雷暴云底部正电荷对闪电类别影响的数值模拟

摘要

闪电始发于雷暴云中,因此闪电的放电特征与雷暴云电荷结构息息相关,从目前的研究进展来看,利用辐射源定位技术积累了不少观测事实,但是还无法明示某一闪电现象发生所对应的确切的全雷暴云内瞬时的电环境特征(电荷或电位分布),进而难以准确认识云闪以及云地闪的传播行为与云中电环境之间的关系也无法确切地描述闪电在雷暴云内的变化情形,因此想要了解闪电发生的类别电荷结构之间的关系以及其规律性还十分困难。随着电子计算机性能的提高,利用数字模拟方法研究雷暴云内起电、放电过程成为可能,强风暴的动力-电耦合数字模拟逐渐成为云降水物理学和大气学的重要研究手段之一。本文利用已有的随机放电参数化方案,结合一次典型的探空个例,进行了12.5m的高分辨率二维雷暴云数值模拟实验,就三级性雷暴云底部正电荷堆的大小与产生闪电类别之间的相互关系进行了分析。结果表明:1)底部正电荷堆与中部主负电荷堆的总电量比低于40％左右时闪电将不在发生,在40％～50％范围内产生负地闪,高于50％左右时将会产生反极性云闪。2)当底部正电荷堆缩小至一定量级,中部负电荷堆与底部正电荷堆的交界处形成强电场减弱,无法满足闪电击穿条件,闪电停止发生;而当底部正电荷堆放大时,由于闪电起始参考点电位以及空间电位分布发生改变,导致负先导尖端电位不断的增大的过程中,更易调整到0MV,此时负先导将无法继续向下发展,从而形成云闪。深入开展这一课题研究,全面揭示雷电现象和过程机理,是雷电物理学面临的一个前沿性基础课题,也是提高雷电预警、预报水平和实现防雷减灾的必要基础。