上行地闪起始有利电环境特征及其放电效应的数值模拟

论文摘要

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个例,从而证明云闪传播过程中的静电场分量足以使建筑物上起始上行先导。2.自持型上行地闪:统计所有传播进入底部电荷区的自持型上行地闪个例后发现,底部电荷的平均浓度与底部电荷加权平均高度之间呈现很好的相关性,且偶极电荷结构下的相关性明显优于三极结构,随着底部电荷平均浓度的增加,自持型上行地闪始发时对应的底部电荷加权平均高度的临界值上升。比较所有自持型上行地闪和企图先导发生时底部电荷区与其上部电荷区电荷配比关系发现,自持型上行先导始发时底部电荷区电荷量与其上部电荷区的电荷量相当,均值在40%左右,且底部电荷区的高度较低,而企图先导发生时底部电荷区电荷量远小于其上部电荷区,均值在20%左右,尽管有些个例中底部电荷区的高度很低,但由于其范围小,电荷总量低,其在底部形成的位势井很弱,不足以维持上行先导的持续发展。3.上行地闪的放电效应:一次上行地闪放电过程通道中感应的电荷总量的估计值在0.67 C到118.8 C之间,感应电荷平均值为19.0 C,感应电荷比的范围在5.9%到47.3%之间,感应电荷比的平均值为14.7%,消耗的空间静电能的平均值为1.06?10~9 J。分析上行地闪放电后通道残余电荷比及其作用区域面电荷总量的变化情况后发现,闪电放电的直接效应是在通道中植入异极性电荷,随后这些异极性电荷通过湍流交换,重力沉降,平流输送以及起电等过程与周围环境中的电荷逐渐发生中和,闪电作用区域的电荷总量会逐渐降低,且该过程相对于放电时长来说十分缓慢,通常会持续几十秒的时间,之后随着通道中异极性电荷的不断减少以及水凝物粒子的分离和起电过程,该区域的电荷总量又会逐渐上升到原有水平,并形成新的空间电荷结构,原先被摧毁的空间位势和电场得到重建,为后续的放电提供合适的条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的和意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 雷暴云电荷结构的观测
•     1.2.2 上行地闪放电的观测
•     1.2.3 闪电放电效应的研究
•     1.2.4 上行地闪数值模式研究进展
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 雷暴云数值模式介绍
•   2.1 上行地闪放电参数化方案
•     2.1.1 上行地闪的起始
•     2.1.2 上行地闪的传播
•     2.1.3 上行地闪的终止及通道中感应电荷的计算
•     2.1.4 上行地闪的定义
•   2.2 雷暴模拟个例
•   2.3 本章小结
• 第三章 触发型上行地闪发展的有利电环境特征
•   3.1 触发型上行地闪的模拟结果及相关分析
•   3.2 触发型上行地闪触发原因的初步分析
•   3.3 固定电荷背景下触发型上行地闪模型
•     3.3.1 固定电荷背景设置
•     3.3.2 触发型上行地闪参数化方案
•     3.3.3 触发型上行地闪模拟结果初步分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 自持型上行地闪发展的有利电环境特征
•   4.1 自持型上行地闪的模拟结果及相关分析
•   4.2 自持型上行地闪发生时电荷配比关系分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 上行地闪的放电效应
•   5.1 上行地闪通道感应电荷量以及空间电荷再分布
•   5.2 放电前后空间电位、电场强度以及静电能的变化
•   5.3 放电后通道感应电荷的中和及空中电场的恢复
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 创新点
•   6.3 存在问题和展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑天雪

导师: 谭涌波

关键词: 雷暴云模式,触发型上行地闪,自持型上行地闪,放电效应

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P427.3

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000349

总页数: 69

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