張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，雷電防護(hù)與電子偽裝實(shí)驗(yàn)室，南京，210000）

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運(yùn)用Meso-nhm模擬Helsdon and Farley參數(shù)化方案的研究

張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰
（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，雷電防護(hù)與電子偽裝實(shí)驗(yàn)室，南京，210000）

摘要：迄今為止，被提出的幾種雷暴云起電機(jī)制中，最受認(rèn)可且被認(rèn)為最重要的是冰—冰碰撞的非感應(yīng)（ NIC: Noninductive Ice-ice Collision） 起電機(jī)制。Reynolds et al. （ 1957） 最先開始了NIC 機(jī)制的云室試驗(yàn)，類似的試驗(yàn)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(tǒng)一視為霰），測(cè)量其與冰晶（ 將冰晶和雪統(tǒng)一視為冰晶）碰撞過(guò)程中電荷的轉(zhuǎn)移情況。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，霰或冰晶上的轉(zhuǎn)移電荷的極性和量級(jí)取決于很多因素。

關(guān)鍵詞：雷暴云電荷結(jié)構(gòu)；模擬；Meso-nh

0　引言

Meso-NH模式為法國(guó)氣象局研制的一個(gè)非靜力中尺度數(shù)值模式，垂直坐標(biāo)為高度地形追隨坐標(biāo).模式1994年開始建立，發(fā)展到今天已經(jīng)20年，各種物理過(guò)程處理已經(jīng)非常成熟.此模式使用非靜力模式框架并且進(jìn)行了網(wǎng)格嵌套，可以模擬從天氣尺度到小尺度之間的所有大氣過(guò)程，水平分辨率可達(dá)到百米量級(jí).模式中包含詳細(xì)的云微物理過(guò)程及邊界層過(guò)程，它還耦合了化學(xué)模塊（包含氣相、氣溶膠等化學(xué)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(shù)化方案

此非感應(yīng)起電參數(shù)化方案較為簡(jiǎn)單，只考慮了電荷轉(zhuǎn)換率和溫度及碰撞的水汽凝結(jié)物類型。電荷反轉(zhuǎn)溫度定為常值-10℃，在冰晶和霰之間碰撞時(shí)，電荷被大粒子獲得：

雪和霰之間碰撞，電荷轉(zhuǎn)移量函數(shù)為：

2　模擬結(jié)果

南京市自2011年7月25號(hào)晚以后，先后有3次比較集中的雷暴過(guò)程?；夭ǘ紴橐苿?dòng)向測(cè)站，但到達(dá)南京頭頂后增強(qiáng)。

將以上探空資料輸入數(shù)值模式，采用濕熱泡啟動(dòng)法。模式水平網(wǎng)格點(diǎn)150×150，水平分辨率1 km，垂直分層26層，每層間隔500 m，時(shí)間步長(zhǎng)2 s，分別采用不同的非感應(yīng)參數(shù)化起電方案對(duì)此次雷暴過(guò)程積分2小時(shí)。模式中感應(yīng)起電參數(shù)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(yīng)起電參數(shù)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(jié)構(gòu)，最下方都為正電荷區(qū)，中層為正電荷區(qū)，在上層又為正電荷區(qū)。在雷暴生命史初期下層的正電荷區(qū)比較弱，中層的負(fù)電荷區(qū)面積比較小，中心密度強(qiáng)度可達(dá)到-1e-9Cm-3。正電荷區(qū)域面積比較大，中心電荷密度強(qiáng)度和負(fù)電荷中心相當(dāng)。在雷暴生命史中期，下層的正電荷區(qū)和中層的負(fù)電荷區(qū)電荷密度都比較強(qiáng)，都可達(dá)到3e-10Cm-3強(qiáng)度。在雷暴生命史末期，電荷分布為上正下負(fù)的偶極性結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

［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