反極性電荷結(jié)構(gòu)觸發(fā)正地閃的數(shù)值模擬

張博航

（華北電力大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，河北保定071003）

反極性電荷結(jié)構(gòu)觸發(fā)正地閃的數(shù)值模擬

張博航

（華北電力大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，河北保定071003）

反極性電荷結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)中，與正地閃有一定的相關(guān)性，被認(rèn)為是正地閃產(chǎn)生的主要原因之一。通過(guò)建立反三極性電荷結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合相關(guān)閃電放電參數(shù)化方案，并改變電荷區(qū)的電荷密度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)上下負(fù)電荷區(qū)的電荷濃度都較小時(shí)，底部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的小范圍增加會(huì)加劇正地閃的發(fā)生，但底部電荷密度增加到一定程度后，正地閃將轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｔ崎W；當(dāng)上部負(fù)電荷密度較大時(shí)，正地閃很難被觸發(fā)。

反極性電荷結(jié)構(gòu)；正地閃；電荷密度；電荷區(qū)

0 引言

閃電活動(dòng)在很大程度上與雷暴云電荷結(jié)構(gòu)相關(guān)，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)特征決定了產(chǎn)生閃電的類(lèi)型、閃電通道結(jié)構(gòu)以及閃電強(qiáng)度等閃電活動(dòng)特征。雷暴云中-25℃～-10℃的區(qū)域一般是負(fù)電荷區(qū)，在負(fù)電荷區(qū)上方通常有一個(gè)較大的正電荷區(qū)，而下方有一個(gè)較小的正電荷區(qū)，這就是典型的三極性電荷結(jié)構(gòu)。然而通過(guò)干涉儀、探空氣球等探測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)并不是簡(jiǎn)單的三極性，但三極性的電荷結(jié)構(gòu)仍然被研究者們所接受，并以此來(lái)模擬云中的放電過(guò)程。

反極性電荷結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最容易大量產(chǎn)生正地閃的情形。鄭棟等[1]在研究雹暴的閃電特征和電荷結(jié)構(gòu)演變時(shí)發(fā)現(xiàn)，正地閃大量發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)為反極性電荷結(jié)構(gòu)。郭鳳霞等[2]模擬了一次正地閃頻發(fā)的超級(jí)單體雷暴過(guò)程，也證實(shí)在強(qiáng)雷暴系統(tǒng)中，強(qiáng)的上升氣流和感應(yīng)起電會(huì)導(dǎo)致云內(nèi)出現(xiàn)反極性電荷結(jié)構(gòu)，從而引起正地閃的頻發(fā)。張義軍等[3]在針對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和模擬中也發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)暴中正地閃的頻發(fā)與反極性電荷結(jié)構(gòu)有很好的相關(guān)性，并認(rèn)為反極性電荷結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)暴正地閃頻發(fā)的重要原因。STEPS試驗(yàn)中的大量觀測(cè)也顯示，當(dāng)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)反極性時(shí)，會(huì)有大量正地閃發(fā)生。

就目前的觀測(cè)結(jié)果顯示，在冬季雷暴的消散階段、中尺度對(duì)流風(fēng)暴的層云區(qū)以及超級(jí)風(fēng)暴[4]中會(huì)有正地閃出現(xiàn)。日本的冬季雷暴雖然強(qiáng)度相對(duì)較弱，但是產(chǎn)生的正地閃數(shù)占總地閃的比例很高，平均約為33%。Qie等[5]在分析中國(guó)內(nèi)陸高原地區(qū)弱雷暴地閃特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，夏季雷暴中正地閃數(shù)量較多，占總地閃的16%。由此可見(jiàn)弱雷暴中的正地閃比例較高。但是一些研究表明，在雹暴[6]、龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)中正地閃的比例也比較高，，甚至可以用正地閃作為強(qiáng)雷暴的指示器[7]。除此之外，經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，正地閃發(fā)生時(shí)常伴有冰雹降水等過(guò)程。Lawrance等[8]研究發(fā)現(xiàn)，正地閃的出現(xiàn)和冰雹等降水粒子的下落時(shí)間有很好的一致性。馮桂力等[9]在分析河南省內(nèi)10次強(qiáng)降雹過(guò)程的地閃特征中發(fā)現(xiàn)總地閃中很高比例的正地閃約為45.5%。對(duì)于正地閃的產(chǎn)生，研究者們提出了很多假設(shè)。Brook等[10]提出正地閃的發(fā)生與傾斜電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)。Williams等[11]提出，正常三極性電荷結(jié)構(gòu)下部正電荷區(qū)的增強(qiáng)有助于正地閃的產(chǎn)生。Carey等[12]認(rèn)為，正地閃的產(chǎn)生與降水退屏蔽有一定關(guān)系。張義軍等[13]認(rèn)為，反極性電荷結(jié)構(gòu)是強(qiáng)風(fēng)暴中正地閃大量產(chǎn)生的主要原因。

筆者將建立反三極性電荷結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，通過(guò)改變電荷區(qū)的電荷密度研究反三極性電荷結(jié)構(gòu)與正地閃之間的關(guān)系。

1 反三極性電荷結(jié)構(gòu)模型介紹

雷暴云正常起電時(shí)，霰粒子和冰晶粒子分別獲得負(fù)電荷和正電荷，冰晶粒子位于上部，霰粒子位于冰晶粒子下部，形成上正下負(fù)的偶極性電荷分布。較高溫度時(shí)，部分霰粒子由于非感應(yīng)起電荷正電處于負(fù)電荷區(qū)下部，形成一個(gè)小的正電荷區(qū)，從而形成典型的三極性電荷分布。MacGorman等[14]指出，反極性電荷結(jié)構(gòu)是由于云內(nèi)霰粒子荷正電并占據(jù)主導(dǎo)地位，原本的主負(fù)電荷區(qū)極性反轉(zhuǎn)，冰晶粒子荷負(fù)電位于雷暴云上部而形成的。一些研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合相態(tài)區(qū)域的溫度、液態(tài)水含量或者結(jié)淞率條件較高時(shí)，霰粒子會(huì)由荷負(fù)電轉(zhuǎn)變?yōu)楹烧?。此外，在?qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)中，云內(nèi)的微物理過(guò)程受劇烈的上升氣流等動(dòng)力條件的影響，導(dǎo)致粒子碰撞起電的物理過(guò)程發(fā)生變化，粒子荷電的極性隨之改變，混合相態(tài)區(qū)內(nèi)的霰粒子荷正電，最終使得電荷結(jié)構(gòu)由正常極性變?yōu)榉礃O性。

在經(jīng)典三極性電荷結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，筆者改變各電荷層的極性，使之與正常的三極性電荷結(jié)構(gòu)相反，即上部主負(fù)電荷區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)上負(fù)）（N），中部主正電荷區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)中正）（P），下部負(fù)電荷區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)下負(fù)）（LN）見(jiàn)圖1。模擬空間范圍為36 km×36 km×19 km，水平格距為1 km，垂直格距為0.5 km。各個(gè)電荷區(qū)呈橢球分布，中心位于模擬域的中心，其電荷濃度從中心點(diǎn)向外圍以指數(shù)遞減，見(jiàn)式（1）。

式中：ρ0是電荷區(qū)的中心電荷密度；x0、y0和z0分別為電荷區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)；rx、ry和rz分別是橢球體在X、Y和Z坐標(biāo)軸上的軸長(zhǎng)。其中rx與ry相等，它們代表了電荷區(qū)的水平范圍，rz代表了電荷區(qū)的垂直范圍。

圖1 三維反極性電荷結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of three dimensional inverse charge structure model

反三極性電荷結(jié)構(gòu)模型中加入了王昊亮等[15]的放電參數(shù)化方案，即和Mansell等人的方法相同，應(yīng)用了隨機(jī)介質(zhì)擊穿模式和雙向先導(dǎo)概念，并將閃電通道對(duì)環(huán)境電場(chǎng)的影響納入考慮，模擬出具有分叉結(jié)構(gòu)的閃電發(fā)展?fàn)顟B(tài)。同時(shí)對(duì)Mansell提出的放電參數(shù)化方案進(jìn)行改進(jìn)，由于粒子原本就攜帶有電荷，對(duì)閃電結(jié)束后通道上的感應(yīng)電荷有一定影響，因此在按照水成物粒子表面積重新分配的過(guò)程中將原本攜帶的電荷納入考慮。模式中閃電啟動(dòng)條件采用的是Marshall等提出的逃逸擊穿理論，具體公式如下：

式中：Ebe（kV/m）為電場(chǎng)擊穿閾值；ρ（kg/m3）是與高度z（km）有關(guān)的空氣密度。

閃電通道的擴(kuò)展采用步進(jìn)式，從滿(mǎn)足場(chǎng)強(qiáng)大于0.9Einit（起始擊穿閥值）的格點(diǎn)中隨機(jī)選取一點(diǎn)作為起始擊穿點(diǎn)，通道傳播閾值Ecrit設(shè)置為0.6Einit，從可能的擴(kuò)展點(diǎn)中按照概率隨機(jī)選取后繼通道點(diǎn)，見(jiàn)式（4）和式（5）。

通道每延伸擴(kuò)展一個(gè)格點(diǎn)以后，會(huì)形成一個(gè)新的通道，邊界條件也以擴(kuò)展后的新通道為基準(zhǔn)，并重新計(jì)算環(huán)境電場(chǎng)。在每次閃電放電過(guò)程結(jié)束后，通道上的感應(yīng)電荷按照格點(diǎn)內(nèi)水成物粒子的表面積大小進(jìn)行分配。Mansell等人的實(shí)驗(yàn)中，并沒(méi)有將水成物粒子原本攜帶的電荷納入計(jì)算，本文的模擬實(shí)驗(yàn)中考慮了這一點(diǎn)，公式如下：

式中：δρt是一次閃電結(jié)束后閃電通道格點(diǎn)的電荷密度；δρi是該格點(diǎn)上總表面積為Si的水成物i的電荷濃度（i表示霰、冰晶、雪、云滴、冰雹和雨滴），δρi0是閃電發(fā)生前該格點(diǎn)水成物i攜帶的電荷濃度，∑kSk為6種水成物粒子的表面積總和。

2 電荷密度對(duì)正地閃的影響

筆者主要從反三極性電荷結(jié)構(gòu)的電荷密度討論其對(duì)正地閃的影響。由于在一次實(shí)驗(yàn)中如果同時(shí)考慮這3個(gè)因素，情況會(huì)十分復(fù)雜，且不利于歸納分析可能存在的正地閃產(chǎn)生趨勢(shì)。因此，對(duì)這3個(gè)影響因素將分開(kāi)討論。首先考慮電荷密度與正地閃的關(guān)系，再在電荷密度的基礎(chǔ)上，分別討論電荷區(qū)的范圍和高度對(duì)產(chǎn)生正地閃的影響。

由于模擬的是反三極性的電荷結(jié)構(gòu)，閃電產(chǎn)生的初始位置既可能是在上中電荷區(qū)之間，也可能是在中下電荷區(qū)之間。為了便于模擬，本文假定中部正電荷區(qū)的電荷密度保持不變，為3.0 nC/m3，其他參數(shù)的選取參考了譚涌波等[16]建立的模型，如表1所示，通過(guò)改變上下負(fù)電荷區(qū)的電荷密度決定閃電產(chǎn)生的初始位置，研究電荷密度與正地閃的關(guān)系。

2.1 上、下負(fù)電荷區(qū)電荷密度較小時(shí)對(duì)正地閃的影響

在模擬實(shí)驗(yàn)中，將上部負(fù)電荷區(qū)的電荷密度從0.3 nC/m3增加至1.5 nC/m3，每次增加0.3 nC/m3，下部負(fù)電荷區(qū)的電荷密度從0.2 nC/m3增加至1.8 nC/m3，每次增加0.4 nC/m3，最后共得到25次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的具體情況記錄見(jiàn)表2。分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在下部負(fù)電荷區(qū)與上部負(fù)電荷區(qū)的電荷密度分別在0.2～1.4 nC/m3和0.3～1.5 nC/m3之間時(shí)，正地閃的產(chǎn)生隨下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的增加而增加，具有較好的線性關(guān)系。

表1 電荷密度模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)Table 1 Parameters of charge density simulation experiment

表2 上、下負(fù)電荷區(qū)的不同中心電荷密度與閃電類(lèi)型Table 2 different central charge density and lightning type in the upper and lower negative charge region

圖2是上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度在0.6 nC/m3，下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度分別在0.2 nC/m3、0.6 nC/m3、1.0 nC/m3和1.4 nC/m3時(shí)的閃電通道結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 上、下負(fù)電荷區(qū)電荷密度較小時(shí)的閃電通道結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Lightning channel structure in the upper and lower negative charge region

圖2（a）中，閃電的初始觸發(fā)位置位于上部負(fù)電荷區(qū)與中部正電荷區(qū)之間，由于上負(fù)下正的電荷結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了反極性云閃，此時(shí)上部電荷密度與下部電荷密度相比要大一些。但是由于下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的不斷增加，如圖2（b）、2（c）和2（d）所示，閃電發(fā)生的位置產(chǎn)生了變化，由原來(lái)的中上部區(qū)域變?yōu)橹邢虏繀^(qū)域，并且閃電的類(lèi)型也由反極性云閃轉(zhuǎn)變?yōu)檎亻W。對(duì)比圖2（b）、2（c）和2（d）中的閃電通道，可以發(fā)現(xiàn)圖：圖2（b）中的正地閃分叉很少，在下部負(fù)電荷區(qū)內(nèi)幾乎沒(méi)有水平發(fā)展，通道結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；圖2（c）和2（d）的正地閃在下部負(fù)電荷區(qū)內(nèi)分叉較多，較之于圖2（b），閃電活動(dòng)更為豐富，通道結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

從以上的分析可以得到，在上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度與下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度都較小時(shí)，下部電荷密度的小范圍增加會(huì)導(dǎo)致正地閃的發(fā)生，并且下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度越大，正地閃活動(dòng)越強(qiáng)，正地閃的閃電通道結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。

2.2 下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)對(duì)正地閃的影響

表2中的數(shù)據(jù)顯示，在上、下負(fù)電荷區(qū)電荷密度都較小時(shí)，正地閃隨下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的增加而增加，二者具有較好的線性關(guān)系。但是，在下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度為1.8 nC/m3，上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度為0.9 nC/m3、1.2 nC/m3和1.5 nC/m3時(shí)，產(chǎn)生的并不是正地閃，而是正常云閃，與二者之前的線性關(guān)系不符。由此可以推斷，正地閃與下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的關(guān)系不完全是線性的，并且當(dāng)下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度增加到一定值以后，正地閃將不會(huì)發(fā)生。

上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度為0.9 nC/m3，下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度分別為0.2 nC/m3、1.8 nC/m3、3 nC/m3和5 nC/m3時(shí)的閃電通道結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)的閃電通道結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Lightning channel structure in the lower negative charge region

從圖3不難看出，當(dāng)下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度增大到較大值時(shí)，閃電的類(lèi)型會(huì)發(fā)生改變，由反極性云閃變?yōu)檎亻W再轉(zhuǎn)為正常云閃：1）當(dāng)下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度相對(duì)于上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較小時(shí)（見(jiàn)圖3（a）），在上部負(fù)電荷區(qū)與中部正電荷區(qū)之間會(huì)發(fā)生放電，并有反極性云閃產(chǎn)生，正、負(fù)先導(dǎo)在進(jìn)入負(fù)、正電荷區(qū)水平發(fā)展之前，會(huì)由閃電的起始點(diǎn)位置分別向上和向下垂直延伸一段距離。由于中部正電荷區(qū)電荷密度遠(yuǎn)大于上部電荷密度，因此相對(duì)于負(fù)先導(dǎo)，正先導(dǎo)在上部負(fù)電荷區(qū)內(nèi)發(fā)展旺盛，甚至超出了電荷區(qū)域；2）當(dāng)下部負(fù)電荷區(qū)的電荷密度增大到一定程度后（見(jiàn)圖3（b）），中、下部電荷區(qū)會(huì)比上、中部電荷區(qū)更易擊穿放電，閃電觸發(fā)的初始位置發(fā)生改變，閃電的類(lèi)型也由反極性云閃變?yōu)檎亻W。從中部正電荷區(qū)發(fā)出的正先導(dǎo)不斷向下發(fā)展，在下部負(fù)電荷區(qū)內(nèi)的閃電通道會(huì)產(chǎn)生一些分叉，穿過(guò)下部負(fù)電荷區(qū)后成單線發(fā)展并接地；3）當(dāng)?shù)撞控?fù)電荷區(qū)電荷密度再增大時(shí)（見(jiàn)圖3（c）、3（d）），閃電的起始區(qū)域同樣位于中部正電荷區(qū)與底部負(fù)電荷區(qū)之間，但是閃電的類(lèi)型發(fā)生了變化，產(chǎn)生的不是原本的正地閃而是正常云閃，正常云閃的正、負(fù)先導(dǎo)傳播特征與反極性云閃一致，只不過(guò)由于下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大，負(fù)先導(dǎo)在中部正電荷區(qū)域內(nèi)水平發(fā)展旺盛，甚至當(dāng)負(fù)電荷區(qū)電荷密度大到一定值后，會(huì)有負(fù)地閃產(chǎn)生。

2.3 上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)對(duì)正地閃的影響

上述模擬實(shí)驗(yàn)都是在上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較小的情況下討論增大底部電荷密度對(duì)正地閃的影響。當(dāng)上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度相對(duì)比較大時(shí)，閃電的產(chǎn)生情況見(jiàn)表3。分析表3中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)，閃電大多發(fā)生在中上部電荷區(qū)。只有當(dāng)下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度增大到很大值時(shí)，中下部電荷區(qū)才會(huì)產(chǎn)生閃電。雖然從表中數(shù)據(jù)看，隨著下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的增強(qiáng)，

正常云閃不斷增多，正地閃很可能發(fā)生。但是仔細(xì)分析圖4中的閃電通道結(jié)構(gòu)圖，可以得出正常云閃是不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎亻W的。

表3 上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)產(chǎn)生的閃電類(lèi)型Table 3 Types of lightning generated when the charge density is higher in the upper negative charge region

圖4表示的是上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度為2.5nC/m3，下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度分別為2 nC/m3、3 nC/m3、4 nC/m3和5 nC/m3時(shí)的閃電通道結(jié)構(gòu)圖。

圖4 上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)閃電通道結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Lightning channel structure in the upper negative charge region

從圖4可以分析得到，當(dāng)上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度增大到一定值后，逐漸增加底部負(fù)電荷區(qū)電荷密度，雖然可以使閃電由上中部電荷區(qū)之間放電變?yōu)樵谥邢虏侩姾蓞^(qū)之間方便，但卻不會(huì)產(chǎn)生正地閃，只有反極性云閃與正常云閃發(fā)生：1）當(dāng)?shù)撞侩姾擅芏刃∮诘扔谏喜侩姾擅芏葧r(shí)（見(jiàn)圖4（a）和4（b）），閃電的起始位置在上部與中部電荷區(qū)之間，由于上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度與中部正電荷區(qū)電荷密度相比相差不是很大，所以正、負(fù)先導(dǎo)在各自的傳播電荷區(qū)較為平穩(wěn)地發(fā)展；2）當(dāng)下部電荷密度增大到大于上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的一定值后（見(jiàn)圖4（c）和4（d）），中下部電荷區(qū)會(huì)比上中部電荷區(qū)先觸發(fā)閃電。但由于上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大，下部電荷密度要達(dá)到很大值才能改變放電的起始位置，而過(guò)大的下部負(fù)電荷密度會(huì)抑制正地閃的發(fā)生，負(fù)先導(dǎo)在中部正電荷區(qū)內(nèi)不斷延伸、分叉（見(jiàn)圖4（c）和4（d）），負(fù)先導(dǎo)在正電荷區(qū)內(nèi)的發(fā)展隨下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的增大而更加旺盛。

以上模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在反極性電荷結(jié)構(gòu)的中部電荷密度一定的情況下，當(dāng)上、下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較小，下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的增加會(huì)導(dǎo)致正地閃的發(fā)生；但是當(dāng)下部負(fù)電荷區(qū)密度增加到一定值后，正地閃將不會(huì)發(fā)生；當(dāng)上部負(fù)電荷密度較大時(shí)，下部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的增加只能改變?cè)崎W發(fā)生的位置，反極性云閃變?yōu)檎Ｔ崎W，但并不能產(chǎn)生正地閃。

3 結(jié)論

通過(guò)建立理想的反三極性電荷結(jié)構(gòu)模型研究電荷密度大小與正地閃的關(guān)系，得出了以下結(jié)論：

1）反三極性電荷結(jié)構(gòu)中的正地閃主要產(chǎn)生在中部正電荷區(qū)與下部負(fù)電荷區(qū)之間，上部負(fù)電荷區(qū)與中部正電荷區(qū)之間的放電很難產(chǎn)生正地閃；

2）當(dāng)上下負(fù)電荷區(qū)的電荷濃度都較小時(shí)，底部負(fù)電荷區(qū)電荷密度的小范圍增加會(huì)加劇正地閃的發(fā)生，但底部電荷密度增加到一定值后，正地閃將轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｔ崎W；當(dāng)上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度較大時(shí)，很難產(chǎn)生正地閃。

[1]鄭棟，張義軍，孟青，等.一次雹暴的閃電特征和電荷結(jié)構(gòu)演變研究[J].氣象學(xué)報(bào)，2010，68（2）：248-263.ZHENG Dong，ZHANG Yijun，MENG Qing，et al.Total lightning characteristics and the electric structures evolu?tion in a hailstorm[J].Acta Meteorologica Sinica，2010，68（2）:248-263.

[2]郭鳳霞，陸干沂.強(qiáng)雷暴中正地閃發(fā)生的條件[J].中國(guó)科學(xué).2016，46（5）:730-744.GUO Fengxia，LU Ganyi.Strong thunderstorms in the con?dition of positive CG[J].Chinese Science Press，2016，46（5）:730-744.

[3]張義軍，徐良韜，鄭棟，等.強(qiáng)風(fēng)暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（5）：513-526.ZHANG Yijun，XU Liangtao，ZHENG Dong，et al.Re?view on inverted charge structure of severe storms[J].Jour?nal of Applied Meteorological Science，2014，25（5）:513-526.

[4]MACGORMAN D R，RUST W D.The electrical Nature of storms[M].New York:Oxford University Press，1998.

[5]QIE X，YU Y，WANG D，et al.Characteristics of cloudto-ground lightning in Chinese Inland Plateau[J].Journal of the Meteorological Society of Japan，2002，80（4）:745-754.

[6]張義軍，孟青，KREHBIEL P R，等.超級(jí)單體雷暴中閃電VHF輻射源的時(shí)空分布特征[J].科學(xué)通報(bào)，2004，49（5）：499-505.ZHANG Yijun，MENG Qing，KREHBIEL P R，et al.Tem?poral and spatial distribution characteristics of lightning VHF radiation source in the super single thunderstorm[J].Science Bulletin，2004，49（5）:499-505.

[7]BRANICK M L，DOSWELL C A.An observation of the re?lationship between supercellstructure and lightning ground-strike polarity[J].Weatherand Forecasting，1992，7（1）:143-149.

[8]LAWRENCE D，Carey.Evolution of cloud-to-ground lightning and storm structure in the Spencer，South Dako?ta，tornadicsupercell of 30 May 1998[J].Mon Wea Rev，2003，131（8）:1811-1831.

[9]馮桂力.郄秀書(shū)等.雹暴的閃電活動(dòng)特征與降水結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)科學(xué).D輯，地球科學(xué)，2007，37（1）：123-132.FENG Guili.Under the characteristics of lightning activity and[J].China Precipitation Structure Science.Part D，Earth Science，2007，37（1）:123-132.

[10]BROOK M，NAKANO M，KREHBIEL P，et al.The elec?trical structure of the Hokuriku winter thunderstorms[J].Geophys Res，1982，87（C2）:1207-1215.

[11]WILLIAMS E R.The electrification of severe storms[J].Se?vere Convective Storms，Meteoro-logical Monographs，2001，28（50）:527-561.

[12]CAREY L D，RUTLEDGE S A，PETERSEN W A.The re?lationship between severe storm reports and cloud-toground lightning polarity in the contiguous United States from 1989 to 1998[J].Mon Wea Rev，2003，131（7）:1211-1228.

[13]張義軍，孟青，KREHBIEL P R，等.正地閃發(fā)展的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征與閃電雙向先導(dǎo)[J].中國(guó)科學(xué)，D輯，地球科學(xué)，2006，36（1）：98-108.ZHANG Yijun，MENG Qing，P.Characteristics of tempo?ral and spatial structure of the development of the positive lightning and lightning bidirectional pilot[J].Science in China，D series，earth science，2006，36（1）:98-108.

[14]MANSELL E R，MACGORMAN D R，ZIEGLER C L，et al.Simulated three-dimensional branched lightning in a numerical thunderstorm model[J].Journal of Geophysical Research，2002，107（D9）:4075.

[15]WANG H L，GUO F X，ZHAO T L，et al.A numerical study of the relationship between positive cloud-toground flashes and tilted charge structure in thunderstorm[J].Atmos.Res，online.2002，107（7）：1-14.

[16]譚涌波，梁忠武.雷暴云底部正電荷區(qū)對(duì)閃電類(lèi)型影響的數(shù)值模擬[J].中國(guó)科學(xué).D輯，地球科學(xué)，2014，44（12）：2743-2752.TAN Chongbo，LIANG Zhongwu.Numerical simulation of the influence of the positive charge region at the bottom of the thunderstorm cloud on lightning type[J].Chinese Sci?ence.D Series，Earth Science，2014，44（12）:2743-2752.

Numerical Simulation of Positive Ground Flash Triggered by Reverse Polarity Charge Structure

ZHANG Bohang
（North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Opposite polarity charge structure often appears in the strong storm system，and has a cer?tain correlation with positive flash，is considered to be one of the main causes of positive ground flash.Through the establishment of anti-triangular charge structure model，combined with the relevant light?ning discharge parameterization scheme，and change the charge density of the charge area for compara?tive experiments.The results show that the charge in the negative charge region at the bottom of the nega?tive charge region is negatively charged when the charge concentration in the upper and lower negative charge regions is small，and the charge density in the charge region is changed.A small increase in densi?ty will increase the occurrence of positive ground flash，but the bottom charge density increases to a cer?tain extent，the positive ground flash will be converted to normal cloud flash;when the upper negative charge density is higher，positive ground flash is difficult to be triggered.

reverse polarity charge structure；positive ground flash；charge density；charge region

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.026

2017-03-29

張博航（1997—），男，學(xué)士，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)習(xí)。