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一次多单体雷暴电荷结构和闪电放电特征的数值模拟研究

Edward R. Mansell1

Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies (CIMMS), University of Oklahoma, Norman, Oklahoma, USA

Donald R. MacGorman and Conrad L. Ziegler

National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma, USA

Jerry M. Straka

School of Meteorology, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma, USA

Received 27 July 2004; revised 7 March 2005; accepted 23 March 2005; published 17 June 2005.

[1]使用三维动态云模式来研究一个具有完整生命周期的理想化大陆多单体风暴的感电机制。将基于实验室研究基础的五个非感应霰-冰电荷分离的参数化方案进行了比较。电感（即电场依赖性）电荷分离用于回弹霰滴碰撞。在感应充电的有效性（关，中，强）和最小冰晶浓度（10或50 L^-1）内，每个非电感霰冰的参数化要与变化的情况相结合。小的大气离子过程如水文附着和地面点排放要进行明确处理。三个非感应方案容易产生正常极性电荷结构，具有一个上主正电荷区的主负电荷区和一个较低的正电荷区。当较低的正电荷（LPC）区域具有足够的电荷密度而形成高电场时即发生负极性云地（CG）闪。三个中的两个还产生一个或多个云地闪。其他两个取决于霰石沉积速率的非感性充电方案，通常产生初始反转的极性电荷结构和多个云地闪。 该模型的结论表明感应霰-液滴电荷分离可以在低电荷区的发展中发挥作用。 非感应充电，另一方面，也发现在测试中能够产生在最小冰晶浓度为50 L1前提下的较强的较低电荷区。

引用: Mansell, E. R., D. R. MacGorman, C. L. Ziegler, and J. M. Straka (2005), Charge structure and lightning sensitivity in a simulated multicell thunderstorm, J. Geophys. Res., 110, D12101, doi:10.1029/2004JD005287.

1.介绍

[2]雷暴起电的数值模拟高度依赖于水文气体获取电荷的机制参数化。实验室研究[例如，Reynolds等，1957；Takahashi，1978；Jayaratne等，1983；Saunders等，1991；Saunders和Peck，1998]已经证实，小冰和大冰颗粒之间的反弹碰撞可能导致电荷明显的分离。该过程被称为非电感（即，不依赖于外部电场）碰撞电荷分离。较大粒子所获得的电荷的符号和大小似乎取决于多个变量；研究确定了温度，云水含量，雾度增加率和液滴尺寸谱作为因素。复杂性进一步加剧了实验室结果细节的分歧。

[3]只有少数研究采用预测冰相微物理学的多维动力学模拟模型。Rawlins[1982]使用了一个具有“大容量”类微物理学（云水，雨水，冰晶和冰雹）的三维模型来检查冬季海上风暴的基本电气结构。Takahashi[1984]使用了具有显式（即bin模型）微物理学的轴对称模型。Takahashi的模型纳入了由于冰块反弹造成的碰撞造成的充电实验结果[Takahashi，1978]。他的模型还包括小型和大型离子类别和离子附着到水成物。Takahashi[1984]通过改变云凝结核和云冰核的浓度，将海洋与大陆风暴进行了比较。 他的结论是，由于单独的冰块碰撞反弹，充电将足以通电并产生闪电。

[4]Ziegler等人[1991]、Ziegler和MacGorman[1994]使用了Ziegler[1985][参见Ziegler等人，1986年]的运动学模型的三维版本分别来研究新墨西哥雷暴和俄克拉荷马龙卷风超级电场风暴中的起电机制。这些研究使用多普勒风场分析来驱动运动学，但预测了微物理学和电气化。两项研究都使用了一种基于Gardiner等人[1985]和Jayaratne等人[1983]的非电荷分离方案在本研究中使用并在后面更详细地描述。相比之下，Scavuzzo和Caranti[1996]和Scavuzzo等人[1998]的研究将冰颗粒的任意分布注入云中，只有小滴和稳定的风场组成。虽然这些研究可以提供一些洞察不同实验室结果的非感应起电机制的行为（在这种情况下，Takahashi [1978]和Saunders等人[1991]），但现实性微物理发展的缺乏限制了可被得出的结论。

[5]Helsdon和Farley[1987]的二维风暴电气化模型（SEM）用于模拟蒙大纳雷暴中的起电机制，并进行后续研究[Randell等人，1994；Helsdon等人，2001]。SEM还处理小离子过程，并且对Takahashi[1978]（例如，Randell等人[1994]）和Saunders等人[1991]的实验室充电结果进行了参数化。Helsdon等人[2001]（以下称为HWF）在完全仿真模型（即耦合动力学和微物理学）中对电荷分离的实验室参数化进行了第一次比较。他们比较了三种不同的非电荷充电方案产生的初始电气化[Takahashi，1978；Saunders等，1991；Helsdon和Farley，1987]，并发现结果之间存在显着差异。电感（即场依赖）电荷分离与Helsdon和Farley[1987]的非电感性方案结合使用，但不与另外两种非电感性方案一起使用。Helsdon等人[2002]将SEM升级为三维，其表明当非感应电荷分离是活性的时，小的离子过程可以是明显的，但是在没有主动的非电荷充电过程的情况下自身产生无意义的带电。

[6]本研究的一个激励因素是HWF表示的需要进一步比较研究，包括更近期的实验室工作[例如，Brooks等，1997；Saunders and Peck，1998]和三维模型的背景下。这里介绍的工作进一步探讨了充电参数化（旧的和较新的）的比较，包括云内（IC）和云对地（CG）闪电，以允许模拟超出初始电气化阶段。模拟多细胞大陆风暴比HWF更强大，寿命更长，但具有相似的初始降水形成。还研究了风暴电荷结构对霰弹与小云滴之间感应电荷分离的敏感性。

2.非感应充电的实验室结果

[7]从Reynolds等人[1957]的开创性工作开始，许多非电荷充电的实验室研究集中在霰弹发生边缘生长和与冰晶碰撞的反弹[例如，Takahashi，1978；Takahashi and Miyawaki，2002； Jayaratne等，1983；Saunders等，1991；Saunders and Peck，1998]。结冰，过冷液滴的收集和快速冷冻在电荷分离中的作用不明确，但是多个实验室研究发现，当霰弹没有经历边缘生长时，通过反弹霰弹-晶体碰撞的电荷分离显着降低。只有过冷液滴的存在就足够了，不过Jayaratne和Saunders[1985]发现，当液滴太小而不能被目标捕获时，电荷分离仍然可以看得更清楚。相对增长率假说[Baker等，1987；Baker和Dash，1994]认为，通过蒸气扩散增长更快的颗粒将从反弹碰撞中获得正电荷。根据这个假设，那么这两个粒子都不一定是边缘，而是必须存在液滴以提供蒸气用于沉积生长。霰弹表面受到冻结液滴的潜热释放的影响，并且如果液滴蒸发，则在完全冻结之前通过液滴从液滴中释放。

[8]已经发现模拟霰弹获得的电荷符号取决于空气温度和云水含量（CWC）或霜含量（RAR），以及其他因素，如霰石表面温度，液滴尺寸谱和水滴污染物。实验室研究表明，可能存在称为反转温度的温度，其中霰弹增加的电荷变化，所有其他因素都保持不变。然而，不同研究的结果与对温度和CWC（或RAR）的充电依赖性的细节有冲突，并且在某些情况下可能不存在逆转温度。Takahashi[1978]用包含冰晶和过冷液滴的室研究碰撞充电。室内的旋转杆通过收集液滴（即边缘）并与晶体碰撞而作用为霰弹颗粒。他发现，无论CWC如何，边缘棒都能够在高于-10℃的温度下与冰晶反弹碰撞获得正电荷（图1）。在低于-10℃的温度下，在高和低CWC下，电荷获得正电荷，但在中间值获得负电荷。在1g·m³的CWC下，获得的电荷的极性的反转发生在约-10℃。

[9]Jayaratne等[1983]得到的结果与Takahashi[1978]不同。他们只观察到在低CWC和低温下边缘颗粒的负电荷。在大于10℃的温度下，对于足够低的CWC，对霰石的充电是负的。此外，CWC下的反转温度为1.0g·m ^-3，比Takahashi发现的低20℃，或低10℃。

[10]在曼彻斯特大学（UMIST）（在Jayaratne等人[1983]使用的同一实验室）Saunders等[1991]的结果也与Takahashi[1978]有所不同，尽管他们报告了低温和CWC的正电荷。 Saunders等人[1991]创建了他们的结果参数化，用于数值模型研究。充电方案根据温度和有效CWC（EW）确定充电的符号，CWC（CW）乘以边缘颗粒的收集效率。充电的大小也取决于EW和温度，并且具有对冰晶直径和终点下降速度差异的幂律依赖性。

图1.Takahahi（TAK）充电图[Takahashi，1978]，从查找表（Helsdon等，2001]中获得等值线，电荷分离以fC为单位。

Brooks等人[1997]改变了Saunders等人[1991]参数化使用霜沉积速率，RAR=EWtimes;V（其中V是舷梯终端速度）。它们在低温和低电流下省略了正电荷区，有两个原因。首先，他们发现他们简单的数字云模型对充电机制不敏感。第二，他们引用RAR极低值可靠地进行充电测试的难度。Saunders和Peck [1998]报道了进一步探索对RAR的充电依赖性。

[11]Williams等人[1991]试图将充电与霰弹生长状态（例如湿或干生长）相关联。他们发现，增长状态政策往往与Takahashi[1978]发现的不同充电机制相匹配，其中包括潮湿增长期间的充电。用于计算生长方式的方程式适用于他们在Takahashi[1978]实验中预期的更高密度的雾度。他们建议Jayaratne等[1983]结果是不同的，因为较低的轮辋杆速度预期的密度较低。Brooks和Saunders[1995]提出，Takahashi[1978]使用的连续成核技术可能对云含水量造成了相当大的过高估计，因此湿增长可能从未实现。此外，Saunders和Brooks[1992]和Pereyra等人[2000]已经证实，在湿增长期间，电荷分离变得可忽略。Jayaratne[1993]指出，Williams等人[1991]使用的生长状态方程不适用于与天然霰雪完全不同的实验室生长的霜结构。当使用适当修改的方程式时，充电标志取决于霰弹的生长状态的假设似乎不被支持。 Williams和Zhang [1996]更仔细地观察了Takahashi [1978]和Saunders等人[1991]的预期雾化密度实验，并再次提出，雾度密度的差异可能排除了充电结果的直接比较。另一方面，Jayaratne [1998]发现充电不受霜密度的控制。

[12]Pereyra等人[2000]提供了关于Takahashi和UMIST组的结果之间一致差异的一些见解。 他们断言，两组结果之间的界定差异来自于实验方法的差异：Takahashi[1978]（以及后来的Takahashi和Miyawaki[2002]）在击中目标之前混合了液滴和冰晶的单独云（混合云方法），而在UMIST实验中，冰晶在云滴中生长（单云法）。Pereyra等人[2000]使用各种方法进行电荷分离实验，并与以前的结果达成广泛一致。他们得出结论，混云法可以产生较大的冰过饱和度和更大的冰晶生长速率，从而影响电荷分离的条件。导致不同结果的根本因素仍然不清楚，而其中一个开放性问题是哪一种方法，如果最好地表示真实云中的条件，或者某些云更好地通过一种方法或其他方式建模。通过证据表明，比较不同实验室方法的困难进一步加剧，即液滴尺寸谱也可能在使温度和云含水量的依赖性发生变化方面发挥重要作用[例如，Avila等人，1998；Avila和Pereyra，2000]。

3.雷暴模拟模型

3.1 数学，动力学和微物理学

[13]本研究中使用的数值模拟模型是Straka大气模型（Straka，1989；Straka和Anderson，1993a；Straka和Mansell，2005年；Mansell等人，2002]。它是非流体静力学和完全可压缩的，并且基于Klemp和Wilhelmson[1978]所描述的方程组。预测方程包括动量，压力，潜在温度和湍流动能（如Carpenter等人[1998]所述）。还有（1）水蒸气和水合物的混合比例，（2）电荷密度和离子浓度的保守方程，以及（3）云包和边缘历史的年龄。模型中的平流和扩散数字都包括守恒原则。对于动量平流，该模型对于垂直方向使用了一种维持时间，二次（即能量）的节省差分方案，而在水平方向上使用了六阶局部光谱方案[Straka和Anderson，1993b]。标量平流用时间，六阶，通量分布校正，Crowleyscheme[Tremback等人，1987]用单调滤波器[Leonard，1991]进行。扩散参数化基于Deardorff[1980]和Moeng [1984][参见Carpenter等人，1998]。沉积使用质量加权平

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