Microsoft Word 已统稿-y - PDF Free Download

中国科学 : 地球科学 2014 年第 44 卷第 12 期 : 2743 ~ 2752 www.scichina.com 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 210044; 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 210044 * E-mail: ybtan@ustc.edu 收稿日期 : 2013-12-08; 接受日期 : 2014-06-13; 网络版发表日期 : 2014-11-14 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 : 41175003, 41075003) 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. 2014. 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: 2743 2752 英文引用格式 : Tan Y B, Liang Z W, Shi Z, et al. 2014. Numerical simulation of the effect of lower positive charge region in thunderstorms on different types of lightning. Science China: Earth Sciences, 57: 2125 2134, doi: 10.1007/s11430-014-4867-7

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 2 2 0 0 2 2 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

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 1.0 38 12 4 1 P 区 2.2 38 9.5 4 1.5 N 区 3.3 38 6.5 3 1.5 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

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

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

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

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 4.9 0.4D LP ρ 0LP 6.0 0.5D 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 ) 1 8 1.0 8 2.2 6 3.3 2 6 1.0 6 2.7 4 3.9 3 14 0.8 14 1.8 12 2.3 4 7 1.2 7 2.4 7 2.8 5 9 1.5 9 2.0 8 2.6 6 10 1.0 10 1.9 7 2.7 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 2.6~4.5 0.47~0.82 2 3.2~5.6 0.48~0.85 3 2.0~3.0 0.49~0.73 4 2.5~3.8 0.48~0.73 5 2.2~3.5 0.48~0.76 6 2.2~3.7 0.48~0.80 2749

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

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 4.9 0.4D LP ρ 0LP 6.0 0.5D 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. 2002. 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: 81 88 郭凤霞, 张义军, 郄秀书, 等. 2003. 雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究. 高原气象, 22: 268 274 谭涌波, 陶善昌, 祝宝友, 等. 2006. 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: 486 496 谭涌波, 陶善昌, 祝宝友, 等. 2007. 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: 1053 1065 王才伟, 陈茜, 刘欣生, 等. 1987. 雷雨云下部正电荷中心产生的电场. 高原气象, 6: 65 74 张义军, Krehbiel P R, 刘欣生. 2002. 雷暴中的反极性放电和电荷结构. 科学通报, 47: 1192 1195 张义军, 孟青, 吕伟涛, 等. 2005. 两次超级单体雷暴的电荷结构及其地闪特征. 科学通报, 50: 2663 2675 2751

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. 2009. 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: 3532 3536 Akita M, Yoshida S, Nakamura Y, et al. 2011. Effects of charge distribution in thunderstorm on lightning propagation paths in Darwin, Australia. J Atmos Sci, 68: 719 726 Bell T F, Pasko V P, Inan U S. 1995. Runaway electrons as a source of red sprites in the mesosphere. Geophys Res Lett, 22: 2127 2130 Brown K A, Krehbiel P R, Moore C B, et al. 1971. Electrical screening layers around charged clouds. J Geophys Res, 76: 2825 2835 Bruning E C, Rust W D, Schuur T J, et al. 2007. Electrical and polarimetric radar observations of a muticell storm in TELEX. Mon Weather Rev, 135: 2525 2544 Clarence N D, Malan D J. 1957. Preliminary discharge processes in lightning flashes to ground. Q J R Meteorol Soc, 83: 161 172 Coleman L M, Marshall T C, Stolzenburg M. 2003. 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. 2009. Intracloud discharge and the correlated basic charge structure of a thunderstorm Zhongchuan, a Chinese Inland Plateau region. Atmos Res, 91: 425 429 Kasemir H W. 1960. A contribution to the electrostatic theory of a lightning discharges. J Geophys Res, 65: 1873 1878 Klett J D. 1972. Charge screening layers around electrified clounds. J Geophys Res, 77: 3187 3195 Krehbiel P R, Riousset J A, Pasko V P, et al. 2008. Upward electrical discharges from thunderstorm. Nat Geosci, 1: 233 237 Liu X S, Ye Z X, Shao X M. 1989. Intracloud lightning discharges in the lower part of thunderstorm. Acta Meteorol Sin, 3: 212 219 Mansell E R, Macgorman D R, Ziegler C L, et al. 2002. Simulated three-dimensional branched lightning in a numerical thunderstorm model. J Geophys Res, 107: ACL2 1 12 Mansell E R, Macgorman D R, Ziegler C L, et al. 2005. Charge structure and lightning sensitivity in a simulated multicell thunderstorm. J Geophys Res, 110: D12101, doi: 10.1029/2004JD005287 Marshall T C, Rust W D, Winn W P, et al. 1989. Electrical structure in two thunderstorm anvil clouds. J Geophys Res, 94: 2171 2181 Marshall T C, Stolzenburg M. 1998. Estimates of cloud charge densities in thunderstorms. J Geophys Res, 103: 19769 19775 Mazur V, Ruhnke L H. 1998. Model of electric charges in thunderstorms and associated lightning. J Geophys Res, 103: 23299 23308 Nag A, Rakov V A. 2009. Some inferences on the role of lower positive charge region in facilitating different types of lightning. Geophys Res Lett, 36: L05815, doi: 10.1029/2008GL036783 Pawar S D, Kamra A K. 2004. 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: 10.1029/2003JD003735 Qie X S, Yu Y, Liu X S, et al. 2000. K-type breakdown process of intracloud discharge in Chinese inland plateau. Prog Nat Sci, 10: 607 611 Qie X S, Zhang T L, Chen C P, et al. 2005. The lower positive charge center and its effect on lightning discharges on the Tibetan Plateau. Geophys Res Lett, 32: L05814, doi: 10.1029/2004GL022162 Qie X S, Zhang T L, Zhang G S, et al. 2009. Electrical characteristics of thunderstorms in different plateau regions of China. Atmos Res, 91: 244 249 Shao X M, Krehbiel P R. 1996. The spatial and temporal development of intracloud lightning. J Geophys Res, 101: 26641 26668 Stolzenburg M, Rust W D, Marshall T C. 1998. Electrical structure in thunderstorm convective regions: 2, isolated storms. J Geophys Res, 103: 14079 14096 Stolzenburg M, Rust W D, Marshall T C. 1998. Electrical structure in thunderstorm convective regions: 3, synthesis. J Geophys Res, 103: 14097 14108 Tan Y B, Tao S C, Zhu B Y. 2006. Fine-resolution simulation of the channel structures and propagation features of intracloud lightning. Geophys Res Lett, 33: L09809, doi: 10.1029/2005GL025523 Tao S C, Tan Y B, Zhu B Y, et al. 2009. Fine-resolution simulation of cloud-to-ground lightning and thundercloud charge transfer. Atmos Res, 91: 360 370 Tessendorf S A, Rutledge S A. 2007. Radar and lightning observations of Normal and Inverted polarity Multicellular storms from STEPS. Mon Weather Rev, 135: 3682 3706 Vonnegut B, Moore C B, Espinola R P, et al. 1966. Electric potential gradients above thunderstorms. J Atmos Sci, 23: 764 770 Williams. 1989. The tripole structure of thunderstorms. J Geophys Res, 94: 13151 13167 Zhang Y J, Dong W S, Zhao Y, et al. 2004. Study of charge structure and radiation characteristic of intracloud discharge in thunderstorms of Qinghai-Tibet Plateau. Sci China Ser D-Earth Sci, 47(Suppl): 108 114 Zheng D, Zhang Y J, Meng Q, et al. 2010. Lightning activity and electrical structure in a thunderstorm that continued for more than 24 h. Atmos Res, 97: 241 256 2752

Microsoft Word - 072013-66-140022-已统稿-y