1 引言

雷暴云内冰晶粒子参与的起电过程对雷暴云电荷的产生及电荷结构的形成起关键作用 (Takahashi，1978；言穆弘等，1996；郭凤霞等，2010)，而空间雷暴云电荷结构能够决定闪电放电特征 (Shi，et al，2015；谭涌波等，2014；Tan，et al，2014)，可见冰晶与雷暴云起、放电过程密切相关。Mansell等 (2005)基于三维动力云模式，通过改变冰晶浓度进行了一系列敏感性实验，研究发现冰晶浓度的变化会引起雷暴云起、放电过程的明显差异；一些实验研究表明：单个正流光多触发于低于-38℃的冰晶区域，冰晶粒子的尺度在一定程度上决定电晕放电的电场阈值 (Petersen，et al, 2006, 2015)。此外，研究表明冰晶与雷暴云内闪电发生率紧密相关，如：Deierling等 (2008)分析了闪电发生频率与冰团粒子含量的关系，发现两者成线性正比；Petersen等 (2005)发现无论是陆地、海洋还是海岸线一带，雷暴云总闪电频次与冰水含量成线性关系；Blyth等 (2001)基于观测资料证实闪电频率与下沉的霰粒子和上升的冰晶浓度成线性正比，并预测全球的闪电活动与云内冰晶浓度联系密切。

由于探测手段的限制，要想全面了解冰晶粒子如何影响雷暴云电过程有必要开展相应的数值模拟研究，模式能够合理描述冰晶生成及其演变过程是雷暴云起、放电模式研究的重要基础条件之一。研究表明，核化过程是冰晶产生的重要来源 (Jensen，et al，1998)，冰晶核化的方式为同质核化和异质核化，两者的主要区别在于异质核化过程是在冰核 (IN) 的帮助下完成的 (史湘军等，2011)；同质核化作用在温度很低的区域，而冰核的存在使得异质核化可以发生在同质核化作用 (235 K) 到冰晶融化 (273 K) 的任意温区。初期的云模式中，冰晶核化方案主要通过云室实验或野外探测获得，Cooper等 (1980)认为冰核数浓度仅是温度的函数；Huffman (1973)认为其仅与过饱和度有关；许焕斌等 (2004)和Cotton等 (1986)则同时考虑了饱和度与温度。然而这些经验公式并没有考虑异质核化过程对冰晶生成产生的影响，得到的冰晶分布与数值模拟及实际观测结果存在较大差异。此外，研究者根据观测结果和数值模拟研究认为冰核浓度与气溶胶浓度存在一定联系，DeMott等 (2010)通过对14 a内9个不同地区的气溶胶以及冰核浓度统计分析发现云内冰核与大尺度气溶胶数浓度成幂指数关系；Lohmann等 (2006)对暖云内沙尘气溶胶间接影响冰核过程开展了敏感试验研究，发现黑碳粒子浓度与云内冰核数量有很强的相关。近几年许多学者用基于物理过程的参数化方案改进了冰云的模拟过程，Kärcher等 (2002a, 2002b, 2003) 考虑了气溶胶浓度与尺寸对冰核数目的影响，并且在同质核化的框架上加入了粒子的浸润核化过程；Barahona等 (2009)在方案中考虑了不同气溶胶的相关特征以及同质核化和异质核化的竞争关系。很多气溶胶粒子可以作为冰核作用于冰晶的核化过程，包括不溶于水的金属沙尘、粉尘、烟尘、火山灰以及生物类粒子等 (Pruppacher，et al，1997；Szyrmer，et al，1997；Hoose，et al，2010)。气溶胶作用于雷暴云中的冰晶异质核化过程，主要有以下几种机制：接触冻结核化、凝结冻结核化、浸润核化和沉积核化 (Murray，et al，2012；Pinti，et al，2012)，其中接触、凝结和浸润核化都与液态水含量有关，只有沉积核化发生在相对湿度 (RH) 较低的环境下。那么不同的核化方案会对冰晶的生成带来怎样的影响？冰晶微物理过程的改变究竟如何影响雷暴云电过程？这些科学问题都值得模式工作者深入探讨。

目前，云模式中关于冰晶核化对闪电行为影响的研究少之又少。Gonçalves等 (2012)进行了细菌气溶胶改变影响冰核的敏感性实验，讨论冰核浓度改变对云中微物理和放电频次的影响，但是并没有考虑核化方案对云中起电过程的影响；谭涌波等 (2015)在二维雷暴云模式中耦合了一个与气溶胶有关的冰晶核化方案，初步探讨了气溶胶-冰晶对雷暴云内起电过程的影响，但是并没有讨论核化方案对闪电放电过程的影响。二维模式下对雷暴云可以实现高分辨率的模拟研究，并且能够探讨一次放电的闪电结构特征及其与雷暴云结构的关系，但是三维模式和真实雷暴云更加接近，更能体现出雷暴云整体放电的真实情况。

鉴于此，在已有的三维雷暴云模式 (谭涌波，2006) 中耦合了气溶胶直接作用于核化的DE方案 (DeMott，et al，2010) 以及基于物理过程考虑气溶胶参与的LP方案 (Liu，et al，2005)，与原模式中游来光等 (1964)通过云室观测得到冰晶核化经验公式YS方案进行对比分析，讨论3种冰晶核化方案下冰晶粒子大小和分布的差异以及其对非感应起电率的影响，研究雷暴云电荷结构和闪电放电行为的不同点。

2 模式介绍

文中的三维模式云框架背景来源于中国气象科学研究院发展的积云对流模式 (王谦等, 1990; 于达维等, 2001)，微物理过程参考胡志晋等 (1987)对积雨云微物理过程的描述方案，马明 (2004)、谭涌波等 (2006, 2007, 2012)、谭涌波 (2006)在此基础上先后加入雷暴云起、放电参数化方案。其中，根据积云中水成物的物理特征，考虑不同粒子增长和下落，将它们分为云滴、雨滴、冰晶、霰和雹等5种，并且这些粒子都具有双参数谱 (混合比和数浓度)。云模式内微物理过程考虑了凝结蒸发、碰并、自动转化、核化繁生、融化冻结等27种过程。为了凸出冰晶对电荷结构的贡献，模式的起电过程主要考虑非感应起电方案。非感应起电的物理机制至今还不完全清楚，主要结论一般是依据实验室分析获得经验结果，基于此，本模式考虑在Pereyra等 (2000)实验的基础上，对Gardiner等 (1985)方案进行修改，使逆转温度随环境液态水含量的变化而变化。修改后的Gardiner-Pereyra方案为

(1)

式中，δ_q是单次碰撞电荷转移量，D_i为冰晶直径，V_i和V_g分别为冰晶和霰的平均下落末速度，δL为与云水含量 (C_WC) 相关的参量

(2)

式中，q_c是云水混合比，f(τ) 是Ziegler等 (1991)采用的关于逆转温度T_r的系数

(3)

式中，τ=(-21/T_r)(T-273.16)；根据Pereyra等 (2000)的实验数据，设定T_r与云水含量的关系为

(4)

文中放电模型主要采用谭涌波 (2006)建立的BSLP (the Bidirectional Stochastic Lightning Parameterization) 方案，该方案基于Mansell等 (2002)提出的随机放电模式，对闪电的启动、正负先导的传播方式的计算方法进行了修改和补充。该模式采用500 m×500 m×500 m分辨率，并且限定在一个时步内闪电频次不能多于20次。模式中闪电通道的扩展是采用步进方式，即每次正、负通道各自只扩展一个后继通道点；放电过程中采用超松弛迭代技术解泊松方程，并且重新计算得到新的电位分布；闪电终止条件是云闪和地闪都结束。在模式中，若云闪一侧继续发展，而另一侧通道没有扩展的可能时则暂停允许以后再次扩展；如果出现闪电通道两端都没有后继发展的可能性，或者闪电通道到达了边界 (非地面)，则云闪过程结束；对于地闪过程，当后继放电次数达到5次，或者在原先存在的通道上没有新的后继通道可能初始点时，整个地闪过程结束。

放电过程会直接中和闪电通道及其附近原先存在的电荷，导致闪电通道附近净电荷量减少，从而改变了原有的电荷分布。为了直接体现出净电荷浓度降低这一效应，不计算通道感应电荷，直接按一定比例降低通道及邻近若干格点各种水成物粒子原来携带的电荷密度，计算式为

(5)

式中，δQ_k是放电结束后水成物粒子k的电荷密度，δρ_eχ是放电之前闪电通道及其附近格点的电荷密度，σ_k是水成物粒子k的表面积，是所有水成物粒子的表面积总和，β是水成物粒子k电荷密度降低的比例。文中，拟将通道及邻近格点各种水成物粒子的电荷密度降为放电前的30%。

2.1 冰晶核化方案简介

核化方案直接影响云模式中冰晶的生成和分布，下面简单介绍文中的3个冰晶核化参数化方案，分别是由云室实验得到的YS方案、基于观测资料的DE方案以及综合了多个物理量的LP方案。值得指出的是，DE方案与LP方案均考虑了气溶胶粒子参与核化的过程，但是气溶胶暂时只作为背景场，不作为模式中新的预报量。模式中假设气溶胶浓度随高度的变化按指数关系递减 (Yin，et al，2000；师正等，2015)，并且各层气溶胶数浓度是均匀分布的。

(1) YS方案

YS方案是基于Fletcher (1962)的公式改进而来，将冰核数浓度N_N(个/m³) 与温度T(℃) 相联系

(6)

式中，ρ为空气密度，N_IN、B_IN为参数，游来光等 (1964)通过云室观测得到N_IN=6.53，B_IN=0.342。取冰核活化速率

(7)

实验还表明N_pvi同冰面过饱和度 (S_ice) 有关，因此冰晶核化方程为

(8)

(9)

式中，K=5，w为风速。

(2) DE方案

DE方案是DeMott等 (2010)结合14 a的观测资料，将冰核数浓度与温度、气溶胶粒子 (直径超过0.5 μm) 联系得到。DE方案认为只要相对湿度超过100%，温度T(℃) 满足-35≤T≤-9时，气溶胶粒子将对冰核的形成做出贡献

(10)

式中，a、b、c、d为给定系数，N_{IN, Tk}为生成的冰晶数浓度 (个/m³)，T_k是云温 (K)，n_{aer, 0.5}是直径超过0.5 μm的气溶胶粒子数浓度。参考梁思等 (2012)对天津郊区夏季气溶胶谱分布特征观测的研究，本模式认为n_{aer, 0.5}为地面气溶胶粒子数浓度的1/10。

(3) LP方案

LP方案融合了多种气溶胶类型 (粉尘、沙尘和硫酸盐粒子) 在不同环境下的核化模式 (同质核化、浸润核化和沉积核化)，还考虑了异质核化到同质核化转变的主要机制和两者间的竞争关系。方案中粉尘粒子作用于浸润核化过程，沙尘粒子作用于沉积核化过程，同质核化中气溶胶主要考虑硫酸盐粒子。该方案在谭涌波等 (2015)中已经有详细的论述，只是在沉积核化部分将Meyers等 (1992)方案改为Liu等 (2005)中与温度和风速有关的核化方案。即当外界条件满足

(11)

将Meyers等 (1992)沉积核化方案中的100×(RH_i-1) 替换成S_i，并且S_i(%)=a×T+b

其中：

(12)

(13)

因此, 沉积核化生成的冰晶数浓度为

(14)

无论是DE方案或是LP方案，模式中新的冰晶数浓度是由核化率决定的，规定在一个时间步长Δt内，后一个时间步长的冰晶数浓度 (N_i^new) 与前一个时间步长的冰晶数浓度 (N_i^old) 相比，如果N_i^new大于N_i^old，代表有新冰晶产生，否则取0。

(15)

式中，Q_i为冰晶核化率。

2.2 背景场介绍

模式中以2015年7月13日20时 (北京时) 海拉尔站的环境温、湿度层结的真实气象条件为基础进行雷暴云模拟。图 1为该气象条件下的温、湿度层结及风场，地面温度在30℃左右，露点温度为20℃左右，低层大气的相对湿度在50%—71%。模式温度扰动设为0.5 K，湿度扰动设为0.4，扰动区域长宽均为20 km，厚度为2 km。模式的计算域为76 km×76 km×20 km，设定模拟时间为90 min，取时间步长为4 s。地面气溶胶的初始浓度设置选取较为清洁的大气环境，在LP方案中，沙尘气溶胶和硫酸盐气溶胶的地面初始浓度取100个/cm³，粉尘气溶胶地面初始浓度取为10个/cm³；参考LP方案气溶胶总浓度为210个/cm³，在DE方案中n_{aer, 0.5}=21个/cm³。

3 结果分析 3.1 冰晶比含水量时、空分布对比

模式中冰晶粒子的含量和分布直接受到核化方案的影响，图 2给出了不同方案下冰晶比含水量随时间的分布。从图 2可以看出：YS方案产生的冰晶主要集中在低温区 (低于-13.8℃)，在高温区 (-13.8—0℃) 几乎没有冰晶产生；与气溶胶有关的DE和LP方案在高温区和低温区均有不小数量的冰晶生成，而且无论是空间分布还是数值大小，DE和LP方案下的冰晶比含水量均大于YS方案模拟得到的结果；DE和LP方案下冰晶在雷暴云发展时刻和旺盛时期分布颇为相似，但是在雷暴云后期LP方案中的冰晶分布比DE方案广，且存在时间更长。YS方案中冰晶 (质量浓度大于0.1 g/kg) 主要分布在6.5—14.3 km高度以及-13.8—-58℃温度区间，最大值只能达到2.3 g/kg；DE方案则分布在5.1—13.7 km高度，0—-54℃温区，最大值高达4.9 g/kg，与其他两种方案不同的是，DE方案中冰晶在64 min后不再出现；LP方案里冰晶主要分布的高度为5.0—14.0 km，温度为0—-55℃，最大值为4.0 g/kg。相比于YS方案，DE和LP方案冰晶中心高度明显更低，YS方案冰晶中心高度在10.5 km (-40℃) 左右，DE和LP方案中冰晶中心高度一致维持在8.5 km (-28℃) 处甚至更低。YS方案中比浓度高于0.5 g/kg的冰晶主要分布在8.0—13.5 km高度，持续时间为31—63 min；DE方案中主要分布在5.5—13.7 km高度，持续时间为28—54 min；而LP方案里冰晶 (大于0.5 g/kg) 主要分布在5.5—13.2 km高度，持续时间为27—57 min。不同核化方案下冰晶数浓度也有一定的变化，YS方案数值普遍大，最大值为1.8×10⁸个/kg；DE方案相对较小，最大为3.3×10⁶个/kg；LP方案则为1.6×10⁷个/kg。

综上所述，气溶胶对冰晶核化过程影响巨大，异质核化是冰晶在高温区生成的主要原因，YS方案中基于云室观测的经验公式并没有考虑到有气溶胶参与的异质核化过程，大量的研究表明异质核化相比同质核化可以在更高温区发生影响雷暴云电过程 (Phillips，et al，2008；Rogers，et al，1998)。DE方案相比LP方案冰晶的生成能力更强，持续时间较短，同时冰晶消耗加快，这与方案的具体计算过程有关：DE方案是只考虑了有气溶胶参与的异质核化方案，生成的冰晶数浓度由温度、气溶胶粒子浓度共同决定，因此冰晶的生成不需要由云滴冻结，气溶胶直接作为冰核参与核化过程；而LP方案中虽然也用气溶胶计算冰晶数浓度，但它综合了同质核化、异质核化以及两者的竞争关系，并且与风速、相对湿度、温度等多个物理量有关，考虑得更为全面 (谭涌波等，2015)。

3.2 非感应起电率及电荷结构对比

在非感应起电过程中，粒子得到的电荷量多少、正负电荷区分布范围以及电荷载体等均与冰晶的出现时间以及冰晶的浓度和尺度有关 (孙安平等，2002)。此外，冰晶谱分布能够改变冰相粒子的垂直结构，从而改变非感应起电率的时空分布，一些观测和模拟实验证实了小冰晶粒子相比大冰晶粒子分离更多的单位质量的电荷；冰相物的分布也是动力过程、微物理过程综合作用的一个体现；同时，冰晶-霰 (软雹) 间碰撞的非感应起电过程是云中强电场产生的根本原因。由此可见，冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切而又复杂的关系 (Ziegler，et al，1991；周志敏等，2009；郭凤霞等，2003)。

图 3a、b、c给出了不同方案下非感应起电率随时间的变化，正感应起电率表示冰晶通过非感应起电作用携带正极性转移电荷。由于YS方案中冰晶比含水量相对较小，其非感应起电率分布也是最弱的，同时由于YS方案在高温区几乎没有冰晶产生，从图中可以看出雷暴云成长时期其非感应起电率分布高度区域基本不低于7.0 km，而且数值较小，普遍在100 pC/(m³·s) 以下，一直到雷暴云发展旺盛时期 (40—48 min) 在6.0 km处才有极小的数值出现，在雷暴云发展旺盛与消散阶段 (36—60 min)，YS方案的非感应起电率达到最大，整个雷暴云过程中最大值为887 pC/(m³·s)；DE方案的非感应起电率在雷暴云初始时段 (25—35 min) 最大，超过500 pC/(m³·s)，最大值为1118 pC/(m³·s)，中心区域在9 km左右，主要原因是DE方案中冰晶生成的速度很快，因此一开始非感应起电率就达到最大值，与图 2中冰晶生成高度和数目一致；LP方案下整个雷暴云阶段 (29—51 min) 非感应起电率基本在100 pC/(m³·s) 以上，最大值为706 pC/(m³·s)。对比图 2可以发现，YS方案冰晶数浓度虽然相对较小，但是一直保持稳定。因此，非感应起电率分布也较为均匀；DE方案下随着雷暴云发展非感应起电率持续降低，48 min后均低于100 pC/(m³·s)；相比DE方案，LP方案下非感应起电率超过100 pC/(m³·s) 的区域更广，持续时间也更长，与图 2中冰晶粒子的发展趋势保持一致。从图 3a、b、c不难看出，43 min之前，在6.5 km (-12℃) 以下的区域，3种核化方案都有一定程度的极性反转现象。YS方案仅在40 min左右有一个短暂且不明显的反转行为出现，最小值为-11.2 pC/(m³·s)，DE方案相比YS方案更加明显，最小值是-121 pC/(m³·s)，LP方案模拟所得到的负感应起电率区域分布最广 (4.5—7.2 km)，时间最长 (29—43 min)，最小值达-138 pC/(m³·s)。模式采用的G-P方案中冰晶所获得的负电荷量较小，与逆转温度变化关系不大，主要是由冰晶的数浓度和直径决定，DE和LP方案在5.0—7.5 km高度都有冰晶产生 (图 2b、c)。因此，底部冰晶电荷极性反转现象明显；而当液态水含量低于1 g/m³时，冰晶可能获得正电荷也可能获得负电荷 (谭涌波，2006)。因此，DE方案中这个温区数值有正有负。

非感应起电过程中霰通过与冰晶的碰撞得到负电荷下降；质量轻的冰晶粒子获得正电荷随上升气流抬升，冰晶的分布实际上是影响电荷结构的重要因素。图 3d、e和f给出了3种方案模拟所得到的电荷结构随时间的变化，可以看出不同的冰晶核化方案下雷暴云电荷结构差异较大。YS方案下模拟得到的电荷结构呈现偶极性，主正电荷区分布在7.5—11.0 km高度，对应温区为-20—-43℃，最大值是6.54 nC/m³，主负电荷区位于5.0—9.5 km高度，对应温区高于-33℃，最小值为-8.11 nC/m³，最大值和最小值均出现在雷暴云旺盛时期。DE方案中电荷结构在雷暴云发展初期表现为三极性，但是维持的时间较短，在37 min之前的时期基本是偶极性结构；当雷暴云发展到旺盛时，出现多极性结构，在5 km高度处主负电荷区下部明显嵌入了一个数值较小的次正电荷区 (LPC)，持续时间较短 (37—43 min)；随着雷暴云消散电荷结构变为偶极性；其主正电荷区分布在8.0—12.0 km高度，主负电荷区分布于5.8—10.7 km高度，最大和最小值分别为5.01 nC/m³和-6.04 nC/m³。LP方案下模拟得到的电荷结构多元化，雷暴云初期呈现偶极性，在雷暴云发展旺盛时期为三极性和多极性电荷结构，而当雷暴云消散时，电荷结构继续呈现偶极性，在雷暴云底部区域次正电荷区 (LPC) 明显，数值相对主正电荷区较小，且存在时间较长 (38—46 min)，分布区域为3.1—5.7 km高度，这与Mansell等 (2005)得到的结论基本一致 (次正电荷区出现在主负电荷区下面，高度低于5 km，温度满足-10℃≤T≤5℃)；同时LP方案下其电荷结构的主正电荷区分布在9.0—11.5 km高度，最大值为6.36 nC/m³，主负电荷区分布于6.0—9.1 km高度，最小值为-5.99 nC/m³，电荷区域空间对应高度与Carey等 (2005)和Ely等 (2008)通过对流系统模式模拟电荷结构所得到的结果基本一致。同时在实际观测中，Qie等 (2005a)综合分析了大量雷暴云下的地面电场记录和闪电电荷源定位结果，认为中国内陆高原雷暴的基本电荷结构为三极性；赵中阔等 (2009)基于电晕探针探空技术对甘肃一次雷暴过程进行了穿云探测，发现雷暴呈现中间为负电荷区，上部、下部为正电荷区的三极性电荷结构，模拟结果与观测事实是相符的。DE和LP方案下雷暴云电荷空间 (绝对值＞0.5 nC/m³) 分布区域整体大于YS方案，由于在高温区没有冰晶生成，YS方案模拟得到的电荷结构单一，基本为偶极性；DE和LP方案中电荷结构复杂化，底部出现次正电荷区，电荷量也有一定的增长，次正电荷区来源于霰粒子，在非感应起电过程中，霰粒子通过与冰晶的碰撞在极性反转的情况下获得正电荷 (Tan，et al，2014)；DE方案中次正电荷区的数值和分布均小于LP方案，主要原因是DE方案中冰晶所携带的电荷极性在高温区反转较弱，因此冰晶所携带的负电荷较LP方案少，也就是说霰粒子所携带的正电荷相对较少，对次正电荷区的贡献低于LP方案。

3.3 放电结果对比

冰晶核化通过影响雷暴云电荷结构改变闪电放电特征，雷暴云中冰晶的浓度和分布与放电行为密切相关。图 4展示了3种方案下雷暴云放电结果随时间的变化。YS方案下雷暴云云闪发生频次为295次，首次云闪出现在第34分钟，随着雷暴云发展，在第46分钟云闪次数达到最大，1 min内发生了39次云闪，结合电荷结构 (图 3c) 可以发现这时电荷数值最大，整个雷暴云过程没有地闪发生。DE方案中雷暴云在第31分钟出现首次云闪，相比YS方案云闪首次时间提前，第39和40分钟内分别发生2次负地闪，云闪增加至584次；LP方案负地闪总次数为4次，分别发生在第39、40、41、41分钟，首次云闪发生在第33分钟，总次数为504次。对比图 3中的DE和LP方案模拟得到的电荷结构可以看出，负地闪发生的时刻正是次正电荷区出现的时段。雷暴云电荷结构强弱决定闪电放电次数，电荷结构形态决定闪电类型。对比图 4a、b和c可以发现：(1) 3种方案的雷暴云首次闪电过程均为云闪，且云闪发生的次数远高于地闪，雷暴云发展旺盛时刻云闪频次达到最大值；(2) YS方案下雷暴云电荷结构最弱，云闪发生频次最少且没有地闪出现，同时DE与LP方案中电荷结构均强于YS方案。因此，云闪的发生频次明显增多；LP和DE方案相比YS方案负地闪明显增多，原因在于后两者电荷结构底部出现次正电荷区，在三级性雷暴云电荷结构下，底部正电荷堆是产生负地闪的关键，负先导从主负电荷区触发，沿通道向地面传播，次正电荷区的存在使得负先导更容易向地面发展产生回击形成负地闪 (Coleman，et al，2003；Clarence，et al，1957；Williams，1989；Pawar，et al，2004；Qie，et al，2005b；Nag，et al，2009)。

闪电通道结构特征与雷暴云中电荷分布密切相关。根据闪电双向先导理论，正先导向负电荷区发展，而负先导向正电荷区延伸。那么不同的核化方案下闪电先导的分布特征有何差异？图 5给出了3种核化方案下正、负先导发展步数以及闪电初始出发点随高度的变化分布。需指出的是，闪电先导发展采用步进式。因此，这里的先导步数相当于闪电先导传播次数。由图 5a、b与c可以发现，负先导主要在8—15 km垂直范围内传播，步数在10—11 km高度处达到最大值，原因是此区域内冰晶通过非感应起电机制获得正电荷形成雷暴云主正电荷堆，有利于负先导在其内部发展。相比DE与LP方案，YS方案负先导的步数明显减少，高度分布区域较小，结合图 3a不难看出YS方案中正电荷结构分布区域较窄，电荷量相对较小。因此，负先导传播受限；同时与YS方案不同的是：DE与LP方案在1.5—7.0 km高度范围内均有一定负先导的传播，这与上面讨论的情况保持一致，负先导在次正电荷区内 (LPC) 传播。

由图 5d、e与f发现，正先导主要分布在10 km高度以下，正先导步数在7—8 km高度处最多，并在7 km高度以下，随着高度的降低，步数逐渐减小，对比图 3d、e、f可见随着高度的降低，7 km区域下的电荷量级也逐渐减弱。YS方案下正先导传播步数较少，根据以上讨论部分，霰与冰晶通过非感应起电获得转移电荷，对中部的主负电荷堆与底部次正电荷堆具有积极的作用，雷暴云中部主负电荷堆越强，正先导越容易传播，DE方案与LP方案下冰晶数浓度以及分布区域均大于YS方案，霰更容易获得大量电荷，其主负电荷区电荷量数值更大，因此，DE与LP方案下雷暴云中正先导传播更为频繁。DE和LP方案中正先导传播的最低位置为4 km，而YS方案中正先导在2.5—4.0 km高度有一定发展，原因在于YS方案中雷暴云是偶极性结构，主负电荷区至地面的空间区域内还有少量的负电荷堆，这有利于正先导的传播。图 5g、h与i统计了3种方案下闪电初始触发的高度。从图中可以看出，大部分闪电在8—10 km高度处触发，YS方案中闪电触发较其他方案少，原因是只考虑同质核化的YS方案低估了冰晶的生成数目与分布区域，从而导致雷暴云电荷结构分布区域变小且电荷量减少；DE与LP方案在大于10—11 km的高度上有一定数量的闪电被触发，尤其是DE方案在11 km高度处达到峰值，结合图 3e、f发现两种方案的电荷结构中主正电荷区在此范围内在雷暴云消散之前基本保持稳定。由此可见，冰晶核化方案对于闪电的触发改变不大，原因是3种核化方案下冰晶在低温区的生成高度范围基本一致，主正、负电荷区的分布高度大致相同，而闪电的触发一般位于主正电荷区与主负电荷区内。

4 结论与讨论

利用已有的三维雷暴云起、放电模式并结合海拉尔地区一次雷暴过程，对比分析了3种冰晶核化方案下冰晶分布特征。其中，DE和LP方案与气溶胶有关，而YS方案考虑温度和过饱和度。在此基础之上，进一步分析了不同方案下非感应起电率和电荷结构的演变特征及闪电放电特征的差异。结果表明：

(1) 冰晶粒子的数值大小及空间分布与核化方案紧密相关，异质核化是导致冰晶在高温区出现的主要原因。YS方案冰晶主要集中在低温区 (低于－13.8℃)，主要分布在6.5—14.3 km高度以及－13.8—－58℃温度区间；DE和LP方案冰晶分布空间更加广泛，高温区 (高于-13.8℃) 明显有冰晶生成，冰晶核化发生的主要高度和温度区间分别集中在5.1—13.7 km，0—－54℃和5.0—14.0 km，0—－55℃。在整个雷暴云发展过程中新方案冰晶分布空间、温度区间均大于YS方案，DE方案由于只考虑了冰晶的异质核化，冰晶的生成能力变强，持续时间较短，冰晶消耗也更加迅速。

(2) 冰晶核化方案的不同导致非感应起电率也有很大差异，冰晶的非感应起电率空间分布与其粒子空间分布基本一致。相比YS方案仅在40 min左右有一个短暂的反转行为，DE和LP方案中高温区产生的冰晶在这个区间有一个明显的极性反转现象，而且反转数值相对较大。冰相粒子空间分布与雷暴云起电过程关系密切，YS方案由于在高温区没有冰晶生成。因此，电荷结构为偶极性，分布空间相对较窄；DE和LP方案下电荷结构复杂化，底部出现明显的次正电荷区，数值也有一定的增长。

(3) 雷暴云电荷结构决定闪电放电行为，不同的核化方案闪电放电特征也不一样，总体来说，DE和LP方案由于底部次正电荷区的出现负地闪频次明显增加，证实了负地闪的产生与次正电荷区关系密切；新方案中电荷结构增强，云闪也有一定的增加，并且正、负先导的传播次数普遍大于YS方案，且负先导在较低的高度范围内传播，传播的空间范围更大；由于电荷结构分布区域更大，新方案中少量闪电的触发出现在相对位置更高的区域。

对于云模式工作者而言，如何在模式中合理地描述冰晶生成至关重要，而核化过程是冰晶产生的重要来源，在以往的研究中，大多数工作都是围绕气溶胶活化-云凝结核开展，关于气溶胶-冰核的研究相对较少，尤其是在雷暴云的发展过程中冰晶核化并没有在模式模拟研究中得到重视。因此，文中利用已有的三维雷暴云模式对比研究了3种不同的冰晶核化参数化方案对雷暴云起、放电的具体影响，旨在提高模式对雷暴云微物理过程及电过程的描述能力。YS方案采用经验公式，冰晶数浓度随着温度的降低而成e指数增加，但是Cooper (1980)、Deshler (1982)、Al-Naimi等 (1985)收集飞机观测和云室结果的研究中并没有显示出冰晶数浓度和温度很好的相关性；新的参数化DE与LP方案在高温区都有冰晶生成，这与Gultepe等 (2000)通过对4个现场观测资料的分析总结得到的结论较为一致，即：在－46—－2℃温区内均有一定数量的冰晶存在。DE方案是DeMott等 (2010)结合14 a的观测资料，将冰核数浓度与温度、气溶胶粒子 (直径超过0.5 μm) 联系得到，同时杨磊等 (2013)也认为粒径大于0.5 μm的气溶胶数浓度与冰核浓度相关最强，因此，这种基于观测资料得到的经验公式相对来说还是较为合理的；LP方案利用基于物理过程的参数化方案取代原有的经验公式，Shi等 (2013)已将其运用在大气模式GAMIL中并与观测个例做了模拟验证，结果证明LP方案得到的冰晶谱分布与观测资料较吻合。

利用已有的三维雷暴云模式，分别耦合了两种考虑气溶胶参与的DE和LP方案，与原模式中由云室实验得到的YS方案进行对比模拟试验，证实了异质核化可以使冰晶在高温区产生，进而影响雷暴云的起电过程和闪电放电特征。高温区产生的冰晶在极性反转的情况下获得负电荷，霰粒子在高温区获得正电荷，这正是雷暴云电荷结构中次正电荷区出现的关键因素，而次正电荷区的存在会使得负地闪发生频数明显增多。因此，文中初步探讨了有气溶胶参与的冰晶核化方案对雷暴云电过程的影响，而详细的气溶胶谱分布、数浓度等如何影响雷暴云电过程将是下一步工作的重点。