空间电荷水平分布对闪电行为影响的数值模拟研究

发布时间：2021-07-07 23:54

　　雷暴云空间电荷结构及内部电荷分布对闪电放电的影响一直是大气电学领域的一个重要方向,电荷垂直结构的变化对闪电放电的影响已经取得较为突出的研究成果,但是其内部的电荷水平分布尚缺乏相关的观测资料和理论研究。为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电行为的影响,本文采用数值模拟方法,建立典型雷暴云垂直电荷结构模型,引入控制电荷水平分布形式的函数,利用改进的随机放电参数化方案,开展二维高分辨率（12.5m）模拟试验。为了消除雷暴云垂直电荷结构变化及闪电放电随机性的影响,本文主要设置了三套方案进行敏感性试验,各部分主要结论如下:（1）典型三极性雷暴云（含屏蔽层）电荷结构下,控制上部正电荷区、中部负电荷区的电荷总量相等,分别改变内部电荷的水平分布形式。结果表明,上部正电荷区电荷水平分布由密集不均匀变为单一均匀时,闪电类型由正地闪向正极性云闪再向负地闪变化,最后变为正极性云闪。中部负电荷区电荷水平分布趋于均匀时,闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪变化,最后变为正极性云闪。电荷水平分布对闪电先导传播有重大影响,电荷分布密集不均匀时,先导在电荷高密度中心发展,分布单一均匀时,先导在水平方向延伸十几至二... 

【文章来源】：南京信息工程大学江苏省

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图２．２两次雷暴过程的雷达数据和闪电定位研宄结果??另外，为了使模拟出的闪电更加接近真实闪电的空间形态，本文在二维笛卡尔坐标??立，７６ｋｍｘ２〇ｋｍ，

三个发展阶段：初始阶段、成熟阶段和消散阶段。对于这样的雷暴单体而言，典型的三??极性电荷结构能很好地描述其主要电荷区的电荷分布及其放电特征。此外，很多学者在??观测一些较强的单体雷暴中对观测结果进行了模型简化―，如图２．２所示：??－１３??ｐ?裏Ｉ?ｆ?＂?＇％?，一?＂?、?＼??！．．．＊?＋?＋?＋?＋?＋＋＋＋?＋?＋?＋?＋??Ｉ?－；２ｆｔＣＫ?￣２０Ｃ：?一?．．．??ｍ?７?ｒｍｍｍ?ｗａｍｍ??＜?－ｌｆｔｃ?－ｉｏｒ?一寺?ｉ〇ｃ??？?ｅｃ?ｏｒ?＋??＋?＋?＼?，?＋?＋＋?ｔ??２，Ｖｉ．ＣＭ）０４（）?射?ＪＯ?０１１０?糊?ｗａｒｄ??Ｃｅｌｌ?Ａ：?－ＣＧｓ?Ｃｅｌｌ?Ａ?ｅａｌＭｐｍ，?＾＼ｙ?ｃｄｉ?Ｂ?Ｃｔｉｌ?Ｂ；?－ＣＧｓ??妗?Ｆｅｗ??ｒｉＳ??＾？?＊？■＊＊??ｍｍ?ｍｍｎ?ｉｍｍ?ｍｕｍ?＜ｍｍ???ｗｍｔｖ?????＜ｗｍ＞??”卜?ｉｌ、＇．－，?＿?．一?－稱．…一?＇?—一??ｊｆ?，＋＋?＋?＋＋?ｓ，?＋?＋?＋－丄（：＋?＋?＋＋?＋??ｉ；“７一?十：：省广?丄?－ＨＫ－?？?，?４．?＋??十十?＇?ｎｔ＇＋?＇?ＢＣ?＋：★气．．．．??２３５ｋ働?２２?纖竭２２?谢２２?ｔｗｉｗａｒｄ??Ｃｄｌ?．４：?ｔｉｏ?Ｃｆ？ｓ?Ｃｅｌ！?Ｉ５ｔ?－ＣＣＩｓ?Ｃ＂ｅ４Ｉ?ＡＢ：?ｓｏｍｅ?－ＣＧｓ??图２．２两次雷暴过程的雷达数据和闪电定位研宄结果??另外

荷总量起主导作用。０是（２．９）式中控制电荷区电荷密度分布范围和中心位置参数。（２．１０）??式表示电荷区电荷密度呈高斯分布，（２．１１）式表示电荷区电荷密度呈变换星形线分布，??其中的１是控制密度变化速率的参数，取值范围是０．５５０?１．９５０。图２．４显示了两种??函数对应的分布曲线（雷暴云内部各个电荷Ｅ电荷密度分布由中心到边缘的变化趋势）。??￣？一＊高斯分布?｜??Ｉ：＇?——变换星形分布ｉ??Ｉ?＼?＼?＼?＼??＼?＼?Ｘ、＼?＼?＼?＼??、＼＾＾＼、、、＇、、＼?＼?＇??入＝０．５５００?％＞Ｃ、＼?＼??Ｉ?－——．??０?电荷分布范围〇??图２．４两种函数的对应分布曲线??图中红色粗线表示高斯分布，蓝色细线表示变换星形线分布Ｕ取值不同时具有不同的分布曲线），竖轴对应的是电??荷密度大小，横轴对应的是电荷分布范围，０表示电荷区的正中心。??在电荷结构模型及其内部电荷密度分布确立后，利用泊松方程（２．１２）求解模拟域??中每个格点上的空间电位值，然后通过（２．１３）式、（２．１４）式可求得各个格点上的电场??强度。将此电荷模型生成的电场作为放电模式的背景场，当某个点的电场强度达到２．１．１??节所介绍的初始击穿阈值时，则可启动一次闪电，完成该电荷分布下的闪电放电模拟。??Ｖ２ｃｐ?＝－＾?（２．１２）??￡??Ｅｘ?＝－鲤，Ｅｚ?＝－＾?（２．１３）??ｘ?ｄｘ?ｚ?ｄｚ??Ｅｔ?＝?Ｊ（Ｅ２Ｘ?＋?Ｅｚ２）?（２．１４）??上式中


本文编号：3270614