不同起電模式對雷暴云放電過程的影響

楊 軍

（甘肅同興智能科技發(fā)展有限責任公司，蘭州730050）

不同起電模式對雷暴云放電過程的影響

楊 軍

（甘肅同興智能科技發(fā)展有限責任公司，蘭州730050）

為探討不同感應(yīng)起電過程在雷暴云起電和放電過程中的作用，基于二維雷暴云起放電數(shù)值模式，設(shè)計四種起電方案分別對霰與云滴以及霰與冰晶間的感應(yīng)起電過程進行數(shù)值模擬并比較。結(jié)果表明：冰相粒子間碰撞的感應(yīng)電荷分離會使得起電更強;霰和冰晶之間的感應(yīng)起電過程能夠增強主負電荷區(qū)和上部正電荷區(qū)，并且保持偶極電荷結(jié)構(gòu)不變;霰與冰晶間的感應(yīng)過程會產(chǎn)生更多的閃電。

感應(yīng)起電；非感應(yīng)起電；電荷結(jié)構(gòu)；數(shù)值模式

0 引言

雷暴云的電活動伴隨著一系列微物理過程的變化，它的電場形成及發(fā)展都十分劇烈。強烈的雷電可以造成嚴重的人員傷亡，損壞通訊設(shè)備和供電設(shè)備等電子、電氣類設(shè)備，對敏感的電子、電氣技術(shù)設(shè)備的安全構(gòu)成很大威脅?；跀?shù)值模式進行分析，提高短時預(yù)報水平是雷電研究的一個重要方向，這將為雷電監(jiān)測預(yù)警及閃電資料在強對流天氣的監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮更重要的作用提供理論依據(jù)[1]。

針對雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)究竟是怎樣產(chǎn)生的，不少科學(xué)家通過理論研究和實驗室實驗提出了很多種起電機制，1954年，Sartor[2]首先提出了感應(yīng)起電機制，他指出云滴粒子由于電場的作用會被極化，當水成物粒子下落而與云滴發(fā)生碰撞時，水成物粒子底部所帶的電荷會發(fā)生轉(zhuǎn)移。1972年，Aufder?maur等[3]人發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)起電機制能夠產(chǎn)生強大的電場，并與實際觀測到的最大場強相符，但初始的電場強度必須高于10 kV/m，但晴天大氣電場強度遠小于它。Reynolds等[4]首次在云室內(nèi)做了非感應(yīng)起電的實驗，該實驗是關(guān)于冰相粒子之間的，其實驗表明在環(huán)境溫度為-25℃左右的條件下，冰晶與霰發(fā)生碰撞并反彈后，冰晶帶正電而霰帶負電。然而，針對感應(yīng)起電的實驗室研究，幾項研究表明感應(yīng)起電僅僅在冰相粒子和云滴經(jīng)過碰撞反彈才發(fā)生[5-6]。因為針對電荷轉(zhuǎn)移形成電流而言，冰相粒子和冰相粒子交互接觸時間太短，且低電導(dǎo)率的冰相粒子可以使得極化電荷轉(zhuǎn)移無效[7]。因此，應(yīng)該開展更詳細的感應(yīng)起電過程實驗室研究。

雷暴云中存在著各類起電機制，不同的起電機制可能對雷暴云的起電和放電有著不同程度的影響。為了更好地理解雷暴云起、放電過程，有必要對雷暴云起電機制進行深入的研究。目前主要有兩種雷暴云起電機制：感應(yīng)起電機制和非感應(yīng)起電機制，其中根據(jù)試驗和模式研究已經(jīng)很好的檢驗了非感應(yīng)電荷分離機制[8-13]。但相對于近年來對非感應(yīng)起電的研究而言，感應(yīng)起電在雷暴云起電和放電存在著高度不確定性。因此，深入研究感應(yīng)起電機制對雷暴云起電及放電的影響具有重要的科學(xué)價值和實際應(yīng)用意義。

1 模式描述

1.1 模式的選取

研究中所使用的模式是1987年胡志晉等[14]發(fā)展起來的二維雷暴云起電和放電數(shù)值模式，它是一種中尺度積云模式。該模式假定大氣為無粘性可壓縮流體，并忽略地轉(zhuǎn)偏向力，采用非靜力平衡條件以及笛卡爾坐標系，該坐標系統(tǒng)能詳細的表示出云微物理過程。根據(jù)云中水粒子的物理特性，以及考慮到它們增長和下落速度的差異，水成物主要考慮五類：云滴、冰晶、雨滴、霰以及冰雹，并且這些粒子具有數(shù)濃度、混合比雙參數(shù)譜。其中水成物對周圍空氣的拖拽力依賴于其自身的重量，云滴完全隨氣流而運動，其它水成物粒子都具有相對空氣的沉降運動，在整個模式中，主要考慮宏觀動力條件對電活動的影響，不考慮雷暴內(nèi)的電活動對雷暴發(fā)展的反饋影響。

1.2 起電參數(shù)化方案

在非感應(yīng)起電方面，該模式采用霰與冰晶間的非感應(yīng)碰撞起電。霰與冰晶的非感應(yīng)電荷分離率為[15]：

其中，Di和Dg分別表示冰晶和霰的直徑，和分別表示冰晶和霰的下落時的平均末速度，Ni代表冰晶的數(shù)濃度。Egi為霰和冰晶之間的碰撞系數(shù)。δq表示單次碰撞后電荷的轉(zhuǎn)移量，它的大小與相對碰撞速率以及冰晶、霰的直徑大小有關(guān)。此外，采用Mansell給出的β系數(shù)：

感應(yīng)起電方面，在該模式中，通過誘導(dǎo)霰與云滴或霰與冰晶碰撞而感應(yīng)起電?；赯iegler等人的碰撞感應(yīng)起電參數(shù)化，可以給出霰與云滴以及霰與冰晶間的感應(yīng)起電參數(shù)化方程：

式中：Qeg為霰所攜帶的電荷量；Dc/i和Dg分別是云滴或冰晶和霰的特征直徑；Vg是霰的下落速度；Nc/i和Ng分別是云滴或冰晶和霰的數(shù)濃度。N0g是霰的截距數(shù)濃度，Γ是伽馬函數(shù)，Ez代表垂直方向上的電場。Egc/i和Erc/i分別表示霰與云滴或冰晶碰撞系數(shù)和反彈系數(shù)。θ代表反彈角度。本研究中的霰與云滴間的感應(yīng)起電系數(shù)取Erc=0.01，cosθ=0.4，這在Erc為0.007到0.015的范圍以及cosθ為0.2到0.5的范圍內(nèi)有意義。此外，霰與冰晶的感應(yīng)起電系數(shù)取Eri=0.7，cosθ=0.2。

1.3 放電參數(shù)化方案

用分辨率為250m和時間步長為2s來計算76km×20 km區(qū)域內(nèi)的微物理起電過程。然后，使用由粗糙到精細的分辨率的轉(zhuǎn)換方案來模擬高分辨率（25 m）放電過程的電荷分布。由于空間勢場和強度由空間電荷分布和邊界條件唯一決定。則可以先設(shè)置網(wǎng)格尺寸較大區(qū)域的電荷密度，然后設(shè)置網(wǎng)格尺寸較小區(qū)域。當放電終止，平均電荷密度將越過所有高分辨率網(wǎng)格重新映射回粗網(wǎng)格。

2 模型初始化和實驗方法

為了啟動云模式，本模式在開始時給出了一個垂直方向上半徑為1 km，水平方向上半徑為5 km的濕熱泡擾動。當t=0時的模式區(qū)域中心1 km高度處，采用一個溫度擾動（4.5 K）和相對擾動濕度（80%），從中心向外按照余弦函數(shù)遞減的濕熱泡擾動。通過迭加三個對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來與氣溶膠分布相適應(yīng)。氣溶膠濃度隨高度的增加而減小，并且保持在水平方向上是相同的。氣溶膠濃度方程可以表示如下[15]：

其中，N代表地面處的氣溶膠濃度，也就是氣溶膠的初始濃度，Na(z)代表不同高度處的氣溶膠濃度。本文中，氣溶膠的初始濃度為100 cm-3，zs代表氣溶膠的標高，它的值與地理位置、大氣條件以及季節(jié)的變化有關(guān)。

本研究主要通過使用四種方案來模擬不同的感應(yīng)起電過程，具體方案如下：

方案1：只包含非感應(yīng)過程。

方案2：包含非感應(yīng)過程，霰與云滴間的感應(yīng)過程。

方案3：包含非感應(yīng)過程，霰與冰晶間的感應(yīng)過程。

方案4：包含非感應(yīng)過程，霰與云滴間的感應(yīng)過程，霰與冰晶間的感應(yīng)過程。

3 模式結(jié)果與分析

早期電發(fā)展階段的重點是感應(yīng)過程與電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)，4種方案表現(xiàn)為雷暴云中閃電發(fā)生前的電荷結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1（a）可以看出在32 min時的風暴描述了由6-7.5 km的負電荷區(qū)和7.5-8.5 km以上的正電荷區(qū)組成的一般偶極電荷結(jié)構(gòu)。

方案2中在32 min時風暴的電荷結(jié)構(gòu)如圖1b所示，這時雷暴呈現(xiàn)出包含位于3-4 km高度處的相對較弱的正電荷區(qū)的一個典型三極性電荷結(jié)構(gòu)，這個較弱的正電荷區(qū)也可以叫做底部正電荷區(qū)。與方案1相比，方案2中霰與云滴的感應(yīng)過程主要貢獻給了底部正電荷。

從圖1（c）可以看出，方案3中，雷暴云也表現(xiàn)為一個偶極電荷結(jié)構(gòu)。此外，方案3的電荷密度比方案1的電荷密度要大。底部負電荷區(qū)的垂直距離大約達到6 km，很明顯比方案1大。因此，得出這樣的結(jié)論：冰相粒子間碰撞的感應(yīng)電荷分離會使得起電更強。方案3中非感應(yīng)電荷分離和霰與冰晶間的感應(yīng)電荷分離僅增強了主負電荷區(qū)和正電荷區(qū)，電荷結(jié)構(gòu)保持不變，依然為偶極電荷結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖1（d），可發(fā)現(xiàn)方案4的電荷密度為正常的三倍，這主要歸功于霰與冰晶間的感應(yīng)起電。同時，方案4的電荷密度比方案2大，這是兩種感應(yīng)起電過程的綜合效應(yīng)。

圖1 4種方案早期起電過程的電荷分布（32min）Fig.1 Charge distribution of early electrification process in four schemes(32 min)

圖1中的細水平線—等溫線分別表示0℃，-15℃，-40℃，粗的黑色線表示雷暴云的輪廓特征。通過對比，發(fā)現(xiàn)方案3和方案4比方案1和方案2發(fā)生的閃電多，這可能歸于霰與冰晶間的感應(yīng)起電。

四個方案的閃電活動所對應(yīng)的電荷結(jié)構(gòu)如圖2所示。方案1模擬中總共發(fā)生了14次閃電，包括發(fā)生的2次正地閃。所有閃電始發(fā)于6-8 km處，也即上部正電荷區(qū)和較低的負電荷區(qū)域之間。大約在60 min，由于偶極電荷結(jié)構(gòu)更接近地面，負流光通過上部正電荷區(qū)向上發(fā)展和正流光通過負電荷區(qū)向下發(fā)展到地面，因此正地閃容易產(chǎn)生。我們可以從圖2（a）和圖2（c）中看出，方案1和方案3這兩種方案雷暴云發(fā)展的電荷分布類似，它們可以用標準的偶極電荷結(jié)構(gòu)來描述。在此前提下，方案3的模擬中共產(chǎn)生了28次閃電，卻沒有產(chǎn)生負地閃。但是，方案3中，較低的負電荷區(qū)向下發(fā)展了2 km，這有利于正先導(dǎo)向下發(fā)展到地面。因此，方案3中產(chǎn)生的正地閃次數(shù)比方案1多。見表1。

表1 模擬發(fā)生的閃電總數(shù)Table 1 The total number of lightning occurrences

方案2和方案4的模擬結(jié)果與方案1和方案3的結(jié)果類似。如圖2（b）和圖2（d）所示，方案2中共發(fā)生17次閃電，其中包括10次云閃，2次負地閃和5次正地閃。但方案4中共發(fā)生了30次閃電，其中包括13次云閃，7次負地閃和10次正地閃。在方案2和方案3的模擬中，這些風暴在32-45min時段內(nèi)呈現(xiàn)出三極電荷結(jié)構(gòu)，當?shù)撞空姾蓞^(qū)有足夠大的電荷密度產(chǎn)生強電場時，則將產(chǎn)生負地閃，如圖2b和圖2d所示，且負地閃產(chǎn)生的初始高度在4-6 km之間。負地閃始發(fā)于主負電荷區(qū)和底部正電荷區(qū)之間，這與之前的觀測一致。但是，相比方案2，方案4表現(xiàn)出更強的凈正電荷區(qū)，導(dǎo)致了更多負地閃被觸發(fā)。此外，在兩個方案模擬的45min后，電荷結(jié)構(gòu)又變成了偶極電荷結(jié)構(gòu)。因此，這段時間內(nèi)只能產(chǎn)生正地閃和云閃。

圖2 四個方案發(fā)生閃電活動時的電荷結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure of lightning activity in four schemes

4 結(jié)論

基于二維雷暴云起放電模式對霰與云滴以及霰與冰晶間的感應(yīng)起電過程對雷暴云電過程的影響進行了探討，分析結(jié)果總結(jié)如下：

1）霰與冰晶間的感應(yīng)起電過程可以增強主負電荷區(qū)和上部正電荷區(qū)，但并不改變電荷結(jié)構(gòu)類型（偶極電荷結(jié)構(gòu)）。因此會在偶極電荷結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了更多的云閃和正地閃。

2）雷暴云發(fā)展階段的三極性電荷結(jié)構(gòu)通過霰與云滴間的感應(yīng)起電過程而產(chǎn)生。方案2和方案4中霰與云滴間的感應(yīng)起電過程均產(chǎn)生了較少的正電荷，因此會在主負電荷區(qū)和底部正電荷區(qū)始發(fā)負地閃。此外，相比其它方案，基于霰與云滴以及霰與冰晶間的兩種感應(yīng)起電過程的方案4可產(chǎn)生更多的閃電。

[1]張義軍，周秀驥.雷電研究的回顧和進展[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2006，6（17）：829-834.ZHANG Yijun，ZHOU Xiuji.Review and Progress of Lightning Research[J].Journal of Applied Meteorological Science，2006，6（17）：829-834.

[2]SARTOR，D.A laboratory investigation of eollision effiei?encie，eoalescence and eleetrieal charging of simulated cloud droplets.J.Mereor ll，1954，91-103.

[3]譚涌波.閃電放電與雷暴云電荷、電位分布相互關(guān)系的數(shù)值模擬[D].安徽合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.TAN Yongbo.Numerical simulation of the relationship be?tween lightning discharge and electric charge and poten?tial distribution of thunderstorm cloud[D].Anhui，Hefei:University of Scienceamp;Technology China，2006.

[4]REYNOLDS SE，BROOK M，GOURLY M F.Thunder?storm charge separation[J].Journal of the Atmospheric Sci?ences，1957，14（2）:426-436.

[5]FIERRO A O，LESLIE L M，MANSELL E R，et al.Nu?merical Simulations of the Microphysics and Electrifica?tion of the Weakly Electrified 9 February 1993 TOGA COARE Squall Line:Comparisons with Observations[J].Monthly Weather Review，2010，136（1）:364-379.

[6]PINTY J P，BARTHE C.Ensemble Simulation of the Lightning Flash Variability in a 3D Cloud Model with Pa?rameterizations of Cloud Electrification and Lightning Flashes[J].Monthly Weather Review，1978，136（1）:380-387.

[7]MANSELL E R，MACGORMAN D R，ZIEGLER C L，et al.Charge structure and lightning sensitivity in a simulat?ed multicell thunderstorm[J].Journal of Geophysical Re?search Atmospheres，2005，110（D12）:1545-1555.

[8]TAKAHASHI T.Riming Electrification as a Charge Gener?ation Mechanism in Thunderstorms.[J].Journal of the At?mospheric Sciences，1952，35（8）:1536-1548.

[9]SAUNDERS C P R，KEITH W D，MITZEVA R P.The ef?fect of liquid water on thunderstorm charging[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres， 1991， 96（D6）:11007-11017.

[10]JAYARATNE E.R.?，SAUNDERS C P R，HALLETT J..Laboratory studies of the charging of soft-hail during ice crystal interactions[J].Quarterly Journal of the Royal Mete?orological Society，1983，109（461）:609-630.

[11]GARDINER B，LAMB D，PITTER R L，et al.Measure?ments of initial potential gradient and particle charges in a Montana summer thunderstorm[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，1985，90（ND4）:6079-6086.

[12]ZIEGLER C L，MACGORMAN D R，DYE J E，et al.A model evaluation of noninductive graupel-ice charging in the early electrification of a mountain thunderstorm[J].Journal of Geophysical Research，1991，961（D7）:12833-12855.

[13]SAUNDERS C P R，AVILA E E，PECK S L，et al.A labo?ratory study of the effects of rime ice accretion and heating on charge transfer during ice crystal/graupel collisions[J].Atmospheric Research，1999，51（2）:99-117.

[14]胡志晉，何觀芳.積雨云微物理過程的數(shù)值模擬（一）微物理模式[J].氣象學(xué)報，1987，4（45）：467-484.HU Zhijing，HE Guanfang.Numerical Simulation of Mi?crophysical Processes of Cumulonimbus（one）Microphysi?cal Model[J].Acta Meteorologica Sinica，1987，4（45）：467-484.

[15]譚涌波，梁忠武.雷暴云底部正電荷區(qū)對閃電類型影響的數(shù)值模擬[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2014，12（44）：2743-2752.TAN Yongbo，LIANG Zhongwu.Numerical simulation of the influence of the positive charge region at the bottom of thunderstorm cloud on Lightning type[J].Science China，2014，12（44）：2743-2752.

Influence of Different Electrification Modes on the Discharge Process of Thunderstorm

YANG Jun
（Gansu Tongxing Intelligent Technology Development Co.,Ltd.,Lanzhou 730050,China）

In order to study the role of different induction electrification processes during the pro?cess of thunderstorm cloud electrification and discharge,based on two-dimensional thunderstorm cloud discharge numerical model,four electrification schemes are designed to study the relationship between grapple and cloud droplet and the relationship between grapple and ice crystal.The electrical process is simulated and compared.The results show that:1)Induced charge separation from ice-particle collisions will make electrification stronger;2)the electrification process between the grapple and the ice crystal can enhance the main negative charge region and the positive charge region,and maintain the dipole charge structure;3)the induction process between the grapple and the ice crystal will produce more light?ning.

inductive charging；non-inductive charging；charge structure；numerical simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.024

2017-01-14

楊軍（1964—），男，碩士，高級工程師，研究方向：計算數(shù)學(xué)、電力自動化、電力信息通信。