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数值模拟2000年6月29日单体雷暴的起电及闪电过程

KRISTIN M. KUHLMAN

Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies, and School of Meteorology, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma

CONRAD L. ZIEGLER

National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma

EDWARD R. MANSELL

Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies, and National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma

DONALD R. MACGORMAN

National Severe Storms Laboratory, and Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies, Norman, Oklahoma

JERRY M. STRAKA

School of Meteorology, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma

(Manuscript received 30 June 2005, in final form 6 January 2006)

摘要

采用三维动态云模型，结合气流动力学、微观物理和雷暴起电机制，模拟了2000年6月29日STEPS(强雷暴起电及降水研究)过程的前3小时。6月29日的雷暴过程中伴随有大量的闪电，主导的是正极性地闪，其中还有大冰雹和F1级龙卷风。运用四种不同的方式对雷暴进行了数值模拟，每种模拟都使用了不同的非感应(NI)起电参数。模拟雷暴的电荷结构和闪电极性非常容易受到不同非感应起电方案下云水依赖性处理的影响。模拟结果与STEPS的观测结果相比较，比较的结果包括探空气球载电场测深和闪电图阵列的闪电位置。对于其中两个参数化，模型很好地近似了观测到的“反”三极电荷结构。在观测的和模拟的雷暴中，地闪的极性与反三极结构的最低电荷区的极性相反。总闪电频数与霰体积、上升气流体积、上升气流质量通量密切相关。然而，总闪电频数和最大上升气流速度之间几乎没有相关性。从观测到的和模拟到的雷暴的相关关系来看，总的闪电频数似乎是雷暴强度的最典型代表。

1、介绍

STEPS于2000年的时候，在美国高海拔平原地区的强雷暴进行了研究。这个研究计划其中一个主要的目的是实现在雷暴动力学、微观物理学和起电机制的交流时能更好的相互理解，尤其是在雷暴中引起正地闪的主导原因的原理。许多的雷暴，包括超级单体雷暴、短时多单体雷暴和大行中尺度对流复合体被观测和记录到STEPS的资料中。

一个雷暴过程的深入研究需要结合许多观测值和数值仿真值。STEPS提供了一个全面的观测数据集，用于与风暴演化的数值模拟进行详细的比较。本研究的重点是对6月29日产生F1级龙卷风、大冰雹和主要为正地闪的超级单体的数值模拟。目的是去评价仿真的电荷结构、闪电频数和极性与观测到的雷暴对比，还有去确定模型雷暴对不同起电参数设定的敏感性。正地闪的起源和与模型的整个闪电频数的关系以及雷暴特性之间值得关注。

1. 负极性强雷暴和正地闪的研究

传统概念上的粗略的雷暴电结构模型可以说成是偶极性的结构或者是三极性的结构（图中1a和1b），主要的电荷区是中层负电荷区和它的上层正电荷区。小的、零星的正电荷有时常被发现在负电荷区下面形成了三极性结构，随后负极性屏蔽层电荷区被发现在靠近上层电荷区边缘的地方。一些研究已经表明了偶极性或者三极性模型不能充分的去描述电荷是如何在所有的雷暴云中的分布的。Rust和Marshall（1996）认为，目前的三极性模型过于简单，不能适用于所有成熟的雷暴和中尺度对流系统。Stolzenburg et al.(1998)提出了一种更为复杂的电荷结构，由对流降水区靠近上升气流的四个主要电荷区和上升气流之外的六个电荷区组成。其他研究人员认为三极子足以描述雷暴的基本电荷结构，甚至认为放弃三极子模型是“不明智的”(Williams 2001)。

Marshall et al. 基于一次靠近Dalhart, Texas（德克萨斯州达尔哈特）的强雷暴的电领域的探测首次记下了一个反三极性雷暴的存在。Marshall et al. 认为，Dalhart 雷暴在探测结束后立即出现的正地闪可能是由雷暴的负极性电荷结构引起的。在STEPS计划中已经观测到负极性电荷结构，并且分别被Rust和MacGorman于2002年、Rust et al. 于2005年、MacGorman et al. 还有Wiens et al. 在2005年进行了研究。最近的两项研究包括了本文正在研究的2000年6月29日超级单体风暴的观测结果。

图1。雷暴的电荷结构概念模型。(A)正偶极子模型，包含上正负电荷中心和下负电荷中心。(B)三极模型，包含正、主负和较小的低正电荷中心。 (c)反向偶极子模型，具有较低的正电荷和上负电荷中心。(d)反三极模型，主正，上下负电荷中心。

不同的研究已经检验了正地闪和剧烈天气现象两者间的相互关系。Rust et al. 在1981年提供了第一份关于强雷暴一般会生成正地闪的证明材料，他们认为正地闪的出现可能预示着强雷暴的发生。在对Oklahoma雷暴的统计研究中，Reap和MacGorman（于1989年）发现产生更多正地闪的雷暴时出现恶劣天气的可能性更高。随后，Seimon(1993)注意到正地闪出现在F5级龙卷风之前，而MacGorman和Burgess(1994)则表明破坏性龙卷风发生在几个风暴的正地闪闪电频数峰值之后。然而，正地闪被证明可能是无效的恶劣天气指标，除非可以证明他们之间的相关性是可靠的（Brack和Doswell 1992，Perez et al. 1997）。Knapp（1994）和Carey et al. （2003b）已经表明正地闪通常与美国中部的强雷暴有相关性，而与东部各州的雷暴或沿海地区的雷暴无关。需要进一步的研究来确定正地闪（如果存在的话）与雷暴源强度之间的关系。

几项研究【包括以上关于正地闪的研究，以及MacGorman et al. （2001）、Gilmore and Wicker（2002）、MacGorman et al. （2005）、William（2001）等对此的研究】已经检验了产生正地闪需要的条件。假设有利于产生正地闪的电荷结构包括由于风切变引起的电荷层倾斜、没有被屏蔽的带正电荷的降水粒子（即，较低位置的负电荷区的降水粒子揭示了较高位置的正电荷），基于Vonnegut（1963）对流起电机制，反馈形成一个较低的负电荷区域，在正电荷区下方形成一个小的较低的负电荷区，并处在反极性雷暴的电结构中。在仿真云模型中，Mansell et al. （2002）发现正地闪的触发总是由于负电荷量略低于正电荷量。

试图解释为什么雷暴动力学和微观物理学会产生有利于正地闪的条件是更具有挑战性的。一些研究人员（如Gilmore和Wicker2002）引用了实验室实验、观测和建模中提出的非感应机制，这个非感应机制负责雷暴的初始起电（见MacGornab和Rust 1998年第65-68、223-225、329-331页的讨论）。实验室实验表明反弹碰撞过程中霰和冰晶粒子所获得的电荷极性由温度、液态水含量、粒子大小和霰的凇化率等条件来决定（如，Takahashi 1978;Jayaratne et al. 1983; Keith和Saunders 1990,Jayaratne 1993,Pereyra et al. 2000）。在绝大多数雷暴中霰粒子区获得大部分电荷，所以霰粒子通常呈现出负电荷，而冰晶获得正电荷。经过差异沉降后的电荷分布是一个具有通常观测到的垂直极性的偶极子。上述实验研究普遍得出这样的结论：霰在相对温度较高（在低于-10℃的温度下发生向负电荷的逆转）或液态水含量大、霰增长率大的条件下获得正电荷。

霰在较高温度下的正极性起电被认为是大多数雷暴中在负电荷以下发现小的、零星的、较低位置的正电荷的来源，并且Gilmore和Wicker（2002）和Carey et al. （2003b）推测，雷暴上升气流中异常大的液态水含量可以增加较低位置的正电荷量从而足以产生正地闪。MacGorman et al. （2005）认为，如果负电荷低于正电荷才能产生正地闪，那么仅仅增强较低位置的正电荷是不足以产生正地闪的。MacGorman et al. （2005）还提出，在一些触发正地闪的雷暴中，产生反极性电荷结构需要的不仅仅是增强较低位置的正电荷。霰的正极性起电在雷暴中需要控制电荷产生，因此使得主负电荷区被正电荷取代，同时冰晶粒子也会携带负电荷进入到雷暴云的上部。Saundes和Peck（1998）发现在足够大的旋转速率下，霰趋向于取得正电荷，而与温度无关。

1. 本研究的目标

本研究检验了不同的电荷分离机制对模拟起电的影响，并将模拟的电荷结构与2000年6月29日STEPS记录在档的观测电荷结构进行了比较(Tessendorf et al. 2005;Wiens et al. 2005；MacGorman et al. 2005)。一个类似的研究使用的是1981年7月19日合作对流降水实验(CCOPE)雷暴(Helsdon et al . 2001年)的二维模型,其中就研究了三种不同的非感应起电方案。Helsdon et al. (2001)的研究结果表明， 非感应起电最好的表示可能是Takahashi(1978)的实验室结果。Mansell et al. (2005)在一个小的多单体雷暴中测试了非感起电和感应起电的不同数值参数化。本研究还研究了在模拟和观测雷暴期间不同时间发生的多次正地闪，并将这些正地闪与雷暴的运动、微物理过程和电结构的演化联系起来。

另一个重点是仿真中的闪电频数和雷暴特性之间的关系。一些研究人员在观测到的雷暴中发现反射率或上升气流强度与总闪电频数之间的一些关系(Goodman et al. 1988;MacGorman et al. 1989)。Baker et al. (1995)和Solomon and Baker(1998)在一维模型中研究了总闪电频数与上升气流速度、反射率、降水速度、冰浓度和云半径的关系。该研究采用三维模型，进一步地研究了闪电频数与上升气流速度、质量通量、降水速率、霰体积、雨质量等雷暴性质之间的关系。

1. 模型描述
2. 动力学和微观物理学

Straka和Mansell(2005)详细地描述了动态云模型。该模型是基于Klemp和Wilhelmson(1978)的一组三维的、非流体静力的、完全可压缩的方程。该模型是包含了速度分量(动量)、扰动压力、位势温度、湍流动能、水蒸气和水成物粒子混合比率、雾滴历史和电荷变量的预测方程。同时该模型采用了一个微物理程序包，其中包括根据粒子密度、特性和大小来区分的2个液体水汽现象分类和10个冰类别的分类(Straka and Mansell 2005)。冰的特性包括小冰雹和大冰雹;小、中、高密度的霰;雪聚合物;凇化冰;板冰;和柱状冰。

1. 起电和闪电

该模型包括对水成物粒子起电参数的选择(Mansell et al. 2005)。本研究采用感应起电和非感应起电两种起电方式(详见附录)。实验室实验、建模和观测研究的结果强烈表明，非感应起电在产生接近于观测雷暴的起电率和起电强度方面起着主要的作用(MacGorman and Rust 1998;Helsdon et al.2002)。然而，也有实验室支持感应起电起着主要的作用(例如，Brooks和Saunders 1994)。在本研究中，该模型的非感应起电方案采用了四种不同的起电参数，每种参数随起电极性和起电水平的变化而变化。本研究中使用的所有非感应起电方案都在Mansell et al. (2005)的研究中进行了详细描述，但为了方便起见，将在下面简要描述。

Saunders and Peck(1998，以下简称SP98)方案中的非感应起电速率是基于他们测量的临界雾滴吸积速率(RAR)提出的。随温度而变的临界RAR值(RARcrit)定义了正负电荷区(图2a)。在SP98方案中，反弹碰撞过程中转移到霰粒子上面的电荷极性主要受霰上含水量的影响(即rimer)。凇化率(RR)方案的开发方式与SP98类似。它也是基于临界雾凇吸积速率，但对温度和液态水的依赖性略有不同(图2b)。

图2所示。(a)根据Saunders和Peck(1998)的实验室实验，霰获得的电荷极性是温度和RAR的函数。霰以较高的白霜吸积速率在曲线上方获得正电荷，在曲线下方获得负电荷。图16a所示，白五角星曲线和黑五角星曲线对应的RAR和温度水平相同。(b)根据RR方案和SP98方案，霰获得的电荷极性是温度和RAR的函数。白五角星曲线在图16b中指出了RR和SP98在76分钟时正负电荷的差异。(c)霰获得的电荷极性是温度和云含水量的函数，引自Takahashi (1978)。白五角星曲线和黑五角星曲线对应的液态水含量和温度水平相同，如图16c所示。(d)在GZ模拟过程中霰获得的电荷极性随反转温度和液态水含量的变化。

Takahashi起电方案是基于Takahashi的实验室实验提出的(1978年，以下简称TAKA)。霰获得的电荷极性由云水含量和温度决定(图2c)。对于模型参数化，结果取自Randell et al. (1994)使用的查找表，其中还加入了

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