上行闪电触发以及传播的数值模拟
发布时间：2020-09-11 23:03
本论文主要工作有两部分,第一部分是建立上行闪电放电参数化方案,通过建立不同的雷暴云电荷结构分布产生不同的雷暴云空间电荷背景,定量探讨了建筑物高度对上行闪电的触发和先导入云后的传播特征的影响,雷暴云底部次正电荷分布特征对上行闪电极性的影响。第二部分是把上行闪电放电参数化方案加入已有的二维雷暴云起、放电模式,分析相对位温扰动因子ch对上行闪电产生的影响。文章的主要结论。(1)选用偶极性的雷暴云电荷结构进行模拟,模拟的上行闪电都为负极性上行闪电,在闪电起始阶段主要垂直向上发展,闪电分支比较少；到达2公里左右后,闪电开始出现大量的分支；建筑物高度对上行闪电的触发起了关键作用,建筑物越高,触发上行闪电所需要的空间背景电场就越小、越容易触发上行闪电。建筑物高度还对上行闪电传播具有一定的反作用,由于建筑物高度增加,触发上行闪电所需的背景电场就降低了,相应的云中负电荷区的电荷量降低,所以模拟出的上行闪电的水平和垂直传播距离都有所减小、通道的分形维数变小、通道传播的总长度也逐渐减小。(2)在模拟区域内加入一个三极性电荷结构模型,对上行闪电启动条件进行一些修改,通过大量的模拟实验发现：底部次正电荷区对上行先导的传播有一个屏蔽作用,当次正电荷区中心与主负电荷区中心水平距离小于1600米时,上行先导只能传递到此正电荷区内,不能再向上传播；当主负电荷区与次正电荷区的水平距离在1600～2700米之间时,即便没有反冲流光作用产生异极性电荷,上行先导发展到某一时刻也能发生极性反转,并且传递到上方的主负电荷区内形成双极性的上行闪电。上行先导的极性反转垂直高度在一定范围内波动,随着次正电荷区的电荷量增加,上行先导极性反转所到达的垂直高度有所增加。(3)将上行闪电的放电参数化方案加入已有的雷暴云二维随机起、放电模式。模拟完整雷暴发展过程中上行闪电的发展,得到以下结论：1)通过三组模拟放电实验,只有一组实验中出现了上行闪电,出现的时间为41.9min,发生在闪电的成熟阶段,两分钟之前出现了一次云闪过程,本次上行闪电被定义为被触发的上行闪电。2)根据不同时刻的电荷分布图我们可以看到本次上行闪电的触发是由于雷暴的发展以及云闪的作用增加底部次正电荷区堆积的正电荷,从而对增强了地面电场强度,触发上行闪电。3)通过敏感性实验,发现当相对位温扰动(ch)值越高,雷暴云中对流越强烈,云闪和地闪次数越多,而上行闪电并没有随之增多。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P427.3
【部分图文】：
逦１５６逡逑（２０１１）逡逑Ｗａｎｇ等人（２０１１）给出了可能形成上行双极性放电的原因ＰＳＩ，如图１所逡逑示。当负电荷控制地面时，上行正先导进入雷暴云主负电荷区后分叉，当分叉逡逑通道ｂ断裂后，其通道电导率逐渐减小，但电场强度的方向在短时间仍保持如逡逑图１邋（ａ）所示．不过，随着通道ａ的持续稳定发展，在负极性反冲流光的促进逡逑下，大量的负电荷涌向分叉点０，这可能引起己经消退的通道ｂ周围电场极性逡逑反转（如图１邋（Ｃ）中ｔ２时刻），可能进一步形成稳定传输的负先导并向正电荷逡逑区发展。因此，在ａ通道向地面释放负电荷前后，ｂ通道可能将上部正电荷向逡逑地面输送，从而形成上行双极性地闪。Ｗｉｎｎ等Ｐｚｉ邋（２０１１）利用电场探空、逡逑ＬＭＡ探测设备和地面电场变化的同步观测资料
（图中横坐标是模拟域的水平距离，纵坐标是雷暴云离地面的高度，蓝色实线表示上行闲逡逑屯先导通道；阁３．３（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）中实线和虚线分别代表正、负电位线等值线，其间隔逡逑为±５０邋ＭＶ，长方形代表建筑物；图３３（ｅ）、巧、喊、（ｈ）中实线和哰线分别代表正、负屯逡逑荷密度等值线，其值依次为±０．２，邋±０．８，邋±１．２，邋±Ｌ８ｎＣ／ｍ３，图中没画建筑物轮廓，用黑色逡逑实必菱形代表闪屯的启动点）逡逑图３．３为不同高度建筑物尖端电场刚好达到闪电启动条件时，触发的负极逡逑性的上行Ｗ巧通道结构、空间电位分布Ｗ及空阁电荷分布图，其中图３．３（ａ）、逡逑（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）分别为不同高度建筑物触发的闪电通道结构与空间电位分布图，逡逑３．３（ｅ）、（ｆ）、似、（ｈ）分别为所对应的空间电荷与闪电通道分布图。图中的电荷逡逑结构配置一致，电荷结构尺度大小一致，且建筑物宽度也相同都是５０ｍ。但由逡逑于建筑物高度不同，分别为３００邋ｍ、４００邋ｍ、５００邋ｍ、６００邋ｍ，为了使上行闪电逡逑刚好达到启动条件，负电荷区的Ｐｏ取值依次是３．８９ｎＣ／ｍ３、２．８４ｎＣ／ｍ３、２．１９逡逑
３３．１建筑物高度对上行闪电触发的影响逡逑本文统计了邋４１组刚好达到上行闪电启动条件时建筑物高度Ａ与负电荷区逡逑最大电荷密度如的关系，如图３．４所示。从图中可Ｗ看出，建筑物的高度＆与逡逑负电荷区最大电荷密度／？0具有负相关性，触发上行闪电所需建筑物氋度Ａ随着逡逑最大电荷密度Ｐ０的增加而呈线性递减。这是因为模拟的建筑物高度越高，对周逡逑围大气电场的崎变越大，氋大建筑物上触发上行闪电要比相对矮小的建筑物触逡逑发上行闪电所需要的背景电场更小，所建筑物高度越高更容易产生自行触发逡逑的上行闪电。Ｚｈｏｕｅｔａｌ．（２０１２ｂ）Ｕ２ｌ也观测到８７％的上行闪电是自行触发的，且逡逑都是负极性上行闪电。此次观测中的自行触发上行闪电比例远大于Ｗａｒｎｅｒ邋ｅｔ逡逑ａｌ．（２０１２ｂ）ｔＷ的观测结果，其原因之一是Ｇａｉｓｂｅ巧Ｔｏｗｅｒ坐落的山比周围地形高逡逑８００ｍ，而美国Ｒａｐｉｄ邋Ｃｉｔｙ地坐落的黑山只比周围地形高２２５ｍ，Ｇａｉｓｂｅｒｇ邋Ｔｏｗｅｒ逡逑相对商度更高
本文编号：2817292
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P427.3
【部分图文】：
逦１５６逡逑（２０１１）逡逑Ｗａｎｇ等人（２０１１）给出了可能形成上行双极性放电的原因ＰＳＩ，如图１所逡逑示。当负电荷控制地面时，上行正先导进入雷暴云主负电荷区后分叉，当分叉逡逑通道ｂ断裂后，其通道电导率逐渐减小，但电场强度的方向在短时间仍保持如逡逑图１邋（ａ）所示．不过，随着通道ａ的持续稳定发展，在负极性反冲流光的促进逡逑下，大量的负电荷涌向分叉点０，这可能引起己经消退的通道ｂ周围电场极性逡逑反转（如图１邋（Ｃ）中ｔ２时刻），可能进一步形成稳定传输的负先导并向正电荷逡逑区发展。因此，在ａ通道向地面释放负电荷前后，ｂ通道可能将上部正电荷向逡逑地面输送，从而形成上行双极性地闪。Ｗｉｎｎ等Ｐｚｉ邋（２０１１）利用电场探空、逡逑ＬＭＡ探测设备和地面电场变化的同步观测资料
（图中横坐标是模拟域的水平距离，纵坐标是雷暴云离地面的高度，蓝色实线表示上行闲逡逑屯先导通道；阁３．３（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）中实线和虚线分别代表正、负电位线等值线，其间隔逡逑为±５０邋ＭＶ，长方形代表建筑物；图３３（ｅ）、巧、喊、（ｈ）中实线和哰线分别代表正、负屯逡逑荷密度等值线，其值依次为±０．２，邋±０．８，邋±１．２，邋±Ｌ８ｎＣ／ｍ３，图中没画建筑物轮廓，用黑色逡逑实必菱形代表闪屯的启动点）逡逑图３．３为不同高度建筑物尖端电场刚好达到闪电启动条件时，触发的负极逡逑性的上行Ｗ巧通道结构、空间电位分布Ｗ及空阁电荷分布图，其中图３．３（ａ）、逡逑（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）分别为不同高度建筑物触发的闪电通道结构与空间电位分布图，逡逑３．３（ｅ）、（ｆ）、似、（ｈ）分别为所对应的空间电荷与闪电通道分布图。图中的电荷逡逑结构配置一致，电荷结构尺度大小一致，且建筑物宽度也相同都是５０ｍ。但由逡逑于建筑物高度不同，分别为３００邋ｍ、４００邋ｍ、５００邋ｍ、６００邋ｍ，为了使上行闪电逡逑刚好达到启动条件，负电荷区的Ｐｏ取值依次是３．８９ｎＣ／ｍ３、２．８４ｎＣ／ｍ３、２．１９逡逑
３３．１建筑物高度对上行闪电触发的影响逡逑本文统计了邋４１组刚好达到上行闪电启动条件时建筑物高度Ａ与负电荷区逡逑最大电荷密度如的关系，如图３．４所示。从图中可Ｗ看出，建筑物的高度＆与逡逑负电荷区最大电荷密度／？0具有负相关性，触发上行闪电所需建筑物氋度Ａ随着逡逑最大电荷密度Ｐ０的增加而呈线性递减。这是因为模拟的建筑物高度越高，对周逡逑围大气电场的崎变越大，氋大建筑物上触发上行闪电要比相对矮小的建筑物触逡逑发上行闪电所需要的背景电场更小，所建筑物高度越高更容易产生自行触发逡逑的上行闪电。Ｚｈｏｕｅｔａｌ．（２０１２ｂ）Ｕ２ｌ也观测到８７％的上行闪电是自行触发的，且逡逑都是负极性上行闪电。此次观测中的自行触发上行闪电比例远大于Ｗａｒｎｅｒ邋ｅｔ逡逑ａｌ．（２０１２ｂ）ｔＷ的观测结果，其原因之一是Ｇａｉｓｂｅ巧Ｔｏｗｅｒ坐落的山比周围地形高逡逑８００ｍ，而美国Ｒａｐｉｄ邋Ｃｉｔｙ地坐落的黑山只比周围地形高２２５ｍ，Ｇａｉｓｂｅｒｇ邋Ｔｏｗｅｒ逡逑相对商度更高
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 JIANG Ru-Bin;SUN Zhu-Ling;WU Zhi-Jun;;Concurrent Upward Lightning Flashes from Two Towers[J];Atmospheric and Oceanic Science Letters;2014年03期
本文编号：2817292
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