通道感應(yīng)電荷對放電活動特征的影響

于夢穎 譚涌波 師 正 劉 俊 王夢旖 鄭天雪

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室， 南京 210044 )

引 言

雷暴云空間電荷結(jié)構(gòu)與閃電的產(chǎn)生聯(lián)系密切。在首次閃電前，云中空間電荷結(jié)構(gòu)主要受水成物粒子相互作用以及平流、擴(kuò)散、沉降等活動的影響[1-2]；放電后，空間電荷結(jié)構(gòu)不但受云內(nèi)微物理及起電過程的作用，而且受到閃電放電的影響[3-4]。放電后電荷重新分配使云中電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響接下來的閃電活動[5]。在實際觀測中，一次雷暴過程的電荷結(jié)構(gòu)分布較為復(fù)雜。在相同高度可能存在相反極性電荷堆，并且在雷暴發(fā)展不同階段空間電荷結(jié)構(gòu)分布均有差異[6-7]。由于現(xiàn)階段觀測手段的局限性，無法全面獲取空間電荷結(jié)構(gòu)分布特征，難以深入探討閃電放電對雷暴云電過程的影響，利用數(shù)值模擬探討雷暴云放電效應(yīng)是當(dāng)前最有效的手段之一。

放電后空間電荷的重新分配是雷暴云起、放電模式需考慮的一個重要環(huán)節(jié)，目前有兩種主要方法：一種是根據(jù)閃電結(jié)束后空中電荷應(yīng)減少，直接考慮其效果而忽略物理過程的中和法，即放電結(jié)束后，直接按照一定比例降低閃電通道處空間電荷密度[8-16]。該方法未計算通道處感應(yīng)電荷，因此，大大減少了模式計算量；Coleman等[17]對比美國新墨西哥州(New Mexico)山地雷暴三維閃電觀測網(wǎng)及氣球電場探空資料表明：閃電放電后在雷暴云上部正電荷區(qū)和中部負(fù)電荷區(qū)的相對局部區(qū)域內(nèi)會沉積異極性電荷，而這一現(xiàn)象無法通過中和法解釋清楚。除此之外，一些觀測結(jié)果表明，閃電結(jié)束后，下一次閃電可能在前一次閃電通道經(jīng)過的地方初始[18]，與中和法直接降低云中電荷密度也不匹配。另一種是根據(jù)雙向先導(dǎo)理論，認(rèn)為降低云中電荷密度可通過在閃電通道經(jīng)過的某些區(qū)域嵌入與周圍環(huán)境極性相反的感應(yīng)電荷，并使沿閃電通道附近格點處電荷極性發(fā)生反轉(zhuǎn)。該過程可通過將放電后通道感應(yīng)電荷替換空間原有電荷或通道感應(yīng)電荷和空間原有電荷疊加實現(xiàn)[4,18-22]，這種方法被稱為異極性電荷植入法。夏艷羚等[23]對比這兩種電荷重置方案下閃電類型、閃電發(fā)生率及閃電通道傳播的差異，認(rèn)為處理放電后電荷重新分配方式采用異極性電荷植入法較為合理。由于目前大部分放電模式所選取的空間分辨率[4,18]均遠(yuǎn)大于實際先導(dǎo)的直徑，通過高斯方程計算得到的通道感應(yīng)電荷量具有很大不確定性[4,18-19]，如何合理評估閃電放電對雷暴云電過程的影響仍然是目前學(xué)術(shù)界面臨的難題之一。

本文在已有的三維雷暴云起、放電數(shù)值模式中，結(jié)合南京地區(qū)的一次典型雷暴過程，通過調(diào)整通道電荷感應(yīng)電荷量進(jìn)行大量敏感性試驗，分析在異極性電荷植入法中雷暴云電荷結(jié)構(gòu)、閃電類型和頻次以及閃電通道長度的變化規(guī)律。

1 模式簡介

本研究采用已有的三維起放電雷暴模型，該模型的微物理和動力學(xué)框架、起電放電過程可參考文獻(xiàn)[5,18-19]，本文不再詳細(xì)闡述。模式選用2011年8月12日發(fā)生在南京一次典型雷暴過程作為雷暴云背景進(jìn)行三維放電模擬。模擬區(qū)域為76 km×76 km×20 km，云模式框架以及放電模塊均采用500 m為三維空間分辨率。其中南京個例的探空曲線如圖1所示，模式中橢圓熱濕泡擾動水平半徑為5 km，垂直半徑為1 km，中心最大溫度及相對濕度擾動分別為2 K和75%；模擬時間為90 min，時間步長為4 s。需要說明的是，本文中所用的雷暴云個例只用來提供初始場數(shù)據(jù)以及雷暴云背景，其演變過程并未在文中展開討論。

圖1 模式采用的環(huán)境層結(jié)曲線(a)和垂直風(fēng)廓線(b)Fig.1 Environmental stratification curve(a) and vertical wind profile(b)

1.1 通道內(nèi)感應(yīng)電荷的計算

對于閃電通道內(nèi)感應(yīng)電荷的計算，本研究將閃電通道視為良導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)部電位為常數(shù)，根據(jù)高斯定理，通道表面的面電荷密度可以通過計算獲得。為了有效控制通道內(nèi)感應(yīng)電荷量，增加控制系數(shù)，

(1)

式(1)中，α為通道感應(yīng)電荷控制倍數(shù)，ε為空氣的介電常數(shù)，φ為通道格點處電位，n為導(dǎo)體表面的法線方向，σ為通道導(dǎo)體的面電荷密度。模式中通過調(diào)整α改變通道內(nèi)感應(yīng)電荷量進(jìn)行敏感性試驗，探討其對雷暴云電過程的影響。其中感應(yīng)控制倍數(shù)α分別選取0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，1；文中閃電通道長度利用模擬域中的網(wǎng)格點數(shù)表示。

1.2 電荷再分配

在一次閃電放電結(jié)束后，通道上的異極性感應(yīng)電荷按照閃電通道以及附近格點處各水成物粒子的表面積分配這些感應(yīng)電荷，同時考慮了水成物粒子自身的電荷，該方法參考了郭鳳霞等[4]關(guān)于電荷再分配的處理方式，

(2)

2 模擬結(jié)果

2.1 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下通道電荷量對電荷結(jié)構(gòu)、通道長度的影響

放電后云中電荷密度降低并不是簡單地被閃電通道感應(yīng)電荷中和或者抵消，而是在通道經(jīng)過的地方嵌入與周圍空間電荷極性相反的異極性電荷[5]。植入異極性電荷與空中原有電荷疊加后，導(dǎo)致空間電荷結(jié)構(gòu)分布不平衡，即在相同電荷區(qū)域內(nèi)云中電荷極性出現(xiàn)相互交錯的空間結(jié)構(gòu)分布[18,24-27]。而通道感應(yīng)電荷量不同，空間電荷結(jié)構(gòu)分布不平衡將有所差異。圖2給出不同感應(yīng)控制倍數(shù)下前10次閃電過程放電前后空間電荷極性反轉(zhuǎn)情況，圖中橫坐標(biāo)表示連續(xù)發(fā)生的10次閃電，縱坐標(biāo)表示放電前后空間電荷極性反轉(zhuǎn)格點數(shù)。其中，電荷極性反轉(zhuǎn)格點數(shù)指放電結(jié)束后空中格點的電荷極性與放電前不一致，則記錄為1個反轉(zhuǎn)格點數(shù)，統(tǒng)計整個空間所有格點的反轉(zhuǎn)情況。放電發(fā)生時，云的動力-微物理過程并不發(fā)生變化，空間電荷極性的變化皆由放電過程引起。由圖2可知，在首次云閃時放電前后空間電荷極性反轉(zhuǎn)格點數(shù)相同，但隨著閃電次數(shù)增加，放電前后空間電荷極性反轉(zhuǎn)格點數(shù)和閃電發(fā)生次序呈正相關(guān)；不僅如此，放電前后空間電荷密度反轉(zhuǎn)格點數(shù)在不同通道感應(yīng)倍數(shù)下，通道感應(yīng)電荷量越多，放電前后電荷密度反轉(zhuǎn)格點數(shù)也會增多，即通道感應(yīng)電荷量與放電前后空間電荷極性反轉(zhuǎn)格點數(shù)呈正相關(guān)。這說明通道感應(yīng)電荷量越多，雷暴云中出現(xiàn)與原有空間電荷極性相反的電荷堆增多，加大了空間電荷結(jié)構(gòu)分布不均的程度。

圖2 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下空間電荷極性反轉(zhuǎn)格點數(shù)隨閃電次序變化趨勢Fig.2 The variation trend of spatial charge polarity reversal lattice points with lightning order under different induction control multiples

本文選取的這10次連續(xù)閃電發(fā)生時期處于雷暴發(fā)展初期(17～25 min)，因此，挑選了在不同感應(yīng)控制倍數(shù)下時間t=21 min，水平方向y=42 km 時雷暴云空間電荷結(jié)構(gòu)剖面(如圖3所示)。通過對比不同感應(yīng)控制倍數(shù)下電荷結(jié)構(gòu)特征可以看到，該時刻雷暴云呈三極性結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為屏蔽層、主正、主負(fù)及底部正電荷區(qū)。圖3中，α=0.3時雷暴云電荷結(jié)構(gòu)相對規(guī)整(通過異極性電荷堆多少說明電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，異極性電荷堆越多，即空間結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，反之較為規(guī)整)，主正、負(fù)電荷區(qū)中夾雜的異極性電荷堆相對于其他幾種感應(yīng)控制倍數(shù)下最?。粓D3中，α=0.4，α=0.5，α=0.6，α=0.7，α=1時主正、負(fù)電荷區(qū)都夾雜著不同程度異極性電荷堆。圖3中，α=1時空間電荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度最高，主負(fù)電荷區(qū)中正極性電荷堆最多，電荷密度相對較大，且主正電荷區(qū)也因異極性電荷堆顯得雜亂無章。由于通道感應(yīng)電荷量的不同，閃電通道長度以及閃電發(fā)生頻次均有變化，導(dǎo)致異極性電荷沉積的區(qū)域也會發(fā)生改變。圖3中，α=0.3，α=0.5時，主正電荷區(qū)電荷相對規(guī)整，在負(fù)極性電荷區(qū)則會有些許異極性電荷堆；而α=0.4，α=0.6，α=0.7，α=1時，主正電荷區(qū)中沉積的異極性電荷更多，主負(fù)電荷區(qū)相對較少。雖然截取的剖面受到閃電通道長度以及該時刻所發(fā)生的閃電次數(shù)而存在差異，僅通過該圖說明通道感應(yīng)電荷量越多，空間電荷結(jié)構(gòu)越復(fù)雜仍不充分。結(jié)合圖2可知，空間電荷結(jié)構(gòu)分布隨通道電荷量的增加其雜亂程度也會有所增加，即通道感應(yīng)電荷量越多，空間電荷結(jié)構(gòu)相對越復(fù)雜。就底部正電荷區(qū)的差異而言，不同感應(yīng)控制倍數(shù)下底部正電荷區(qū)范圍及電荷量均有一定變化。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，頂部屏蔽層與主正電荷區(qū)混合程度在不同感應(yīng)控制倍數(shù)下也有差異， Krehbiel 等[28]在實際觀測中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)云中電荷區(qū)分布不平衡及主正電荷區(qū)與屏蔽層存在一定程度混合，可能引發(fā)逃離雷暴云放電。由此可見，不同通道感應(yīng)電荷量下，通道感應(yīng)電荷累積量、閃電通道長度與電荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度關(guān)系密切[29-31]。

圖3 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下t=21 min，y=42 km時電荷結(jié)構(gòu)剖面(水平橫線代表0℃，-13.8℃，-40℃等溫線；粗黑線代表雷暴云輪廓)Fig.3 Cross-section of the charge structure when t=21 min, y=42 km(isotherms of 0℃，-13.8℃，-40℃ are shown,thick black lines show the contour structure of the thundercloud)

圖4給出了云閃通道感應(yīng)電荷平均累積量、通道長度及閃電頻次隨時間變化趨勢。由圖4a、圖4b可以看到，不同感應(yīng)控制倍數(shù)下通道感應(yīng)電荷平均累積量在雷暴發(fā)展期(17～25 min)呈遞增趨勢且在25 min達(dá)到峰值，通道平均長度與通道感應(yīng)控制倍數(shù)保持了同樣趨勢。通道感應(yīng)電荷平均累積量、通道平均長度與感應(yīng)控制倍數(shù)分別呈正、負(fù)相關(guān)，結(jié)合圖4c可知，在雷暴發(fā)展期閃電通道平均長度隨通道感應(yīng)電荷量的增多呈減少趨勢，但閃電頻次隨通道感應(yīng)倍數(shù)的增大而增多，導(dǎo)致通道感應(yīng)電荷平均累積量變多；雷暴成熟期(26～55 min)，不同感應(yīng)控制倍數(shù)下(圖4a)，通道電荷平均累積量在30～33 min 出現(xiàn)谷值，閃電通道的平均長度及閃電頻次在這段時間內(nèi)均呈現(xiàn)較小的變化趨勢。由圖4可知，雷暴消散期(56～70 min)，隨時間變化通道電荷平均累積量和閃電頻次均呈遞減趨勢，且在不同感應(yīng)控制倍數(shù)下變化差異不大。但通道平均長度卻出現(xiàn)波動，整體隨通道感應(yīng)電荷量的增大而減少，由此可見，通道電荷平均累積量不僅與云閃通道長度及云閃頻次有關(guān)，還可能與通道格點處和周圍環(huán)境的電位差有關(guān)。

譚涌波等[32]研究表明：閃電通道長度(通道范圍)與雷暴云中空間電荷分布(電荷密度、電荷范圍)密切相關(guān)。為進(jìn)一步探討不同感應(yīng)控制倍數(shù)下空間電荷結(jié)構(gòu)與閃電通道長度的關(guān)系，圖5給出了先導(dǎo)長度對應(yīng)的云閃發(fā)生率占總云閃發(fā)生率的百分比隨閃電通道長度的變化趨勢。由圖5a可以看到，云閃發(fā)生率占總云閃發(fā)生率百分比隨通道長度延長呈先增加后減少趨勢，對比感應(yīng)控制倍數(shù)為0.3～0.7及1的情況下，發(fā)現(xiàn)1～40格點內(nèi)云閃發(fā)生率所占百分比差異更明顯。因此,對云閃通道長度處在1～42格點內(nèi)的云閃發(fā)生率所占百分比進(jìn)行詳細(xì)劃分(圖5b)。由圖5b可知，隨云閃通道長度增加即格點數(shù)增多，云閃發(fā)生率也呈先增加后減少趨勢，但不同感應(yīng)控制倍數(shù)下云閃發(fā)生率峰值點所處閃電通道長度有所差異，隨感應(yīng)控制倍數(shù)增加，云閃發(fā)生率峰值所處位置的閃電通道長度減少。且在1～12格點處，云閃發(fā)生率與感應(yīng)控制倍數(shù)呈正相關(guān)，即感應(yīng)控制倍數(shù)越大，短通道云閃(通道長度在1～12格點內(nèi)所觸發(fā)的云閃)越多。圖5所體現(xiàn)的特征可以結(jié)合圖2和圖3空間電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋：通道感應(yīng)電荷量的增多導(dǎo)致空間電荷結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，即異極性電荷堆增多，難以形成大范圍同極性電荷堆。閃電通道在傳播過程中很難穿越與通道極性相同的電荷堆，因此，云閃通道在發(fā)展過程中僅局限于一對較小的異極性電荷堆中，這樣閃電通道長度在較短范圍內(nèi)觸發(fā)的云閃會增加，即短通道云閃增多。

圖4 云閃的通道感應(yīng)電荷平均累積量、通道平均長度及閃電頻次隨時間變化(a)云閃通道感應(yīng)電荷平均累積量，(b)云閃通道平均長度，(c)云閃頻次Fig.4 The average cumulative amount of channel-induced charge, mean channel length, and lightning frequency change over time in the intra-cloud flash(a)the average cumulative amount of induced charges of the intra-cloud flash channel,(b)the average length of the intra-cloud flash channel，(c)the frequency of intra-cloud flash

圖5 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下先導(dǎo)長度對應(yīng)的云閃發(fā)生率占總云閃發(fā)生率的百分比(a)云閃通道長度在1～321個格點處，(b)云閃通道長度在1～42個格點處Fig.5 Ratio of intra-cloud flash of channel lengths to total intra-cloud flash under different induction control multiples(a)channel lengths of the intra-cloud flash at 1-321 grid points，(b)channel lengths of the intra-cloud flash at 1-42 grid points

由于短通道云閃占總云閃比例較高，圖6給出了不同感應(yīng)控制倍數(shù)下正負(fù)極性短通道云閃觸發(fā)高度分布特征。由圖6可知，在這6種感應(yīng)電荷控制倍數(shù)下，短通道云閃所觸發(fā)的高度大致相同。其中，正、負(fù)極性短通道云閃發(fā)生在不同高度范圍，正極性短通道云閃主要發(fā)生高度為8～11 km，在雷暴云主正與主負(fù)電荷區(qū)觸發(fā)，負(fù)極性短通道云閃主要發(fā)生高度為4～6 km，觸發(fā)在雷暴云主負(fù)與次正之間；且在云閃頻次上有所差異，隨著感應(yīng)控制倍數(shù)增加，正極性短通道云閃頻次變多，而負(fù)極性短通道云閃變化差異不明顯。由圖6還可知，這種短通道云閃與觀測中雙極性窄脈沖事件(放電空間尺度很小，且放電過程有強(qiáng)烈的甚高頻輻射)的觸發(fā)高度較為相似，且具有較短的空間尺度。正極性短通道云閃觸發(fā)高度也符合Smith等[33]、Zhu等[34]和吳亭等[35]的計算結(jié)果；由于較低高度負(fù)極性窄脈沖觀測個例較少[36-38]，其結(jié)果有待進(jìn)一步探究。姜睿嬌等[39]、張驍?shù)萚40]利用觀測資料對雙極性窄脈沖的發(fā)生位置進(jìn)行分析，再次說明在4～8 km(即中部主負(fù)電荷區(qū)與次正電荷區(qū))也有少量的負(fù)極性云閃觸發(fā)。

圖6 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下小范圍通道長度隨時間變化的觸發(fā)高度Fig.6 Trigger height of small channel length varying with time under different induction control multiples

2.2 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下通道電荷量對閃電頻次、地閃類型的影響

表1給出了6種不同感應(yīng)控制倍數(shù)下云閃通道感應(yīng)電荷累積量、云閃通道感應(yīng)電荷平均累積量及云閃頻次。在誤差范圍內(nèi)總體上可認(rèn)為在雷暴過程中通道感應(yīng)電荷累積總量相當(dāng)，通過表1可以得出云閃通道感應(yīng)電荷累積量并未因通道感應(yīng)電荷量產(chǎn)生較大差異；當(dāng)通道電荷累積總量相同時，通道感應(yīng)電荷平均累積量與云閃頻次在不同感應(yīng)控制倍數(shù)下呈負(fù)相關(guān)，即隨著通道感應(yīng)電荷量的增加，通道感應(yīng)電荷平均累積量遞增，云閃頻次減少。云閃頻次在通道感應(yīng)倍數(shù)為0.3時達(dá)到最大，云閃頻次為1041，通道電荷的平均感應(yīng)量最小，即6.73 C；感應(yīng)控制倍數(shù)為1時，通道電荷平均感應(yīng)量為15.3 C，在6種不同感應(yīng)電荷量下達(dá)到最大值，云閃頻次最小，即為623次。

表1 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下電荷平均累積量、云閃頻次及通道感應(yīng)電荷累積量Table 1 The average charge accumulation, intra-cloud flash frequency and channel induced charge accumulation under different induction control multiples

表2給出了模式中總地閃與正、負(fù)地閃在不同感應(yīng)控制倍數(shù)下發(fā)生頻次。由表2可知，在不同感應(yīng)控制倍數(shù)下，地閃頻次變化規(guī)律不顯著，即感應(yīng)控制倍數(shù)為0.3，0.7，1時，負(fù)地閃發(fā)生率較大,其他感應(yīng)控制倍數(shù)下正地閃所占比例較大。

表2 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下總地閃及正、負(fù)地閃發(fā)生頻次Table 2 The total and the positive/negative ground flash frequency in different induction control multiples

大量研究表明：產(chǎn)生地閃的重要條件是正負(fù)電荷區(qū)電荷量分布不平衡，且電荷區(qū)上下配置關(guān)系將會影響地閃類型[32,41-42]。Wang等[43]基于理想電荷分布的數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上部正電荷區(qū)分布范圍以及濃度足夠大時，有利于正地閃的觸發(fā)。譚涌波等[36]定量探討雷暴云底部正電荷對閃電類型的影響，結(jié)果表明：雷暴云底部正電荷堆對負(fù)地閃的產(chǎn)生起了關(guān)鍵作用，同時負(fù)地閃還受底部正電荷電荷密度大小及分布范圍的影響[4,44-47]。為了衡量雷暴云中電荷區(qū)電荷量分配關(guān)系，圖7給出了不同感應(yīng)控制倍數(shù)下各電荷區(qū)電荷量分配關(guān)系，其中統(tǒng)計了雷暴云3個階段，即雷暴云初期、成熟期、消散期電荷區(qū)空間電荷量，并依次對比不同感應(yīng)控制倍數(shù)下屏蔽層、主正電荷區(qū)、主負(fù)電荷區(qū)、次正電荷區(qū)之間電荷量。

由圖7可以看到，隨著感應(yīng)控制倍數(shù)的變化，云中電荷區(qū)電荷量分布不平衡。在雷暴云發(fā)展初期(圖7a)，屏蔽層電荷量隨感應(yīng)控制倍數(shù)增加而增加；主正電荷區(qū)電荷量大于主負(fù)電荷區(qū)電荷量，且隨著感應(yīng)控制倍數(shù)增加，主正、主負(fù)電荷區(qū)電荷量差值增大；底部正電荷區(qū)電荷量隨感應(yīng)控制倍數(shù)增加呈遞增趨勢。在雷暴云成熟期(圖7b)，頂部屏蔽層電荷量明顯增大且與初期有相同變化；主正電荷區(qū)電荷量減少，主負(fù)電荷區(qū)電荷量增加，主負(fù)電荷區(qū)電荷量大于主正電荷區(qū)電荷量，且隨感應(yīng)控制倍數(shù)增加兩個電荷區(qū)電荷量差值也呈遞增趨勢，底部正電荷區(qū)電荷量與感應(yīng)控制倍數(shù)呈正相關(guān)。在雷暴消散期(圖7c)，頂部屏蔽層電荷量隨感應(yīng)控制倍數(shù)增加逐漸減少；主正、主負(fù)電荷區(qū)電荷量也減少，但主正電荷區(qū)電荷量大于主負(fù)電荷區(qū)電荷量，兩電荷區(qū)間的差值與感應(yīng)控制倍數(shù)相關(guān)性不明顯；底部正電荷區(qū)電荷量減少，且受感應(yīng)控制倍數(shù)影響不大。由此可見，不同感應(yīng)控制倍數(shù)下，雷暴云中電荷區(qū)電荷量分布有顯著差異，而地閃類型及頻次影響因素較多，因此，地閃頻次及類型與感應(yīng)控制倍數(shù)相關(guān)性不大。

圖7 不同感應(yīng)控制倍數(shù)下雷暴云發(fā)展初期(a)、成熟期(b)、消散期(c)的頂部屏蔽層、主正和主負(fù)及底部正電荷區(qū)電荷量Fig.7 Charge of the top shield,main positive and negative,and bottom positive charge in the early(a),mature(b),and dissipative(c) phases of thunderstorms at various induction control times

3 結(jié)論與討論

本文在已有的三維雷暴云起、放電模式中，利用南京一次雷暴天氣探空個例進(jìn)行敏感性試驗，通過改變植入法方案中通道電荷感應(yīng)量，分析閃電放電后通道內(nèi)不同感應(yīng)電荷量對電荷結(jié)構(gòu)特征、閃電通道長度的影響，進(jìn)而探討其給閃電放電所帶來的差異，得到以下的主要結(jié)論：

1) 隨著通道感應(yīng)電荷量的增加，放電前后空間電荷極性發(fā)生反轉(zhuǎn)的格點數(shù)增多，空間電荷結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，進(jìn)而閃電通道長度較短的閃電增多。空間電荷結(jié)構(gòu)雜亂，雷暴在發(fā)展過程中難以形成大范圍的同極性電荷堆，閃電通道在傳播過程中很難穿越與通道極性相同的電荷堆，使云閃通道在發(fā)展的過程中僅局限于一對較小的異極性電荷堆里面，最終導(dǎo)致閃電通道長度較短的閃電頻次增多。

2) 隨著通道電荷感應(yīng)量的增加，通道感應(yīng)電荷平均累積量增加，云閃頻次減少，由于模式中通道感應(yīng)電荷總量不變，感應(yīng)系數(shù)變大后，單次感應(yīng)電荷量基數(shù)增大，導(dǎo)致放電次數(shù)減少。

3) 通道感應(yīng)電荷量的改變使空間電荷區(qū)電荷量分布不平衡，地閃頻次及類型受影響因素較多，其變化規(guī)律不明顯。因此，通道感應(yīng)電荷量與地閃頻次及地閃類型相關(guān)性不大。

閃電放電后電荷重新分配對雷暴云電過程有重要影響，目前對于放電過程的研究還處于資料累積和繼續(xù)發(fā)展階段，針對放電結(jié)束后雷暴云中電荷結(jié)構(gòu)及后續(xù)放電的問題仍需要深入探討。同時，目前工作還存在兩大難點：首先，數(shù)值模擬工作與實際觀測資料的對應(yīng)和檢驗，這仍然是工作中需要完善的重點；其次，對于地閃與通道感應(yīng)電荷量相關(guān)性不明顯問題，雖然地閃和云閃的空中通道傳播行為類似，但地閃過程十分復(fù)雜，它與雷暴云電荷結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于云閃，需要大量的實際觀測、理論研究及數(shù)值模擬才能充分了解其物理機(jī)制。