闪电频数的一种简单参数化方案.docVIP

闪电频数的一种简单参数化方案1) 本译编由郭虎（北京市气象台，100089）、刘珂（北京市气象科学研究所，100089）、蔡晓云（北京市气象台，100089）完成 ) 摘 要 介绍了早在20世纪90年代初，Price与 Rind提出的一种简单的闪电频数参数化方案及其理论依据以及观测事实。 关键词：闪电频数参数化 闪电频数 云顶高度 对流有效位能 1. 前言 廖洞贤和王两铭指出[1]，在夏季，特别是在热带地区对流层下层，甚至中层，一般层结是条件性不稳定的。但是，强的对流活动却只在有限的地区出现。这说明不稳定能量的释放和大尺度的环境有关。许多分析都说明，只有在一定的大尺度流场条件下，对流才能得到强烈的发展。根据这个事实，人们可以用大尺度的参数来表示积云的活动。这就是对流参数化的方法。 在1994年出版的《大气科学辞典》中指出[2]，对流参数化(convective parameterization)是指用大尺度的参数来表示积云的活动。实际做法是用网格点上的变量值来描述次网格尺度的积云对流整体效应。由于差分模式的格距一般较大,无法描述积云对流这样的小尺度现象,但积云对流的发生、发展与大尺度系统的关系又必须加以考虑，所以要用参数化方法来处理。其依据是：在夏季，特别是热带地区对流层下层甚至中层，一般层结是条件性不稳定的；但是强烈的对流活动却只在有限地区出现，这说明不稳定能量的释放与大尺度的环境场有关。许多分析表明，只有在一定的大尺度流场条件下，对流才能得到强烈发展。根据这种现象，人们就可用大尺度的参数来表示积云的活动。常用的对流参数化方案有：郭晓岚方案、修正的郭晓岚方案和荒川-舒伯特方案。 看完上述简介，读者会发问：有没有跟对流参数化类似的闪电频数参数化方案呢？ 早在20世纪90年代初，Price与 Rind(下称PR92) [3] 研究了上述问题，并提出了一种简单的闪电频数参数化方案。PR92指出，利用他们的大尺度参数方案，可以模拟出全球闪电活动的日变化、季节变化和年变化。另外，PR92还指出，由于缺少业务化的全球闪电资料集，所以假若能够把闪电活动跟各种大尺度气象参数找出相关，那将是很有用的：人们不仅能够计算出全球闪电活动，而且可以把这样一个关系式用于全球气候模拟，以便模拟出全球闪电活动。 2. 理论依据 按照Vonnegut (1963)[4]以及Williams (1985) [5] 的研究工作，一个地区空间电荷(q)的电功率(W)随其尺寸增加产生非常急剧的变化。在距离R处，由于点电荷产生的电位差V由下式给出： (1) 其中，K=1/4πε0，ε0是介电常数。 两个点电荷(与)之间的电功率(W)是： (2) 在云中，是用地区的空间正、负电荷(Q)近似地代替点电荷，因此有： (3) 其中Q=q×体积～q×H3，H正比于云的尺度。这样， 考虑到R～H，上式改写为： (4) 方程(4)表示：对流云内的电功率(W)正比于云尺度H的5次方。在雷暴中引发闪电的击穿电位梯度的大小为5×105 Vm-1(Berger, 1977[6]; Pierce, 1983)[7]。方程(2)表明，当雷暴中电功率(W)增加时，电位梯度也要增加。因为电功率是产生电能的速率(W=E/t)，所以风暴垂直尺度（或厚度）增加（意味着电功率增加，见方程(4)），将意味着电能产生率增加，它将引发更迅速达到击穿电位梯度，因而，出现更频繁的闪电。 3. 与起电假说的关系以及观测事实 3.1 用起电假说解释§2结果 PR92认为关于云为什么会带电有两个主要假说，它们是降水假说和对流假说。 降水假说是建立在几个微物理过程的基础上（它们使雷暴云带电）：由于软雹和冰粒碰撞产生电荷转移(Reynolds, et al 1957)[8]；由于非感应起电产生电荷转移(Sartor, 1967)[9]；由于热力效应产生电荷(Takahashi, 1978)[10]。尔后，利用降水质点的重力沉降分离开云中电荷，产生雷暴中电荷的双（偶）极分布。 对流假说的基础是：对流运动把云外产生的正离子从云下输送到云内，在云内正离子附着在云滴与降水质点上(Vonnegut, 1963)[4]。尔后上升、下沉运动引起大尺度电荷分离：上升运动使荷正电的质点上升到云的上层，而下沉运动携带负