雷暴云中的起電機制發布者：管理員發布時間：2005-10-0810:44:51單位：中科院寒旱所雷暴云的典型電特征是云內的電荷分離并最終達到放電發生（閃電）的階段。關于雷暴云起電機制的研究有很多書涉及（Mason,1971；MooreandVonnegut，1977），本書只給出有關起電機制的一些基本知識，詳細可參考Mason（1971）和Mason（1980）的著作。實際上，到目前為止，已經有多種關于云中起電機制的假設，有些是在實驗室的基礎上提出的（Gunn，1954,1956；HallettandMossop，1974；Takahashi，1978；Hallett，1979；LathamandDye，1989；Latham，1980；Norvilleetal，1991；WilliamsandZhang，1996；SaundersandPeck，1988；Jayaratne，1998a），有些是根據一些物理現象或概念在數值模擬的基礎上提出的（PaluchandSartor，1973；Chiu，1978；Kuetteretal，1982；Rawling，1982；Takahashi，1984；言穆弘和葛正謨，1985；HeldsonandFarley，1987；Ziegleretal，1989；言弘謨等，1991；Scavuzzoetal，1998）。這些假設大多以兩個基本概念之一為基礎：即以降水為基礎的感應過程和非感應過程。另外還有一種機制則與降水無直接的關系。本節將給出幾種典型起電機制的基本概念。1.感應起電機制在感應起電機制中（圖2-9），外部電場引起降水粒子的電極化，極化強度取決于所涉及粒子的介電常數。在晴天電場下，電場方向自上而下。在垂直電場中下落的降水粒子被極化后，上部帶負電荷，下部帶正電荷。同這些較大的降水粒子相碰撞后的小冰品或小水滴就獲得正電荷，隨上升氣流向上，從而發生了電荷的轉移過程，使得云粒子帶正電荷、降水粒子帶負電荷。圖2-9給出了在垂直電場中極化的云粒子和冰粒之間經彈性碰撞而產生電荷分離過程的示意圖。帶負電荷的雨滴或冰粒由于具有較大的重量而下降，并加強原來的電場。大、小粒子之間電荷交換的數量隨電場的增強而增加，該效應由正反饋維持，正反饋使原電場增強，直至增強到水滴所攜帶最大電荷的極限值，并伴有閃電，或者重力被電力所抵消，才使大顆粒停止下降。碰前 碰撞后冰粒/。云航子圖財，云粒子與極化的降水粒子彈性碰撞而獲得電荷過程的示意圖實驗室的實驗表明，感應過程只有當環境電場高于10kV/m時才有顯著作用(AufdermauerandJohnson，1972)2.非感應起電機制除感應起電外，非感應起電過程也是很重要的。非感應起電包括溫差起電、結霜起電、大水滴和冰品的破碎起電、水的凍結和融化起電等。這里介紹兩種被認為是比較重要的起電機制。(1)溫差起電：如果兩片初始溫度不同的冰品被帶到一起，而后又被分開，則溫度較高的冰品獲得負電荷而較冷的冰品獲得相等數量的正電荷，這是因為較活躍并帶有正電荷的氫離子向溫度梯度降低的方向擴散，而較穩定被帶有負電荷的OH-離子較多地存在于溫度較高的部分。由于冰品和霰粒子常在云強烈起電的情況下出現，又因過冷水滴在增大中釋放潛熱。霰粒子一般比環境稍暖，所以小冰品與霰粒子之間的碰撞有利于溫差起電。（2）結霜起電：Takahashi（1978）通過實驗室實驗提出了結霜起電機制。結霜起電是由于在冰、水共存區，軟雹暖結霜表面與冰品冷結霜表面之間產生溫度差，從而導致了電荷的轉移，結霜軟雹與冰品之間相對擴散增長率以及它們之間的相互作用是決定電荷轉移的重要因子，而增長率取決于溫度、局地過飽和度、液態水含量和冰品尺度。這些因子的不同配置將引起不同極性的電荷轉移，所以存在一個反轉溫度實驗室實驗結果發現：①主要的電荷傳輸與冰品和軟雹之間的碰撞過程緊密相關，起電作用區主要發生在過冷水滴濃度較高的區域；②每次碰撞的電荷傳輸量與冰品的尺度有很強的依賴性，對直徑為100pm的冰品，碰撞時電荷的轉移量為1?5fC；③對1g/m3的液態水含量反轉溫度在-10?-20^之間。這些實驗室試驗結果與野外實際觀測結果具有很好的一致性。3.對流起電機制Vonnegut（1953，1963）發展了早期Grenet（1947）的概念，提出了不依賴于降水的電荷分離對流起電機制（圖2-10）。該機制假定云中電荷不是來自于水成物的起電和重力沉降，而是來自云外的大氣離子和地面尖端放電產生的電暈離子，正、負電荷在垂直氣流的作用下被分離。圖2-10給出了對流起電機制的示意圖。存在于晴天區域的正空間電荷由上升氣流帶入云內并附著于云粒子上，形成一個凈正電荷區域。該電荷的電場可使這塊云的周圍或電離層中的負離子流向云的表面，使得云的外圍部分帶上負電荷。云內部猛烈的上升氣流和云外部相應的下沉氣流運動，將正電荷運送至云的頂部，而負電荷則被運送至云的較低層。■Mo 示*■對流起電機制不僅要求積雨云內部存在強烈的上升氣流，而且在云體側面還要存在強烈的大規模下沉氣流。實際上這種大規模的下沉氣流一般只在形成大雨的雷暴消散階段才能出現。因此，對流起電機制的可能性還有待于進一步探索，特別是有待于積雨云結構和氣流結構的大量觀測和深入研究。不過，對流起電機制有可能對積雨云云底附近較弱正電荷區的形成起重要作用。4.起電機制的數值模擬提到雷暴云的起電有必要特別總結一下數值模擬方面的工作。由于雷暴內部結構十分復雜，使云內資料的觀測受到很大限制，因此數值模擬成了起電機制研究的一個重要補充。許多人曾經對積雨云或雷暴的起電機制進行過數值模擬研究。雷暴的起電模式通常是在動力模式的基礎上起電機制主要是感應起電。其中最具代表性的是Takahashi(1979)的工作，他在動力模式的基礎上引入電場力和各種起電過程，從而建立了一個一維軸對稱云模式，以研究淺對流暖云的電荷結構特征。Chiu（1978）將這一工作延伸，模擬了深對流暖云中空間電荷的分布特性。這些模擬結果發現強的電活動依賴于云中的強降水率，模擬還得到了電荷偶極分布和云下部較弱的正電荷區。80年代以來，模擬更多地轉向冷云，也更多地注意非感應起電機制的作用，在模式處理上也有了較大進展。Rawling（1982）最早在模式中引入了較為完整的非感應起電過程，由于該機制的很多參量尚未在實驗室中得到證實，模擬結果與實際測量結果不能很好吻合。Takahashi（1984）利用二維軸對稱模式分別對暖云和冷云進行了模擬，且考慮了大陸性和海洋性環境影響，對于水成物粒子作了較為仔細的尺度分檔處理，模擬得到了三極性電荷結構，并指出最大電荷區和最大降水區吻合，這和實際觀測也有出入。此外，對非感應機制中一些參量例如冰品濃度的選用也需要進一步商榷。此后，Heldson（1987）、Ziegler（1989）和Norville（1991）進一步討論了非感應機制在模式中的應用，為了計算穩定性，模式處理上采用運動學形式，即動力基本量值的選取采用成熟的動力模式結果，模式計算發現非感應起電率很依賴于液態含水量值和反轉溫度的選擇。言穆弘和葛正謨（1982）曾討論過冰品濃度對非感應起電過程的敏感性問題，對于通常觀測到的冰品濃度，該機制起電率是較弱的，如果在云下產生二次冰品繁生效應，通過氣流循環增大冰品濃度和尺度，則起電率將大大增加。言穆弘（1996a，b）曾建立了一個模擬積云動力和電力發展的二維時變軸對稱模式，來討論形成雷暴電結構的物理原因。模式中考慮了10種主要微物理過程，包括凝結（凝華）、蒸發、自動轉換、粒子間的碰撞、冰品核化以及次生冰品等。在起電過程中除了考慮常規的擴散和電導起電外，重點引入了感應和非感應起電，以及次生冰品起電的作用。模擬結果發現，軟雹碰撞冰品的感應和非感應起電機制是形成雷暴三極性電荷結構和局地產生足以導致空氣被擊穿的強電場的主要物理過程。雷暴下部的次正電荷區主要由非感應起電機制形成，計算得到的下部正電荷區和中部負電荷區最大電荷濃度約為10-8C/m3,而上部正電荷區約低一個量級。張義軍等(1999)在方穆弘等(1996a，b)發展的二維時變積云動力和電過程二維模式的基礎上，引入了閃電放電過程，從而對雷暴中的放電過程進行了數值計算，結果表明隨著雷暴動力和微物理結構的發展，雷暴的電活動逐漸增強，放電過程主要發生在模擬雷暴發展到30?45min期間，且始發位置主要集中在溫度約為-10°C和-25°C的兩個度上。在三極性電荷結構的雷暴中，90%的放電發生在雷暴云中部分負電荷區與下部正電荷區之間。雷暴中放電活動主要依賴于上升氣流，但也需要一定的云中降水粒子(對應于地面降雨率約＞5mm/Bo由此看來，雖然云中起電依賴于大小水成物粒子的下落速度差，但依賴性不強，只需要一定的速度落差即可，但不同極性電荷的分離卻對上升氣流有很強的要求，否則云中強電場難以形成。盡管對雷暴云起電機制的研究無論從雷暴云內的實際探測(MarshandMarshall，1993；Marshalland