雷暴云电荷重置方案对云、地闪放电特征的影响

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-06-28 18:47
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
本文利用已有的三维雷暴云起、放电模式,结合一次典型的南京地区雷暴个例,为 探究闪电放电后电荷重置对雷暴云放电效应的影响。首先通过改变闪电通道感应电荷量 进行大量敏感
摘要
本文利用已有的三维雷暴云起、放电模式,结合一次典型的南京地区雷暴个例,为 探究闪电放电后电荷重置对雷暴云放电效应的影响。首先通过改变闪电通道感应电荷量 进行大量敏感性试验,即闪电放电后电荷重新分配采用沿着闪电通道植入异极性电荷; 然后加入中和法方案进行对比,即通过设定的比例减少通道所传播的空间电荷浓度;主 要是围绕两种电荷重置方案下闪电放电后电荷结构、电位分布、闪电通道长度等方面总 体特征以及单次闪电特征。得出以下主要结论:
(1)在植入法方案下的敏感性试验,随着通道感应电荷量的增加,放电前后空间 电荷极性发生反转的格点数增多,空间电荷结构越发复杂,导致闪电通道长度短的闪电 频次增多。
(2)植入法方案下,闪电频次随着通道感应电荷量的增加而减少,这是由于模式 起电时雷暴云中的总电荷量不变,单次闪电中和电荷量增多,闪电频次将会减少。地闪 频次与类型变化规律不明显,其受到影响因素较多,与通道感应电荷量的相关性不大。
(3)两种电荷重置方案下,植入法方案中云闪频次比中和法方案云闪频次少,且 单次闪电中植入法方案下闪电通道长度比中和法下通道长度短。这是由于植入法对雷暴 云中强电场的摧毁能力较强,并且空间异极性电荷堆较多,所以云闪频次较少且闪电通 道发展受到限制。
(4)两种电荷重置方案下,一次云闪过程消耗的静电能范围在107~1010J, 一次地 闪过程消耗的静电能范围在109〜1010J,植入法下单次闪电消耗的静电能略小于中和法方 案下单次闪电消耗的静电能,这与观测结果消耗的静电能在量级上相当。
第一章绪论
1・1研究目的与意义
雷暴云空间电荷结构与闪电的产生有着密切的联系。在首次闪电前,云中的空间电 荷结构主要受到水成物粒子的相互作用以及平流、扩散、沉降等活动的影响〔IQ,在放电 后,空间电荷结构不但受云内微物理及起电过程的作用,而且受到闪电放电的影响卩⑷。 放电后电荷重新分配使云中电荷结构发生改变,进而影响接下来的闪电活动⑸。在实际 观测中,一次雷暴过程的电荷结构分布较为复杂。在相同高度可能存在相反极性电荷堆, 并且在雷暴发展不同阶段空间电荷结构分布均有差异⑹刀。由于现阶段观测手段的局限 性,无法全面获取空间电荷结构分布特征,难以深入探讨闪电放电对雷暴云电过程的影 响,利用数值模拟探讨雷暴云放电效应是当前最有效的手段之一。
放电后空间电荷的重新分配是雷暴云起、放电模式需考虑的一个重要环节,目前的 主要方法有两种。一种是根据闪电结束后空中电荷应减少,直接考虑其效果而忽略物理 过程的中和法(以下简称ZH),即放电结束后,直接按照一定的比例降低闪电通道处 空间电荷密度⑻⑹。该方法由于没有计算通道处感应电荷,因此大大减少了模式工作中 的计算量;Coleman等口刀通过对比新墨西哥(New Mexico)山地雷暴三维闪电观测网及气 球电场探空资料表明:闪电放电后在雷暴云上部正电荷区和中部负电荷区的相对局部区 域内会沉积异极性电荷,而这一现象无法通过中和法解释清楚。除此之外,一些观测结 果表明,闪电结束后,下一次闪电可能在前一次闪电通道经过的地方初始〔I8】,与中和法 直接降低云中电荷密度也不匹配。另外一种方法是依据双向先导理论,认为降低云中电 荷密度可通过在闪电通道经过的某些区域嵌入与周围环境极性相反的感应电荷,并且使 沿闪电通道附近格点处电荷极性发生反转。该过程可通过将放电后通道感应电荷替换空 间原有电荷或通道感应电荷和空间原有电荷进行叠加实现如"22],这种方法被称为异极 性电荷植入法(以下简称ZR)。夏艳羚等[刼对比这两种电荷重置方案下闪电类型、闪 电发生率及闪电通道传播的差异,认为处理放电后电荷重新分配方式采用异极性电荷植 入法较为符合实际观测。而中和法在现如今的数值模拟工作中也较为常见,尤其在中尺 度系统过程中使用较多,为一些复杂的研究减少计算量,因此对比两者之间的关系还是 有很大必要的。现今的探空观测中,给出了气球所在高度处每时刻的电场强度a/],并 对一次云闪所减少的电场强度进行估计[2刀。而在观测中气球探测的场强轮廓线时间相对 较长,在此过程中可能已经发生了多次闪电,因此对于单次闪电的发展以及电荷结构、 电位分布等关系的认知仍然是科研界的难题,也就无法深入了解闪电结束后云中电荷如 何分配、电荷结构和电位分布以及闪电通道特征等问题。因此通过在数值模式中对单次 闪电的探讨还是有实际的参考价值的。
由于目前大部分放电模式所选取的空间分辨率[4冏均远大于实际先导的直径,通过 高斯方程计算得到的通道感应电荷量具有很大的不确定性A1&19],并且放电后电荷重置 方案对闪电放电到底有什么影响也存在疑问,以及放电后计算静电能消耗只是粗略估计 等均有待进一步深入探究。所以,如何合理评估闪电放电对雷暴云电过程的影响仍然是 目前学术界面临的难题之一。
1.2国内外研究进展
1.2.1目前闪电观测的研究进展
闪电观测的研究进展一方面是观测手段,从早先的风筝实验到现今社会的各种精密 设备的观测,如干涉仪定位技术、不同频段的辐射仪探测技术以及高速摄像技术等。另 一方面是闪电类型,目前将自然闪电的观测类型主要是分为云闪放电的观测和地闪观测 进行研究,下面详细给出这两大类型闪电放电的研究进程。
(1)云闪观测的研究进展
云闪,指云层内部、云与云之间的放电现象,且云闪占全部闪电总频次的2/3oBondio 等[绚和Mazu声刃利用VHF窄带干涉仪对云闪进行了观测与分析,从中得出结论:云闪 放电过程起始于正、负先导的同步发展,并且正先导不会产生可以探测的辐射源。 Rhodes[30]也利用VHF窄带干涉仪对一次云闪进行了全面的观测,结论表明:在云闪初 始时期(即200ms左右)辐射源基本是随机缓慢移动的,并且主要呈现垂直发展,而在 云闪最后的200ms时段内流光表现为水平发展。Shao and Krehbiel[31]利用窄带干涉仪定 位系统分析闪电放电过程,得出的结论为:云闪通常表现为两层结构,之间通过向上发 展的通道相连接,且雷暴云中的上部正电荷区以及中部负电荷区刚好与之相对应。董万 胜阳利用闪电宽带干涉仪对云闪观测进行分析,得出结论:云闪产生于向上发展的负流 光,并且闪电通道在开始时期向上发展;闪电通道在上部正电荷区和中部负电荷区内同 时发展。Coleman等口刀利用新墨西哥山地雷暴的三维闪电观测网和气球电场探空资料进 行对比,得出结论与Shao等一致,并且还发现闪电放电会在正、负电荷区的某些区域 沉积异极性电荷。
(2)地闪观测的研究进展
地闪,是云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程。因此容易产生雷电灾害,对 人类造成直接或间接的伤害。地闪过程可分为几个步骤,大致分为:预计穿过程、梯级 先导、连接过程、回击等过程。Krehbiel等卩引利用8站电场仪观测得出:地闪初始击穿 发生在海拔6-8km处,温度层范围在-1(TC〜-20。。并且向下传输负电荷。PwctOT®]利 用VHF定位系统观测得出地闪触发海拔高度在5.8km,处在温度层-5°C〜-16°C内。之后 仍有不少类似结论,如Rustan等卩习、Rhodes等[旳、Shao等卩刀。对于地闪类型的发生 前提也有不少研究,例如负地闪产生的关键条件是雷暴云底部的正电荷区[38'39],正地闪 触发的有利条件是上部的正电荷区,这也是Takeuti等so】以及Brook等刖通过对日本冬 季雷暴的观测推论出的结论,即是在产生正地闪时雷暴云结构呈现偶极性,并且上部正 电荷的分布范围大于负电荷区。除此之外,在还有不少研究者Marshall and Rust等㈤、 Stolzenburg等昭通过中尺度系统过程的观测得出雷暴云中电荷结构分为多层。
1.2.2雷暴云电荷分布与闪电特征之间的联系
早在18世纪中叶,富兰克林通过实验证明了雷暴云中存在荷电,之后就引发研究 者们不断的探究。从雷暴云中电荷结构,即云中电荷结构呈现不同种类型结构,而常见 的是三极性,偶极性;Wilson[43_44]> Wormell[45_46]> Simpson and Scrase[47]> Simpson and Robinson[48], > Marshall and Rust[49]等都曾对云中电荷结构进行研究。以上研究者们则是 对雷暴云中电荷结构垂直分布进行了简单的描述。随着观测技术的进步,研究者发现实 际雷暴云中的电荷结构更为复杂,Rust等[50]发现同一雷暴过程中不同时间的空间电荷结 构也会不一样,MacGorman等发现在雷暴云中的同一高度上,也可能有极性相反的 电荷堆存在,Coleman"】利用气球探空的垂直场强廓线观测到雷暴云中的电荷结构呈现 多层分布等。在观测的基础上,许多科学家们加入了数值模式的探究。Krehebiel等 在数值模拟实验中发现:雷暴云中电荷区的分布会影响闪电类型。其中有对“晴天霹雳” (类似于正常向上的云闪形式发展(Behnke等〔河),但没有结束于上部的正电荷区, 而是继续水平击穿,并传出云外,进而转向地面发展的负地闪。)的模拟,当雷暴云中 主正和主负电荷区分布不平衡并且在顶部屏蔽层与主正电荷区有大量混合时,更有利于 触发此种闪电。Akita等何、Tan等网、谭涌波等昭在研究中也发现雷暴云中的电荷分 布、电荷密度等对闪电特征产生影响。Wang等[旳在模式中得出结论:雷暴云中上部正 电荷区分布范围和电荷浓度对正地闪的产生有着一定的影响。
总的来说,我们可以得出雷暴云中的电荷分布对闪电特征有着紧密的联系。而由于 观测手段的有限性,无法详细的描绘出雷暴云中电荷分布。因此,就利用数值模拟的构 建,我们利用程序限制云中电场强度,加入放电后电荷的重新分配等方式来模拟雷暴过 程,从而建立起雷暴电荷分布与闪电特征的关系。
1.2.3闪电放电的数值模拟
早期数值模式中放电模式为了达到抑制雷暴云中强电场的目的,只是简单的将超过 某一阈值内的电场强度或者电荷密度按照一定的比例降低〔9"醐。接着是Helsden等网 首先在模式中加入双向先导理论,他认为抑制强电场可以通过电荷的沉积来达到效果, 同时发现闪电放电会沿着闪电通道出现电荷极性的反转。Mazur等㈤⑹]通过模式计算出 单次闪电以及云地闪过程传输的电荷量以及静电能的消耗,计算结果与观测结果在量级 上是相当的。以上的模拟都是为了到达闪电放电的效果,只是实际观测中闪电复杂多变, 为了能够更加接近现实,研究者们不断改进。Mansell等凹利用随机放电模式模拟出与 实际观测的闪电过程类似的双层分叉结构以及地闪的初始击穿高度,但闪电通道的分辨 率(500m)还是有待改进。Tan等a】将闪电通道分辨率提高到12.5m,并且对云闪通道、 电荷结构、传输特性以及电场环境等进行了分析。除此之外,研究者们的放电模式中有 的不包括地闪过程的处理,其中有Rawlins⑻、Takahashi[9]> Heldson[59]等,或者不包括 后继放电过程(Solomon等〔简、MacGorman等〔⑵、Manse 11等口刃)等。总体来说,数值 模式也是在不断进步,不断完善,且仍然是需要大量的观测数据支持。
1.2.4放电后电荷再分配对闪电放电的影响
模式中为了能够到达实际闪电的放电效果,通过电荷重新分配的方式来降低雷暴云 中电荷浓度以及抑制雷暴云中的强电场过程。目前模式中最常见的电荷重置方法有两 种,一种是植入异极性电荷(简称ZR),即沿着闪电通道植入异极性电荷。这种方法 会在闪电通道处沉积异极性电荷与实际观测中的电荷结构较为一致,使得雷暴云中空间 电荷结构呈现杂乱的形态,即正、负电荷区域中会存在相反极性的电荷,使得空间中异 极性电荷堆增多,由于闪电通道在发展过程中难以形成大范围的同极性电荷堆,闪电通 道在传播过程中很难穿越与通道极性相同的电荷堆,使得云闪通道在发展的过程中只局 限在一对较小的异极性电荷堆里面,最终导致闪电通道长度较短的闪电频次增多。(谭 涌波等[叫 郭凤霞等⑷;Manse 11等⑴如;郑栋等回;黄丽萍等羊 夏艳玲等⑷)。另 外一种方法是中和法(简称ZH),即按照一定的比例直接降低闪电通道处的电荷密度。 这个方案不会改变雷暴云中的空间电荷结构,呈现规整的形式。在数值模式中,这种方 法没有计算通道处的感应电荷,所以能够大大的减少模式工作中的计算量,在分析讨论 雷暴云中的微物理部分使用此方法较为简便。例如:Rawlins等⑻、Takahashi等⑼、Ziegler 等[1叭Baker等[⑴、Macgorman等在研究中采用的电荷再分配方式是中和法。
1.3主要研究内容
本文通过三、四、五章节进行总体讨论,主要内容则是在已有的三维雷暴云起、放 电数值模式中,结合南京地区的一次典型雷暴过程,通过调整通道电荷感应电荷量进行 大量敏感性试验,分析在异极性电荷植入法中雷暴云电荷结构、闪电类型和频次以及闪 电通道长度的变化规律。并且在夏艳羚等[刼基础上,通过对比不同电荷重置方案下雷 暴过程的总体电特征,以及单次闪电的电荷结构、电位、静电能在两种不同电荷重置方 案下的差异进行探讨。具体是从以下几个方面展开:
(1)在已有的三维雷暴云起、放电模式中,结合典型的南京地区的雷暴个例,使用 与实际观测较为一致的植入异极性电荷的电荷重置方案。改变植入法方案中通道感应电 荷量来分析对闪电放电活动特征的影响,主要是从空间电荷结构分布、闪电通道长度以 及闪电频次、类型等方面展开探讨。
(2)通过不同种类的电荷重置方案(即中和法(简称ZH)),与植入法方案(简称 ZR)从电荷结构、闪电频次等进行对比。植入法方案中的通道感应电荷量的多少以及中 和法方案中的中和量多少在模式工作中没有统一标准。因此,通过敏感性试验分析感应 量与中和量对闪电放电特征的影响还是很有必要的。
(3)在两种不同电荷重置方案的前提下,给出雷暴云中单次闪电时放电前后电荷结 构和电位之间的相互关系,放电前后闪电通道的发展、以及闪电放电后所消耗的静电能 对比。
第二章雷暴云起、放电模式介绍
目前,利用观测手段探讨闪电放电特征的技术虽在进步,但是仍然有其局限性,即 无法全面获取空间电荷分布特征,难以深入探讨闪电放电对雷暴云电过程的影响,因此 利用数值模拟探讨雷暴云放电效应是当前最有效的手段之一。本文主要利用中国气象科 学院发展的积云对流模式为框架背景。在此基础上,起电参数化方案被马明首先引入, 并且结合Mansell等随机放电参数化方案,形成了二维雷暴云起、放电模式,从而 实现了 500m分辨率的雷暴云起、放电数值模拟。谭涌波等在此基础上对非感应参数化 方案进行了修改,也改进了 Mansell等的放电参数化方案,将二维雷暴云起、放电 模拟分辨率从500m改进为12.5m。与此同时,本文对雷暴云三维起、放电数值模拟采 用500m的分辨率。本文主要采用的三维数值模式基于谭涌波等设置的模式,其数值模 拟域为76 kmx76 kmx20 km,模式框架以及放电模块均采用500 m为三维空间分辨率。 本文模式中微物理和动力学框架、起电参数化方案可参考文献⑸尽⑼,本文将不再详细 阐述。下面简要介绍放电参数化方案。
2.1放电参数化方程
本文模式中所采用的放电参数化模式,是基于Mansell等提出的随机放电模式理论, 谭涌波等在此基础上进行改进,修改点从闪电启动,正、负先导发展以及感应电荷的计 算等方面进行完善,其中还改良了地闪的处理方法。由此建立了分辨率为12.5m的二维 闪电参数化方案,基于二维数值模式通过降低分辨率扩展为三维起、放电模式。三维模 式的模拟时间步长为4s,而且一个时间步长内不允许有大于5次的闪电频次。
2.1.1闪电的启动
目前模式中对闪电的启动阈值大小仍没有一致意见。不过存在大众普遍认可的两种 取值方法,分别为:一种是空气常规击穿阈值,在不同模式中采取的阈值也会不同,大 致范围在400kV/m (Heldson等网)至[J 150kV/m (Mansell等〔⑼);另外一种是随高度 变化的或者逃逸电子电场阈值,Marshall等⑹】根据探空观测结果得出了下面的公式:
EO = ±167・q(z)
pQ = 1.208.^/84 ( _
其中:%为闪电初始击穿阈值,单位为kV/m, p是与高度z(km)有关的空气密度 (kg/m3) o Solomon等巾3】、Marshall等⑷]、Gurevich等阴研究者们发现逃逸击穿机制 有效条件是在几百米到上千米的一定范围内电场强度超过击穿阈值。
本文使用的三维雷暴云起、放电模式中,我们同时考虑了以上两种闪电击穿阈值情 况。首先,我们根据模式中的格点数分辨率以及闪电通道的分辨率(500m)来定义逃逸 子域,即子域范围为正方体(500mX500mX500m),而在子域里面格点上电场强度值均 大于闪电初始击穿阈值时,这样中心格点将被看做一个可能的闪电初始击穿点(图2-1)o 另外一种符合闪电起始击穿点的条件是,在模拟域中任意格点的电场强度值大于 150kV/m (即常规击穿阈值)。

第三章 通道感应电荷对闪电活动特征的影响
3.1实验个例的选取
模式选用了 2011年8月12日发生在南京的一次典型雷暴过程作为雷暴云背景进行 三维放电模拟。模拟域为76 kmx76 kmx20 km,云模式框架以及放电模块均采用500 m 为三维空间分辨率。其中南京个例的探空曲线如图1所示,模式中椭圆热湿泡扰动水平 半径为5 km,垂直半径为lkm,椭圆中心最大温度2K,相对湿度扰动75%;模拟时间 90 min,时间步长4 s。图3-1为南京个例当天20: 00的环境温、湿层结曲线。需要说 明的是,本文中所用的雷暴云个例只用来提供初始场数据以及雷暴云背景,其演变过程 并未在文中展开讨论。

第四章 不同电荷重置方案下闪电特征的敏感性试验
第三章我们讨论了植入法方案下,通道感应电荷对闪电放电后空间电荷结构、闪电 通道长度、类型等的影响。而在现今常用的数值模拟中,处理放电后电荷重置方案还是 有很多研究者采用中和法方案。夏艳羚等[刼通过这两种方案的对比,并且进行了敏感性 试验,得出一些总体的结论。下面我们就选取了不同通道中和量与第三章中的通道感应 量进行对比。两种方案的敏感性试验会受到雷暴个例的影响,这里我们只采用了一次南 京的雷暴个例,并且使用了两种电荷重置方案下雷暴过程中闪电频次最少的两组系数 (即(1=1,卩=0.3)进行从闪电总体特征与电荷结构上进行简要分析,之后还需要大量雷 暴个例来进行验证。
总结与讨论
为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响,即 闪电放电后电荷重新分配方式是采用沿着闪电通道植入异极性电荷。本文利用已有的三 维雷暴云起、放电模式,结合一次典型的南京地区雷暴个例,通过控制倍数改变闪电通 道感应电荷量进行大量敏感性试验。并且通过另一种电荷重置方案进行对比,中和法即 闪电放电后通过设定的比例来达到减少闪电通道处的电荷密度。从单次闪电的电荷结 构、电位等角度来探讨两种不同电荷重置方案对闪电放电的影响。