一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Test method for influence mechanism of urban underlying surface aerosol on lightning process

The invention discloses a method for testing the effects of a city, the mechanism underlying surface aerosol on the lightning process includes: the strong convective weather monitoring by weather and cloud radar, the atmospheric particle size spectrometer and laser radar on the particle distribution characteristics were observed, at the same time the weather process by using lightning location system for observation for the lightning process; the relationship between city and region downstream of aerosol distribution and lightning activity characteristic parameters, establishes a conceptual model of aerosol CCN and ice - lightning process interaction; numerical simulation using the modified three-dimensional convective cloud aerosol on weather and catalytic electric coupling models of city underlying surface effect the mechanism of lightning. The present invention improves the coupled model of three-dimensional convective cloud, and the numerical simulation of the conceptual model is carried out to reveal the mechanism of the influence of aerosol on the lightning activity.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气象
，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。
技术介绍
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(Stith et 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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术是这样实现的，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PM2.5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SVW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：NIN,T＝a(273.16-T)b(naer,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)；naer，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：Ebe(z)＝±167ρ(z)ρ(z)＝1.208exp(-z/8.4)；Ebe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： φ ( m ) = φ r e f - s Σ i = 1 m E 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，φref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。本专利技术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。本专利技术可以对云中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是本专利技术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。具体实施方式为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，其特征在于，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；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。

【技术特征摘要】
1.一种城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，其特征在于，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；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。2.如权利要求1所述的城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，其特征在于，利用观测资料分析大气中PM2.5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。3.如权利要求1所述的城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，其特征在于，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。4.如权利要求3所述的城市下垫面气溶胶对雷电过程影响机理的测试方法，其特征在于，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SVW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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周筠珺，赵鹏国，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川;51