中高層電參數(shù)的晝夜差異對(duì)地閃回?fù)綦姶艌?chǎng)傳播的影響

楊許鉑，黃翰林

（1.海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南 三亞 570022；2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

0 引言

因?yàn)榇箅娏骱臀⒚肓考?jí)的短暫時(shí)間尺度，云地閃回?fù)糨椛涑鰪?qiáng)烈的電磁脈沖（electromagnetic pulse，EMP）。該輻射場(chǎng)能量主要集中在甚低頻（Very low frequency，VLF）波段[1］，可長(zhǎng)距離傳播。一部分輻射波向上傳播，與高層大氣中電離層區(qū)域的等離子體相互作用，加熱此處的電子，增加電子與中性分子的碰撞率，增強(qiáng)其電離和吸附作用，并激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生紅環(huán)精靈（Elves）。同時(shí)，閃電會(huì)中和雷暴云中的電荷，打破靜電平衡，產(chǎn)生準(zhǔn)靜電場(chǎng)（Quasi-electrostatic field，QE），QE 感應(yīng)場(chǎng)同樣可滲透進(jìn)入電離層底層，加熱引起電離和光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生紅色精靈（Sprits）[2］。QE 和EMP 的加熱機(jī)制也許相同，但二者的場(chǎng)形態(tài)特征和持續(xù)時(shí)間尺度不同，因此對(duì)電離層的加熱和電離區(qū)域有所不同，產(chǎn)生的Elves和Sprits也不一樣。

閃電放電電場(chǎng)作用于電離層低層是一個(gè)復(fù)雜且具有多特征的物理問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)除了觀測(cè)實(shí)驗(yàn)外，還需要借助數(shù)值模擬方法以探討其內(nèi)在的物理機(jī)制圖像。Taranenko 等[3-4］首次建立了一個(gè)一維全動(dòng)力學(xué)模型模擬EMP 場(chǎng)引起的電離作用，計(jì)算了其光輻射含量變化。Inan 等[5］則建立一個(gè)二維圓柱坐標(biāo)模型，采用時(shí)域有限差分方法來(lái)模擬分析地閃EMP 引發(fā)的電離層參數(shù)變化。Veronis 等[6］、Barringtonleigh[7］擴(kuò)展了這個(gè)二維模式，考慮約500 ms 特征時(shí)間的慢速放電電流，研究了感應(yīng)場(chǎng)對(duì)電離層的影響。Cho等[8］分別編寫了一個(gè)電磁場(chǎng)和一個(gè)準(zhǔn)靜電場(chǎng)的計(jì)算機(jī)程序，考察輻射場(chǎng)和感應(yīng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及產(chǎn)生的Elves和Sprites光學(xué)特征。Rodger等[9］采用位于美國(guó)檢測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)，帶入Cho等[8］的電磁場(chǎng)程序中，模擬研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)的閃電EMP 事件可能會(huì)使得低電離層電子密度增大至背景值2 倍以上。Marshall 等[10］提出了一個(gè)三維的閃電EMP 與低電離層相互作用的時(shí)域有限差分模型，該模型預(yù)測(cè)連續(xù)的云地閃和云閃活動(dòng)會(huì)引起電離層D層密度的長(zhǎng)時(shí)變化。張其林等[11］則計(jì)入了強(qiáng)輻射場(chǎng)中高層大氣的非線性加熱與電離作用，使用時(shí)域有限差分模型模擬輻射場(chǎng)在中高層大氣的波形，并和Lu[12］的解析算法進(jìn)行了對(duì)比分析。Wang等[13］采用張其林等[11］的模型，計(jì)入重力波對(duì)中性波大氣的擾動(dòng)，模擬研究該條件下輻射場(chǎng)波形的變化及光學(xué)特征。

上述模型較好地解釋了一些閃電放電作用于電離層效應(yīng)的觀測(cè)現(xiàn)象，但這些模型使用的是簡(jiǎn)單恒定大氣電導(dǎo)率剖面以及僅兩個(gè)參數(shù)確定的雙指數(shù)函數(shù)的電子密度公式[14］，沒(méi)有考慮時(shí)間變化和地區(qū)差異，一定程度上限制了模型的研究范圍。根據(jù)麥克斯韋理論，大氣中電導(dǎo)率決定電磁波能量損失的程度，其剖面形態(tài)更決定著電波反射高度，電子密度也是非線性效應(yīng)中的重要參數(shù)。國(guó)際參考電離層（IRI）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂稍谥付〞r(shí)間地點(diǎn)參數(shù)下提供電離層電子離子及溫度等信息，Schlegel等[15］給出了一種已知電子密度及溫度等參數(shù)下計(jì)算D 層電導(dǎo)率的方法，本次研究中將使用該方法獲得可隨時(shí)間地點(diǎn)變換的大氣電導(dǎo)率剖面及電子密度剖面。

從麥克斯韋方程組出發(fā)，采用時(shí)域有限差分法構(gòu)建一個(gè)二維地閃回?fù)艏ぐl(fā)的電磁波在地面-電離層波導(dǎo)傳播模型，模型耦合了高層大氣電場(chǎng)對(duì)電子加熱和電離的非線性效應(yīng)。其背景參數(shù)則采用基于國(guó)際參考電離模型提供的電離層電子等參數(shù)以及用這些參數(shù)構(gòu)建的大氣電導(dǎo)率剖面，并以此分析晝、夜條件下，地閃回?fù)綦姶艌?chǎng)在電離層傳播的差異。

1 地閃回?fù)綦姶挪▊鞑ツＰ?/h2>

1.1 模型出發(fā)方程

隨著海拔高度增加，中性大氣的帶電粒子成分逐漸增多，地閃回?fù)艏ぐl(fā)的電磁波在此區(qū)域傳播時(shí)，需要考慮到導(dǎo)電大氣對(duì)電磁波的損耗?？闪邢旅纣溈怂鬼f方程組[16］為

其中：σ為大氣電導(dǎo)率；分別為電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度；ε0和μ0分別是真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率;為回?fù)綦娏髅芏?，豎直向上為正，位于海拔高度0～10 km 的閃電通道中，是閃電放電EMP 的源。基底電流Ir(0，t)和回?fù)綦娏髅芏菾r(r，t)之間有關(guān)系式

如圖1所示，建立一個(gè)圓柱坐標(biāo)系(r，φ，z)，令地閃回?fù)敉ǖ牢挥趜軸上，其他參數(shù)皆為軸對(duì)稱。因電磁波的源是回?fù)綦娏?Jr，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量方向?yàn)?方向，據(jù)此展開(kāi)Maxwell方程（1）、（2）式，得到

圖1 建模示意圖（a）坐標(biāo)系（b）離散網(wǎng)格劃分

其中：Er、Ez分別表示水平方向和豎直方向的電場(chǎng)分量；B?則為磁感應(yīng)強(qiáng)度的環(huán)向分量；c為真空中光速。

采用時(shí)域有限差分法離散方程（4）～（6）[11，17］，化簡(jiǎn)后可得到出發(fā)方程組

該離散方程對(duì)應(yīng)著二維時(shí)域有限差分法中的橫電場(chǎng)模式。其中：下標(biāo)i、k分別表示柱坐標(biāo)中水平距離r方向和豎直距離z方向的格點(diǎn)數(shù)；上標(biāo)n表示迭代的時(shí)間步數(shù)；Δr、Δz分別為r、z方向的步長(zhǎng)距離；Δt表示時(shí)間步長(zhǎng)。(Er)ni+1/2，k即是Er(r=[i+ 1/2]Δr，z=[k]Δz，t=[n]Δt)的縮寫表示，其他物理量以此類推。式中電場(chǎng)取值為網(wǎng)格邊的中點(diǎn)，而磁場(chǎng)取值為網(wǎng)格正中間，磁場(chǎng)電場(chǎng)相隔半個(gè)距離步長(zhǎng)。同樣，磁場(chǎng)計(jì)算在半時(shí)間步上，而電場(chǎng)計(jì)算在整數(shù)時(shí)間步。

當(dāng)i= 0時(shí)，r0= 0，式（9）右邊的分式中因分式存在r0的因子而無(wú)法進(jìn)行迭代計(jì)算，需要進(jìn)行校對(duì)，在軸線上展開(kāi)積分方程，考慮安培定律有

離散化得到

其中I即為式（3）定義的回?fù)綦娏鳌?/p>

1.2 回?fù)綦妶?chǎng)對(duì)電離層參數(shù)加熱與電離的非線性效應(yīng)

一方面，強(qiáng)烈的地閃回?fù)舢a(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)加熱冷等離子體、改變電離層參數(shù)，進(jìn)而影響到局地的電離層電導(dǎo)率系數(shù)。另一方面，電離層電導(dǎo)率系數(shù)的改變又會(huì)影響閃電產(chǎn)生的電磁脈沖傳播，兩者互相作用。為了準(zhǔn)確模擬雷暴激發(fā)電磁場(chǎng)在雷暴上空電離層處傳播，模型里需要考慮自洽加熱及電離過(guò)程[11］。

電子密度因碰撞電離和吸附而改變，方程式為

其中：ne表示電子密度；νi、νa分別為電子的碰撞電離系數(shù)和吸附系數(shù)，可看作是強(qiáng)電場(chǎng)的非線性函數(shù)。其中vi由下列式子[7］表示為

其中：N0表示海平面大氣分子數(shù)密度；N表示大氣分子數(shù)密度；系數(shù)a0=-624.68，a1= 249.60，a2= -32.878，a3= 1.454 6。

吸附系數(shù)νa[2］為

其中：系數(shù)為b0= -3 567.0；b1= 1 992.68；b2= -416.601；b3= 38.729；b4= -1.35113。

從大氣中間層到電離層低層，忽略了磁場(chǎng)的作用，電子貢獻(xiàn)的電導(dǎo)率σe可近似表示為標(biāo)量

其中：e為電子電荷量；μe為電子遷移率。其折合電場(chǎng)的非線性函數(shù)為[2］

其中：x= log(E/N)；c0= 50.970；c1= 3.026；c2= 8.473 3 × 10-2。

模型將在每一個(gè)時(shí)間步上更新電離層高度處的電導(dǎo)率，并再代入迭代方程（8）、（9）、（11）中進(jìn)行下一步場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算。

1.3 背景電導(dǎo)率參數(shù)

在大氣層低層（0～40 km），幾乎不存在自由電子，電導(dǎo)率σ由正負(fù)離子所貢獻(xiàn)，模型采用下列經(jīng)驗(yàn)公式[18］

在電離層高度處，電導(dǎo)率原則上是受到地磁場(chǎng)影響的張量，分為彼德森電導(dǎo)率σp，霍爾電導(dǎo)率σH和場(chǎng)向電導(dǎo)率σ//，可由下列理論公式求得[15］。

其中：B表示地磁場(chǎng)強(qiáng)度；e為電子電荷量；下標(biāo)e表示電子；下標(biāo)i表示離子；ven、vin分別表示電子和離子對(duì)中性分子的碰撞頻率；ωe、ωi分別表示電子和離子的磁回旋頻率；me、mi分別表示電子質(zhì)量和離子質(zhì)量。在電離層D 層區(qū)域，因?yàn)棣?/＞σH＞σp，而閃電回?fù)粢鸬碾姶挪ㄖ饕芰考性赩LF 頻段，頻譜能量在大于10 kHz 時(shí)則迅速衰減[1］。大部分能量的電磁波頻率小于該處電子中性和離子中性碰撞頻率，90 km 以下的電子回旋頻率也小于電子碰撞頻率，此時(shí)可忽略磁場(chǎng)的影響，電導(dǎo)率可表示成標(biāo)量σ//。帶電粒子的碰撞頻率的計(jì)算公式[19］為

其中：Te表示電子溫度；n[N2]表示氮?dú)夥肿訚舛?；n[O2]表示氧氣分子濃度；n[O]表示氧原子濃度。

計(jì)算出式（20）～（22）中所需的電離層電子濃度，在給定太陽(yáng)和地磁活動(dòng)參數(shù)、事件發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)的情況下，電子溫度和密度可以由國(guó)際參考電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絀RI-2020提供[20］，中性成分濃度則由美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室非相干散射雷達(dá)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絅RLMSISE-00 提供[21］，這兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂稍贜ASA 社區(qū)協(xié)調(diào)建模中心（https：//ccmc.gsfc.nasa.gov/）在線計(jì)算。本文模擬選取雷暴發(fā)生地點(diǎn)為海南澄邁（地理經(jīng)緯度N19.0°，E110.0°），日期為2018 年5 月9 日，以當(dāng)?shù)貢r(shí)12 時(shí)作為白天事例，00 時(shí)作為夜間事例。因IRI-2020 模型得到的電子密度在白天海拔高度下界為65 km，夜間為80 km，由式（21）計(jì)算得到的電導(dǎo)率存在下界。因此設(shè)由式（18）計(jì)算所得高度上界為40 km，中間大氣部分采用對(duì)數(shù)線性插值方式來(lái)填補(bǔ)，其結(jié)果如圖2所示，其中虛線部分是將式（21）中電導(dǎo)率里的電子貢獻(xiàn)部分替換成無(wú)電場(chǎng)加熱情況下的式（16）。圖2 可看出，兩種方法計(jì)算結(jié)果基本上一致。

圖2 背景電導(dǎo)率參數(shù)

1.4 邊界條件及電流源設(shè)置

模擬區(qū)域設(shè)置為水平半徑350 km，豎直高度為110 km，水平距離步長(zhǎng)Δr= 1 km，豎直步長(zhǎng)dz= 1 km，時(shí)間步長(zhǎng)dt= 10 ns。因?yàn)榇蟮仉妼?dǎo)率遠(yuǎn)大于地表大氣電導(dǎo)率，可假設(shè)地表為完美導(dǎo)體，即有下邊界條件：

設(shè)置上邊界和右邊界為一階Mur吸收邊界條件[8，22］，上邊界條件為

右邊界條件為

左邊界條件即為式（12）在軸線上展開(kāi)，回?fù)綦娏魍ǖ揽稍O(shè)置為[0，10 km]?；?fù)綦娏骺梢杂脗鬏斁€（TL）模型來(lái)描述，基底電流函數(shù)可選用Heidler等指數(shù)模型，其表達(dá)函數(shù)為

其中：τr表示電流的上升特征時(shí)間；τf表示電流的下降特征時(shí)間；I0為最大電流強(qiáng)度；位于t=τr時(shí)刻。

2 模擬結(jié)果與分析

設(shè)置強(qiáng)回?fù)綦娏鞣逯礗0= 220 kA，上升時(shí)間τr= 10 μs，下降時(shí)間τf= 100 μs，回?fù)綦娏魉俣葹関=1.7 × 105V/m強(qiáng)度，采用圖2計(jì)算得到的背景電導(dǎo)率剖面，以此分析晝、夜不同情況下強(qiáng)地閃回?fù)粼陔婋x層處引起的場(chǎng)強(qiáng)特征。本次模擬的初始的電離低層電子數(shù)密度與整個(gè)空間的中性分子數(shù)密度同樣選取IRI-2020 和NRLMSIS-00 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，因IRI 得到的電子密度存在下界，以電子密度指數(shù)模型[14］計(jì)算50 km 處的電子密度值，采用對(duì)數(shù)線性插值的方式[23］根據(jù)邊界處的電子密度來(lái)填充50～65/80 km 空間區(qū)域上的變化。電子密度指數(shù)模型公式為

其中：β為電子濃度隨高度的變化的梯度參數(shù)；h′為低電離層的參考高度。根據(jù)文獻(xiàn)[23］里的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參數(shù)選取白天β= 0.3 km-1，h′= 70 km；夜間為β= 0.5 km-1，h′= 88 km。

模型運(yùn)行時(shí)要在大氣中高層更新其電子電離率、吸附率、密度、電導(dǎo)率，其計(jì)算空間日間設(shè)定為50 km以上，夜間設(shè)定為60 km以上，以下是模式的計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

圖3 回?fù)艉蟛煌瑫r(shí)刻的空間電場(chǎng)分布

模擬很好地顯現(xiàn)出地閃回?fù)舻膹?qiáng)電磁脈沖傳播特征。0.2 ms時(shí)，圖3中可以分辨出強(qiáng)輻射場(chǎng)從準(zhǔn)靜電場(chǎng)中分離，隨后向四周進(jìn)行傳播，在半徑r方向上，輻射場(chǎng)隨著傳播距離增加以1/r比例逐漸減弱。而在海拔高度方向上，電離層高度上電導(dǎo)率較大，地閃回?fù)糨椛鋱?chǎng)則將在電離層高度處反射。在0.6 ms圖像中可以看到首次強(qiáng)輻射場(chǎng)引起的反射天波波形，顯弧光形狀，在0.8 ms圖像中亦可看見(jiàn)由天波傳播至地表被地表反射的二次反射波形。水平半徑50 km 內(nèi)區(qū)域的電場(chǎng)為準(zhǔn)靜電場(chǎng)，與回?fù)綦娏鬓D(zhuǎn)移電荷有關(guān)，時(shí)間尺度與整個(gè)回?fù)綦娏鞒叨扔嘘P(guān)，因此在模擬時(shí)間范圍內(nèi)變化不大。

圖3中亦可看出強(qiáng)輻射場(chǎng)傳播的晝夜區(qū)別，日間電離層反射高度比夜間電離層反射高度低，這是因?yàn)闀円闺妼?dǎo)率差異引起的。因晝夜太陽(yáng)照射不同，各層電離層的電子密度往往比晚上大1個(gè)數(shù)量級(jí)，其中最顯著的是的D層（60～80 km），日落后此處電子密度很快耗盡，D層消失。因此白天在60 km處輻射場(chǎng)開(kāi)始受到弱等離子體的作用，但到晚上，輻射場(chǎng)需要上到海拔高度80 km左右才開(kāi)始受到電子對(duì)它的影響。

圖4 為輻射場(chǎng)（r＞50 km）的最大場(chǎng)強(qiáng)隨高度變化的剖面圖，夜間輻射波場(chǎng)強(qiáng)Emax（80 km）/Emax（60 km）值在0.4，0.6，0.8，1.0 ms 時(shí)刻分別為0.91，0.96，0.91，0.84，而Emax（90 km）/Emax（60 km）的分別是0.28，0.18，0.12，0.08；由此可判定，夜間回?fù)粢鸬膹?qiáng)輻射場(chǎng)在海拔高度80～90 km之間和電離層冷等離子體相互作用，電磁波在此處發(fā)生折射反射。同樣，白天輻射場(chǎng)強(qiáng)Emax（80 km）/Emax（60 km）為0.60，0.48，0.38，0.31；而Emax（85 km）/Emax（60 km）值為0.28，0.19，0.13，0.10；表明在白天回?fù)粢鸬膹?qiáng)輻射場(chǎng)與電離層冷等離子體作用在海拔高度85 km以下，其中大部分能量在80 km以下，電磁波在此處發(fā)生折射反射。

圖4 地閃回?fù)艉笞畲筝椛潆妶?chǎng)高度剖面圖

電場(chǎng)加熱帶電大氣引起的電子的電離與吸附系數(shù)變化可看成折合電場(chǎng)E/N的函數(shù)，而當(dāng)vi=va時(shí)，此時(shí)電場(chǎng)大小記作Ek（圖5）。在高于此閾值的穩(wěn)定電場(chǎng)中，dne/dt＞0，因電離率與電子密度ne成正比，ne將呈指數(shù)式增長(zhǎng)，形成電子雪崩過(guò)程，這一過(guò)程又稱為空氣擊穿。Ek大小和氣體濃度N有關(guān)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式Ek= 3.6 × 106N/N0來(lái)表示[2］，空氣分子數(shù)密度越高則要求擊穿電場(chǎng)值越大。一般而言，大氣中性分子數(shù)密度是隨著高度指數(shù)性下降，海拔高度越高Ek值越小，而強(qiáng)地閃回?fù)綦妶?chǎng)可能在電離層高度上大于這個(gè)閾值，在短時(shí)間引起電離層電子密度的擾動(dòng)，并產(chǎn)生各類的瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象。

圖5 吸附系數(shù)和電離系數(shù)變化

大氣中性分子數(shù)密度日間與夜間差異較小，因此各高度擊穿電場(chǎng)閾值日夜差異不大。但因日間電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于夜間電導(dǎo)率，地閃回?fù)舻膹?qiáng)電磁場(chǎng)在夜間比白天更容易滲透進(jìn)入海拔高的區(qū)域（圖4），因而夜間相較于白天更容易產(chǎn)生電子密度增強(qiáng)和各類瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象。圖6（a）為夜間Ek/E時(shí)空上的分布圖，圖上顯示，大約在回?fù)舭l(fā)生后0.3 ms，輻射場(chǎng)波峰傳播至海拔高度80 km 處，此處空氣較為稀薄，輻射電場(chǎng)強(qiáng)度足以發(fā)生擊穿。但因擊穿電場(chǎng)剛剛發(fā)生，電離和吸附引起的電子密度擾動(dòng)需要有時(shí)長(zhǎng)積累，因而此時(shí)電子密度幾乎不變。0.4 ms，0.5 ms 時(shí)擊穿電場(chǎng)區(qū)域分為2 部分，一部分隨著輻射場(chǎng)往外擴(kuò)散，另一部分位于雷擊通道上空區(qū)域80 km 處，為準(zhǔn)靜電場(chǎng)滲透引起的擊穿場(chǎng)。0.6 ms 至0.7 ms 準(zhǔn)靜電場(chǎng)因局地弛豫時(shí)間(τt=σ/ε)短暫而減小至擊穿場(chǎng)強(qiáng)閾值下，輻射場(chǎng)則隨傳播距離r增大減少至擊穿場(chǎng)強(qiáng)閾值附近，其擊穿電場(chǎng)分布范圍約為半徑200 km內(nèi)；至0.8 ms時(shí)，回?fù)粢鸬碾姶艌?chǎng)幾乎都在擊穿閾值之下。雖然電場(chǎng)擊穿持續(xù)時(shí)間短暫，但電子密度因雪崩電離而顯著增加，圖6（b）可看出電子密度增加區(qū)域分為2處。一處位于雷擊通道上空80 km處，此處為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)引起的電子密度增強(qiáng)；另一處在海拔高度80～90 km間，隨著電磁脈沖輻射場(chǎng)向外擴(kuò)散至距離200 km 內(nèi)。電子密度增強(qiáng)區(qū)域下存在微弱的電子密度減弱區(qū)域，這是因?yàn)槲催_(dá)到空氣擊穿閾值時(shí)電場(chǎng)對(duì)電子的加熱表現(xiàn)為吸附作用。圖6中可看出，在0.8 ms，電場(chǎng)減弱至擊穿閾值下，但電子密度擾動(dòng)區(qū)域變化不大，這可從圖5 中的曲線變化看出；E/Ek比值為1.4 時(shí)，電子密度增強(qiáng)速率|vi-va|的值為4.67 × 108，而當(dāng)E/Ek比值為0.6 時(shí)，電子密度減少速率|vi-va|的值為1.62 × 107，兩者相差28.8倍，電子密度減少至常值需要的時(shí)間遠(yuǎn)比增強(qiáng)所需時(shí)間長(zhǎng)。

圖6 夜間擊穿電場(chǎng)（a）及電子密度（b）隨時(shí)間分布變化

3 結(jié)論

本文從麥克斯韋方程組出發(fā)，采用柱坐標(biāo)二維時(shí)域有限差分方法，計(jì)入電場(chǎng)對(duì)電離層加熱的非線性效應(yīng)，基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絀RI-2020、NRLMSISE-00 提供的參數(shù)和以此計(jì)算的背景電導(dǎo)率模式，建立了一個(gè)地閃回?fù)綦姶艌?chǎng)在電離層傳播的數(shù)值模型，并以此分析電離層電參數(shù)的晝夜差異對(duì)地閃回?fù)綦姶艌?chǎng)傳播的影響。數(shù)值模擬了電離層地閃回?fù)舢a(chǎn)生的電磁場(chǎng)在電離層傳播事件，并以此分析了電離層電參數(shù)的晝夜差異對(duì)傳播產(chǎn)生的影響，主要結(jié)果如下。

1）以220 kA 峰值電流、上升特征時(shí)間為10 μs、通道高度10 km 的強(qiáng)地閃回?fù)綦娏鳛樵?，以海南島北部夏季白天及晚上的背景參數(shù)模擬了晝夜電離層對(duì)地閃回?fù)魪?qiáng)電磁場(chǎng)的響應(yīng)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：白天輻射場(chǎng)值在海拔60 km 處就開(kāi)始衰減，而夜間輻射場(chǎng)至海拔80 km 處才開(kāi)始衰減，夜間電離層反射高度比白天更高，回?fù)舢a(chǎn)生的強(qiáng)電磁波在晚上能穿透到更高的高度。

2）空氣擊穿電場(chǎng)閾值Ek與局地空氣分子數(shù)密度有關(guān)，海拔高度越高電場(chǎng)閾值越低。夜間地閃回?fù)舢a(chǎn)生的電磁場(chǎng)相較白天更容易滲透到海拔高的區(qū)域，因此夜間高層比白天更容易產(chǎn)生空氣擊穿，產(chǎn)生電子密度短暫增強(qiáng)和瞬態(tài)發(fā)光事件等現(xiàn)象。