[发明专利]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。

主权项

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；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；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；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；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：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以求得通道周围新的电位分布。