、闪电强度、云地闪比例以及正负地闪比例之间存在的关系，并给出定量分析结果；建立理论的电荷结构模型，给出电荷结构特征对闪电行为的定量分析结果。本研究的开展不仅可以改善雷暴云电耦合模式对雷暴起、放电过程的模拟能力，深化我们在气溶胶对云微物理以及起、放电物理过程影响的认知，还能为雷电预警和人工影响雷电技术的发展提供理论基础。

气溶胶可作为云凝结核(CCN)和冰核(IN)影响云的微物理过程，而雷暴云的起,电、放电过程又与雷暴云微物理过程息息相关，那么气溶胶是否也会影响雷暴云的起、放电过程？关于这个问题，目前的认知还十分匮乏，而相应的模式研究工作也较为罕见。本项目通过数值模拟结合观测资料分析，对气溶胶与闪电活动之间的相互作用关系进行了较系统的研究。.首先，分析发现夏季南京地区年平均闪电密度、地面气温、雷暴日及对流有效位能与气溶胶光学厚度呈负相关。气溶胶可能通过辐射效应，致使地面温度降低，减弱对流活动。而气溶胶浓度低的地区，闪电密度与AOD，冰粒子光学厚度呈明显正相关，气溶胶可能主要通过微物理过程促进闪电活动的发生。.模拟分析发现CCN浓度与雷暴云起电量呈非线性关系，由于云水竞争作用，当CCN浓度超过3000 cm-3时，起电过程保持稳定；陆地型雷暴云闪电发生率是海洋型雷暴云的1.5倍,从而进一步揭示了CCN在海陆电活动差异中的作用；相对于清洁型雷暴云，污染型雷暴云中首次放电延迟，但闪电持续时间更长，污染型雷暴云中有更多的闪电频次；考虑冰核异质核化过程时，高温区出现大量冰晶，使雷暴云底部次正电荷堆电荷量增加，导致负地闪频发。.通过对比分析，给出了不同电荷重置方案下雷暴云中的电活动特征，指出了不同电荷重置方案下雷暴云中电荷结构演变和放电特征的显著性差异。定量分析了通道感应电荷对闪电类别、频次及通道长度的影响。.研究了雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响。结合观测资料和模式研究，给出了地面相对湿度对雷暴云电过程的影响。分析发现地闪活动与地面高湿度条件密切相关。.整个项目的顺利实施加深了我们在气溶胶与云微物理以及起、放电物理过程之间影响关系上的认知，为雷电预警技术的改善以及将来开展人工影响雷暴云起、放电过程，达到人工“消雷”的设想提供了重要的理论基础。