人类所处的大气环境，如近地层和对流层，不仅包括气体，还含有大量液态或固态悬浮颗粒物，这些颗粒物统称为气溶胶颗粒或大气颗粒。本课题主要讨论近地层中灰霾颗粒和对流层中云颗粒的运动及荷电行为。气流夹带颗粒运动过程中由于颗粒接触/碰撞、离子扩散/吸附等作用会使得颗粒携带电荷，进而影响到颗粒运动行为以及粒径分布。重灰霾天气以及强雷暴天气是自然界两大典型气象过程，深刻理解它们的颗粒荷电机制对于解决环境问题具有重大意义，其物理模型都属于气–固两相流运动。重灰霾事件常出现在静稳天气，气溶胶颗粒间的作用力及大气水分的相互作用是气溶胶颗粒荷电及聚并的主要影响因素。雷暴云出现在强对流天气，各种形态水分颗粒随气流的快速运动导致的颗粒内部热不平衡及温差起电，是雷暴天气过程的基本起电机制。 本课题旨在研究大气粒子的力学性质和动态演变过程，厘清大气颗粒的碰撞、聚并和荷电过程。通过外场观测实验，获得不同季节气溶胶颗粒的荷电特征，分析了气溶胶颗粒荷电行为与动态环境要素（例如，温度、湿度）之间的关系；基于湿度参数及荷电实验结果，采用离散单元方法（discrete element method, DEM）模拟气溶胶颗粒的碰撞、聚并和碎裂等行为，分析重灰霾天气过程大气湿度、颗粒荷电对颗粒间作用力及颗粒聚并行为的影响。基于温差起电的机制、雷暴天气过程不同形态水分颗粒与大气的传热特征分析，提出不同形态水分颗粒的非热平衡起电机制以及雷暴过程的三阶段演变模型及电场结构形成机制。主要研究内容如下： 1. 搭建颗粒荷电实验装置研究大气颗粒物的荷电特征。在不同时间以及不同地区对近 地层气溶胶颗粒进行电荷实验观测，分析颗粒荷电与大气颗粒物浓度以及气象要素的关系。实验结果表明大部分气溶胶颗粒带有净的正电荷或负电荷。细颗粒物PM2.5浓度的升高与颗粒的电荷量之间存在较强的滞后关系，说明灰霾的形成与颗粒荷电有关。大气颗粒的基本电荷具有日变化和季节变化差异；冬季颗粒的平均荷电量高于夏季；沙尘天气颗粒的平均荷电量比灰霾天气下颗粒的平均荷电量低；在大风天气，总悬浮颗粒（total suspended particulates, TSPs）的区域传输以及增强的粒子间碰撞/接触过程将影响大气粒子的电荷特性。另外，通过对比西安市与渭南市在同一时期的空气质量指数（AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3）、气象条件以及颗粒荷电结果，发现气溶胶颗粒的荷电量与大气相对湿度（relative humidity, RH）、SO2浓度以及O3浓度具有强相关性。 2. 采用拓展的软球离散单元法DEM模拟分析气溶胶颗粒的聚并机理。通过分析不同粒径颗粒在不同间距条件下颗粒之间的相互作用力，发现范德华力、液桥力、布朗力、静电力在细颗粒运动过程中起主要作用。采用JKR（Johnson–Kendall–Roberts）粘附理论，成功将粘附作用力（范德华力、液桥力、静电力）以及布朗力引入到软球DEM模型，拓展的软球DEM模型可以更准确地描述大气颗粒碰撞、聚并和碎裂等行为。通过颗粒吸水性测试得到大气相对湿度与气溶胶颗粒含水量之间的对应关系。基于实验获得的湿度比以及颗粒荷电量数据，在OpenFOAM平台上对细颗粒的演变过程进行数值模拟，发现随着环境湿度的增大，颗粒的聚并速率越大，这主要与液桥力、静电力的改变有关。 3. 提出一种新的雷暴云内不同形态颗粒非热平衡离子化起电机理。首先，综述回顾冰晶–霰粒子的碰撞起电机制，包括颗粒内部电荷迁移、颗粒之间的电荷分离，并分析影响颗粒荷电符号及大小的影响因素（温度、湿度、颗粒尺寸、颗粒形状、相对速度），发现云颗粒荷电与温差紧密相关。其次，通过比较雷暴强对流条件下冰粒子进入新环境的响应时间和热松弛时间，发现雷暴中几乎所有的云粒子均处于非热平衡状态。另外，通过比较非热平衡离子化过程产生的荷电量和强雷暴云天气电荷观测数据，发现颗粒内部的非热平衡过程以及颗粒之间的温差作用是雷暴云颗粒起电的主要机制。区别于一般的热电效应机理，非热平衡离子化机制综合考虑颗粒之间以及颗粒内部的热电效应，可以更好地解释动态雷暴云的发展以及起电过程。 4. 建立基于多相流特征分析的雷暴云演变动态模型。基于多相流运动以及非热平衡离子化理论，结合大气对流、垂直湿度分布特性，将雷暴云的发展分为三个阶段：多相颗粒混合、颗粒荷电、形成电场。在基于多相流特征分析的雷暴云演变模型中，充分发展阶段的上升气流–下沉气流的过渡层不仅仅是带电颗粒大小分离区，还是电荷产生的主要区域。该模型成功地解释了雷暴云中电场三区结构、电场四区结构以及更复杂电场结构的形成。此外，利用该模型能很好地解析深层对流云的电荷分布与冰雹等强降水之间的关系。 |
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