小冰晶与闪电气候学外文翻译资料

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小冰晶与闪电气候学

Steven C. Sherwood,¹ Vaughan T. J. Phillips,² and J. S. Wettlaufer³

Received 15 November 2005; revised 30 December 2006; accepted 25 January 2006; published 7 March 2006.

[1] 在闪电活动中，围绕云起电过程和不明原因的区域变化仍然存在争论。在这里，我们可以看到在闪电活动中气候最大值与积雨云顶部附近的冰晶的有效直径D_e有关。这个关系，不像闪电与云顶高度的关系，在陆地上和海洋上是一致的。由多项研究表明，D_e的值会因大气气溶胶而减小，这个关系加深了对气溶胶作用以及电动力学的认识。此外，由云模型模拟的研究发现，后向散射辐射的角分布表明D_e中等程度（～10%）的减小反映小冰晶 (lt;～30mu;m)数浓度大幅度的（～2times;）增加。这两种关系为云微物理学和/或电气化模型提供了重要的新测试方法。引用：Sherwood, S. C., V. T. J.Phillips, and J. S. Wettlaufer (2006), Small ice crystals and the climatology of lightning, Geophys. Res. Lett., 33, L05804, doi:10.1029/2005GL025242.

1.引言

[2] 虽然一些机制可能会将各种情况下的雷暴电荷分离e.g.,MacGorman and Rust, 1998]，但现在人们普遍认为，强大的雷暴将其大部分的电荷分离归功于冰粒子之间的“非感应”转移，主要是悬浮的霰和较小的、上升的云冰粒子[Mansell et al., 2005]。非感应起电的微物理解释仍然处于激烈的争论中。虽然近来人们观察到非结晶晶体之间的起电 [Mason and Dash, 2000]并且给出了解释[Dash and Wettlaufer, 2003]，但实验室早已通过实验提出，过冷水是真实雷暴中一个关键的、复杂的因素[Takahashi, 1978]。这是否表示相异物理学或相同物理学能在更复杂的环境中运行，还有待确定。实验结果之间的不一致意味着模拟雷暴电荷分布的显著差异[Scavuzzo et al., 1998; Helsdon et al., 2001]，但这个结果依赖于模型[Mansell et al., 2005].。Scavuzzo et al. [1998]发现，电荷分离是由小的（lt;100mu;m）云粒子还是由大的（gt; 100 mu;m）云粒子支配，取决于起电机制，这表明进一步了解不同大小的冰粒子的特性可能有助于验证起电理论 。

[3] 准确模拟独立雷暴的难点限制了基于案例研究的起电模式的评估。一个替代方案是比较预测的和典型电气化观察到的趋势作为主要的参数变化。例如，普遍起电机制的理想化计算表明，电气化应随着雷达反射率（由固态降水的量和大小确定）的乘积以及在0至40℃的温度范围内云冰粒子的质量而变化[Baker et al., 1995]。雷达研究与此相一致[Deierling et al., 2005]但不提供和云粒子一样大小的冰晶粒子的信息。

[4] 观察到电气化最明显的趋势就是，平均闪电次数的区域性变化[Boccippio et al., 2000]远远超过降雨或雷暴频率的变化。特别是，闪电频繁击打大地。气溶胶作用是难以证实的[Smith et al., 2003; Williams et al., 2002]；第二种可能性是更高的云基地促进大陆型闪电。得到最多支持的解释是上升气流速度，在强电气化的冰点附近，必须超过6-7 ms ^-1[Zipser and Lutz, 1994]。大陆的上升气流明显强于海洋的上升气流，虽然，这种差异不容易给出解释[e.g., Lucas et al., 1994;Sherwood et al., 2004]。不幸的是，垂直速度数据局限于几种区域性活动。较强的上升气流通常会产生较强的雷暴，而更强的雷暴确实会产生更多的闪电[Williams，1985]，但并不是在全球范围内都是这种单一的关系[Rutledge et al., 1992]。海上雷暴太强，无法解释他们为什么很少出现闪电。因此，问题仍然围绕着闪电的海陆对比和其他变化[Williams and Saacute;tori, 2004]。

2. 冰的直径与闪电的气候学

[5] 在这里，我们比较1999-2003年the Lightning Imaging Sensor（LIS）和the Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）卫星上的Optical Transient Detector（OTD）的闪电频率的季节性气候学[Christian et al., 1992]， 以及Sherwood [2002a，2002c]通过Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）测得的，冰粒子的有效直径（D_e）在3.7mu;m和11mu;m的单个像素辐射数据。后者包括1984年1月至1998年4月期间热带纬度的深对流云（11mu;m亮度温度T ₁₁ lt;210 K）的所有观测值。天气的随机抽样在多年的平均值变小，显示气候变化。这些都超出了年际变化，证实了我们对不同时期的比较。

¹Department of Geology and Geophysics, Yale University, New Haven,Connecticut, USA.

² Department of Geosciences, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA.

³ Department of Geology and Geophysics and Department of Physics, Yale University, New Haven,Connecticut, USA.

Copyright 2006 by the American Geophysical Union.

0094-8276/06/2005GL025242

图1. (left) Seasonal mean LIS/OTD combined lightning counts (flashes per km² per month). (right) 3.7 mu;m reflectance (lower scale, %) or D_e (upper scale, mm) among clouds with T₁₁ lt; 210 K.

[6] 气候学（图1）给出了一个值得注意的对应关系， D_e异常小的位置通常会产生频闪。MAM和SON的季节对比特别有用，因为它们的对流分布比较相似。出现了一些高度本土化的电气化特征，例如在巴西南部，哥伦比亚最北部和加勒比地区，非洲萨赫勒和刚果地区，在当地春季和/或夏季期间的东南亚，其中每一个都存在类似的最小D_e。这些“热点”在对流频率或昼间循环方面与其他领域没有任何区别[Yang and Slingo，2001]。并不是所有的特征都匹配，例如在刚果地区，D_e变化，但闪电全年都不变，这可能表明起电机制的饱和[Dash and Wettlaufer, 2003]。

[7] 我们使用T₁₁来检查雷暴高度模式（未显示），其表面上类似于D_e，较高的雷暴产生较小的D_e。然而，闪电与D_e和T₁₁的模式相关分别为0.57和0.27，闪电与D_e相关性更好。其主要原因是雷暴高度的海陆差异相对较小： T₁₁的平均海陆差异仅为陆地标准差的35％，而D_e为155％，LIS为132％。D_e和闪电之间的海陆对比，与两个变量之间的单一关系是一致的，而雷暴高度和闪电的对比是不一致。

[8] 与闪电有关的另一个可观测的，与气候学相关的是霰。虽然霰浓度在一定程度上与D_e和T₁₁类似，明显与闪电有关。至少有一项研究发现，海陆的对比也可能不足以保持与闪电的单一关系[Toracinta et al., 2002]。这可能取决于使用的具体的霰粒代用品。

图2. Figure 2. (top) Reflectance as a function of scattering angle, where 180 is scattering back toward the sun. Symbols,observed; upper and lower solid curves, MODIS ice model with D_e = 58 and 101 mu;m, respectively. (bottom) Symbols,ratio of BDRF for polluted vs.normal observed subsets;solid line, ratio for a mixture of 35% MODIS 20-mu;m and 65% MODIS 101-mu;m particlesvs.100% MODIS 58-mu;m particles;dashed line, ratio for a mixture of 40% hexagonal 19-mu;m crystals [Minnis et al., 1998] and 60% MODIS 101-mu;m vs.100% MODIS 58mu;m. The MODIS model assumes mainly bullet rosettes, and lacks scattering features characteristic of hexagonal crystals. Eachplotted value is amean weighted by AVHRR viewing geometry frequency of occurrence.

表格1. Effective Diameter, and Small Particle Concentrations, of Ice Distributions Simulated 1 km Below Cloud Top by an Explicit Microphysical Model ^a

^a CCN factor is the coefficient by which the control distribution of CCN,based on observations, was multiplied.

3.关于D_e变动的解释

[9] 在电气化中小的D_e，霰载雷暴可能看起来是矛盾的。De是平均数除以粒子的平均表面积，不过它由更多的云粒子控制。在云的混合相区也被感测到。我们现在使用BDRF（双向反射函数）或观察到的辐射角度分布来进一步探索D_e变化， 3.7 mu;m处的多次散射仅为中等程度，这表现出了粒子特性。Sherwood [2002a]获得了所有情况的BDRF；我们复制了其一小部分数据的程序，仅包括生物质燃烧气溶胶污染最严重的季节和大陆地区。

[10] 全面的BDRF（图2a）与使用the Moderate Resolution Imaging Sensor（MODIS）进行的模型计算比较[Baum et al., 2000]， 对于D_easymp;70mu;m显示出良好的一致性。“被污染”（low-D_e）的情况在所有方向产生更多的反射率，特别是在后向散射方向上（图2b）。这种不对称性是小粒子的特性，可以通过假设污染云中的35-40％的散射是由〜20mu;m的粒子引起的，而不是假设所有的颗粒都以相同的百分比收缩。此外，140以上的压平与有污染的情况下大多数的六角片状粒子一致（在130左右的压平下，六角片状冰粒子散射比大多数形状少 [Liou，2002]），表明汽相淀积增长小颗粒。

[11] 卫星推断的变化通过频谱微物理学模型[Phillips et al., 2002, 2005]在不同的CCN浓度下进行计算。该模型预测De的减少约为20％，从极少数到大量的CCN（表1），与生物量燃烧观察到的平均降低达〜10％相一致[Sherwood，2002a]。最小粒子的模拟数量显著增加，而Dgt; D_e的变化不大。粒子数N的敏感性通过观察平流层水蒸汽和D_e的共变化来证实，这要求N的值每番一倍，D_e下降10％[Sherwood，2002b]，也与表1一致。

4. 对雷暴电气

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