雷電客觀數(shù)值預(yù)報探索

關(guān)屹瀛 ，楊 帆 ，張 洋 ，王連仲 ，滕 昊 ，趙廣娜 ，張惠君

(1.黑龍江省氣象局機關(guān)服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱150030;2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽110000;3.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030)

1 引言

雷電（閃電）是雷暴天氣中發(fā)生的一種長距離瞬時放電現(xiàn)象[1]。雷電產(chǎn)生的大峰值電流、高峰值功率、炙熱高溫、強電磁輻射和沖擊波等物理效應(yīng)，會對地面建筑、森林、電力和電子設(shè)備、航海、航空航天、通信等產(chǎn)生破壞作用，甚至威脅人的生命。因此，及時提供準確、高效的雷電預(yù)報，從而提前防護雷電可能造成的災(zāi)害，為國民經(jīng)濟發(fā)展保駕護航具有十分重要的意義。

目前對雷電的預(yù)警，大都是用基于閃電定位資料，通過疊加雷達資料進行線性外推的結(jié)果，以及尋找與雷電相關(guān)的氣象要素統(tǒng)計相關(guān)性，進而達到對雷電的預(yù)警，如Bothwell和Shafer，F(xiàn)uelberg用統(tǒng)計方法去尋求所發(fā)生地閃的強度與氣象要素場之間的聯(lián)系。這種方法缺乏對雷電活動進行有效的分析和準確的預(yù)報。

在國內(nèi)，陳渭民指出[2]：積云內(nèi)電場正負及大小與云內(nèi)粒子的相變密切相關(guān)。翟麗[3]、周筠珺 、蔣大凱、伍魏、李曉敏提出雷電強度與風切變密切相關(guān)。

2 建立動力學方程組

在雷電動力學G模型的基礎(chǔ)上建立G方程組

(1)Navier－Stokes（納維－斯托克斯）運動方程[4]

其中P為壓力，τ為黏性應(yīng)力矢量。

(2)熱力學方程[5]

其中θ為位溫，Q為外界對空氣團的加熱率，T為溫度。

(3)氣壓方程[6]

則有如下的氣壓預(yù)報方程：

這里，π’是無量綱氣壓擾動量，式中的C是絕熱聲速，D是次網(wǎng)格尺度項。

(4)水物質(zhì)守恒方程

水物質(zhì)分為水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹七類。模式中水物質(zhì)預(yù)報方程共有12個，即水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹的比含水量方程和雨水、冰晶、雪、霰和雹的比濃度方程，分別為[6]：

式中，等號右邊第一項為微物理起電過程源匯項，第二項為雷諾平均的湍流通量，第三項為降水性水成物的重力沉降移出率，Vx為雨水、冰晶、雪、霰和雹的下落末速度。

(5)水物質(zhì)電荷密度守恒方程

雷暴云中云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹粒子在各種起電機制作用下攜帶一定的電荷，其電荷密度方程分別為[6]：

式中，等號右邊第一項為起電過程源匯項，第二項為雷諾平均的湍流通量項，第三項為降水性水成物的重力沉降移出率，Vx為雨水、冰晶、雪、霰和雹的下落末速度。

(6)建立了積云電場G方程

定義云粒子貢獻半徑為：

其中 Qi,p,pi,Noi分別為云內(nèi)各粒子 （i=1，2，3，4，…不同代表云滴、水滴、冰晶、霰）的混合比、空氣密度、云內(nèi)粒子密度、數(shù)密度（這里近似取常數(shù)，近似采用積分數(shù)密度）。

基于對電荷本質(zhì)的認識[7]，通過滴水起電實驗，建立了流體電場G方程，經(jīng)過數(shù)學推導得到積云電場G方程[8]。

對云做對流近似后得到對流云電場G方程：

上式中p為氣壓，為空氣密度，p0,T0,p0為基本狀態(tài)物理量，p′,T′,q′v分別為由積云對流引起的擾動壓力、擾動溫度、擾動水汽，z為垂直高度，g為重力加速度 ，q′v為比濕，qi為比含水量，F(xiàn)z是在垂直方向上的湍流粘性力。

圖2 2019年8月1日15時（世界時為07時）

圖1 技術(shù)路線

上式的左邊是電場相對變化率，右邊大括號內(nèi)第一項（中括號內(nèi)）主要反映了對流強度的大小，是云粒子宏觀運動對云內(nèi)電場相對變化率的貢獻；右邊大括號內(nèi)第二項主要反映了云內(nèi)各粒子混合比對數(shù)變化率及云粒子的碰并速度對云粒子荷電的貢獻，它反映了微觀物理過程對云內(nèi)電場相對變化率的貢獻；右邊最后一項是大氣電場與云內(nèi)電場的相互作用。因第三項作用微小，一般可忽略。因此，雷云荷電主要與前兩項密切相關(guān)。

3 建立雷電客觀數(shù)值預(yù)報G模式

利用編程語言將G方程組的差分方程轉(zhuǎn)換成閃電數(shù)值預(yù)報G模式。

在基于實驗建立起來的雷電動力學G模型的基礎(chǔ)上，篩選WRF數(shù)值預(yù)報輸出產(chǎn)品，進而建立了雷電動力學差分方程，再利用編程語言對相關(guān)要素進行后處理，從而建立雷電客觀預(yù)報G模式。

4 雷電客觀預(yù)報G模式產(chǎn)品與實況對比

利用閃電數(shù)值預(yù)報G模式預(yù)報

圖3 2019年8月2日16時（世界時為08時）

圖4 2019年8月3日14時 （世界時06時）

圖5 2019年8月5日23時（世界時15時）

5 結(jié)論

通過雷電客觀數(shù)值預(yù)報G模式的預(yù)報產(chǎn)品與實況對比，可以得出：在實驗基礎(chǔ)上建立起來的積云電場G方程是科學的、可信的；在此基礎(chǔ)上，通過編程語言建立的閃電數(shù)值預(yù)報G模式較好地反映了閃電發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，是能夠為海上艦船、航空航天及火箭發(fā)射、森林防火等各行各業(yè)提供及時、長效的雷電客觀數(shù)值預(yù)報，從而減少或避免雷電造成的重大危害。