上行地闪起始有利电环境特征及其放电效应的数值模拟
发布时间：2021-07-11 13:57
上行地闪依据其起始前有无其它闪电放电活动被划分为两类,一类是触发型上行地闪,一类是自持型上行地闪。目前对于上行地闪起始、传播与雷暴云电环境参数之间关系的认识还不够充分,对于上行地闪的放电效应缺乏有效的评估。本文主要是在二维雷暴云起、放电模式中植入上行地闪放电参数化方案,通过改变模式的初始扰动获得了大量上行地闪放电个例,以此来分别探讨触发型上行地闪和自持型上行地闪发展的有利电环境特征,并给出上行地闪放电对空间电位、电场、静电能以及电荷结构影响的估计值。此外,还利用新建立的触发型上行地闪模型探讨了云闪传播过程中静电场分量触发后续上行地闪事件的可能性。主要研究结果如下:1.触发型上行地闪:雷暴云模式在多种电荷背景下模拟出了前次云闪或上行地闪放电结束后触发的后续上行地闪放电事件。前次云闪或上行地闪放电中和了上部电荷区的电荷,闪电通道经过区域的空间位势和空间电场被极大改变,底部电荷区对空间电势和电场的作用凸显,雷暴云底部位势井的范围和强度都不断增大,建筑物尖端的环境电场跃增并超过触发型上行地闪的起始阈值,促使上行先导启动。此外,触发型上行地闪模型成功模拟出前次云闪传播过程中触发后续上行地闪放电的...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
接地建筑物高度与上行地闪启动时环境电场之间的关系
的科研团队也观测到了大量建筑物尖端始发的上行地闪。蒋如斌等人近些年在 32北京气象观测塔上观测到了多次上行地闪事件，其中图 2.3[25]就是他们团队于 2 9 月 27 日观测到的两次上行地闪个例。从图 2.3 的两次上行地闪光学图像可以看行先导通道有比较复杂的结构，既可以是单通道的向上传播，也可以是多分叉的向伸，这和云地闪的随机传播是有相似之处的。因此在上行先导传播上，同样采用随电参数化方案[48,49]。当闪电通道和环境点之间的电势梯度超过上行地闪的传播阈Ecrit）时，闪电通道将继续延伸。因为闪电先导头部的温度很高，临近先导头部的空气被加热，导致该区域的电离程度增加，从而使得闪电先导的传播阈值要远小于的启动阈值。参考谭涌波等[49]的先导传播阈值，在本模型中，选择 150 kV/m 作为地闪的传播阈值，且不区分正负先导以及触发和自持型上行地闪的差异。此外选择值还在一定程度上取决于放电模块的空间分辨率。在雷暴云模式中，若有多个环境足上行地闪的传播阈值，将采取与 Mansell 等[48]一样的由随机概率函数来决定下一道点的方法。
属于三极电荷结构下云闪触发型上行正地闪（ITUPLB），其中 UL2 和 UL3 均属于三极电荷结构下云闪触发型上行地闪，唯一的区别在于 UL2 出自 SEET 个例模拟结果，属于山地雷暴中的闪电，UL3出自NJ812个例模拟结果，属于平原雷暴中的闪电。图3.1(d-f)给出的是 UL1-3 发生时对应的空间电位分布。图 3.1 (a, b, c)上行地闪通道结构和空间电荷分布，(d, e, f)上行地闪通道结构和空间电位分布。图 3.1(a,d)代表 UL1，图 3.1(b, e)代表 UL2，图 3.1(c, f)代表 UL3。紫色菱形代表上行地闪的起始点，红色通道代表上行正先导，蓝色通道代表上行负先导。图 3.1(a, b, c)中黑色实线代表正电荷区，虚线代表负电荷区，等势线数值从±0.1 nC/m3开始
【参考文献】：
期刊论文
[1]Occurrence conditions of positive cloud-to-ground flashes in severe thunderstorms[J]. GUO Feng Xia,LU Gan Yi,WU Xin,WANG Hao Liang,LIU Zu Pei,BAO Min,LI Ya Wen. Science China（Earth Sciences）. 2016(07)
[2]A parameterization scheme for upward lightning in the cloud model and a discussion of the initial favorable environmental characteristics in the cloud[J]. TAN Yong Bo,CHEN Chao,ZHOU Jie Chen,ZHOU Bo Wen,ZHANG DongDong,GUO XiuFeng. Science China（Earth Sciences）. 2016(07)
[3]云闪放电对云内电荷和电位分布影响的数值模拟[J]. 谭涌波,陶善昌,祝宝友,马明,吕伟涛. 地球物理学报. 2007(04)
[4]闪电引起的地面电场变化特征及雷暴云下部的正电荷层[J]. 刘欣生,郭昌明,王才伟,言穆宏. 气象学报. 1987(04)
博士论文
[1]闪电放电与雷暴云电荷、电位分布相互关系的数值模似[D]. 谭涌波.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]空间电荷水平分布对闪电行为影响的数值模拟研究[D]. 林辉.南京信息工程大学 2018
[2]上行闪电触发以及传播的数值模拟[D]. 周博文.南京信息工程大学 2015
[3]闪电先导三维自持发展模式及应用[D]. 李丹.中国气象科学研究院 2013
本文编号：3278227
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
接地建筑物高度与上行地闪启动时环境电场之间的关系
的科研团队也观测到了大量建筑物尖端始发的上行地闪。蒋如斌等人近些年在 32北京气象观测塔上观测到了多次上行地闪事件，其中图 2.3[25]就是他们团队于 2 9 月 27 日观测到的两次上行地闪个例。从图 2.3 的两次上行地闪光学图像可以看行先导通道有比较复杂的结构，既可以是单通道的向上传播，也可以是多分叉的向伸，这和云地闪的随机传播是有相似之处的。因此在上行先导传播上，同样采用随电参数化方案[48,49]。当闪电通道和环境点之间的电势梯度超过上行地闪的传播阈Ecrit）时，闪电通道将继续延伸。因为闪电先导头部的温度很高，临近先导头部的空气被加热，导致该区域的电离程度增加，从而使得闪电先导的传播阈值要远小于的启动阈值。参考谭涌波等[49]的先导传播阈值，在本模型中，选择 150 kV/m 作为地闪的传播阈值，且不区分正负先导以及触发和自持型上行地闪的差异。此外选择值还在一定程度上取决于放电模块的空间分辨率。在雷暴云模式中，若有多个环境足上行地闪的传播阈值，将采取与 Mansell 等[48]一样的由随机概率函数来决定下一道点的方法。
属于三极电荷结构下云闪触发型上行正地闪（ITUPLB），其中 UL2 和 UL3 均属于三极电荷结构下云闪触发型上行地闪，唯一的区别在于 UL2 出自 SEET 个例模拟结果，属于山地雷暴中的闪电，UL3出自NJ812个例模拟结果，属于平原雷暴中的闪电。图3.1(d-f)给出的是 UL1-3 发生时对应的空间电位分布。图 3.1 (a, b, c)上行地闪通道结构和空间电荷分布，(d, e, f)上行地闪通道结构和空间电位分布。图 3.1(a,d)代表 UL1，图 3.1(b, e)代表 UL2，图 3.1(c, f)代表 UL3。紫色菱形代表上行地闪的起始点，红色通道代表上行正先导，蓝色通道代表上行负先导。图 3.1(a, b, c)中黑色实线代表正电荷区，虚线代表负电荷区，等势线数值从±0.1 nC/m3开始
【参考文献】：
期刊论文
[1]Occurrence conditions of positive cloud-to-ground flashes in severe thunderstorms[J]. GUO Feng Xia,LU Gan Yi,WU Xin,WANG Hao Liang,LIU Zu Pei,BAO Min,LI Ya Wen. Science China（Earth Sciences）. 2016(07)
[2]A parameterization scheme for upward lightning in the cloud model and a discussion of the initial favorable environmental characteristics in the cloud[J]. TAN Yong Bo,CHEN Chao,ZHOU Jie Chen,ZHOU Bo Wen,ZHANG DongDong,GUO XiuFeng. Science China（Earth Sciences）. 2016(07)
[3]云闪放电对云内电荷和电位分布影响的数值模拟[J]. 谭涌波,陶善昌,祝宝友,马明,吕伟涛. 地球物理学报. 2007(04)
[4]闪电引起的地面电场变化特征及雷暴云下部的正电荷层[J]. 刘欣生,郭昌明,王才伟,言穆宏. 气象学报. 1987(04)
博士论文
[1]闪电放电与雷暴云电荷、电位分布相互关系的数值模似[D]. 谭涌波.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]空间电荷水平分布对闪电行为影响的数值模拟研究[D]. 林辉.南京信息工程大学 2018
[2]上行闪电触发以及传播的数值模拟[D]. 周博文.南京信息工程大学 2015
[3]闪电先导三维自持发展模式及应用[D]. 李丹.中国气象科学研究院 2013
本文编号：3278227
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