闪电放电与雷暴云电荷、电位分布相互关系的数值模似

论文摘要

本论文的主要工作是把感应和非感应起电参数化方案以及双向随机闪电模式(BSLP)集成在中国气象科学研究院的一个积云数值模式框架内，完成了二维和三维雷暴云起、放电数值模拟试验程序的设计；进行了模式检验和粗、细分辨率模拟结果的比较；通过雷暴云放电过程的细分辨率(12.5米)二维模拟，对云闪和云地闪放电跟云中电荷和电位分布的相互关系进行了详细分析；此外，通过三维雷暴云发展和起、放电过程的粗分辨率(500米)数值模拟，揭示了二维和三维模拟结果的共同点和可能的差异。本数值模拟研究取得的一些新结果如下： 一、证实了高分辨率模拟的闪电通道空间形态特征与观测结果有更好的一致性，对于深入研究闪电放电与云内电环境相互关系而言、高分辨率放电模拟是必要的。 (1) 在雷暴云起、放电模式提供的二维、250米分辨率电荷背景下，利用双向随机闪电模式，进行了接近于实际先导直径的精细分辨率(12.5米)云闪和云地闪放电的二维模拟；得到的云闪双层、分叉通道结构，通道的水平和垂直延伸范围以及放电前后最大垂直电场变化值与观测的相应结果有更合理的一致性；成功地模拟了起始于云内的下行先导直接接地的正、负云地闪过程，接地前、后上行和下行先导的传播特性与VHF辐射源观测图像的实际特征相当一致。模拟的闪电通道结构具有分形特征，云闪以及地闪的平均分维数分别为1.45和1.51，与理论和观测值合理地接近。 (2) 粗分辨率无法模拟出与实际观测相符合的明显的双层、分叉结构，闪电的传播范围与实际情况差异也十分明显，闪电难以穿过高电荷密度中心而在低电荷密度堆中继续延伸。并且单次闪电过程对云中强电场的抑制作用差，无法充分消耗掉空间中的静电能量，模拟得到的闪电频次较实际情况偏高。这是因为：粗分辨率的采用不仅人为地减少了模拟的闪电通道与环境之间的电位梯度，也会歪曲通道对环境电场影响大小以及通道感应电荷的估计。 二、揭示了产生各种类型闪电的云内电环境特征。 (1) 云闪在两个相邻的高密度、异极性电荷累积区的边界区域起动，初始通道参考电位接近于0MV；正偶极电荷结构，即电荷堆上正下负的配置产生正云闪，而反偶极电荷结构产生负云闪，或称作反极性云闪。 (2) 负地闪均起始于三级或多层分布电荷结构下邻近地面的一对反偶极电荷累积区之间，初始通道参考电位显著小于0MV；而正地闪既可能起始于雷暴云消亡期的云中上部正偶极电荷结构的电荷累积区边界上，也可能产生在多层电荷结

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论——雷暴云起电、放电物理学研究进展
• 1.1 雷暴云的电荷结构和起电机制
• 1.2 闪电放电物理机制的研究
• 1.3 自然雷电的观测和数值模拟研究
• 1.4 本文选题和研究内容
• 第二章 雷暴云起、放电模式
• 2.1 对流云数值模式
• 2.2 起电过程参数化方案
• 2.3 放电过程参数化
• 2.4 模式求解的差分方案与必要的数值处理方法
• 第三章 模式的检验
• 3.1 个例概况以及实际观测结果
• 3.2 CCOPE个例250米分辨率模拟结果与观测的比对检验
• 3.3 内电场和粗细分辨率放电模拟的对比实验
• 3.4 电中性的探讨
• 3.5 本章小结和讨论
• 第四章 云闪放电特性与电位、电荷空间分布的相互关系
• 4.1 云闪通道的空间结构以及传播特性
• 4.2 云闪放电对云内电荷和电位分布的影响
• 4.3 本章小结和讨论
• 第五章 地闪放电过程与电位、电荷空间分布的相互关系
• 5.1 模拟的云地闪电特征以及与实际观测的对比
• 5.2 地闪电形成的有利条件
• 5.3 正、负地闪的电荷输送
• 5.4 地闪对电位、电场强度分布的影响以及静电能的消耗
• 5.5 本章小结和讨论
• 第六章 三维放电的数值模拟
• 6.1 三维模式云微物理过程以及电特征的检验
• 6.2 三维放电的个例模拟
• 6.3 本章小结和讨论
• 第七章 总结和展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 本论文工作的创新点
• 7.3 存在的问题和展望
• 附记
• 附录 双站数字摄像测量云高
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文目录
• 致谢