放电后电荷重置对雷暴云闪电过程的影响

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1 引言 1

2 雷暴云起、放电数值模型 1

3 电荷重置方案 2

3.1 方案一植入异极性电荷法 2

3.2 方案二中和法 2

3.2 实验个例 3

4 特征分析 3

4.1 放电前后静电能的变化 3

4.2 放电前后电荷密度和电位的空间分布 4

4.2.1 放电前后电荷密度空间分布 4

4.2.2 放电前后电位空间分布 6

5 结论 7

参考文献 9

放电后电荷重置对雷暴云闪电过程的影响

依瑞

，China

Abstract: Using a single thunderstorm case in Nanjing, two different charge-replacement schemes are used in the existing three-dimensional thunderstorm cloud numerical model: one is implant method,in which heteropolar charge is implanted and lightning channel is superimposed, abbreviated to charge redistribution; the other is neutralization, which reduces the charge concentration at the lightning channel by 30%. The similarities and differences of the results of the two schemes were discussed as follows: (1) The results of electrostatic energy consumption under different schemes were similar, and there was a certain range of electrostatic energy before and after discharge. (2) After the discharge under the implantation method, a multi-polar and highly distributed charge distribution pattern is formed, and the positive and negative charge stacks are interlaced, and the induced charges deposited near the lightning channel result in a higher structural distribution than the original density. However, under the neutralization method, the space charge form has not changed significantly, and the level is still clear, but has not been constrained by the net charge of neutralization. (3) The potential spatial distributions of the two schemes are the same in the first cloud flash, and the change of potential between the discharges under the implantation method is more obvious than the neutralization method.

Key words: Numeical simulation，Charge redistribution，The feature of lightning discharge

1 引言

云闪是触发在云体内部或雷暴云附近，且闪电放电通道未触及地面的一种雷暴云放电现象。而闪电的触发、传播与雷暴云中电荷结构息息相关，同时闪电的发生会限制强电场的生成，并消耗雷暴云中的静电能。因此空间电荷结构的研究受到许多研究工作者关注。Shao et al.(1996)使用较新的窄带干涉仪定位系统研究发现云闪通道的上、下双层分支结构分别对应雷暴云上部的正电荷区和中部的负电荷区；董万胜等(2000) 对云闪使用闪电宽带干涉仪系统进行了观测分析，认为云闪起始于向上发展的负流光，前期闪电通道向上发展，同时还研究出云闪放电通道在雷暴云上部正电荷区和中部负电荷区同时发展。Coleman et al.(2002)利用新墨西哥山地雷暴的三维闪电图像观测网和气球电场探空资料对比分析发现，云闪通道的双层结构所在的高度与位势阱(位势极值区)相同，这就验证了Shao(1996)的推论；同时还发现闪电在发展过程中将通道感应的异极性电荷沉积在主正、负电荷区的局部区域。

为了深入研究雷暴云中电荷结构，受到观测手段的限制，许多工作者从事数值模拟工作进行研究。在数值模拟中，放电后的电荷重置就主要采用了两种方法，一种是中和法，即按照一定合理的比例降低放电后空间电荷浓度（Liu et al.,2014;Zhao et al.,2015;郭凤霞等2016），这种处理方法是一种简易的计算方法，并没有考虑到放电后闪电通道上的电荷量。另外一种处理方法便是植入法，即依据双向先导理论，认为通过闪电通道拓展将在云中沉积异极性电荷，研究者就将放电后闪电通道上的感应电荷与空间原有的电荷进行叠加(郭凤霞等2015)。目前，这两种方法被数值模拟的工作者们沿用，那么在雷暴云电过程中，中和法和植入异极性电荷法这两种不同的电荷重置方案对闪电的放电效应会有什么影响？在不同的电荷重新分配法下，闪电究竟以何种方式影响云中的电荷和电位分布？而且一般认为闪电的能量来源于静电场存储总静电能的消耗，因此在闪电的放电前后静电能之差应当大于零，并且消耗的静电能存在一定范围，在不同放电后重新分配下，静电能的消耗又将有何差异呢？这些问题都值得深入研究。

因此，在已有研究成果中的三维雷暴云起、放电模式中分别加入了两种配置方案来进行此次探讨分析。一种是直接按较合理的30%比例降低通道处空间电荷密度，一种是将放电后闪电通道上感应电荷与空间原有电荷叠加（夏艳羚等，2017）。在这两种不同的重置方案下，着重探讨云内放电过程对电荷结构、电位分布以及静电能的影响。

2 雷暴云起、放电数值模型

本研究拟以数值模拟实验展开关于雷暴云电荷重新配置对闪电活动影响的探讨分析。闪电起放电为雷暴过程的重要环节，而本文研究方向以放电后电荷重置为主，现将所采用的放电参数化方案进行如下说明：

表1 模拟雷暴起放电过程的参数

关于雷暴云闪电的启动阈值范围，在此模式中采用了两种取值方法，第一种是选取随高度变化的逃逸击穿阈值为闪电的初始击穿阈值：

（1）

（2）

其中，闪电初始击穿阈值为E_init，单位：kV·m^-1 ；空气密度ρ，单位： kg·m^-3，其值与高度 z(km)有关。当环境电场强度在一定范围内其值都超过E_init时该公式成立，可将模拟域内电场强度超过该高度逃逸击穿阈值的点看成为闪电的一个可能起始点。另外一种方法是常规空气击穿阈值（取为150 kV·m^-1 ），也看做闪电的初始击穿阈值E_init ，所有超过该击穿阈值的点也将作为一次闪电可能发生的初始点。此外，一次云闪放电的起始击穿点是随机选取，选取范围是从所有电场强度满足大于0.9E_init 的格点中抽取。

闪电触发后，正负先导以传播阈值为0.6E_init随机发展，闪电通道的扩展方法则沿用了Mansell et al.(2002)提出的步进方式，即正负先导中每次只能有一个后继通道点进行拓展。当通道每完成一次新的扩展后，非通道格点处的电位都将进行新的计算，当在整个模拟域中不存在后继通道的扩展点后就认为闪电终止。

3 电荷重置方案

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