運用Meso-nhm模擬Helsdon and Farley參數化方案的研究

張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰（解放軍理工大學氣象海洋學院，雷電防護與電子偽裝實驗室，南京，210000）

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運用Meso-nhm模擬Helsdon and Farley參數化方案的研究

張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰
（解放軍理工大學氣象海洋學院，雷電防護與電子偽裝實驗室，南京，210000）

摘要：迄今為止，被提出的幾種雷暴云起電機制中，最受認可且被認為最重要的是冰—冰碰撞的非感應（ NIC: Noninductive Ice-ice Collision） 起電機制。Reynolds et al. （ 1957） 最先開始了NIC 機制的云室試驗，類似的試驗均以直徑較小（通常小于5 mm）的淞附探頭代表霰（ 將霰、冰雹和凍滴統一視為霰），測量其與冰晶（ 將冰晶和雪統一視為冰晶）碰撞過程中電荷的轉移情況。大量的試驗結果表明，霰或冰晶上的轉移電荷的極性和量級取決于很多因素。

關鍵詞：雷暴云電荷結構；模擬；Meso-nh

0　引言

Meso-NH模式為法國氣象局研制的一個非靜力中尺度數值模式，垂直坐標為高度地形追隨坐標.模式1994年開始建立，發展到今天已經20年，各種物理過程處理已經非常成熟.此模式使用非靜力模式框架并且進行了網格嵌套，可以模擬從天氣尺度到小尺度之間的所有大氣過程，水平分辨率可達到百米量級.模式中包含詳細的云微物理過程及邊界層過程，它還耦合了化學模塊（包含氣相、氣溶膠等化學變化）及雷電模塊.

圖1　HELFA方案下第90分鐘空間電荷密度（等值線，單位Cm-3）x-z剖面上的分布

1　Helsdon and Farley （1987）參數化方案

此非感應起電參數化方案較為簡單，只考慮了電荷轉換率和溫度及碰撞的水汽凝結物類型。電荷反轉溫度定為常值-10℃，在冰晶和霰之間碰撞時，電荷被大粒子獲得：

雪和霰之間碰撞，電荷轉移量函數為：

2　模擬結果

南京市自2011年7月25號晚以后，先后有3次比較集中的雷暴過程。回波都為移動向測站，但到達南京頭頂后增強。

將以上探空資料輸入數值模式，采用濕熱泡啟動法。模式水平網格點150×150，水平分辨率1 km，垂直分層26層，每層間隔500 m，時間步長2 s，分別采用不同的非感應參數化起電方案對此次雷暴過程積分2小時。模式中感應起電參數化方案采用Ziegler et al. （1991）方案，閃電放電方案采用MacGorman et al. （2001）方案。

從圖1可以看出，采用HELFA非感應起電參數化方案下，在雷暴生命史初期及雷暴生命史中期電荷分布都為多層結構，最下方都為正電荷區，中層為正電荷區，在上層又為正電荷區。在雷暴生命史初期下層的正電荷區比較弱，中層的負電荷區面積比較小，中心密度強度可達到-1e-9Cm-3。正電荷區域面積比較大，中心電荷密度強度和負電荷中心相當。在雷暴生命史中期，下層的正電荷區和中層的負電荷區電荷密度都比較強，都可達到3e-10Cm-3強度。在雷暴生命史末期，電荷分布為上正下負的偶極性結構。

參考文獻

［1］ Reynolds S E，Brook M，Gourley M F.1957. Thunderstorm charge separation［J］.J.Meteor.，14： 426-436.

［2］ Ziegler，C.L.，D.R.MacGorman，J.E.Dye，and P.S. Ray，1991：A model evaluation of noninductive graupel-ice charging in the early electrification of a mountain thunderstorm.J. Geophys.Res.， 96， 12，833-12，855.

［3］ Helsdon，J.H.，G.Wu，and R.D.Farley，1992：An intracloud lightning parameterization scheme for a storm electrification model.J.Geophys.Res.，97， 5865-5884.

Application Research Meso-nhm simulation Helson and Farley parameterization schemes

Zhang Yu，Chen Jiaqing，Su Mantang，Yang Jie
（PLA Univ.of Sci.& Tech.，National Key Laboratory of Science and Technology on Electromagnetic Effects and Electro-optical Engineering，Nanjing，211101，China）

Abstract：So far，several have been proposed thunderstorm electrification scheme，the most recognized and are considered the most important ice - ice collision of a non-inductive（NIC:Non-inductive Iceice Collision）electrification mechanism.Reynolds et al.（1957）first began to cloud chamber experiment NIC mechanism，similar trials are smaller diameter （typically less than 5 mm） is attached to the probe on behalf of sleet Song （the sleet，hail，sleet and freezing droplets are regarded as the） was measured with ice （the ice and snow are regarded as the transfer case ice crystals） charge during a collision.A large number of experimental results show that the charge transfer sleet or ice on the polarity and magnitude depends on many factors.

Keywords：Thunderstorm charge structure；simulation；Meso-nh