四川盆地地区气溶胶对闪电活动的作用

师正

气溶胶与云、雾和降水的相互耦合作用一直以来是大气科学领域的核心问题之一，而起、放电过程作为雷暴云动力-微物理过程的产物之一，其与气溶胶的关系日益受到重视。迄今为止，学术界已经取得了多面的进展，可是其相互关系存在显著差异，气溶胶对雷暴电过程的影响与周围环境条件等要素密不可分，不同环境条件下电过程对气溶胶的响应可能不同。气溶胶对地形云动力、微物理及降水具有重要影响，而雷暴电过程依赖云的动力和微物理结构，因此如何阐释在特殊地形条件下气溶胶如何影响雷暴电过程是一个需要深入探讨的问题。

近期我司师正副教授团队基于中国闪电定位数据融合MODIS气溶胶光学深度（AOD）数据以及ERA5其他气象数据资料，深入分析了2010-2018年夏季四川盆地内气溶胶对闪电活动特征的影响。他们通过对比分析盆地西北部和西南部地闪频率、AOD及地形风场的空间分布特征发现四川盆地西北部与青藏高原形成的较大的地形落差使得该地区夏季对流活动频繁。而在这闪电频发的天然地形条件下，地闪频率却呈现出与AOD相似的降低趋势（见图1）。盆地西南地形落差相对小，气溶胶不易聚集，因此盆地西南部地闪频率对气溶胶的响应没有西北部敏感。

此外，他们还分析发现夜间盆地西部地闪频率高于白天（见图2），可推断气溶胶的微物理效应可能对闪电活动产生显著影响。白天，气溶胶通过吸收、反射和散射太阳辐射来减少到达地面的太阳辐射。因此，地面温度的上升并不明显，大气更稳定。由于稳定的大气层不利于对流活动的产生，从而不利于白天雷暴的发生。然而，由于四川盆地的大气层在夜间不稳定，导致夜晚对流和夜间雷暴更容易发生。在夜间，太阳的消失，气溶胶辐射效应减弱，因此气溶胶微物理效应可能起主要作用。

由于盆地的大气环境在夏季相对潮湿，气溶胶对云层发展和闪电放电的影响可能在高水汽含量的空气中表现得更为活跃。气溶胶颗粒的活化过程与水蒸气的吸收密切相关，在高相对湿度条件下雷暴云中生成更多云滴。随着云滴凝结过程释放更多的潜热，雷暴中的上升气流速度增加。强上升气流将向入过冷区输送更多的云水，有利于冰核核化、液滴冻结以及冰晶和云滴之间的碰撞增长过程，因此冰粒子含量增加。由于非感应和感应起电过程与雷暴云中冰相粒子的微物理特性密切相关，因此雷暴云中电过程增强（见图3）。

该研究不仅对研究气溶胶、降水和电过程之间的相互关系具有重要意义，而且在提高雷暴和闪电的预报准确性、研究区域雷电灾害风险评估等方面都具有较高的应用价值。该工作近期发表在Atmospheric Research上。

论文信息：

Zheng Shi., Jiarui Hu., Yongbo Tan., Xiufeng Guo., Haichao Wang., Xiaolin Guan., Zimin Wu., 2022: Significant influence of aerosol on cloud-to-ground lightning in the Sichuan Basin. Atmospheric Research. doi.org/10.1016/j.atmosres.2022.106330.

图1   2010-2018年6 - 8月850 hPa风场(m•s^-1，矢量箭头)和地形(m，等高线)、地闪频率(fl•day^-1)和气溶胶光学深度(AOD)的空间分布。从上到下的三行分别代表风场和地形、地闪频率和AOD。从左至右分别为2010-2012年、2013-2015年和2016-2018年。研究区域用黑色方框标出

图 2 四川盆地西北部(a)和西南部(b)白天(06LST-18LST)和夜间(18LST-06LST)地闪频率大于平均值的数据点比例

图 3 气溶胶微物理过程对闪电产生的影响的概念图