运用Meso-nhm模拟Helsdon and Farley参数化方案的研究

张 宇，陈加清，苏满堂，杨 杰（解放军理工大学气象海洋学院，雷电防护与电子伪装实验室，南京，210000）



运用Meso-nhm模拟Helsdon and Farley参数化方案的研究

张 宇，陈加清，苏满堂，杨 杰
（解放军理工大学气象海洋学院，雷电防护与电子伪装实验室，南京，210000）

摘要：迄今为止，被提出的几种雷暴云起电机制中，最受认可且被认为最重要的是冰—冰碰撞的非感应（ NIC: Noninductive Ice-ice Collision） 起电机制。Reynolds et al. （ 1957） 最先开始了NIC 机制的云室试验，类似的试验均以直径较小（通常小于5 mm）的淞附探头代表霰（ 将霰、冰雹和冻滴统一视为霰），测量其与冰晶（ 将冰晶和雪统一视为冰晶）碰撞过程中电荷的转移情况。大量的试验结果表明，霰或冰晶上的转移电荷的极性和量级取决于很多因素。

关键词：雷暴云电荷结构；模拟；Meso-nh

0　引言

Meso-NH模式为法国气象局研制的一个非静力中尺度数值模式，垂直坐标为高度地形追随坐标.模式1994年开始建立，发展到今天已经20年，各种物理过程处理已经非常成熟.此模式使用非静力模式框架并且进行了网格嵌套，可以模拟从天气尺度到小尺度之间的所有大气过程，水平分辨率可达到百米量级.模式中包含详细的云微物理过程及边界层过程，它还耦合了化学模块（包含气相、气溶胶等化学变化）及雷电模块.

图1　HELFA方案下第90分钟空间电荷密度（等值线，单位Cm-3）x-z剖面上的分布

1　Helsdon and Farley （1987）参数化方案

此非感应起电参数化方案较为简单，只考虑了电荷转换率和温度及碰撞的水汽凝结物类型。电荷反转温度定为常值-10℃，在冰晶和霰之间碰撞时，电荷被大粒子获得：

雪和霰之间碰撞，电荷转移量函数为：

2　模拟结果

南京市自2011年7月25号晚以后，先后有3次比较集中的雷暴过程。回波都为移动向测站，但到达南京头顶后增强。

将以上探空资料输入数值模式，采用湿热泡启动法。模式水平网格点150×150，水平分辨率1 km，垂直分层26层，每层间隔500 m，时间步长2 s，分别采用不同的非感应参数化起电方案对此次雷暴过程积分2小时。模式中感应起电参数化方案采用Ziegler et al. （1991）方案，闪电放电方案采用MacGorman et al. （2001）方案。

从图1可以看出，采用HELFA非感应起电参数化方案下，在雷暴生命史初期及雷暴生命史中期电荷分布都为多层结构，最下方都为正电荷区，中层为正电荷区，在上层又为正电荷区。在雷暴生命史初期下层的正电荷区比较弱，中层的负电荷区面积比较小，中心密度强度可达到-1e-9Cm-3。正电荷区域面积比较大，中心电荷密度强度和负电荷中心相当。在雷暴生命史中期，下层的正电荷区和中层的负电荷区电荷密度都比较强，都可达到3e-10Cm-3强度。在雷暴生命史末期，电荷分布为上正下负的偶极性结构。

参考文献

［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