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1 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2014 年 第 44 卷 第 12 期 : 2743 ~ earth.scichina.com SCIENCE CHINA PRESS 论 文 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟 谭 涌 波 12*, 梁 忠 武 12, 师 正 12, 朱 俊 儒 12 12, 郭 秀 峰 1 南 京 信 息 工 程 大 学 中 国 气 象 局 气 溶 胶 与 云 降 水 重 点 开 放 实 验 室, 南 京 ; 2 南 京 信 息 工 程 大 学 气 象 灾 害 预 报 预 警 与 评 估 协 同 创 新 中 心, 南 京 * ybtan@ustc.edu 收 稿 日 期 : ; 接 受 日 期 : ; 网 络 版 发 表 日 期 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 ( 编 号 : 2014CB441403) 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 批 准 号 : , ) 和 江 苏 高 校 优 势 学 科 建 设 工 程 项 目 资 助 摘 要 在 经 典 的 雷 暴 云 三 极 电 荷 结 构 的 假 定 下 结 合 已 有 的 随 机 放 电 参 数 化 方 案, 进 行 了 二 维 高 分 辨 率 闪 电 放 电 的 模 拟 实 验, 定 量 的 探 讨 了 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 闪 电 类 型 的 影 响. 结 果 表 明 : (1) 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 的 产 生 起 了 关 键 作 用, 随 着 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 或 分 布 范 围 的 增 大, 闪 电 类 型 依 次 从 正 极 性 云 闪 向 负 地 闪 再 向 反 极 性 云 闪 变 化 ; (2) 相 对 于 电 荷 区 分 布 范 围 而 言, 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 对 闪 电 类 型 的 影 响 起 主 导 作 用. 只 有 当 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 最 大 电 荷 密 度 取 值 在 一 定 范 围 内 时, 才 会 出 现 负 地 闪, 并 且 负 地 闪 的 发 生 概 率 相 对 固 定 ; (3) 在 该 范 围 内, 负 地 闪 的 发 生 由 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 以 及 分 布 范 围 共 同 决 定, 且 其 与 云 闪 触 发 条 件 之 间 存 在 一 个 线 性 边 界 ; (4) 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 以 及 分 布 范 围 的 共 同 效 果 是 改 变 底 部 正 位 势 阱 的 分 布, 当 闪 电 启 动 参 考 电 位 接 近 0 MV 时 生 成 反 极 性 云 闪, 而 当 其 远 小 于 0 MV 时 则 更 容 易 形 成 负 地 闪. 关 键 词 底 部 正 电 荷 电 荷 密 度 分 布 范 围 闪 电 类 型 数 值 模 拟 自 然 雷 电 触 发 后, 为 何 有 的 闪 电 通 道 终 止 于 空 中 形 成 云 闪 而 有 的 闪 电 却 能 发 展 到 地 面 形 成 云 地 闪? 而 关 于 闪 电 通 道 的 传 播 行 为 以 及 不 同 类 型 雷 电 形 成 的 原 因 一 直 是 困 扰 雷 电 科 学 研 究 领 域 的 难 题 之 一. 随 着 现 代 观 测 技 术 以 及 数 值 模 拟 技 术 的 发 展, 大 量 的 研 究 表 明 闪 电 的 类 型 极 性 以 及 先 导 传 播 行 为 可 能 与 雷 暴 云 中 的 电 荷 分 布 息 息 相 关 (Mazur 和 Ruhnke, 1998; 张 义 军 等, 2005; Krehbiel 等, 2008; Zheng 等, 2010; Akita 等, 2011). 典 型 的 雷 暴 云 空 间 电 荷 主 要 有 偶 极 和 三 极 两 种 分 布, 两 者 之 间 的 差 别 表 征 为 是 否 存 在 底 部 正 电 荷 区 (Williams, 1989). 而 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 存 在 与 否 以 及 量 级 大 小 可 能 是 决 定 负 地 闪 以 及 反 极 性 云 闪 形 成 的 关 键 因 素 (Qie 等, 2005; Nag 和 Rakov, 2009). Clarence 等 (1957) 和 Tessendorf 等 (2007) 指 出 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 存 在 加 强 了 负 电 荷 区 底 部 的 场 强, 从 而 有 利 于 负 先 导 的 始 发 并 向 地 面 发 展. 王 才 伟 等 (1987) 和 Liu 等 (1989) 在 中 国 的 内 陆 高 原 上 空 发 现 在 雷 暴 云 底 部 通 常 存 在 一 个 大 范 围 的 正 电 荷 区, 并 且 几 乎 所 有 的 云 闪 都 出 现 在 云 下 部. Pawar 等 (2004) 通 过 对 热 带 雷 云 的 表 面 场 和 麦 克 斯 韦 电 流 的 测 量 发 现 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 云 闪 或 地 闪 的 触 发 起 了 很 大 作 用. Qie 等 (2005) 研 究 进 一 步 指 出 中 国 青 藏 高 原 地 区 的 三 极 雷 暴 电 荷 结 构 的 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 中 文 引 用 格 式 : 谭 涌 波, 梁 忠 武, 师 正, 等 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟. 中 国 科 学 : 地 球 科 学, 44: 英 文 引 用 格 式 : Tan Y B, Liang Z W, Shi Z, et al Numerical simulation of the effect of lower positive charge region in thunderstorms on different types of lightning. Science China: Earth Sciences, 57: , doi: /s

2 谭 涌 波 等 : 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟 较 其 他 地 方 报 道 的 要 大, 大 量 的 底 部 正 电 荷 阻 止 了 负 地 闪 的 发 生 而 有 利 于 反 极 性 云 闪 的 发 生, 但 在 雷 暴 后 期, 由 于 底 部 正 电 荷 的 大 量 减 少 而 有 利 于 负 地 闪 的 发 生. Nag 等 (2009) 通 过 假 定 预 击 穿 脉 冲 是 负 先 导 向 下 发 展 到 云 底 部 正 电 荷 区 时 所 产 生 的, 结 合 观 测 资 料 定 性 的 推 断 了 云 底 部 正 电 荷 区 的 大 小 对 闪 电 类 型 的 影 响, 推 断 指 出 当 云 底 部 正 电 荷 区 很 大 时 ( 与 上 部 负 电 荷 区 大 小 相 当 时 ), 有 利 于 反 极 性 云 闪 的 发 生, 当 底 部 正 电 荷 区 相 对 较 小 时, 有 利 于 负 地 闪 的 发 生, 并 且 底 部 正 电 荷 区 的 大 小 还 会 影 响 到 负 先 导 在 云 内 的 水 平 传 播 情 况, 即 底 部 正 电 荷 区 较 大 时 有 利 于 负 先 导 首 先 在 云 内 水 平 传 播 然 后 再 发 展 到 地 面. 这 些 都 表 明 了 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 和 先 导 传 播 行 为 有 着 巨 大 的 影 响. 目 前 关 于 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 以 及 闪 电 传 播 特 征 的 研 究 可 大 致 分 为 两 类 : 要 么 是 通 过 观 测 得 到 的 云 内 电 荷 结 构 分 析 对 闪 电 类 型 的 影 响 (Clarence 等, 1957; 王 才 伟 等, 1987; Liu 等, 1989; Pawar 和 Kamra, 2004); 要 么 通 过 观 测 得 到 的 闪 电 行 为 反 推 云 内 电 荷 分 布 形 势 (Qie 等, 2005; Tessendorf 和 Rutledge, 2007; Nag 和 Rakov, 2009). 而 由 于 探 空 观 测 技 术 的 限 制, 难 以 全 面 获 取 雷 暴 云 内 电 荷 结 构 的 信 息 ( 包 括 电 荷 浓 度, 电 荷 水 平 垂 直 分 布 范 围, 电 荷 总 量 ), 因 此 所 得 结 论 大 部 分 为 定 性 或 推 断 结 果, 无 法 全 面 了 解 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 闪 电 行 为 的 影 响. 那 么, 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 到 底 怎 样 影 响 着 闪 电 类 型 和 先 导 传 播 行 为? 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 大 小 以 及 范 围 对 闪 电 放 电 的 影 响 又 会 怎 样? 要 想 解 决 这 些 问 题, 有 必 要 开 展 理 论 计 算 工 作. 由 于 起 电 机 理 认 知 不 足, 目 前 雷 暴 云 起 放 电 数 值 模 式 模 拟 得 到 的 电 荷 结 构 与 真 实 雷 暴 云 中 复 杂 的 电 荷 分 布 差 异 较 大 ( 郭 凤 霞 等, 2003; Coleman 等, 2003), 模 拟 出 的 电 荷 分 布 也 相 对 固 定, 难 以 通 过 改 变 电 荷 区 的 电 荷 大 小 和 分 布 范 围 来 定 量 探 讨 其 对 闪 电 行 为 的 影 响. 因 此 本 文 在 已 有 的 随 机 放 电 参 数 化 方 案 的 基 础 上 (Tan 等, 2006; 谭 涌 波, 2006, 2007), 利 用 一 个 三 极 性 雷 暴 云 电 荷 结 构 的 假 定, 通 过 数 值 模 拟 敏 感 试 验, 定 量 探 讨 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 闪 电 放 电 的 影 响, 重 点 分 析 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 大 小 和 分 布 范 围 对 闪 电 类 型 的 影 响. 1 模 拟 方 法 谭 涌 波 等 (2006, 2007; Tan 等, 2006) 在 Mansell 等 (2002) 的 工 作 基 础 上, 建 立 了 高 分 辨 率 的 闪 电 参 数 化 方 案. 在 此 工 作 基 础 上, 为 了 便 于 模 拟 敏 感 实 验 的 开 展, 本 文 利 用 一 个 三 极 性 电 荷 结 构 的 假 定, 并 以 该 电 荷 结 构 提 供 的 空 间 电 荷 分 布 作 为 背 景 场, 开 展 后 继 的 闪 电 模 拟 实 验. 1.1 雷 暴 云 电 荷 结 构 分 布 的 假 定 为 了 再 现 与 真 实 闪 电 通 道 直 径 能 够 比 拟 的 闪 电 空 间 形 态, 电 荷 结 构 分 布 采 用 高 分 辨 率 的 二 维 笛 卡 儿 坐 标 系, 其 中 模 拟 域 大 小 为 76 km 20 km, 分 辨 率 设 为 12.5 m 12.5 m. 雷 暴 云 电 荷 分 布 是 在 三 极 电 荷 结 构 (Williams, 1989) 的 基 础 上 外 加 负 的 云 顶 屏 蔽 层 电 荷, 即 电 荷 的 垂 直 分 布 从 上 到 下 依 次 是 : 负 的 屏 蔽 层 电 荷 区 (S) 上 部 正 电 荷 区 (P) 主 负 电 荷 区 (N) 和 底 部 正 电 荷 区 (LP)( 图 1). Stolzenburg 等 (1998) 已 揭 示 了 雷 暴 云 对 流 上 升 气 流 区 这 种 基 本 的 四 极 电 荷 分 布, 并 且 雷 暴 云 顶 通 常 也 存 在 这 种 负 的 屏 蔽 层 电 荷 (Vonnegut 等, 1966; Brown 等, 1971; Klett, 1972; Marshall 等, 1989; Bruning 等, 2007), 因 而 采 用 这 种 电 荷 分 布 更 加 接 近 实 际 情 况, Krehbiel 等 (2008) 用 这 种 电 荷 分 布 模 拟 了 由 雷 暴 云 顶 向 上 发 展 的 闪 电. 雷 暴 云 电 荷 区 设 置 成 椭 圆 形, 以 x 0 和 z 0 为 中 心 位 置, 以 r x 和 r z 为 椭 圆 的 长 半 轴 和 短 半 轴. 电 荷 区 的 电 荷 密 度 分 布 采 用 高 斯 分 布, 在 电 荷 区 的 中 心 处 电 荷 密 度 最 大, 这 和 Bell 等 (1995) 建 立 的 二 维 准 静 电 场 偶 极 电 荷 模 型 时 使 用 的 电 荷 密 度 分 布 一 样. 具 体 模 拟 域 中 正 负 电 荷 区 的 电 荷 密 度 分 布 由 以 下 公 式 决 定 : (1) 2 0 exp( (2 ) ), ( x x ) ( z z ), (2) r x rz 式 中, ρ 0 是 用 来 控 制 正 负 电 荷 区 的 最 大 电 荷 密 度, 反 映 的 是 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 分 布, 从 以 上 公 式 可 以 看 出 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 是 由 ρ 0, x 0, z 0, r x 和 r z 这 5 个 参 数 决 定 的. 本 文 着 重 讨 论 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 行 为 的 影 响, 因 此 模 拟 过 程 中 只 有 LP 区 的 r x 和 ρ 0 是 变 化 的, 其 他 参 数 固 定 不 变, 其 中 电 荷 区 的 分 布 范 围 取 值 参 考 了 Krehbiel 等 (2008) 建 立 的 模 型, 参 数 的 具 体 取 值 见 表 1. 为 了 便 于 讨 论, 定 义 D x =2r x 为 电 荷 区 的 水 平 范 围, ρ 0x 为 电 荷 区 的 最 大 电 荷 密 度, 下 标 x 可 为 S, P, N 以 及 LP, 分 别 对 应 不 同 2744

3 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2014 年 第 44 卷 第 12 期 再 有 后 继 通 道 扩 展 点 时 闪 电 便 终 止. 2 模 拟 结 果 图 1 雷 暴 云 经 典 三 极 电 荷 结 构 示 意 图 表 1 雷 暴 云 电 荷 区 的 几 何 和 电 参 数 参 数 ρ 0 (nc m 3 ) x 0 (km) z 0 (km) r x (km) r z (km) S 区 S P 区 N 区 LP 区 变 化 38 4 变 化 1 的 电 荷 区. 需 特 别 说 明 的 是 本 文 在 探 讨 不 同 个 例 时, S, P 以 及 N 区 的 ρ 0 和 r x 以 及 相 应 的 D x 也 会 有 变 化, 具 体 变 化 将 在 2.3 节 中 详 细 说 明. 1.2 放 电 参 数 化 方 案 关 于 放 电 参 数 化 方 案, Mansell 等 (2002) 基 于 随 机 介 质 击 穿 模 式 和 双 向 先 导 概 念 (Kasemir, 1960) 发 展 的 闪 电 参 数 化 方 案, 成 功 的 模 拟 了 云 内 闪 电 通 道 的 双 层 分 叉 结 构 和 正 负 云 地 闪, 但 其 模 式 分 辨 率 (500 m) 不 够 精 细 以 及 调 整 正 负 先 导 总 体 电 中 性 方 法 不 尽 合 理, 且 闪 电 通 道 向 下 发 展 到 离 地 面 1.5 km 时 就 认 为 是 地 闪 ; 谭 涌 波 等 (2006, 2007; Tan 等, 2006) 实 验 了 一 种 逃 逸 启 动 双 向 随 机 发 展 的 放 电 参 数 化 改 进 方 案, 并 进 行 了 12.5 m 的 高 分 辨 率 云 闪 放 电 模 拟 实 验, 模 拟 结 果 很 好 再 现 了 云 闪 通 道 双 层 分 枝 结 构 特 性 ; Tao 等 (2009) 在 此 基 础 上, 对 随 机 放 电 参 数 化 方 案 进 行 了 改 进, 加 入 了 地 闪 处 理 的 参 数 化 方 案, 首 次 实 现 了 先 导 能 够 直 接 发 展 到 地 面 的 地 闪 模 拟. 本 文 综 合 应 用 已 有 的 雷 暴 云 随 机 放 电 参 数 化 方 案, 选 取 随 高 度 变 化 的 或 逃 逸 电 子 电 场 阈 值 为 闪 电 的 初 始 击 穿 阈 值, 设 置 闪 电 是 从 初 始 点 双 向 传 播 的, 模 式 中 闪 电 通 道 的 扩 展 采 用 步 进 (step-by-step) 方 式, 即 每 次 正 负 先 导 通 道 各 自 只 扩 展 一 个 后 继 通 道 点, 同 时 考 虑 了 放 电 过 程 中 通 道 电 位 对 环 境 电 位 的 影 响, 通 道 每 扩 展 一 步, 非 通 道 点 的 电 位 便 重 解 一 次, 当 整 个 模 拟 域 中 不 当 电 荷 分 布 形 式 固 定 时 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 大 小 是 由 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 共 同 决 定 的, 且 两 个 变 量 之 间 相 互 独 立, 因 此 本 文 从 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 两 个 方 面 入 手 分 别 探 讨 其 对 闪 电 类 型 以 及 传 播 行 为 的 影 响. 由 于 垂 直 尺 度 的 可 变 化 范 围 小 (Stolzenburg 等, 1998), 这 里 的 分 布 范 围 特 指 水 平 分 布 范 围. 2.1 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 对 闪 电 放 电 的 影 响 根 据 式 (1) 可 知, ρ 0 是 电 荷 区 的 最 大 电 荷 密 度 取 值, 反 映 的 是 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 分 布, 本 文 首 先 通 过 改 变 底 部 正 电 荷 区 ρ 0LP 的 大 小 来 探 讨 其 对 闪 电 行 为 的 影 响. 图 2 为 不 同 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 大 小 下 的 闪 电 通 道 结 构 和 空 间 电 荷 分 布 图, 其 中 图 2(a)~(b) 的 电 荷 结 构 配 置 一 致, LP 区 的 r x 均 为 1.5 km, 区 别 在 于 底 部 正 电 荷 区 的 ρ 0LP 取 值, 依 次 是 1.5, 3.0, 4.0 和 4.5 nc m 3. 从 图 2 不 难 发 现, 随 着 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 的 增 大, 闪 电 会 从 正 极 性 云 闪 转 变 为 负 地 闪 再 转 为 反 极 性 云 闪 : (1) 当 底 部 正 电 荷 密 度 较 小 时 ( 图 2(a) 和 (b)), 闪 电 起 始 于 雷 暴 云 上 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 正 负 先 导 先 从 启 动 点 垂 直 延 伸 一 段 距 离, 之 后 负 先 导 向 上 发 展 通 过 正 电 荷 累 积 区 后 水 平 延 伸, 正 先 导 向 下 发 展 通 过 负 电 荷 累 积 区 后 也 水 平 延 伸, 并 且 正 负 先 导 在 高 电 荷 密 度 中 心 的 分 叉 数 多, 在 低 电 荷 密 度 区 的 分 叉 数 少, 整 个 云 闪 放 电 通 道 呈 现 出 双 层 水 平 分 支 结 构 (Shao 和 Krehbiel, 1996; 董 万 胜 等, 2002); (2) 当 底 部 正 电 荷 密 度 增 大 到 一 定 程 度 后 ( 图 2(c)), 闪 电 的 启 动 点 发 生 了 变 化, 闪 电 起 始 于 雷 暴 云 下 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 并 且 发 生 的 是 负 地 闪, 负 先 导 向 下 发 展 通 过 正 电 荷 累 积 区 后 穿 过 底 部 正 电 荷 区 接 地, 并 且 负 先 导 在 正 电 荷 区 中 有 多 分 叉, 穿 过 电 荷 区 后 几 乎 成 单 线 发 展, 正 先 导 的 传 播 特 性 与 云 闪 的 相 似, Mansell 等 (2005) 在 模 拟 中 也 发 现 负 极 性 的 云 地 闪 发 生 在 底 部 正 电 荷 区 有 足 够 的 电 荷 密 度 来 产 生 强 电 场 强 度 时 ; (3) 当 底 部 正 电 荷 密 度 再 增 大 时 ( 图 2(d)), 闪 电 同 样 起 始 于 雷 暴 云 下 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 但 发 生 的 2745

4 谭 涌 波 等 : 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟 图 2 不 同 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 大 小 下 的 闪 电 通 道 结 构 和 空 间 电 荷 分 布 图 横 坐 标 是 模 拟 域 的 水 平 距 离, 纵 坐 标 是 雷 暴 云 离 地 面 的 高 度, 实 线 和 虚 线 分 别 代 表 正 负 电 荷 密 度 等 值 线, 其 值 依 次 为 ±0.2, ±0.7, ±1.2 和 ±1.7 nc m 3, 黑 色 实 心 菱 形 代 表 闪 电 的 启 动 点, 灰 色 实 线 和 黑 色 实 线 分 别 代 表 正 负 先 导 通 道 却 是 反 极 性 云 闪, 反 极 性 云 闪 的 正 负 先 导 传 播 特 性 与 正 常 极 性 云 闪 的 传 播 特 性 一 致, 只 是 启 动 点 和 极 性 发 生 了 变 化. 关 于 这 两 种 类 型 的 云 闪, 张 义 军 等 (2002; Zhang 等, 2004) 通 过 对 闪 电 甚 高 频 辐 射 源 观 测 资 料 的 分 析, 揭 示 了 在 三 极 性 电 荷 结 构 的 雷 暴 云 中, 云 闪 不 仅 发 生 于 上 部 正 电 荷 区 和 中 部 主 负 电 荷 区 之 间, 还 可 以 发 生 在 中 部 主 负 电 荷 区 和 底 部 正 电 荷 区 之 间, Qie 等 (2000, 2009) 和 Cui 等 (2009) 进 一 步 证 实 具 有 底 部 大 范 围 正 电 荷 区 的 三 极 性 电 荷 结 构 的 雷 暴 云 中, 才 有 利 于 同 时 在 上 下 两 个 偶 极 电 荷 区 产 生 云 闪, 而 这 些 观 测 事 实 也 证 明 了 本 文 模 拟 结 果 的 合 理 性. 以 上 结 果 表 明 在 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 一 定 的 情 况 下, 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 的 增 大 会 导 致 不 同 类 型 闪 电 的 发 生, 但 这 是 在 LP 区 的 分 布 范 围 D LP 等 于 3 km 的 情 况, 那 么 在 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 取 其 他 值 时 结 果 又 怎 样 呢? 表 2 给 出 了 不 同 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 下, ρ 0LP 的 增 大 对 闪 电 类 型 的 影 响 结 果. 从 表 2 可 以 看 出 : 电 荷 密 度 对 闪 电 类 型 的 影 响 非 常 显 著, 虽 然 所 选 取 的 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 存 在 差 异, 但 随 着 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 的 增 大 都 出 现 了 从 正 极 性 云 闪 向 负 地 闪 再 向 反 极 性 云 闪 转 变 的 现 象. 2.2 底 部 正 电 荷 区 的 分 布 范 围 对 闪 电 放 电 的 影 响 图 3 为 不 同 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 下 的 表 2 不 同 D LP 下 ρ 0LP 对 闪 电 类 型 的 影 响 结 果 D LP (km) ρ 0LP = 1.5 nc m 3 ρ 0LP = 3.0 nc m 3 ρ 0LP = 4.0 nc m 3 ρ 0LP = 4.5 nc m 3 3 正 极 性 云 闪 正 极 性 云 闪 负 地 闪 反 极 性 云 闪 4 正 极 性 云 闪 正 极 性 云 闪 负 地 闪 反 极 性 云 闪 5 正 极 性 云 闪 负 地 闪 反 极 性 云 闪 反 极 性 云 闪 6 正 极 性 云 闪 负 地 闪 反 极 性 云 闪 反 极 性 云 闪 2746

5 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2014 年 第 44 卷 第 12 期 图 3 不 同 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 下 的 闪 电 通 道 结 构 和 空 间 电 荷 分 布 图 闪 电 通 道 结 构 和 空 间 电 荷 分 布, 图 3(a)~(d) 中 的 LP 区 的 ρ 0LP 取 值 均 为 3.2 nc m 3, 唯 一 的 区 别 在 LP 区 的 r x 取 值, 依 次 为 1.5, 2, 2.5 和 3 km. 从 图 3 可 以 看 出 : 在 相 同 的 电 荷 密 度 分 布 情 况 下, 随 着 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 的 增 大, 闪 电 类 型 和 先 导 传 播 行 为 也 会 有 很 大 变 化. 当 r LP = 1.5 km 时 ( 图 3(a)), 闪 电 起 始 于 雷 暴 云 上 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 发 生 的 是 正 极 性 云 闪 ; 当 r LP 等 于 2 和 2.5 km 时 ( 图 3(b) 和 (c)), 闪 电 起 始 于 雷 暴 云 下 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 发 生 的 是 负 地 闪, 并 且 对 比 图 3(b) 和 (c) 中 负 先 导 的 传 播 行 为, 可 以 发 现 图 3(b) 中 的 接 地 负 先 导 基 本 是 垂 直 向 下 发 展 接 地 的, 而 图 3(c) 中 的 接 地 负 先 导 在 接 地 前 会 水 平 传 播 一 段 距 离 ( 约 3 km), 然 后 再 弯 曲 接 地, 使 得 地 闪 击 地 点 离 起 始 点 的 水 平 距 离 达 到 了 4.5 km, Akita 等 (2011) 观 测 发 现 负 地 闪 的 负 先 导 首 先 在 云 区 内 水 平 传 播 约 10 km, 然 后 再 弯 曲 接 地 的 现 象, 但 没 给 出 解 释, 从 模 拟 的 结 果 可 以 看 出, 接 地 负 先 导 的 水 平 传 播 可 能 是 由 于 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 水 平 分 布 范 围 较 大 造 成 的 ; 当 r LP = 3 km 时 ( 图 3(d)), 闪 电 起 始 于 雷 暴 云 下 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 发 生 的 是 反 极 性 云 闪, 负 先 导 虽 然 穿 出 了 云 区 但 没 接 地, Qie 等 (2000, 2005, 2009) Cui 等 (2009) 以 及 Nag 等 (2009) 研 究 指 出 了 大 范 围 的 底 部 正 电 荷 区 有 利 于 反 极 性 云 闪 的 发 生, 这 些 都 证 明 了 本 文 模 拟 结 果 的 合 理 性. 以 上 结 果 表 明 在 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 分 布 一 样 的 情 况 下, 底 部 正 电 荷 区 的 分 布 范 围 对 闪 电 类 型 和 先 导 传 播 行 为 的 影 响 也 是 显 著 的, 并 且 随 着 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 的 增 大 也 出 现 了 从 正 极 性 云 闪 向 负 地 闪 再 向 反 极 性 云 闪 转 变 的 现 象. 表 3 为 LP 区 不 同 ρ 0LP 取 值 下, 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 对 闪 电 类 型 的 影 响 结 果. 从 表 3 可 以 看 出 : (1) 在 不 同 的 ρ 0LP 取 值 下, 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 D LP 对 闪 电 类 型 的 影 响 存 在 差 异 : 在 ρ 0LP = 2.2 nc m 3 时, 闪 电 皆 为 始 发 于 上 部 正 电 荷 与 中 部 负 电 荷 区 之 间 的 正 极 性 云 闪 ; 而 在 ρ 0LP = 4.5 nc m 3 时, 又 全 为 反 极 性 云 闪 ; 只 有 当 ρ 0LP 取 值 在 一 定 取 值 范 围 内 时, 才 会 在 不 同 的 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 下 出 现 不 同 类 型 的 闪 电. (2) 随 着 底 部 正 电 荷 区 的 增 强 ( 要 么 是 电 荷 密 度 ρ 0LP 增 大, 要 么 是 电 荷 区 范 围 D LP 的 变 宽 ), 闪 电 类 型 依 次 发 生 变 化, 其 中 云 闪 触 发 时 底 部 正 电 荷 区 最 弱, 反 极 性 云 闪 时 底 部 正 电 荷 区 最 强, 而 负 地 闪 介 于 两 者 之 间. 2747

6 谭 涌 波 等 : 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟 表 3 不 同 ρ 0LP 下 D LP 对 闪 电 类 型 的 影 响 结 果 ρ 0LP (nc m 3 ) D LP = 3 km D LP = 4 km D LP = 5 km D LP = 6 km 2.2 正 极 性 云 闪 正 极 性 云 闪 正 极 性 云 闪 正 极 性 云 闪 3.2 正 极 性 云 闪 负 地 闪 负 地 闪 反 极 性 云 闪 4.0 负 地 闪 负 地 闪 反 极 性 云 闪 反 极 性 云 闪 4.5 反 极 性 云 闪 反 极 性 云 闪 反 极 性 云 闪 反 极 性 云 闪 2.3 底 部 正 电 荷 与 闪 电 类 型 相 互 关 系 的 定 量 模 拟 结 果 对 比 表 2 和 3, 不 难 发 现, 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 闪 电 类 型 的 影 响 是 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 共 同 作 用 的 结 果, 但 两 者 对 闪 电 类 型 的 影 响 程 度 不 一 样, 其 中 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 对 闪 电 类 型 的 影 响 比 分 布 范 围 要 显 著, 闪 电 类 型 主 要 由 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 所 决 定. 为 进 一 步 研 究 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 浓 度 以 及 电 荷 范 围 对 闪 电 类 型 的 影 响, 并 给 出 定 量 分 析 结 果, 本 文 设 计 了 敏 感 模 拟 实 验, 实 验 方 案 如 下 : (1) LP 区 的 ρ 0LP 起 始 值 取 0.4 nc m 3, 以 步 长 0.4 nc m 3 增 加, 最 大 值 为 6.4 nc m 3, 这 和 Marshall 等 (1998) 通 过 气 球 探 空 得 到 的 云 电 荷 密 度 范 围 (0~6.7 nc m 3 ) 相 当 ; (2) LP 区 的 D LP 起 始 值 取 1 km, 以 步 长 0.5 km 增 加, 最 大 值 为 6 km, 保 证 D LP D N, 主 要 考 虑 到 实 际 的 观 测 也 表 明 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 分 布 范 围 要 比 主 负 电 荷 区 的 分 布 范 围 小 (Krehbiel 等, 2008; Nag 和 Rakov, 2009). 每 组 (ρ 0LP, D LP ) 即 可 开 展 一 次 模 拟 实 验, 共 有 176 组, 其 中 对 应 每 一 个 固 定 的 ρ 0LP, 共 进 行 11 次 不 同 D LP 下 的 闪 电 模 拟. 为 了 便 于 讨 论, 本 文 分 别 并 统 计 了 针 对 固 定 的 ρ 0LP 时, 正 极 性 云 闪 个 数 占 这 11 次 闪 电 的 比 例 R 1, 负 地 闪 个 数 占 这 11 次 闪 电 的 比 例 R 2, 以 及 反 极 性 云 闪 个 数 占 这 11 次 闪 电 的 比 例 R 3, 图 4 中 的 底 图 是 模 拟 统 计 得 到 的 结 果. 从 图 4 中 的 底 图 可 以 看 出 : (1) 当 ρ 0LP <2.4 图 4 LP 区 的 不 同 ρ 0LP 取 值 下 三 种 类 型 闪 电 的 比 例 ρ 0LP 是 LP 区 的 最 大 电 荷 密 度 取 值, 其 中 左 下 角 的 底 图 以 0.4 nc m 3 为 间 隔, 右 上 角 的 窗 图 以 0.1 nc m 3 为 间 隔 ; R 对 应 的 是 三 种 类 型 闪 电 各 自 所 占 的 百 分 比, 其 中 R 1, R 2 和 R 3 分 别 是 正 极 性 云 闪 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 占 每 一 个 固 定 的 ρ 0LP 下 模 拟 的 闪 电 总 次 数 ( 共 11 次 ) 的 百 分 比 2748

7 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2014 年 第 44 卷 第 12 期 nc m 3 时, 出 现 的 全 都 是 云 闪, 并 且 正 极 性 云 闪 的 比 例 达 到 100%, 随 着 ρ 0LP 继 续 增 大, 云 闪 所 占 比 例 呈 现 单 调 递 减 趋 势 ; (2) 当 ρ 0LP >2.8 nc m 3 后, 反 极 性 云 闪 开 始 出 现, 并 随 着 ρ 0LP 的 增 加 其 所 占 比 例 单 调 递 增 ; (3) 只 有 当 2.4 nc m 3 <ρ 0LP <4.8 nc m 3 时, 才 会 在 不 同 的 底 部 正 电 荷 区 分 布 范 围 下 出 现 负 地 闪, 且 其 所 占 比 例 在 这 个 电 荷 密 度 范 围 内 呈 现 单 峰 分 布. 而 为 了 得 到 更 精 确 的 取 值 范 围, 在 电 荷 密 度 2.4~4.8 nc m 3 范 围 内, 把 上 述 实 验 方 案 中 的 ρ 0LP 步 长 改 为 0.1 nc m 3, 重 复 模 拟 实 验, 结 果 示 于 图 4 右 上 角 的 小 窗 图, 从 小 窗 图 中 可 以 看 出 : 只 有 当 2.6 nc m 3 ρ 0LP 4.5 nc m 3 时, 才 会 出 现 有 负 地 闪, 负 地 闪 所 占 比 例 基 本 保 持 不 变 (2.8~4.2 nc m 3 ), 这 个 比 例 大 概 在 27%~36% 的 范 围 内, 只 是 在 开 始 部 分 (2.6~2.8 nc m 3 ) 以 及 结 束 部 分 (4.2~4.5 nc m 3 ), 其 所 占 比 例 呈 现 快 速 变 化. 实 际 雷 暴 云 中 电 荷 结 构 分 布 千 变 万 化, 为 了 得 到 更 为 普 适 的 规 律, 在 上 部 电 荷 区 ( 包 括 S 区, P 区, N 区 ) 配 置 保 证 刚 好 满 足 闪 电 启 动 条 件 的 前 提 下, 通 过 改 变 上 部 电 荷 区 的 ρ 0x 和 D x ( 表 4), 重 复 上 诉 敏 感 实 验, 并 将 结 果 示 于 表 5. 其 中 参 数 R P 为 能 够 产 生 负 地 闪 时 LP 区 的 ρ 0LP 绝 对 值 与 P 区 以 及 N 区 的 ρ OP 以 及 ρ 0N 绝 对 值 和 的 比 值, 即 R P = ρ 0LP /( ρ OP + ρ 0N ). 从 表 5 可 以 看 出 : 在 不 同 个 例 下, 存 在 有 负 地 闪 时 LP 区 的 ρ 0 取 值 范 围 是 变 化 的, 但 R P 取 值 却 有 一 定 的 规 律, R P 取 值 基 本 上 介 于 (0.48±0.01)~(0.79±0.06) 范 围 内. 如 上 所 述, 只 有 当 底 部 正 电 荷 区 的 ρ 0LP 取 值 在 一 定 范 围 内 时, 才 会 三 种 闪 电 都 出 现, 且 其 是 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 和 分 布 范 围 共 同 作 用 的 结 果. 为 此 本 文 统 计 了 不 同 底 部 正 电 荷 区 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 下 出 现 负 地 闪 的 情 况, 结 果 如 图 5 所 示. 图 5 中 的 y 1 是 正 极 性 云 闪 和 负 地 闪 的 分 界 点, y 2 是 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 的 分 界 点. 图 5 中 D LP 的 起 始 点 是 3 km, 而 不 是 1 km, 是 因 为 在 D LP <3 km 时 模 拟 结 果 为 云 闪. 从 图 5 可 以 看 出 : 负 地 闪 被 局 限 在 一 定 的 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 之 内, 其 边 界 具 有 很 好 的 线 性 关 系, 图 中 给 出 了 y 1 和 y 2 的 拟 合 关 系. 因 而 只 有 当 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 ρ 0LP 和 D LP 满 足 以 下 关 系 式 D LP ρ 0LP D LP 时, 才 会 模 拟 出 负 地 闪. 3 结 果 分 析 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 或 分 布 范 围 的 变 化 会 对 闪 电 类 型 产 生 影 响 是 由 于 闪 电 的 启 动 点 发 生 了 变 化, 随 着 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 或 分 布 范 围 的 增 大, 闪 电 触 发 初 始 位 置 出 现 在 雷 暴 云 下 部 的 正 负 电 荷 堆 之 间, 闪 电 启 动 点 的 变 化 导 致 了 不 同 闪 电 类 型 的 发 生. 但 为 什 么 又 会 有 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 的 差 异? 为 了 研 究 这 个 问 题 本 文 分 析 了 它 们 个 例 表 4 不 同 个 例 的 电 荷 区 的 参 数 取 值 S 区 P 区 N 区 D S (km) ρ 0S (nc m 3 ) D P (km) ρ OP (nc m 3 ) D N (km) ρ 0N (nc m 3 ) 表 5 不 同 个 例 下 R P 的 取 值 范 围 个 例 能 产 生 负 地 闪 时 ρ 0LP 的 取 值 范 围 (nc m 3 ) R P 的 取 值 范 围 1 2.6~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

8 谭 涌 波 等 : 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟 图 5 闪 电 类 别 与 LP 区 的 ρ 0LP 和 D LP 之 间 的 相 互 关 系 D LP 是 LP 区 的 长 轴 长 ( 直 径 ), ρ 0LP 是 LP 区 的 最 大 电 荷 密 度 取 值, y 1 是 正 极 性 云 闪 和 负 地 闪 的 分 界 点, y 2 是 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 的 分 界 点 的 电 位 分 布. 图 6 显 示 的 是 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 在 放 电 前 的 电 位 分 布 以 及 闪 电 通 道 结 构, 其 中 图 6(a) 和 (b) 对 应 图 2(c) 和 (d) 中 的 情 况, 图 6(c) 和 (d) 对 应 图 3(b) 和 (d) 中 的 情 况. 从 图 6 可 以 看 出 : 发 生 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 的 参 考 电 位 ( 谭 涌 波 等, 2006; Tao 等, 2009) 有 着 明 显 的 差 别, 负 地 闪 的 启 动 点 电 位 为 负, 大 概 在 40 MV, 而 反 极 性 云 闪 的 启 动 点 电 位 接 近 0 MV. 造 成 这 样 的 结 果 是 因 为 正 负 先 导 在 传 播 的 过 程 中, 先 导 中 的 电 流 是 由 负 先 导 流 向 正 先 导, 这 使 得 负 先 导 在 传 播 过 程 中 负 先 导 尖 端 电 位 不 断 升 高, 而 地 电 位 又 始 终 是 0 V, 因 此 只 有 当 初 始 参 考 电 位 小 于 0 V 时, 随 着 通 道 的 延 伸, 当 发 展 到 地 面 附 近 时, 通 道 内 部 电 位 还 可 能 低 于 0 V, 从 而 和 地 面 连 接 形 成 地 闪 ; 如 果 当 初 始 参 考 电 位 接 近 0 V 时, 则 随 着 负 先 导 的 延 伸, 通 道 内 部 电 位 不 断 升 高, 从 而 使 得 通 道 无 法 发 展 到 地 面, 从 而 中 止 于 空 中 形 成 云 闪. 而 随 着 底 部 正 电 荷 区 的 增 强 ( 包 括 电 荷 密 度 增 加 或 者 电 荷 区 范 围 扩 大 ), 底 部 正 位 势 阱 (Coleman 等, 2003) 从 无 到 有, 不 断 变 大 增 强. 0 V 等 位 势 线 进 一 步 向 主 负 电 荷 区 压 缩, 闪 电 的 启 动 位 置 始 终 位 于 正 负 电 荷 交 界 处 ( 此 处 的 电 场 强 度 为 极 大 值 (Tan 等, 2006)), 从 而 使 得 闪 电 的 初 始 参 图 6 闪 电 通 道 和 电 位 分 布 图 (a) 图 2(c) 的 闪 电 通 道 结 构 和 放 电 前 的 电 位 分 布 ; (b) 图 2(d) 的 闪 电 通 道 结 构 和 放 电 前 的 电 位 分 布 ; (c) 图 3(b) 的 闪 电 通 道 结 构 和 放 电 前 的 电 位 分 布 ; (d) 图 3(d) 的 闪 电 通 道 结 构 和 放 电 前 的 电 位 分 布. 图 中 实 线 和 虚 线 分 别 代 表 正 负 电 位 等 值 线, 电 位 等 值 线 的 间 隔 为 ±40 MV 2750

9 中 国 科 学 : 地 球 科 学 2014 年 第 44 卷 第 12 期 考 电 位 逐 渐 从 远 小 于 0 V, 逐 渐 增 大 至 接 近 0 V, 模 拟 得 到 的 闪 电 也 逐 渐 从 负 地 闪 向 反 极 性 云 闪 转 化. 相 对 于 电 荷 区 分 布 范 围 而 言, 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 对 闪 电 类 型 变 化 的 影 响 更 显 著, 这 是 由 于 雷 暴 云 中 的 场 强 和 电 位 分 布 主 要 受 雷 暴 云 中 的 电 荷 密 度 大 小 的 影 响, 但 是 在 电 荷 密 度 分 布 一 样 的 情 况 下, 底 部 正 电 荷 区 的 不 同 分 布 范 围 依 然 会 影 响 云 中 的 场 强 和 电 位 分 布, 从 而 影 响 到 闪 电 初 始 位 置 的 变 化, 进 而 影 响 到 闪 电 类 型 的 变 化, 但 这 种 影 响 是 在 电 荷 区 的 电 荷 密 度 取 值 大 到 一 定 值 时 才 显 著 的. 4 讨 论 与 结 论 闪 电 类 型 的 成 因 一 直 是 学 术 界 关 注 的 重 要 问 题 之 一, 现 有 的 研 究 主 要 是 通 过 空 中 电 荷 分 布 就 闪 电 的 类 型 以 及 传 播 特 征 给 出 定 性 结 论. 针 对 这 种 现 状, 本 文 在 经 典 的 雷 暴 云 三 极 电 荷 结 构 的 假 定 下 结 合 已 有 的 随 机 放 电 参 数 化 方 案, 进 行 了 二 维 高 分 辨 率 闪 电 数 值 模 拟 实 验, 定 量 探 讨 了 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 闪 电 类 型 的 影 响, 主 要 得 到 以 下 几 个 结 论. (1) 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 负 地 闪 和 反 极 性 云 闪 的 产 生 起 了 关 键 作 用, 随 着 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 或 分 布 范 围 的 增 大, 闪 电 类 型 依 次 从 正 极 性 云 闪 向 负 地 闪 再 向 反 极 性 云 闪 变 化, 这 种 变 化 是 由 于 闪 电 启 动 点 和 云 中 电 位 分 布 的 变 化 造 成 的. (2) 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 对 闪 电 类 型 的 影 响 是 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 共 同 作 用 的 结 果, 但 相 对 于 电 荷 区 分 布 范 围 而 言, 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 对 闪 电 类 型 的 影 响 起 了 主 导 作 用. 只 有 当 R P 取 值 介 于 (0.48±0.01)~(0.79±0.06) 内 时, 才 会 出 现 有 负 地 闪, 并 且 其 发 生 概 率 相 对 固 定, 这 个 概 率 大 概 在 27%~36%. (3) 负 地 闪 发 生 在 一 定 的 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 和 分 布 范 围 之 内, 只 有 当 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 水 平 分 布 范 围 D LP 和 最 大 电 荷 密 度 ρ 0LP 满 足 一 定 的 关 系 时, 如 D LP ρ 0LP D LP, 才 会 模 拟 出 负 地 闪. (4) 底 部 正 电 荷 区 的 电 荷 密 度 大 小 以 及 分 布 范 围 的 共 同 效 果 是 改 变 底 部 正 位 势 阱 的 分 布, 当 闪 电 启 动 参 考 电 位 接 近 0 MV 时 生 成 反 极 性 云 闪, 而 当 其 远 小 于 0 MV 时 则 更 容 易 形 成 负 地 闪. 随 着 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 的 增 强, 闪 电 的 初 始 参 考 电 位 从 远 小 于 0 V 逐 渐 增 大 至 接 近 0 V, 闪 电 类 型 也 逐 渐 从 负 地 闪 向 反 极 性 云 闪 变 化. 本 文 在 经 典 的 三 极 性 电 荷 结 构 的 假 定 下, 结 合 已 有 的 放 电 参 数 化 方 案, 定 量 的 探 讨 了 底 部 正 电 荷 对 闪 电 类 型 的 影 响, 考 虑 到 实 际 雷 暴 云 特 别 是 一 些 超 级 单 体 中, 电 荷 结 构 分 布 往 往 十 分 复 杂, 本 文 所 得 的 一 些 结 论 ( 如 图 5 中 三 种 闪 电 类 型 产 生 的 线 性 边 界 ) 可 能 在 一 些 孤 立 雷 暴 特 别 是 一 些 对 流 不 太 强 烈 的 山 地 雷 暴 中 ( 诸 如 我 国 典 型 的 青 藏 高 原 雷 暴 ) 比 较 适 用. 另 外, 实 际 雷 暴 云 内 的 电 场 探 空 表 明 ( 赵 中 阔 等, 2009), 对 于 下 部 具 有 大 范 围 正 电 荷 区 的 雷 暴 而 言, 在 其 底 部 存 在 明 显 的 屏 蔽 电 荷 层. 而 本 文 只 选 取 了 屏 蔽 层 位 于 雷 暴 云 顶 部 的 电 荷 分 布 进 行 模 拟 研 究, 并 没 有 考 虑 当 下 部 具 有 大 范 围 正 电 荷 区 时 将 屏 蔽 层 置 于 底 部. 考 虑 在 做 敏 感 试 验 时, 需 将 其 他 电 荷 区 的 参 数 设 置 为 常 数, 只 改 变 其 中 一 个 参 量, 因 此 这 种 底 部 屏 蔽 层 对 闪 电 传 播 地 闪 击 地 位 置 以 及 闪 电 类 型 的 影 响 到 底 有 多 大? 还 需 更 进 一 步 的 研 究. 在 现 有 的 基 础 上, 如 何 建 立 与 实 际 雷 暴 云 相 似 的 复 杂 电 荷 结 构, 使 模 拟 结 果 更 接 近 真 实 情 况, 是 今 后 工 作 的 重 点. 除 此 之 外, 本 文 所 选 用 的 三 极 电 荷 结 构 由 于 离 地 面 最 近 的 是 正 电 荷 区, 在 这 样 的 电 荷 分 布 下, 更 有 利 于 负 地 闪 的 生 成, 而 关 于 正 地 闪 生 成 的 有 利 电 荷 分 布 也 将 是 我 们 后 继 工 作 的 重 点 之 一. 参 考 文 献 董 万 胜, 刘 欣 生, 张 义 军, 等 利 用 闪 电 宽 带 干 涉 仪 系 统 对 地 闪 先 导 - 回 击 过 程 的 观 测 研 究. 中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学, 32: 郭 凤 霞, 张 义 军, 郄 秀 书, 等 雷 暴 云 不 同 空 间 电 荷 结 构 数 值 模 拟 研 究. 高 原 气 象, 22: 谭 涌 波, 陶 善 昌, 祝 宝 友, 等 雷 暴 云 内 闪 电 双 层 分 支 结 构 的 数 值 模 拟. 中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学, 36: 谭 涌 波, 陶 善 昌, 祝 宝 友, 等 云 闪 放 电 对 云 内 电 荷 和 电 位 分 布 影 响 的 数 值 模 拟. 地 球 物 理 学 报, 50: 王 才 伟, 陈 茜, 刘 欣 生, 等 雷 雨 云 下 部 正 电 荷 中 心 产 生 的 电 场. 高 原 气 象, 6: 张 义 军, Krehbiel P R, 刘 欣 生 雷 暴 中 的 反 极 性 放 电 和 电 荷 结 构. 科 学 通 报, 47: 张 义 军, 孟 青, 吕 伟 涛, 等 两 次 超 级 单 体 雷 暴 的 电 荷 结 构 及 其 地 闪 特 征. 科 学 通 报, 50:

10 谭 涌 波 等 : 雷 暴 云 底 部 正 电 荷 区 对 闪 电 类 型 影 响 的 数 值 模 拟 赵 中 阔, 郄 秀 书, 张 廷 龙, 等 一 次 单 体 雷 暴 云 的 穿 云 电 场 探 测 及 云 内 电 荷 结 构. 科 学 通 报, 54: Akita M, Yoshida S, Nakamura Y, et al Effects of charge distribution in thunderstorm on lightning propagation paths in Darwin, Australia. J Atmos Sci, 68: Bell T F, Pasko V P, Inan U S Runaway electrons as a source of red sprites in the mesosphere. Geophys Res Lett, 22: Brown K A, Krehbiel P R, Moore C B, et al Electrical screening layers around charged clouds. J Geophys Res, 76: Bruning E C, Rust W D, Schuur T J, et al Electrical and polarimetric radar observations of a muticell storm in TELEX. Mon Weather Rev, 135: Clarence N D, Malan D J Preliminary discharge processes in lightning flashes to ground. Q J R Meteorol Soc, 83: Coleman L M, Marshall T C, Stolzenburg M Effects of charge and electrostatic potential on lightning propagation. J Geophys Res, 108: 4298 Cui H H, Qie X S, Zhang Q L, et al Intracloud discharge and the correlated basic charge structure of a thunderstorm Zhongchuan, a Chinese Inland Plateau region. Atmos Res, 91: Kasemir H W A contribution to the electrostatic theory of a lightning discharges. J Geophys Res, 65: Klett J D Charge screening layers around electrified clounds. J Geophys Res, 77: Krehbiel P R, Riousset J A, Pasko V P, et al Upward electrical discharges from thunderstorm. Nat Geosci, 1: Liu X S, Ye Z X, Shao X M Intracloud lightning discharges in the lower part of thunderstorm. Acta Meteorol Sin, 3: Mansell E R, Macgorman D R, Ziegler C L, et al Simulated three-dimensional branched lightning in a numerical thunderstorm model. J Geophys Res, 107: ACL Mansell E R, Macgorman D R, Ziegler C L, et al Charge structure and lightning sensitivity in a simulated multicell thunderstorm. J Geophys Res, 110: D12101, doi: /2004JD Marshall T C, Rust W D, Winn W P, et al Electrical structure in two thunderstorm anvil clouds. J Geophys Res, 94: Marshall T C, Stolzenburg M Estimates of cloud charge densities in thunderstorms. J Geophys Res, 103: Mazur V, Ruhnke L H Model of electric charges in thunderstorms and associated lightning. J Geophys Res, 103: Nag A, Rakov V A Some inferences on the role of lower positive charge region in facilitating different types of lightning. Geophys Res Lett, 36: L05815, doi: /2008GL Pawar S D, Kamra A K Evolution of lightning and the possible initiation/triggering of lightning discharges by the lower positive charge center in an isolated thundercloud in the tropics. J Geophys Res, 109: D02205, doi: /2003JD Qie X S, Yu Y, Liu X S, et al K-type breakdown process of intracloud discharge in Chinese inland plateau. Prog Nat Sci, 10: Qie X S, Zhang T L, Chen C P, et al The lower positive charge center and its effect on lightning discharges on the Tibetan Plateau. Geophys Res Lett, 32: L05814, doi: /2004GL Qie X S, Zhang T L, Zhang G S, et al Electrical characteristics of thunderstorms in different plateau regions of China. Atmos Res, 91: Shao X M, Krehbiel P R The spatial and temporal development of intracloud lightning. J Geophys Res, 101: Stolzenburg M, Rust W D, Marshall T C Electrical structure in thunderstorm convective regions: 2, isolated storms. J Geophys Res, 103: Stolzenburg M, Rust W D, Marshall T C Electrical structure in thunderstorm convective regions: 3, synthesis. J Geophys Res, 103: Tan Y B, Tao S C, Zhu B Y Fine-resolution simulation of the channel structures and propagation features of intracloud lightning. Geophys Res Lett, 33: L09809, doi: /2005GL Tao S C, Tan Y B, Zhu B Y, et al Fine-resolution simulation of cloud-to-ground lightning and thundercloud charge transfer. Atmos Res, 91: Tessendorf S A, Rutledge S A Radar and lightning observations of Normal and Inverted polarity Multicellular storms from STEPS. Mon Weather Rev, 135: Vonnegut B, Moore C B, Espinola R P, et al Electric potential gradients above thunderstorms. J Atmos Sci, 23: Williams The tripole structure of thunderstorms. J Geophys Res, 94: Zhang Y J, Dong W S, Zhao Y, et al Study of charge structure and radiation characteristic of intracloud discharge in thunderstorms of Qinghai-Tibet Plateau. Sci China Ser D-Earth Sci, 47(Suppl): Zheng D, Zhang Y J, Meng Q, et al Lightning activity and electrical structure in a thunderstorm that continued for more than 24 h. Atmos Res, 97: