電荷結(jié)構(gòu)相對位置對閃電類型影響的數(shù)值模擬

馬益平，錢 程，夏時哲，何曉偉，陳 俊

（浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315800）

電荷結(jié)構(gòu)相對位置對閃電類型影響的數(shù)值模擬

馬益平，錢 程，夏時哲，何曉偉，陳 俊

（浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315800）

在雷暴云三極性電荷結(jié)構(gòu)模型下，加入隨機放電參數(shù)方案，通過高分辨率模擬實驗，主要研究了雷暴云電荷去位置對閃電類型的影響。結(jié)果表明：1）隨著雷暴云底部正電荷區(qū)偏移程度的增大，產(chǎn)生的閃電類型依次從負(fù)地閃變成反極性云閃再變成正極性云閃；2）隨著雷暴云中部負(fù)電荷區(qū)偏移程度的增大，產(chǎn)生的閃電類型從負(fù)地閃變成反極性云閃，當(dāng)偏移到一定程度時閃電不發(fā)生；3）閃電的類型與雷暴云下部正、負(fù)電荷區(qū)的相對位置有關(guān)，不同類型閃電的產(chǎn)生對應(yīng)不同相對位置的范圍。

電荷區(qū)位置；偏移程度；閃電類型；數(shù)值模擬

0 引言

根據(jù)閃電通道到達(dá)的位置，閃電分為云閃和地閃兩大類，其中地閃是人類防御的重點。早期，人們只是根據(jù)地面電場儀以及閃電引起的電場變化來推斷雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)。Wilson[1]認(rèn)為雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)是上部為正電荷堆，下部為負(fù)電荷堆的偶極性分布，后來隨著研究的深入以及觀測技術(shù)的發(fā)展，有很多的科學(xué)家通過電場探空等探測到有的雷暴云底部還會有一個小的正電荷堆[2-4]。張義軍等[5]通過三維雷電VHF輻射源的觀測資料，研究了雷暴云底部正電荷區(qū)對負(fù)地閃的影響。譚涌波等[6-7]采用高分辨率放電模擬實驗，主要研究了正電荷區(qū)密度對閃電類型的影響。對于這種雷暴云電荷結(jié)構(gòu)垂直的情況已經(jīng)有了許多的研究，但是在實際的雷暴云中，它的電荷結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比上述垂直分布的偶極性或三極性電荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多。日本的冬季雷暴中經(jīng)常發(fā)生正地閃，就有人用傾斜的偶極性電荷結(jié)構(gòu)來解釋這種現(xiàn)象，指出是很強的風(fēng)切變使得雷暴云上部的正電荷區(qū)顯露出來而對地放電形成正地閃[8]。還有其他學(xué)者[9-11]對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

筆者在雷暴云三極性電荷結(jié)構(gòu)模型下，加入隨機放電參數(shù)方案，通過高分辨率模擬實驗，主要研究了雷暴云電荷去位置對閃電類型的影響，主要討論雷暴云下部正、負(fù)電荷區(qū)的相對位置對閃電類型的影響。

1 模擬方法

數(shù)值模擬是一種與實際觀測互補的研究手段，譚涌波等[6-7]，建立了高分辨率的閃電參數(shù)化方案，筆者在此基礎(chǔ)上，利用一個典型的三極性電荷結(jié)構(gòu)的假定，進(jìn)行雷暴云二維12.5 m×12.5 m高分辨率放電模擬實驗，目的是利用地閃通道的傳播特性和幾何結(jié)構(gòu)典型的模擬結(jié)果，給出雷暴云電荷區(qū)位置對閃電類型的影響，主要研究雷暴云底部正、負(fù)極性電荷區(qū)的相對位置對隨機產(chǎn)生閃電類型的影響。

1.1 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)

為了更真實的模擬閃電通道直徑以及空間分布形態(tài)，筆者采用高分辨率的笛卡爾坐標(biāo)系，電荷結(jié)構(gòu)的空間分辨率為12.5 m×12.5 m。雷暴云主要分為三個電荷結(jié)構(gòu)區(qū)，從最高層到最低層依次為：負(fù)的屏蔽層電荷區(qū)（S）、上部正電荷區(qū)（P）、主負(fù)電荷區(qū)（N）、底部正電荷區(qū)（LP）（如圖1所示），即在典型的雷暴云三極結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了云頂屏蔽層[12]。利用三極電荷結(jié)構(gòu)層以及云頂屏蔽層，能夠真實的反映出雷暴云實際電荷結(jié)構(gòu)。圖1中，橢圓結(jié)構(gòu)表示雷暴云每個電荷結(jié)構(gòu)區(qū)，該橢圓結(jié)構(gòu)分別用rx和ry分別表示雷暴云電荷區(qū)的長、短半軸，電荷區(qū)的中心位置由（X0，Z0）決定，且用r0來表示雷暴云電荷區(qū)最大密度值。用XOLP來表示雷暴云底部正電荷區(qū)的位置，負(fù)電荷位置由XON表示。筆者主要研究了N區(qū)與LP區(qū)的位置對閃電類型的影響，因此在研究過程中，通過控制變化法，使得其它值保持不變，通過改變X0的變化，雷暴云電荷區(qū)的空間分布范圍，根據(jù)Krehbiel[2]的研究結(jié)果（如表1所示）。為了方便討論，定義r0x為雷暴云每個電荷區(qū)的最大電荷密度值。下標(biāo)x可以是S、P、N以及LP，分別對應(yīng)不同的電荷區(qū)。

表1 雷暴云電荷區(qū)的幾何和電參數(shù)Table 1 Geometric and electrical parameters of the charge region of the thunderstorm cloud

圖1 雷暴云經(jīng)典三極電荷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the classical three-pole charge structure of thunderstorm cloud

1.2 閃電啟動條件

其中閃電的啟動條件設(shè)置為：本文選Ebe為閃電的初始擊穿閾值，它是隨著高度的變化而變化的。

Ebe的單位是kV．m-1，ρ是空氣密度（kg·m-3）它與高度z（km）有關(guān)，圖2的點線區(qū)域A就是逃逸電子域，它的范圍是500 m×500 m，×為閃電的觸發(fā)點，實心黑點是已經(jīng)發(fā)生了的閃電通道，黑色實線代表的是正先導(dǎo)的通道，灰色實線代表的是負(fù)先導(dǎo)的通道，虛線所在的附近為這個通道點有可能繼續(xù)發(fā)展的通道點。如果模擬域內(nèi)的哪個格點上面的電場強度超過了300 kV·m-1，即超過了空氣的擊穿閾值時，這個點即為閃電觸發(fā)點。然后根據(jù)該閃電位置觸發(fā)點，計算出周圍所有可能觸發(fā)閃電的位置。

圖2 閃電初始擊穿示意圖Fig.2 Schematic diagram of initial breakdown of lightning

1.3 閃電的傳播方式

閃電是從起始點開始從兩個方向傳播的，在閃電通道擴展過程的模擬實驗中，正、負(fù)先導(dǎo)能不能繼續(xù)發(fā)展，是根據(jù)它們自己的傳播條件來判斷的。文中假設(shè)兩種先導(dǎo)自己的傳播條件是一樣的，即通斷的端點與旁邊環(huán)境的格點的點位差大于傳播閾值（如150 kV·m-1）時就可以發(fā)展也就是說，兩種先導(dǎo)都是每次只往后發(fā)展一個點；然后計算所有的已經(jīng)發(fā)展的點與附近點之間的電場強度，通過各通道點與附近點之間的電位差確定的概率大小隨機選擇正、負(fù)通道各自的通道后繼點。

2 模擬結(jié)果

根據(jù)雷暴云三極性電荷結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合隨機放電參數(shù)方案，對閃電隨機放電進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬分辨率為12.5 m×12.5 m，研究了雷暴云電荷位置對隨機產(chǎn)生閃電類型的影響，筆者主要研究了雷暴云LP、N區(qū)的相對位置對產(chǎn)生閃電類型的影響。因此，在模擬實驗時要改變的參數(shù)只是LP區(qū)和N區(qū)的XON的值的大小，其他參數(shù)是在產(chǎn)生負(fù)地閃的電荷分布范圍和密度大小的條件下進(jìn)行模擬的，參數(shù)如表1所示。當(dāng)雷暴云LP區(qū)和N區(qū)的XON的值的大小都為38 km時，即雷暴云電荷結(jié)構(gòu)垂直時進(jìn)行模擬實驗得出的結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出閃電在雷暴云下部正負(fù)電荷區(qū)交界處觸發(fā)，正負(fù)先導(dǎo)從啟動點開始垂直延伸一段距離，正先導(dǎo)向負(fù)電荷區(qū)傳播，到達(dá)高密度電荷區(qū)后水平延生形成大量的分支結(jié)構(gòu)，負(fù)先導(dǎo)向正電荷區(qū)傳播，到達(dá)高密度電荷區(qū)后有的水平延生形成大量分支結(jié)構(gòu)，也有的分支繼續(xù)向下到達(dá)地面，這明顯可以看出是負(fù)地閃。

表2 雷暴云電參數(shù)Table 2 Thunderstorm cloud power parameters

圖3 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of charge structure of thunderstorm cloud

2.1 雷暴云LP區(qū)的位置對閃電類型的影響

XOLP為雷暴云電荷結(jié)構(gòu)中正電荷的中心位置，首先改變正電荷中心位置的大小，來研究雷暴云中LP區(qū)位置對閃電類型的影響。其他結(jié)構(gòu)配置都不變，XOLP依次取值是37.5 km，37 km，36.5 km，36 km，分別進(jìn)行模擬實驗。圖4為雷暴云正電荷中心不同位置處，產(chǎn)生的閃電類型，圖4（a）、圖4（b）分別表示雷暴云底部正電荷中心位置偏移了不同距離時，模擬產(chǎn)生的閃電。其中圖4（a）表示中心位置偏移0.5 km，圖（b）為偏移1 km模擬結(jié)果。從圖（b）圖可以看出，閃電從正負(fù)電荷交界處觸發(fā)后傾斜的延伸一段距離，正先導(dǎo)到達(dá)負(fù)電荷區(qū)的高密度中心后水平延伸，向右邊延伸的長度比左邊的長，負(fù)先導(dǎo)向下傳播到達(dá)正電荷區(qū)的高密度中心后水平延伸，有的分支向下發(fā)展擊中地面。圖（c）表示中心位置偏移1.5 km，圖（d）為偏移2 km模擬結(jié)果，從圖（c）、圖（d）可以看出，在正電荷區(qū)以及中部電荷區(qū)之間有閃電觸發(fā)，產(chǎn)生的負(fù)極性先導(dǎo)發(fā)展到正電荷區(qū)時，沿著水平方向發(fā)展，沒有與地面接觸。根據(jù)上述分析得出，雷暴云底部正電荷區(qū)位置發(fā)生偏移程度增加時，觸發(fā)的閃電類型從負(fù)地閃向正極性云閃轉(zhuǎn)化。

圖4 雷暴云LP區(qū)在不同位置時的閃電通道結(jié)構(gòu)和空間電荷分布Fig.4 Lightning channel structure and space charge distribution in thunderstorm LP region at different positions

從圖4（b）到圖4（c），底部正電荷區(qū)移動了0.5 km，閃電的啟動點發(fā)生了變化，使得閃電類型由負(fù)地閃變成了正極性云閃，為了弄清楚在這0.5 km的范圍內(nèi)還有沒有其他類型的閃電產(chǎn)生，比如反極性云閃的產(chǎn)生，筆者在37 km至36.5 km之間再取9個點做模擬實驗，即從37 km開始每隔0.05 km取一個點做模擬實驗，結(jié)果顯示，當(dāng)雷暴云底部正電荷區(qū)在一定的位置還會產(chǎn)生反極性云閃。

以上結(jié)果表明：1）雷暴云LP區(qū)的位置對閃電類型的影響很大，當(dāng)LP區(qū)偏移較小時閃電的啟動點在底部正電荷區(qū)與中部負(fù)電荷區(qū)之間，正負(fù)先導(dǎo)從啟動點開始傾斜的傳播一段距離，負(fù)先導(dǎo)到底正電荷區(qū)的高密度中心后水平延伸，向右邊的延伸距離比左邊的要長，負(fù)先導(dǎo)到達(dá)正電荷區(qū)后有大量分支，有的分支穿過正電荷區(qū)接地，而且隨著電荷區(qū)向左邊偏移程度的增加，閃電擊中地面的點向左邊水平的移動；2）當(dāng)雷暴云LP區(qū)偏移到一定程度時閃電類型發(fā)生變化，負(fù)先導(dǎo)向下傳播到達(dá)正電荷區(qū)后水平延伸產(chǎn)生大量的分支但是不會繼續(xù)向下發(fā)展到達(dá)地面，發(fā)生的是反極性云閃，正先導(dǎo)向上傳播到達(dá)負(fù)電荷區(qū)后水平延伸，但是可以很明顯的看出，閃電向右邊延伸的長度比向左邊延伸的長度要長很多，有的分支甚至向右延伸穿過了電荷區(qū)，但穿過電荷區(qū)之后成單線發(fā)展；3）當(dāng)雷暴云LP區(qū)繼續(xù)向左偏移時，閃電啟動點發(fā)生了變化，閃電起始于雷暴云上部正電荷區(qū)與中部負(fù)電荷區(qū)之間，發(fā)生的是正極性云閃，正負(fù)先導(dǎo)同時產(chǎn)生，正先導(dǎo)向負(fù)電荷區(qū)傳播，負(fù)先導(dǎo)向正電荷區(qū)傳播，到達(dá)電荷區(qū)的高密度中心之后，正負(fù)先導(dǎo)開始水平延伸形成大量分支結(jié)構(gòu)，整個通道呈現(xiàn)的是一個雙層水平分支結(jié)構(gòu)。

2.2 雷暴云N區(qū)的位置對閃電類型的影響

根據(jù)上文可知，XON表示雷暴云中負(fù)電荷區(qū)的中心位置，筆者通過改變XON的大小來探討N區(qū)的位置對閃電行為的影響。雷暴云電荷區(qū)的其他結(jié)構(gòu)配置都不變，XON依次取值是37.75 km，37.50 km，37.25 km，37.00 km分別進(jìn)行模擬實驗。圖5（a）是在雷暴云N區(qū)偏移了0.25 km時模擬出的閃電通道結(jié)構(gòu)和空間電荷分布圖，閃電始發(fā)與雷暴云下部正負(fù)電荷區(qū)之間，閃電從正負(fù)電荷交界處觸發(fā)后垂直的延伸一段距離，正先導(dǎo)到達(dá)負(fù)電荷區(qū)的高密度中心后水平延伸，負(fù)先導(dǎo)向下傳播到正電荷區(qū)之后，產(chǎn)生大量的分支，有的分支繼續(xù)向下?lián)糁械孛?，發(fā)生的是負(fù)地閃，但是地閃的擊地點對比起始點水平移動了將近0.5 km。圖5（b）、（c）、（d）三圖是分別在雷暴云N區(qū)分別偏移了0.5 km，0.75 km，1 km時模擬出的閃電通道結(jié)構(gòu)和空間電荷分布圖，發(fā)生的都是反極性云閃，但是先導(dǎo)和傳播行為也有一定的不同，隨著N區(qū)偏移程度的增大，先導(dǎo)自觸發(fā)點產(chǎn)生之后是傾斜著傳播的，到達(dá)正負(fù)電荷區(qū)的高密度中心之后再水平延伸產(chǎn)生大量分支，但是可以明顯的看出（d）圖中閃電通道向左邊延伸的距離要比其他的長，有的分支甚至向左發(fā)展向左穿過了電荷區(qū)。

圖5 雷暴云N區(qū)在不同位置時的閃電通道結(jié)構(gòu)和空間電荷分布Fig.5 Lightning channel structure and space charge distribution of thunderstorm cloud N region at different positions

以上結(jié)果表明：1）當(dāng)雷暴云N區(qū)偏移較小時閃電的啟動點在底部正電荷區(qū)與中部負(fù)電荷區(qū)之間，正負(fù)先導(dǎo)從啟動點開始垂直的傳播一段距離，負(fù)先導(dǎo)傳播到底部正電荷區(qū)的高密度中心后水平延伸產(chǎn)生大量分支，有的分支穿過正電荷區(qū)接地，產(chǎn)生的是負(fù)地閃。但是隨著電荷區(qū)向左邊偏移程度的增加閃電通道結(jié)果也有區(qū)別，對比原始點，隨著雷暴云N區(qū)向左偏移閃電擊地點的向左邊水平移動；2）當(dāng)雷暴云N區(qū)繼續(xù)向左邊移動，閃電的啟動點不發(fā)生變化，還是產(chǎn)生于雷暴云下部正負(fù)電荷區(qū)之間，但是閃電通道到達(dá)的位置發(fā)生了變化，負(fù)先導(dǎo)到達(dá)底部正電荷區(qū)之后不會繼續(xù)向下發(fā)展擊中地面，產(chǎn)生的是反極性云閃。雷暴云N區(qū)的偏移程度在一定范圍內(nèi)時產(chǎn)生的都是反極性云閃，但是閃電通道結(jié)構(gòu)有一定差異，傾斜程度增大以后，閃電從起始點觸發(fā)以后會先傾斜的傳播一定距離，到達(dá)正負(fù)電荷區(qū)的高密度中心之后水平延伸產(chǎn)生大量分支，但是向左邊延伸的長度比向右邊延伸的長度長很多，有的分支向左延伸穿過了電荷區(qū)，但穿過電荷區(qū)之后成單線發(fā)展；3）當(dāng)雷暴云N區(qū)向左偏移的距離太大時，閃電就不再產(chǎn)生了。

3 結(jié)論

在雷暴云三極性電荷結(jié)構(gòu)模型下，加入隨機放電參數(shù)方案，通過高分辨率模擬實驗，主要研究了雷暴云電荷去位置對閃電類型的影響，主要得出以下四點結(jié)論：

1）雷暴云底部正電荷區(qū)位置發(fā)生偏移程度增加時，觸發(fā)的閃電類型從負(fù)地閃向正極性云閃轉(zhuǎn)化；

2）雷暴云中部負(fù)電荷區(qū)的位置也對閃電類型有很大的影響，隨著雷暴云中部負(fù)電荷區(qū)位置偏移程度的增大，閃電類型從負(fù)地閃變成反極性云閃，當(dāng)偏移到一定程度的時候閃電不發(fā)生；

3）閃電類型與雷暴云下部正負(fù)電荷區(qū)的相對位置有關(guān)，雷暴云下部正負(fù)電荷區(qū)的中心位置的水平距離在0～1.25 km之內(nèi)才會產(chǎn)生負(fù)地閃，在水平距離大于0.75 km時才會產(chǎn)生反極性云閃，水平距離大于1 km才會產(chǎn)生正極性云閃，在0.75km～1.25 km范圍內(nèi)，三種閃電都可能產(chǎn)生；

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Numerical Simulation of the Effect of Relative Position of Charge Structure on Lightning Type

MA Yiping,QIAN Cheng,XIA Shizhe,HE Xiaowei,CHEN Jun
（Ningbo Electric power supply company,Zhejiang Electric Power Company,Ningbo 315800,China）

By using the model of the thunderstorm cloud with three pole charge structure and com?bining with the random discharge parameter scheme,the influence of the charge region position on dis?charge type is studied through high resolution experiments.The results show:1)With the increase of thun?derstorm cloud bottom positive charge region offset degree,the lighting type changes from negative CG flashes to inverted IC lighting and then to positive polarity IC lighting;2)With the increase of thunder?storm cloud middle positive charge region offset degree,the lighting type changes from negative CG flash?es to inverted IC lighting,and then the offset to a certain extent lighting does not occur;3)the type of light?ing is related to relative position of thunderstorm lower on the positive and negative charge region,differ?ent types of lighting corresponding to different relative positions.

charge region position；offset degree；lightning type；numerical simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.027

2017-02-20

馬益平（1964—），男，高級工程師，研究方向:電力系統(tǒng)運行管理及綜合控制。