Page 73 - 《高原气象》2023年第1期

1 期 邹迪可等：青藏高原雷暴云底部次正电荷区与暖云区厚度的关系 69
的， 只有连续电流， 无回击， 电流峰值和中和电荷 于垂直气流的发展， 产生较大的垂直上升气流速
量较小（Liu et al， 1989）。这些结果均表明， 雷暴云 度， 雷暴的上升速度和 CBH 相关， CBH 越大， 上升
下部存在范围和强度都较大的正电荷区。郄秀书 速度越大， 更有利于云中冰相粒子的生长， 因此
等 （1998， 2004）在甘肃中川、 青海东部和西藏那曲 CBH 可以在一定程度上反映闪电活动的强弱，
等地观测发现， 雷暴云当顶时地面电场既可受云内 WCD 对雷暴对流强度的改变也影响了雷暴云的
负电荷控制， 也可能受正电荷控制， 根据过顶雷暴 LPCC。Pawar et al （2017）对印度北部和东北部沙
引起的地面电场变化情况将其分为一般型雷暴和 尘雷暴过程的分析发现沙尘雷暴过程和 LPCC 偏大
特殊型雷暴， 前者雷暴当顶阶段地面电场主要呈负 的高原雷暴类似， 雷暴云底部都具有较大的正电荷
极性， 后者主要呈正极性， 推断前者的电荷结构是 区（Smith et al， 2000）， 形成原因可能和较高的冰核
偶极性或典型的三极性， 而后者对应的电荷结构为 浓度有关， WCD 对雷暴冰相粒子浓度的改变影响
LPCC 范围和强度明显较大的三极性， 海拔越高， 了雷暴云LPCC。
特殊型雷暴所占比例越大（张廷龙等， 2009）。 以上探究 LPCC 和 WCD 之间的关系的工作主
内陆高原雷暴 LPCC 偏大的原因， 不同研究者 要针对的是有限雷暴个例的层结参数分析及推断，
给出了各自的解释。Qie et al （2005b）认为 LPCC和 雷暴观测个例获取难度较大， 因此样本有限， 使结
雹粒子密切相关， 大范围降雹时 LPCC 迅速减小。 果的普适性受到限制。在雷暴云数值模式中， 可以
郭凤霞等（2018）利用三维强风暴动力电耦合数值 灵活调节初始场的各个参数， 得到不同特征的探空
模式模拟了青藏高原那曲地区 2003 年 8 月 13 日的 层结， 来充分讨论探空层结特征和雷暴云电荷结构
雷暴过程， 发现这次雷暴的成熟阶段电荷结构呈三 之间的关系， 这种研究方法不仅可弥补雷暴观测个
极性且 LPCC 偏大， 主要是云内冰相粒子通过非感 例不足的这一局限， 而且可以从动力、 微物理和起
应起电机制作用形成。暖云区厚度（Warm cloud 电之间的密切联系来揭示电荷结构的形成原因。
depth， WCD）较小， 混合相区域内有效液态水含量 因此， 围绕着 WCD 是否是决定青藏高原雷暴云
较高， 对流层顶较低， 导致冰晶、 雪所在的高度更 LPCC 特征的主要原因这一问题， 本文通过三种途
低， 与霰、 雹这样的大粒子重合的区域更大， 形成 径， 改变一次雷暴个例的探空初始场， 得到不同的
了下部范围较大持续时间较长的 LPCC。Wang et WCD， 利用数值模拟， 基于敏感性试验， 进一步分
al （2019）利用 Tan et al （2006）的三维起放电模式模 析讨论青藏高原雷暴云的 WCD 和 LPCC 之间的可
拟青藏高原雷暴个例认为青藏高原雷暴偏大的 能关系。
LPCC 主要来自通过非感应起电机制而带正电荷的 2 模式介绍及方案设置
霰粒子， 感应起电机制在其中起增强 LPCC 作用，
并且通过敏感性试验发现反转温度的改变会影响 本文采用的三维雷暴云动力—电耦合数值模
LPCC 的 上 边 界 ， 感 应 起 电 机 制 的 存 在 会 增 强 式是在一个三维冰雹云模式（孔凡铀等， 1990，
LPCC， 削弱顶部正电荷区， 且采用不同非感应起 1991）的 基 础 上 发 展 起 来 的 ， 孙 安 平 等（2002a，
电机制参数化方案对LPCC的形成没有影响。 2002b， 2004）和郭凤霞等（2010， 2015）对模式进一
张廷龙等（2009）分析了 2002 -2006 年西藏那 步发展完善， 加入了详细的起放电参数化方案。其
曲、 青海大通、 甘肃中川和平凉地区的共 63个雷暴 中起电参数化方案考虑了感应和非感应起电机制，
观测个例对应的地面电场和气象观测资料及探空 感应起电机制采用的是 Ziegler et al （1991）试验的
层结资料， 发现 WCD 决定了雷暴云 LPCC 的强弱， 参数化方案， 非感应起电机制采用的是基于 Saun‐
WCD越薄， LPCC越大， 并给出推断， 薄的WCD抑 ders et al （1991）试 验 的 参 数 化 方 案 Mansell et al
制了暖云降水过程， 向混合相态区输送更多的水 （2005）。放电参数化方案采用的是在（Mansell et
汽， 使混合相态区的有效液水含量增加， 不仅有利 al， 2002）方案的基础上， 郭凤霞等（2015）基于闪电
于混合相态区大粒子浓度的增多， 而且使反转温度 通道上感应电荷重新分配原理改进后的方案。模
层高度抬升， 所以易于形成范围更大强度更强的 式的框架详见孙安平等（2000）。
LPCC。 本文模拟区域为 36 km×36 km×18. 5 km， 对流
WCD 和云底高度（Cloud base height， CBH）密 云采用热泡扰动方式启动。模式的大、 小时步分别
切相关， Williams et al （2004）认为， CBH 反映有效 为 10 s 和 1 s， 模拟总时间为 120 min， 扰动温度为
位能向对流动能的有效转化， 较高的云底高度有利 0. 8 ℃。