1 引言
冰雹是中小尺度强对流灾害性天气， 不仅给农业带来重大的经济损失， 甚至会威胁到人们的生命安全。自1946年美国发现干冰或AgI可作为高效的冷云催化剂（雷恒池等， 2008）， 许多国家都陆续开展了人工消雹实验和研究。由于积云数值模式可以给出清晰的冰雹云微物理场和动力场结构， 并能对冰雹的形成和演变机制进行深入讨论， 所以， 近几十年来， 冰雹云催化的数值模拟研究取得了大量成果。
一些研究者利用冰雹云催化模式， 分析了人工消雹的机制和效果以及人工消雹对降水和云物理属性等方面的影响。Farley et al（1997）在三维冰雹分档模式中耦合了AgI催化方案， 模拟催化试验表明， 播撒AgI后地面降水以及降雹减少， 特别是大雹减小， 但播撒对动力过程的影响不明显。Farley et al（1994， 1997）、 Holroyd et al（1995）以及Heimbach et al（1997）用三维时变中尺度模式模拟研究了AgI粒子对地形云的播云效果， 结果表明， 催化后冰晶浓度增加， 霰或雹等降水物提前形成， 地面降雨量增加且降雹量有所减少。另外有研究者发现催化会使冰晶和霰浓度增加， 对过冷云水的竞争增强， 从而使冰雹转化量减小（周玲等， 2001； 周毓荃等， 2003； 陈宝君和肖辉， 2007）。李兴宇和洪延超（2005）将人工引入的冰晶单独作为预报量处理， 发现人工冰晶减雹机制是由于人工冰晶增加使雪、 霰和冻滴增加， 进而转化成冰雹的数量增加而尺度减小。
为了达到最佳的催化效果， 即降雹通量减小很多且降雨量有所增加， 一些研究者对AgI的播撒位置、 时间和剂量进行了模拟研究。Young（1996）用一个详细云物理模式实现了AgI接触冻结核化和凝华核化的模拟， 模拟发现由于播撒的时空位置不合宜， 或与成雹过程不协调， 有可能人工造雹。Foote（1979）通过数值模拟发现， 播撒区应当在自然霰胚形成区。黄燕和徐华英（1994）发现在上升气流中心播撒AgI有较好的减雹效果且减小播撒剂量可有增雨作用。而肖明静等（2006）认为在最大过冷水区播撒均比最大上升气流区播撒效果好。洪延超等（1998， 1999， 2002）模拟指出， 在云中冰雹还未形成前， 于上升气流区的适当高度催化效果较好。还有一些研究者认为冰雹在过冷水累积区内增长， 在过冷雨水累积区催化可以起到减雹、 增雨的效果（周玲等， 2001； 周毓荃等， 2003）。崔雅琴等（2007）发现在冰雹形成初期进行 AgI 催化防雹效果最好。樊明月等（2013）模拟发现在强对流云中冰雹含量达到 0.1 g·m-3前 1~4 min 进行催化， 能有效抑制冰雹粒子的增长， 且在过冷水含量中心区进行催化的防雹效果比在其他区域好， 另发现一般情况下剂量越大， 防雹效果越好， 但当催化剂量达到一定量后， 再增加催化剂， 防雹效果变化也不会太大。楼小凤等（2016， 2021）认为小剂量催化， 可在减雹的同时增加部分降雨量， 而大剂量催化， 在减雹的同时会减少降雨。
雷暴云的冰核在起、 放电过程中有着重要的影响， 目前已有较多关于冰核影响云内起放电过程的相关研究， 但却鲜少有从直接播撒AgI的角度来研究相关问题的。谭涌波等（2015）发现不同核化方案对云的微物理过程影响不同， 得到的冰晶空间分布差异明显， 从而导致电荷结构的空间分布产生差异。谭涌波等（2017）利用已有的三维雷暴云起、 放电模式探讨； 有气溶胶参与的冰晶核化方案对雷暴云电过程的影响， 分析了不同冰晶核化方案下冰晶分布特征以及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。王梦旖等（2019）利用已有的二维对流云模式， 讨论了三种不同的冰核谱对雷暴云微物理、 起电及电荷结构的影响， 模拟发现冰核浓度大的谱环境， 冰晶和霰的数目较多， 非感应起电和感应起电过程较强。李璐滢等（2021）重点分析了三种异质核化过程对冰相粒子的发展在雷暴云起电过程中的影响， 发现随着冰相粒子的分布在接触方案、 浸润方案和沉积方案里依次升高， 最大非感应起电率也依次增加， 主正电荷区依次升高。非感应起电机制是目前被认为的最主要的云内起电机制（Mansell et al， 2005）， 非感应起电转移电荷量的主要过程是冰晶和霰粒（包括软雹）的相互作用（Mansell et al， 2005； 谭涌波， 2006）， 其数浓度和粒径大小均影响着雷暴云起电的强弱， 而在人工消雹作业中， 降雹减少， 降雨量增大的同时， 会对云内其他水凝物粒子的微物理特征产生一系列的影响， 会使得云中冰相粒子的空间分布、 数浓度、 混合比等产生差异， 从而影响冰相粒子的荷电量和主电荷区的高度。因此可以推测， 人工消雹势必会对冰雹云的起电过程产生影响， 这又将直接影响雷暴云内的电荷结构， 而电荷结构的改变必将影响雷暴云的放电特征。
综上， 目前大部分有关人工消雹的研究仅限于人工消雹对降雹、 降水和云物理属性等方面的影响， 且仅对水凝物粒子总量的变化进行了研究分析， 鲜少对播撒后各类粒子详细的时空分布变化以及起放电过程进行分析。人工消雹除了影响微物理过程， 理应也是调整了云内的动力过程， 使得电荷的分离发生变化， 因此， 为了全面了解人工消雹对云中冰相粒子的浓度和时空变化以及雷暴云动力、 微物理过程和起放电的影响， 有必要开展相应的模式研究， 深入研究人工消雹对电过程的影响不仅有利于全面了解人工消雹的机制， 同样对人工影响闪电的发展有着重要意义。本文利用三维时变雷暴动力-电耦合模式对1997 年7月28日陕西省旬邑的冰雹过程进行模拟， 通过改变AgI的播撒量进行敏感性试验， 分析了在冰雹云中播撒AgI后对各水凝物粒子的时空分布的影响， 进而分析对雷暴云中电荷结构和起放电的影响。
2 模式介绍
本文利用的是在孔凡铀等（1990， 1991） 包含了AgI催化方案（黄燕和徐华英， 1994）的三维冰雹云模式基础上， 通过加入详细的起放电参数化方案发展而来的三维强风暴动力电耦合数值模式（孙安平等， 2000， 2002a， 2002b； 郭凤霞等， 2003， 2010）。模式的微物理过程采用双参数粒子谱特征和体积水技术， 考虑了水汽、 云滴、 雨滴、 冰晶、 霰、 雹和雪七种水物质间26种微物理转换过程。模式中， AgI催化过程参数化为黄燕和徐华英（1994）的方案。考虑了3种AgI粒子成核机制， 即由于布朗运动和惯性碰并而发生在人工冰核和云、 雨滴之间的接触冻结核化以及水汽在人工冰核上的凝华核化， 人工冰核的核化曲线为：
模式的感应起电机制采用的是Ziegler et al（1991）的参数化方案。Mansell et al（2005）认为冰粒子的电导率低且冰粒子之间碰撞时接触时间短， 会阻碍电荷的转移。此外， 电场会增强粒子之间的合并， 即使在电场不大的区域内， 液态粒子之间碰撞后都不可能反弹开。所以， 在感应起电机制中， 大小冰粒子之间的碰撞和大小液态粒子之间的碰撞对于电荷转移基本没有贡献， 起电活动仅出现在霰（雹）和云滴之间的碰撞反弹过程中。因此， 模式中只考虑了霰（雹）粒子与云滴之间的感应碰撞过程。非感应起电参数化方案采用的是 Saunders et al（1991）的实验结果， 考虑了霰（雹）和冰晶之间碰撞分离的非感应起电机制。放电参数化方案在 Mansell et al（2005）方案基础上， 改进了击穿阈值的选择和闪电通道感应电荷的分配过程（郭凤霞等， 2015）。对流的启动方式采用热泡扰动， 水平扰动半径8 km， 垂直扰动半径4 km， 模拟域范围为36 km×36 km×18.5 km， 三维格距为1 km×1 km×0.5 km， 采用大、 小时步长分别为10 s和1 s交叉计算。
3 模拟实验方案设置
本文选取1997年7月28日陕西省旬邑县冰雹云野外观测实验期间的一次降雹过程进行模拟研究， 将13:00（北京时， 下同）的加密探空资料作为初始场。由初始环境场廓线（周玲等， 2001）可以看出， 在625~400 hPa 间存在弱的不稳定区， 低层大气湿度大， 中层大气较干， 环境风的风速与风向垂直切变都较小， 本次过程对流发展的不稳定能量较大， 雷暴发生前的 CAPE 值已经达到了2747 J·kg-1， 适于中等强度的孤立雷暴的发展。本文模拟中， 中心的最大正扰动位温取1.6 ℃， 模拟总时长60 min。
在云体发展阶段， 过冷水中心和上升气流中心基本一致（图1 ）， 冰雹在24 min开始形成（云中冰雹最大含量超过0.1 g·m-3）， 此时最大上升速度为28 m·s-1， 对应的水平格点为x=18 km， y=18 km， 垂直高度约为5 km（约-5 ℃）。过冷水和冰雹的极值中心之间虽然略有偏移但相差很小， 因此， 可以认为冰雹是在过冷水累积区内形成和增长的。根据洪延超（1999）和周玲等（2001）的研究结果， 本文选择在冰雹即将形成前（第 23 min）的云中最大上升气流区瞬时播撒AgI。以播撒量为唯一变化量进行多组模拟实验， 发现当AgI 播撒量增大到300 g以后， 降雹量随播撒量的增多变化不再明显， 所以本文一共选取了三组模拟实验， 分别为不播撒AgI（S0组）、 播撒100 g（S1组）和播撒300 g（S2组）AgI。由于S2组与S1组的模拟结果仅变化幅值大小有所不同， 但是变化趋势大致相似， 所以本文在分析播撒对微物理场特征的影响时主要对S0组和S2组进行了详细的分析。
图1 24 min时过冷水（黑色等值线）和冰雹（彩色区）的比含水量（单位： g·m-3）分别在x=18 km （a）和y=18 km （b）的垂直剖面上的分布灰色等值线为等温线（单位： ℃）， 矢量为纬向和垂直风速合成风（单位： m·s-1） Fig.1 Distribution of specific water content （unit： g·m-3） of supercooled water （black isoline） and hail （color area） on vertical profiles of x=18 km （a） and y=18 km （b） respectively at 24 min.The gray isoline is an isotherm （unit： ℃）， and the vector represents the combined wind speed of zonal and vertical wind speeds （unit： m·s-1） |
4 模式结果与分析
4.1 播撒AgI对冰相粒子源项转化率的影响
为便于后文行文简洁， 表1 给出了许多符号及其相应的物理意义。
表1 文中符号的物理意义Table 1 Physical meanings of symbols in this paper |
| 符号 | 物理意义 | 符号 | 物理意义 |
|---|---|---|---|
| NUvi | 自然冰核活化成冰晶 | NUrg | 过冷雨滴异质核化成霰 |
| Pci | 冰晶繁生过程 | CLig | 霰碰并冰晶增长 |
| VDvi | 冰晶凝华过程 | CLcg | 霰碰并云水增长 |
| CLii | 冰晶积聚成雪 | CLrg | 霰碰并雨水增长 |
| CLcs | 雪碰并云水增长 | VDvg | 霰凝华增长 |
| CLis | 雪碰并冰晶增长 | CNgh | 霰向冰雹自动转化 |
| CLrs | 雪碰并雨水增长 | CLch | 冰雹碰并云水增长 |
| CNig | 冰晶自动转化成霰 | CLgh | 冰雹碰并霰增长 |
| CLrig | 冰晶撞冻雨滴形成霰 | CLrh | 冰雹碰并雨水增长 |
后文中在上面符号前面加N表示相应过程数量产生率， 不加N则代表质量产生率 |
4.1.1 对冰晶源项转化率的影响
冰晶数目最主要的来源是水汽在活化的冰核上凝华的核化过程（NNUvi）， 其次是冰晶的繁生过程（NPci）， 前者比后者大5个量级左右［图2 （a）］。冰晶形成后， 主要靠凝华过程（VDvi）增长， 其次是NUvi， 两者量级相当。在播撒AgI后的10 min内， NNUvi产生的冰晶数量略有增加， 随后有所减少， 在第40 min左右时， 又出现了略微的增加， 随后是较大幅度的减少。播撒导致NPci过程产生的冰晶数量总体上增加， 但此过程产生的冰晶数目和NNUvi相比很少。播撒后， VDvi产生的冰晶质量整体呈波动增加， NUvi产生的冰晶质量在约第42 min之后减少， VDvi和NUvi的变化幅度相差不大。总体上， 播撒后， 冰晶数目先小幅度增加， 之后减少， 冰晶质量在播撒后至约40 min前是增加的， 之后变化不大。冰晶数目和质量的变化与其原来的值相比不明显， 这主要是因为冰晶本身在云内的数目太多， 播撒的AgI只会小幅度地增加冰核， 不会对其总体数目产生显著影响。
4.1.2 对雪花源项转化率的影响
雪花数量和质量的增加主要以冰晶聚并过程（NCLii）和雪花碰并雨滴过程（CLrs）为主， 而播撒AgI对于雪花数量和质量的影响也主要是影响这两个过程。与S0组相比较， S2组雪花的数量和质量均有所增加， 增加的峰值出现在34 min左右， 滞后于冰晶数目及质量增加的峰值约2 min。这表明冰晶的增多使其聚并过程加强， 雪花的数量增多， 雪花与雨滴的碰撞过程增强， 质量增加。本文结论与樊明月等（2013）的模拟结果一致。
4.1.3 对霰源项转化率的影响
霰粒子的主要来源是冰晶的自动转化过程（NCNig）， 其次是冰晶碰冻雨滴（NCLrig）过程。霰粒子在30 min之前， 主要通过碰并雨滴（CLrg）过程增长， 增长最快； 30~40 min期间， 主要通过CLrg和碰并云滴（CLcg）过程共同作用增长， 增长较快； 40 min以后， 主要通过CLcg增长， 增长较慢。与S0组相比较， 播撒使NCLrig产生的霰粒数目整体增加， 增加的峰值在34 min， 滞后于冰晶数浓度和质量增加的最大时1~2 min。播撒使NCNig产生的霰数浓度仅在40 min前后时略有增加， 之后开始减少。这说明播撒使霰数量增多的主要原因是由于冰晶数量增加， 导致NCLrig加强， 这与周玲等（2001）的研究结果一致。CLcg和CLrg在播撒组随时间都是减小的， 但本来对霰质量增长贡献不大的CLrig、 冰晶碰冻霰（CLig）和霰的凝华增长（VDvg）在播撒后都是增加的。总体上， 播撒会导致霰的数量有所增加， 而质量有所减少， 因此霰的平均尺度减小。这是因为霰粒子数量增多， 争食云水， 抑制了霰粒子尺寸的增长。
图3 S0组雪花主要源项的数量和质量转化率（a， c）及S2-S0组的差值（b， d）随时间的演变Fig.3 Quantity and quality of main source terms of snowflakes in S0 group （a， c） and difference in S2-S0 group （b， d） evolution with time |
4.1.4 对冰雹源项转化率的影响
冰雹是由霰粒子向冰雹的自动转化（NCNgh）而来， 冰雹的增长也主要靠此过程。冰雹碰并雨水（CLrh）、 霰（CLgh）和云水（CLch）的过程也可致冰雹增长， 但它们对冰雹质量增加的贡献很小。播撒使NCNgh整体减小， 使CNgh及CLch也整体减小， 因此冰雹的数浓度和比含水量均减小， 但减小的幅度不大。冰雹数量和质量的减少是因为霰的总数量在播撒后增加， 会竞争过冷水， 霰粒子尺寸难以长大， 其向冰雹的自动转化量减少， 冰雹和云滴的碰并也减弱， 这与洪延超等（2002）的结论一致。
4.2 播撒AgI对水凝物粒子时空分布的影响
不播撒的S0组中， 在冰雹出现的前10 min到后10 min的这段时间， 0 ℃层以下有一个云滴比含水量的高值区， 随着对流的进一步发展， 其快速减小， 大约在25 min之后在-25~-10 ℃区域出现一个值较小持续约十几分钟的云滴比含水量中心。因为AgI的播撒位置在-5 ℃高度， 所以对0 ℃以下的云水含量中心几乎没有影响， 主要影响了播撒以后0 ℃层以上的云水含量， 整体上， -20 ℃层高度以下的云滴比含水量被人工冰核争食而减小， 而-20 ℃层高度以上的云滴比含水量增加， 其中， 28~35 min之间的影响最明显（图略）。
4.2.1 对冰晶时空分布的影响
S0组的冰晶主要分布在-20 ℃层以上的低温区， 播撒后， 整体上， 冰晶的比含水量和数浓度在-40~-10 ℃增大， 其中数目在23~35 min， -20~-10 ℃增大最明显， 时间对应着播散后约12 min内， 空间对应着播撒区上部1~2 km范围内， 即此时段， 播撒的AgI随上升气流向上输送， 导致此时段和空间上的人工冰核数目增加。总体上， 此时段和区域的冰晶数目增加不明显， 而比含水量增加较明显， 这说明此阶段此区域由于人工冰核的播撒， 不仅使冰晶数目增加， 而且使冰晶尺寸增加。所以S2组冰晶的数浓度中心和比含水量中心相比较S0组稍有下移， 过多地消耗了-20 ℃层以下的云水， 抑制了-20 ℃层以上的云水消耗。28 min之后在-40~-20 ℃层出现一个一直持续到模拟结束的冰晶数目和比含水量的增大区， 与此时段此区域出现的高云滴比含水量增大区相吻合， 说明这里有较丰富的水汽， 所以通过NUvi过程导致了冰晶数目的增加， 并由于VDvi过程使冰晶比含水量增大（结合图2 ）。冰晶的比含水量和数浓度在-40 ℃层以上区域减少， 可能是因为-40 ℃层以下区域冰核核化长大， 导致冰晶的数目及比含水量中心下降。在-10~0 ℃之间冰晶的数浓度有增有减， 比含水量没有明显变化。整个时空分布来看， 总体上， 冰水混存区（-40~0 ℃）中冰晶的比含水量和数量在播撒后均增加。
图6 S0组及S2-S0组冰晶的最大数浓度（a， b， 彩色区， 单位： 10 x m-3， 其中x为彩色区数值大小）和比含水量（c， d， 彩色区， 单位： g·m-3）随时间的变化在y=18 km的垂直剖面的分布数值代表垂直方向每层截面上最大值， 黑色虚线为等温线 Fig.6 Distribution of the maximum number concentration （a， b， color area， unit： 10 x m-3， where x is the value of thecolor area） and specific water content （c， d， color area， unit： g·m-3） of ice crystals in Group S0 and Group S2-S0 with time in the vertical section of y=18 km.The values represent the maximum values on each layer of section in the vertical direction.The black dotted line is the isotherm |
4.2.2 对雪花时空分布的影响
S0组的雪花主要集中在-40~-20 ℃的低温区， 比含水量和数浓度中心低于冰晶， 播撒AgI后， 雪的数浓度及比含水量的变化特征与冰晶相似。结合图3 可知， 播撒组雪花数量的增多是由于冰晶聚并过程（CLii）增加引起的， 雪花比含水量的增加是由于雪花碰并雨滴过程（CLrs）增加导致的。CLii过程增加是由于冰晶数目增多质量增加引起的， CLrs过程增加是由于雪花数量增多引起的。播撒导致的雪花数量和质量的增加幅度不大。
图7 S0组及S2-S0组雪花的最大数浓度（a， b， 彩色区， 10 x m-3， 其中x为彩色区数值大小）和比含水量（c， d， 彩色区， 单位： g·m-3）随时间的变化在y=18 km的垂直剖面的分布数值代表垂直方向每层截面上最大值， 黑色虚线为等温线 Fig.7 Distribution of the maximum number concentration （a， b， color area， unit： 10 x m-3， where x is the value of the color area） and specific water content （c， d， color area， unit： g·m-3） of snowflake in Group S0 and Group S2-S0 with time in the vertical section of y=18 km.The values represent the maximum values on each layer of section in the vertical direction.The black dotted line is the isotherm |
4.2.3 对霰时空分布的影响
S0组的霰粒子数浓度中心在-40 ℃左右， 而比含水量中心主要在-10~0 ℃。播撒后， 数浓度整体上有所增加， 这与很多研究者的研究结果一致（周玲等， 2001； 周毓荃等， 2003； 樊明月等， 2013； 楼小凤等， 2016）。数浓度增加的第一个大值区的时空位置和播散后冰晶数浓度明显增加的时空位置一致， 第二个大值区， 位于38~45 min期间的-25~-5 ℃。结合图4 可知， 前者是由于CLrig过程增强所致， 后者是由于CNig过程增强所致。播撒后霰粒比含水量整体上的变化特征与数浓度的相似， 即数浓度增大的区域， 质量也增大， 也有两个增加的大值区， 结合图4 可知， 前者主要是CLrig过程增加导致， 后者主要是CLig和VDvg过程增加所致。0 ℃以下的霰粒比含水量在整个过程中有所减少， 可能是因为0 ℃ 以下霰尺寸减小而融化成雨滴降落。
图8 S0组及S2-S0组霰的最大数浓度（a， b， 彩色区， 单位： 10 x m-3， 其中x为彩色区数值大小）和比含水量（c， d， 彩色区， 单位： g·m-3）随时间的变化在y=18 km的垂直剖面的分布数值代表垂直方向每层截面上最大值， 黑色虚线为等温线 Fig.8 Distribution of the maximum number concentration （a， b， color area， unit： 10 x m-3， where x is the value of the color area） and specific water content （c， d， color area， unit： g·m-3） of graupel in Group S0 and Group S2-S0 with time in the vertical section of y=18 km.The values represent the maximum values on each layer of section in the vertical direction.The black dotted line is the isotherm |
4.2.4 对冰雹时空分布的影响
S0组在第35 min时地面开始降雹， 一直持续到第47 min， 雹的数浓度和比含水量中心均位于-10~0 ℃。播散后几分钟， 冰雹的数目和比含水量在催化的高度上均出现一个短时的局部的小幅的增大， 其他区域和时间， 均有所减少。可见播撒对地面降雹量和数目均有显著抑制作用。结合图5 可知， 冰雹数目和含量在播撒后短时的增加分别是由于CNgh过程和雹碰并霰过程（CLgh）出现的小幅增加导致的。其他时段冰雹数目的减少主要是CNgh过程减弱导致， 所以可推断， 霰的数目和质量虽然增加了， 但是尺寸变小了， 从而向冰雹的自动转化减弱了， 与图4 和图5 的结论一致。冰雹比含水量的减少是由于CNgh、 CLch和CLrh过程的减弱导致的， 最主要的是前两者。
图9 S0组及S2-S0组冰雹的最大数浓度（a， b， 彩色区， 单位： 10 x m-3， 其中x为彩色区数值大小）和比含水量（c， d， 彩色区， 单位： g·m-3）随时间的变化在y=18 km的垂直剖面的分布数值代表垂直方向每层截面上最大值， 黑色虚线为等温线 Fig.9 Distribution of the maximum number concentration （a， b， color area， unit： 10 x m-3， where x is the value of the color area） and specific water content （c， d， color area， unit： g·m-3） of hail in Group S0 and Group S2-S0 with time in the vertical section of y=18 km.The values represent the maximum values on each layer of section in the vertical direction.The black dotted line is the isotherm |
4.2.5 对雨滴时空分布的影响
播撒AgI后， 雨滴的数目和比含水量也有复杂的变化， 播撒后的十几分钟内， -20 ℃层以下的雨滴数目略有减少， -20 ℃以上的雨滴数目略有增加， 这与云水的含量分布特征一致。雨滴的比含水量在播撒后起初是总体减少的， 40 min之后总体是增加的。
图10 S0组及S2-S0组雨滴的最大数浓度（a， b， 彩色区， 单位： 10 x m-3， 其中x为彩色区数值大小）和比含水量（c， d， 彩色区， 单位： g·m-3）随时间的变化在y=18 km的垂直剖面的分布数值代表垂直方向每层截面上最大值， 黑色虚线为等温线 Fig.10 Distribution of the maximum number concentration （a， b， color area， unit： 10 x m-3， where x is the value of the color area） and specific water content （c， d， color area， unit： g·m-3） of raindrop in Group S0 and Group S2-S0 with time in the vertical section of y=18 km.The values represent the maximum values on each layer of section in the vertical direction.The black dotted line is the isotherm |
S1组（图略）和S2组中的冰晶、 雪花和霰粒子的数浓度和比含量整体变化趋势不变， 增大与减小区域相对应， 但随着AgI播撒量的增加， 这些量的变化更明显。S1组中的冰雹比含水量和数浓度前期存在一个小范围的增大区域， 而S2组中的此增大区域范围和幅值均减小， 说明播撒量增加， 减雹效果增强， 这与陈宝君和肖辉（2007）的研究结果一致。S1组中雨滴比含水量在30~45 min期间0 ℃以下区域是增加的， 播撒量增多后， S2组中雨滴在40 min之前是减小的， 40 min以后才出现短时小幅增加。S2组的雨滴数浓度整体小于S1组的， 所以雨滴的数浓度和比含水量随播撒量的增多是减小的， 这与楼小凤等（2016）的结果一致， 即催化剂量越大， 降雨量减少越多， 适量的催化剂可在减雹的同时增加部分降雨量。因此播撒剂量要在平衡消雹和增雨之间取一个适当的值。
4.3 播撒AgI对云内动力过程的影响
人工消雹除了影响微物理过程， 也是调整了云内的动力过程， 使得电荷的分离发生变化。
上升气流和下沉气流与冰雹云的发展密切相关， 不仅会影响云的生长周期， 还能改变云内粒子的微物理过程。图11 给出了S0组在每个高度上的上升和下沉速度极值随时间的变化， 以及相应的S2组减S0组的差值。可以看到， 上升速度的极值约在30 min时达到峰值， 随后开始逐渐减弱， 下沉气流区的强度较弱， 并于35 min在云底出现一个较强的下沉气流区。播撒碘化银后， 两组算例的差异不大， 最大上升气流和下沉气流速度最大值随时间的变化也大致相似。在10 km高度以下， 最大上升和下沉风速在催化过后均小幅增大， 其中上升风速增大最明显的区域是10~12 km高度处， 差值超过0.8 m·s-1， 此高度在30~50 min时还存在一个高值减小区域。总体上， 上升、 下沉速度极值都有轻微增强， 可能是因为催化有利于各冰相粒子生长从而释放热量， 对上升风速有增强作用， 上升速度增大可以带动水汽向上， 促进水成物粒子形成， 粒子下沉使下沉气流速度增大。
4.4 播撒AgI对冰雹云起电特征与电荷结构的影响
云中播撒AgI会使得云中冰相粒子的空间分布、 数浓度、 混合比等产生差异， 从而影响冰相粒子的荷电量和主电荷区的高度， 进而影响雷暴云的起电过程。如图12 ， 起电过程大概在 22 min 之后发生， 基本对应着冰雹刚出现的时刻， 即播撒的时间， 所以播撒对起电的起始时间没有影响。非感应起电率为上负下正的结构。由于播撒后的十几分钟时间内， -20~0 ℃混合相态区的冰晶、 雪和霰粒子数浓度均在增加（图6 ~8 ）， 所以播撒组此时段内下部的正的非感应起电区起电增强， 中心提前且上界抬升。播撒十几分钟以后， 正的非感应起电增强效果开始减弱， 但上部负的非感应起电区起电加强， 加强的中心时空位置与-40~-20 ℃之间冰晶、 雪花和霰粒子数浓度增强相对应（结合图6 ~8 ）。50 min之后， 播撒对于正负起电区的起电率影响很小。更多的冰晶和霰粒子使得起电过程增强（Mansell and Ziegler， 2013）， 所以播撒AgI进行人工消雹过程中， 会使冰雹云在播撒后至成熟期后期起电的增强， 前期主要是下部的正起电率增强， 后期主要是上部的负起电率增强。播撒对冰雹云成熟期后期之后的起电几乎没有影响。
从图13 中可以看出， 不同的模拟实验组电荷结构差异较大。总体来看， 电荷结构都由主正电荷区不明显的三极性发展为正负交替的多极性。催化过后， 上方主正电荷区和主负电荷区提前出现， 另外在9~10 km处多了一个小的正电荷区， 随着播撒量增加此电荷区变小， 但是底部次正电荷区增大变强， 结合图11 分析可知， 可能是因为正起电率增强且上界高度抬升。播撒后的前期（30 min）， 底部正电荷区抬升， 底部正电荷区和中部负电荷区增强， 此时对应着正起电率最强的时候。播散后的后期（45 min）， 最上面两层的主正负电荷区明显增强， 此时对应着负起电率最强的时候（结合图11 ）。播撒量越大， 这些增强特征越明显， 强起电越提前， 电荷结构越复杂， 可能是因为冰晶和霰浓度的增加。总体上来看， 播撒AgI过后， 电荷区强度增强。根据本次模拟结果， 初步得出播撒AgI进行人工消雹的同时会影响电荷结构， 并且随着催化剂量增多， 电荷密度也是随之增大的。
4.5 播撒AgI对冰雹云放电特征的影响
一般雷暴中正地闪占总地闪的比例在10%以下， 虽然大部分冰雹云的地闪也以负地闪为主， 但冰雹云中正地闪比例通常明显高于当地雷暴的平均值（冯桂力等， 2007， 2008）。冰雹云中雷电活动的一个特点是， 在大部分冰雹云快速发展阶段， 雷电频数存在明显的“跃增”现象， 且在降雹发生时段， 正地闪占绝对优势（Williams et al， 1999； 冯桂力等， 2008）。如图14 ， 本文3个实验组的冰雹云首次闪电的类型均为云闪， 整个过程云闪的次数远高于地闪， 地闪较少， 其中正地闪占主， 均出现在地面降雹期间， 此期间也是云闪最频发的时段。这些特征符合冰雹云的闪电特征。
S0组在第34 min出现首次云闪， 在44 min云闪数达到最大。S1和S2组中， 云闪总数有小幅增加， 云闪的首发时间和峰值时间均比S0组的提前， 结合图12 的可以看到， 30 min左右时播撒使中部负电荷区和底部正电荷区强度明显增强， 导致两者之间提前发生云闪。45 min左右是主正负电荷区最强的时段， 播撒使中部负电荷和上部主正电荷进一步增强， 两者之间更易发生云闪， 所以云闪的峰值时间提前。但由于起电的增强， S1组和S2组的云闪连续性更好， 所以云闪频发时段的云闪频率略有降低。播撒量更大的S2组云闪增加更多， 云闪连续性更好， 云闪频发时段持续时间更长， 这同样说明播撒量越大， 起电越强， 放电越多， 由于连续的放电， 使正负电荷不断中和， 所以最大的放电频数得到了一定的抑制。
S0组地闪频次最高， 整个过程中一共发生了18次地闪， 均为正地闪。地闪发生时间从42 min持续到50 min， 滞后于降雹6~7 min。播撒后， 地闪数有所减少， 但相比S1组， S2组的正地闪有所增多， 还出现了少量负地闪， 这可能是因为播撒量越大， 导致电荷结构越复杂， 使放电类型和频数发生了一定变化。除此之外， 播撒AgI后， 地闪首发时间会略有提前， 结束时间略有推后， 且播撒量越大， 地闪提前时间越早， 持续时间越长。
所以播撒AgI会促进云闪发生， 对地闪具有一定的抑制作用。播撒对冰雹出现之前及冰雹云成熟期后期之后的起电和放电几乎没有影响。
5 结论
本研究利用三维冰雹云动力-电耦合数值模式， 通过改变AgI的播撒量进行敏感性模拟实验。对比分析了播撒AgI进行人工消雹对冰雹云微物理过程、 非感应起电率、 电荷结构以及闪电放电特征的影响， 得到以下主要结论：
（1） AgI撒入云后主要通过凝华作用产生冰晶， 霰粒通过冰晶的自动转化过程和冰晶撞冻雨滴过程形成， 随后霰粒子主要依靠碰并收集云滴和雨滴增长。冰雹主要来源于霰的自动转化， 冰雹出现后， 主要靠碰并过冷雨水、 霰和过冷云水增长。催化增加了冰晶的核化数目， 继而使雪花、 霰的数量和质量增加， 但霰的尺寸减小了， 向冰雹的自动转化减弱了， 所以冰雹总体上数目和质量均减小。
（2） 整体上， -40~0 ℃范围内的冰晶、 雪花和霰粒子数浓度和比含水量在播撒后增多， 其中-20~-10 ℃之间的冰晶数目和比含水量在刚播撒AgI十几分钟之内增加最明显， 导致同时段和同区域的雪花、 霰和雹的数目和比含水量也是增加的。这过多地消耗了-20 ℃层以下的云水， 而抑制了-20 ℃层以上的云水消耗， 使播撒几分钟后在-40~-20 ℃层出现一个一直持续到模拟结束的云滴比含水量增大区， 中心出现在播撒后几分钟到十几分钟之内。雨滴的比含水量在播撒几分钟后数浓度和比含量整体变化趋势不变， 增大与减小区域相对应， 但变化更明显。总体上， 播撒AgI对各水凝物粒子的数浓度和比含水量的影响不是很显著。随着AgI播撒量的增加， 冰晶、 雪花和霰粒子的数浓度和比含水量均随之增大， 但减雹效果增强， 降雨量减少越多， 因此播撒剂量要在平衡消雹和增雨之间取一个适当的值。
（3） 催化后， 起电的起始时间不变但是起电过程增强。播撒后前期主要影响的是底部正的非感应起电率， 使出现时间提前， 中心增强， 上界高度抬升。播撒后期主要影响的是上部负的非感应起电率， 使其中心增强。就电荷结构而言， 播撒后前期主要使底部次正电荷区增强， 后期主要使上方主正电荷区和中部负电荷区增强。随着催化剂量增多， 这些变化越明显。
（4） 播撒AgI对放电特征的影响主要表现为： 地闪少量减少， 而云闪和总闪少量增多； 首次放电和云闪的峰值时间提前； 放电持续性更强， 闪电频发时段的闪电频率略有降低。播散AgI对播撒后十几分钟至二十几分钟内的闪电特征影响较明显， 其他时段不明显。
本文通过控制AgI的播撒量， 初步探讨了人工消雹对冰雹云微物理过程和起电放电过程的影响， 但是仍有很多问题需要探讨。比如， 不同的AgI播撒高度、 温度等， 又会对冰雹云的微物理过程和起放电过程产生怎样的影响。本文仅通过改变播撒量进行了研究， 之后还可以改变其他变量进行更多次敏感性实验， 详细分析人工消雹对冰雹云起电放电过程的影响。