降水退屏蔽作用及反极性电荷结构下正地闪发生条件的模拟

发布时间：2020-06-02 13:52

【摘要】：由于正地闪发生的稀有性和观测的困难性,计算机数值模拟对于正地闪的研究有着其独特的优势。对于正地闪成因的研究前人进行了很多猜测和验证,但对于雷暴单体中降水退屏蔽作用和正地闪之间的关系缺少相应的数值模拟验证。因此本文化繁为简,通过建立理想的雷暴单体电荷模型,结合已有的放电参数化方案,用实验结果验证了这一假设。实验结果表明,雷暴单体中,发生降水时,引起的雷暴云中负和下正电荷区高度下降以及电荷密度的减小会使雷暴云中电场和电势的分布发生变化。当中负和下正电荷区的高度降低时,模拟域内最大场强降低,最大场强处电势增大,最大场强处和地面之间电势差增大,使正先导更容易发展到地面形成正地闪。当中负和下正电荷区的电荷密度减小时,模拟域内最大场强降低,最大场强处电势的绝对值先减小后增大,在电势增大过程中最大场强处和地面之间电势差增大,正先导也更容易发展到地面形成正地闪。因此,雷暴单体中降水退屏蔽作用对正地闪的发生是有利的。此外,强雷暴中反极性电荷结构对于正地闪的产生起到的作用已经有观测和实验结果支持。本文通过建立相应的模型,着重研究了反极性电荷结构中下部次负电荷区域的变化对于正地闪的影响。考虑的下部次负电荷区域的可变化参数包括:电荷密度、水平范围、厚度、上下相对位置以及左右相对位置。通过控制变量法研究不同参数的改变对于正地闪产生的影响。模拟实验结论如下:1)下部次负电荷区域的电荷密度在一定范围内的增大是有利于正地闪的产生的。2)下部次负电荷区域的水平范围半径在一定范围内的增大有利于正地闪的发生。3)下部次负电荷区域的厚度在一定范围内的增大有利于正地闪的发生。4)下部次负电荷区域和上部电荷区域之间的相对间距越小,越容易产生正地闪。5)下部次负电荷区域和上部电荷区域之间的相对偏移越小,越容易产生正地闪。
【图文】：

模型图,电荷结构,雷暴云,三极

本章节在一个３６ｋｍｘ３６ｋｍｘｌ９ｋｍ的三维模拟域中，假设具有弱的风切逡逑变的雷暴云单体成熟期的电荷结构为垂直三极性，它由上正电荷区（Ｐ），中负逡逑电荷区（Ｎ）和下正电荷区（ＬＰ）组成（图２．１），未考虑云体顶部的负的屏蔽逡逑电荷层。各电荷区呈椭球体分布，水平中心均位于模拟域的水平中心，，其电荷逡逑密度按照公式（２．１）从中心点向外围以指数递减。逡逑ｐ邋＝邋ｐ0ｅｘｐ［－（＾邋＋邋＾！邋＋邋＾）］逦（２．１）逡逑其中，Ｐｏ是电荷区中心电荷密度，ｘＱ、ｙＱ和ｚＱ分别为电荷区中心点坐标，逡逑ｒｘ、？和匕分别是椭球体电荷区在Ｘ、Ｙ和Ｚ坐标轴上的半径，表示电荷区域的逡逑范围大小，ｐ是模拟域内格点（ｘ，ｙ，ｚ）处的电荷密度，水平格距为ｌｋｍ，垂直逡逑格距为０．５邋ｋｍ。逡逑８逡逑

电荷密度,放电类型,正电荷,密度

对放电类型产生的影响。由表中实验数据可见，随着中负和下正电荷密度的减逡逑小，前四次实验没有正地闪发生，后五次实验发生了正地闪。选取三组不同电逡逑荷密度下的实验给出放电图形如图３．４。图中，中负和下正电荷密度分别为－３．０、逡逑＋１．０邋ｎＣ／ｍ３时，只发生云闪。当中负和下正电荷密度分别增加到－２．２、＋０．６邋ｎＣ／ｍ３逡逑和－１．４、＋０．２邋ｎＣ／ｍ３均有正地闪发生。逡逑＇邋＇邋（？］逦，４［＾＾逦＾邋＾逡逑１２邋１２逡逑１0逦［Ｔ￣ｌ邋？逦１０邋，厂，！抑丨丨八）逦、Ｐ邋■逡逑＊Ｐ邋８逦ｙ逦ｊ邋８邋■逦Ｔ邋－１逦逦逦逡逑６逦［７１逦６邋＿口逡逑４逦１－４逦雪邋｜邋Ｊ逦Ｌ！Ｕ－逡逑ｊ邋（ｒ（）气）［ｉｎ邋．逦２邋ｍ邋（）为邋Ｈ＇逡逑１５逦２０逦２６逦３０逦１５逦２０逦２６逡逑ｘ（ｋｍ）逦ｘ（ｋｍ）逡逑＂［＂＂＂＇逦＇邋Ｔｒ逡逑１２逡逑ｉ0邋产＞’二邋＾？，一：一广邋＼逦－．邋■逡逑ｆｃ逦【邋Ｍ邋■逦逦邋ｒ邋１逦ｒ－＂－１逦ｊ逦．邋Ｔ逡逑Ｖ邋＾逦＾邋Ｉ逦ＩＶｉ＾Ｉ邋Ｉ逦Ｉ逦／逦／逦ｊ邋ｒ逡逑ｌ８逦Ｖ邋■＇逡逑Ｎ邋ｃ逦－—逡逑ｎ逦－■＊？＊—邋ｆ－逡逑＾逦？邋Ｊｒ＾逦ｒ逦Ｉ逦＼逦Ｖ邋￣＊＊Ｗ逡逑ｙ邋？逦Ｉ逦＼逦＼逦、逡逑ｋ邋Ａ．邋ｙ逦＾逦ＩＩ逦ｙ逦Ｉ逦ｉ逦Ｉ，．／邋￣逦１＇逡逑ｊ邋－Ｔ邋ｃ＜ｒ邋ｆ邋－）今邋ｈ邋■逡逑１５逦２０逦２５逡逑ｘ（ｋｍ）逡逑图３．邋４中负、下正中心氋度分R%为４．邋５ｋｍ和１．５ｋｍ时，不同电荷密度对应的放电类型（中负和下正逡逑电荷密度分别为邋ａ，邋－３
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P427.3

【参考文献】