云閃過(guò)后云中電荷結(jié)構(gòu)變化對(duì)觸發(fā)上行閃電影響的數(shù)值模擬

虢 韜，沈 平，楊 恒，楊 洋

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修分公司，貴陽(yáng) 550002；2.貴州電力設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002）

0 引言

目前，對(duì)于上行閃電的研究，主要借助于地面電場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備以及云下高速攝影等觀測(cè)手段[1]，對(duì)實(shí)際上行閃電的觸發(fā)、傳播過(guò)程及上行閃電對(duì)空間電環(huán)境的影響仍缺乏有效研究手段，受上行閃電觸發(fā)的隨機(jī)性以及觀測(cè)手段的限制，目前要獲取上行閃電始發(fā)、傳播時(shí)空中、地面全部電參數(shù)難度較大[2]。WANG等[3]通過(guò)實(shí)際觀測(cè)手段，研究指出，在雷暴天氣情況下，地面建筑自行觸發(fā)上行閃電較為容易。ZHOU等[4-5]認(rèn)為，地面建筑物的高度以及地形對(duì)上行閃電的觸發(fā)影響較大。PEREIRA等[6]研究發(fā)現(xiàn)，上行閃電絕大數(shù)是由周?chē)W電觸發(fā)。還有研究發(fā)現(xiàn)，許多日本冬季雷暴云下的上行先導(dǎo)同時(shí)始發(fā)于多個(gè)建筑[7]，這意味著同一雷暴云下電場(chǎng)達(dá)到上行閃電放電閾值的可能不止一個(gè)點(diǎn)。同一次云中放電過(guò)程可能激發(fā)多個(gè)上行閃電，云中放電過(guò)程的水平范圍很大程度上決定了放電對(duì)象的數(shù)目和放電對(duì)象間的距離[8]。由于觀測(cè)手段的限制，導(dǎo)致目前國(guó)外對(duì)上行閃電的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少，大多數(shù)研究都是探討與下行閃電相連接的上行先導(dǎo)[9-13]。

因此，筆者將在二維雷暴云起、放電模式基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化上行閃電的模式工作，加深已有對(duì)云閃與上行閃電間關(guān)系的認(rèn)知，更清楚地展現(xiàn)上行閃電觸發(fā)時(shí)背景電場(chǎng)的發(fā)展情況，為云閃后更易觸發(fā)上行閃電這一觀測(cè)結(jié)果，提供從模擬角度的驗(yàn)證，同時(shí)也將為高大建筑物的雷電防護(hù)與設(shè)計(jì)工作的發(fā)展提供一定的科學(xué)基礎(chǔ)。

1 雷暴云背景下上行閃電計(jì)算模型的建立和放電參數(shù)化方案

上行閃電是典型始發(fā)于地物的閃電，當(dāng)高層建筑物上方存在由雷暴云帶來(lái)的強(qiáng)電場(chǎng)，并由于建筑物頂部尖端畸變使建筑物頂部周?chē)妶?chǎng)大大加強(qiáng)，在一定范圍內(nèi)，達(dá)到擊穿閾值時(shí)，產(chǎn)生向上的上行先導(dǎo)并持續(xù)向上傳播，當(dāng)傳播超過(guò)一定距離，稱(chēng)為上行閃電。若只是觸發(fā)并未持續(xù)發(fā)展稱(chēng)為未連接上行先導(dǎo)。

本文上行閃電隨機(jī)放電參數(shù)化方案耦合到二維雷暴云起、放電模式中[14]新的變化背景電場(chǎng)下的上行閃電參數(shù)化放電模式。以比較大的模擬域（76 km×20 km）為主要研究區(qū)，在雷暴云正下方附近區(qū)域，加一個(gè)沒(méi)有寬度只有高度的建筑物，通過(guò)調(diào)整溫濕擾動(dòng)參數(shù)以及熱濕擾動(dòng)的大小，進(jìn)行各項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)。選擇20 km為模擬域的寬度是因?yàn)楣P者模擬的是整個(gè)云模式下的閃電放電方案，基本上所有的云中過(guò)程，均發(fā)生在對(duì)流層之中，雷暴云頂部發(fā)展最高不會(huì)超過(guò)20 km。因?yàn)橹挥挟?dāng)建筑物位于雷暴云正下方時(shí)，電場(chǎng)最強(qiáng)，達(dá)到上行閃電的觸發(fā)閾值最大。

1.1 模擬模型的建立

在模擬域76 km×20 km的區(qū)域內(nèi)，存在一個(gè)高700 m的建筑物，建筑物與地面充分接觸形成統(tǒng)一的等勢(shì)體，且電位都默認(rèn)為零。建筑物不設(shè)定寬度是因?yàn)槟Ｊ侥J(rèn)上行閃電產(chǎn)生于雷暴云正下方的建筑，建筑隨著雷云的移動(dòng)而改變位置。由于選取模擬域較大，采用12.5 m的空間分辨率，將模擬域均勻離散成6 080×1 600個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。模式中的背景電場(chǎng)是由雷暴云起、放電模式中的閃電過(guò)程自動(dòng)生成的云微物理粒子所帶的電荷產(chǎn)生，會(huì)隨著雷暴云的發(fā)展，熱濕泡擾動(dòng)的上升及云閃的放電不斷變化。本模式中放電參數(shù)化方案，主要采用TAN等[15]提出的新閃電參數(shù)化方案BSLP。模式的時(shí)間步長(zhǎng)取為2 s，限定在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)里，閃電頻數(shù)不得超過(guò)4次。

1.2 上行閃電放電參數(shù)化方案

1.2.1 上行閃電的啟動(dòng)

由于放電過(guò)程中采用的是76 km×20 km的大范圍模擬域，因此可忽略建筑物的寬度，只考慮其高度。本文上行閃電啟動(dòng)閾值參照任曉毓等[10]的連接先導(dǎo)模式中上行先導(dǎo)的啟動(dòng)閾值500 kV/m，但由于任曉毓等是在空間分辨率為0.1 m的近地面研究域中把由下行先導(dǎo)觸發(fā)的上行先導(dǎo)啟動(dòng)閾值設(shè)置為500 kV/m。

不同網(wǎng)格間距電場(chǎng)畸變系數(shù)Ki擬合得到的關(guān)系方程為

式中：Ki為尖端頂部電場(chǎng)畸變系數(shù)；h為網(wǎng)格間距。

1.2.2 上行閃電的傳播

閃電通道拓展采用了隨機(jī)步進(jìn)方式，即傳播過(guò)程中上行閃電通道每次只拓展一個(gè)后繼通道點(diǎn)。計(jì)算已有通道點(diǎn)與全部周?chē)h(huán)境點(diǎn)間的電場(chǎng)強(qiáng)度，按概率公式隨機(jī)選取下一個(gè)通道后繼點(diǎn)。

式中：p為概率；F為歸一化函數(shù)；Ei為通道周?chē)趇個(gè)環(huán)境點(diǎn)與該通道間的電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 閃電模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果個(gè)例描述

以上述探空曲線為初始場(chǎng)，調(diào)整相對(duì)位溫和相對(duì)濕度擾動(dòng)，通過(guò)以多組不同的相對(duì)位溫和相對(duì)濕度為初始擾動(dòng)因子，模擬完整的雷暴過(guò)程中的云閃放電和上行閃電放電過(guò)程。由于模式還不夠完善，不足以模擬地閃回?fù)暨^(guò)程，故本文暫不考慮地閃和上行閃電觸發(fā)的關(guān)系，只研究完整雷暴環(huán)境下，云閃過(guò)后，云中電荷結(jié)構(gòu)改變對(duì)上行閃電觸發(fā)帶來(lái)的影響[16]。

筆者共進(jìn)行了幾次模擬實(shí)驗(yàn)，雖然模擬過(guò)程次數(shù)不夠多，但從結(jié)合已有的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本文模式模擬出的上行閃電與觀測(cè)到的上行閃電的種類(lèi)，形態(tài)發(fā)展過(guò)程，極性，分叉結(jié)構(gòu)等均有較好的一致性，說(shuō)明模擬的結(jié)果具有一定科學(xué)性，下文將先分別介紹得到的幾個(gè)有代表性的個(gè)例。

如圖1所示，案例1中共計(jì)發(fā)生了3次云閃過(guò)程，3次云閃發(fā)生的時(shí)間分別為36.43 min，37.93 min，40.23 min，云閃均發(fā)生在30 min之后，雷暴云的成熟期。第1次云閃和第2次的時(shí)間間隔較短，在1.5 min左右，第2次云閃和第3次云閃間隔時(shí)間更長(zhǎng)。第1次云閃和第2次云閃發(fā)生時(shí)的空間電荷結(jié)構(gòu)并沒(méi)有太大變化，都是較為典型的3極結(jié)構(gòu)。只是由圖1（a）到圖1（b）過(guò)程中，中間負(fù)電荷層發(fā)生較明顯分離，圖1（b）中左側(cè)出現(xiàn)分離出的小塊負(fù)電荷區(qū)。對(duì)比圖1（b）和圖1（c）發(fā)現(xiàn)，第3次云閃發(fā)生時(shí)，電荷分布已經(jīng)發(fā)生了很大變化：1）頂部正電荷區(qū)分離，原本正電荷區(qū)右側(cè)出現(xiàn)一塊略小的正電荷區(qū)；2）中部負(fù)電荷區(qū)擴(kuò)大，并隨上部正電荷區(qū)向右側(cè)延伸；3）下部正電荷區(qū)在原來(lái)較小的正電荷區(qū)基礎(chǔ)上發(fā)展增大了數(shù)倍。通過(guò)數(shù)次云閃放電，云中原有電荷區(qū)被打亂，上部正電荷區(qū)分離，中部負(fù)電荷區(qū)發(fā)展，下部正電荷迅速增大，導(dǎo)致下層正電荷區(qū)對(duì)雷暴云下方電場(chǎng)影響大大增強(qiáng)，為建筑物上方觸發(fā)上行先導(dǎo)所需強(qiáng)電場(chǎng)提供條件。對(duì)比圖1（d）和圖1（f）發(fā)現(xiàn)，云閃放電后，原有空間電位場(chǎng)完全改變，電位線走勢(shì)也完全不同。

圖1 3次云閃和一次上行閃電的空間電荷分布圖和空間電位分布圖Fig.1 Space charge distribution and space potential distribution of three cloud flashes and one upward lightning

3次云閃均為正極性云閃，發(fā)生在主正電荷區(qū)和主負(fù)電荷區(qū)之間，從放電強(qiáng)度來(lái)看，第1次云閃最強(qiáng)，接下來(lái)2次云閃強(qiáng)度依次減弱，可以從圖中觀察到圖（a）中閃電先導(dǎo)傳播距離最遠(yuǎn)，負(fù)先導(dǎo)長(zhǎng)達(dá)10 km，而圖（b）中先導(dǎo)傳播距離為數(shù)km，圖（c）中先導(dǎo)主要在云內(nèi)傳播。

當(dāng)?shù)?次云閃過(guò)后約1.73 min，一次上行閃電觸發(fā)了，并持續(xù)向上傳播到達(dá)正電勢(shì)井中心。上行閃電傳播過(guò)程分為兩個(gè)階段：1）入云之前，單向傳播，有輕微的彎曲，但基本沿垂直向上方向發(fā)展。2）當(dāng)先導(dǎo)傳播入云中之后，上行先導(dǎo)開(kāi)始出現(xiàn)了明顯的分叉結(jié)構(gòu)，越接近云中電荷結(jié)構(gòu)中心，分叉越多。

上行閃電的空間電荷分布與第3次云閃的電荷分布較為相似，發(fā)生時(shí)間間隔在1.7 min，對(duì)比圖（c）和圖（e），上行閃電和前1次云閃發(fā)生時(shí)相比，底部正電荷區(qū)大小基本不變，電荷密度增加，上方正、負(fù)電荷區(qū)發(fā)生云閃放電后，部分中和，原有主正電荷區(qū)破碎，打散成更小塊的正電荷區(qū)，電荷密度也大大降低?？梢哉J(rèn)為是第3次云閃的發(fā)生，改變了云中電荷結(jié)構(gòu)，使雷暴云下建筑物上電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到觸發(fā)閾值，觸發(fā)了這一次上行閃電。從上行閃電的空間電位圖來(lái)看，上行先導(dǎo)一直沿著電位梯度最大，即電場(chǎng)最強(qiáng)的方向傳播，右側(cè)上方電場(chǎng)更強(qiáng)，上行先導(dǎo)略向右邊偏轉(zhuǎn)，但總體保持向上趨勢(shì)。

圖2 1次云閃和1次上行閃電的空間電荷分布圖和空間電位分布圖Fig.2 Space charge distribution and spatial potential distribution of a cloud flash and an upward lightning

案例2的模擬結(jié)果見(jiàn)圖2，該次模擬過(guò)程共發(fā)生了1次云閃和1次上行閃電，上行閃電和云閃的時(shí)間間隔在0.5 min左右。當(dāng)T=33.27 min時(shí)刻，第1次云閃發(fā)生時(shí)，上層電荷分布呈現(xiàn)正偶極結(jié)構(gòu)，下層電荷分布呈反偶極結(jié)構(gòu)，中間層并無(wú)明顯電荷堆積。該次發(fā)生的云閃為正極性云閃，云閃始發(fā)于高度在10 km左右的上層正負(fù)電荷中心。云閃負(fù)先導(dǎo)在正電荷區(qū)內(nèi)先水平發(fā)展，伴隨許多細(xì)小的分叉結(jié)構(gòu)，后向左上方發(fā)展到云外，最后水平向左發(fā)展。

上行閃電沿著右側(cè)向上傳播，進(jìn)入云中底部正電荷區(qū)后在電荷高密度中心約3 km左右處出現(xiàn)一個(gè)朝向右側(cè)的小分支。上行閃電通道從1 km左右發(fā)展到3.8 km，約發(fā)展了2.8 km。上行閃電上方是一個(gè)類(lèi)似正偶極結(jié)構(gòu)加反偶極閃電結(jié)構(gòu)的四極電荷結(jié)構(gòu)，底部次正電荷區(qū)離始發(fā)點(diǎn)最近只有不到1 km。

對(duì)比圖2（a）和圖2（c）發(fā)現(xiàn)：上行閃電和上一次云閃發(fā)生時(shí)相比，底部反偶極結(jié)構(gòu)的負(fù)電荷區(qū)和正電荷區(qū)基本沒(méi)有變化，頂部正偶極結(jié)構(gòu)在云閃放電后，正電荷區(qū)破碎，大量正負(fù)電荷中和，電荷區(qū)密度大大降低。

案例3的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3，該次模擬過(guò)程一共發(fā)生了8次云閃過(guò)程和1次上行閃電。圖3中選取了其中5次云閃和1次上行閃電作為該次模擬過(guò)程的代表，進(jìn)行對(duì)比分析。

從第1次云閃發(fā)生到觸發(fā)上行閃電共經(jīng)歷了13 min左右，這13 min內(nèi)共發(fā)生了8次云閃放電，每1次云閃過(guò)程都會(huì)使電荷分布變得更加復(fù)雜，散亂，云下背景電場(chǎng)也隨之不斷變化。圖3（a）中，第1次云閃放電時(shí)，空間電荷結(jié)構(gòu)為明顯的偶極結(jié)構(gòu)，上面為主正電荷區(qū)，下面為主負(fù)電荷區(qū)，負(fù)電荷區(qū)跨度比較大，在6～10 km間均存在負(fù)電荷區(qū)，首次云閃先導(dǎo)為水平分叉結(jié)構(gòu)。圖3（b）中電荷分布與第1次放電已經(jīng)有了明顯的轉(zhuǎn)變，原有傘狀的正電荷結(jié)構(gòu)被拉長(zhǎng)，水平分布更廣，呈細(xì)長(zhǎng)條狀分布，發(fā)展到圖3（c）中左側(cè)部分正電荷脫離，漂移到原有正電荷區(qū)左下方，在局部形成一個(gè)正負(fù)的4極電荷結(jié)構(gòu)。圖3（b）、3（c）、3（d）中，云閃先導(dǎo)都是垂直分叉結(jié)構(gòu)，從正負(fù)電荷中心向上發(fā)展，主正電荷區(qū)離地面越來(lái)越近，開(kāi)始大概在10 km左右，經(jīng)過(guò)多次電荷結(jié)構(gòu)變化后，正電荷區(qū)中心高度在3～4 km。圖3（e）中最后1次云閃放電強(qiáng)度很大，與前2次模擬的云閃放電相反，正先導(dǎo)發(fā)展范圍遠(yuǎn)大于負(fù)先導(dǎo)，正先導(dǎo)橫向跨度長(zhǎng)達(dá)15 km，底部正電荷區(qū)跨度為1.5～6 km。

圖3 5次云閃和1次上行閃電的空間電荷分布圖Fig.3 Space charge distribution of five cloud flashes and one upward lightning

對(duì)比最后1次云閃和正地閃的電荷分布圖，由于負(fù)電荷區(qū)中的強(qiáng)正先導(dǎo)發(fā)展，原有主負(fù)電荷區(qū)被打散，主負(fù)電荷區(qū)中出現(xiàn)許多分散的小塊正電荷區(qū)，原有頂部正電荷區(qū)變化不明顯。底部正電荷區(qū)進(jìn)一步發(fā)展，電荷密度增大，底部更接近地面。

3 結(jié)論

筆者將固定的背景電場(chǎng)下，自行觸發(fā)的上行閃電隨機(jī)放電參數(shù)化方案耦合到已有二維雷暴云起、放電模式中，調(diào)整后得到一個(gè)新的變化背景電場(chǎng)下的二維上行閃電參數(shù)化方案。在長(zhǎng)76 km，寬26 km的研究域內(nèi)進(jìn)行了3次時(shí)間步長(zhǎng)為2 s，空間分辨率為12.5 km的上行閃電放電模擬實(shí)驗(yàn)，模擬真實(shí)雷暴云背景下上行閃電的發(fā)展過(guò)程，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）3組模擬實(shí)驗(yàn)中有5組成功模擬出了上行閃電和未連接上行先導(dǎo)，上行閃電和未連接上行先導(dǎo)約發(fā)生在最后1次云閃后0.5～1.7 min。

2）上行閃電多發(fā)生在雷暴云的成熟期，這時(shí)候雷暴云中對(duì)流最劇烈，雷暴云底距離地面最近，云中電荷分布變化最快；未連接上行先導(dǎo)出現(xiàn)在雷暴云的消散期，雷暴云下方電場(chǎng)減弱，上行閃電先導(dǎo)未能傳播入云中。

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