虢 韜，沈 平，楊 恒，楊 洋

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司輸電運行檢修分公司，貴陽 550002；2.貴州電力設(shè)計研究院，貴陽 550002）

0 引言

目前，對于上行閃電的研究，主要借助于地面電場觀測設(shè)備以及云下高速攝影等觀測手段[1]，對實際上行閃電的觸發(fā)、傳播過程及上行閃電對空間電環(huán)境的影響仍缺乏有效研究手段，受上行閃電觸發(fā)的隨機性以及觀測手段的限制，目前要獲取上行閃電始發(fā)、傳播時空中、地面全部電參數(shù)難度較大[2]。WANG等[3]通過實際觀測手段，研究指出，在雷暴天氣情況下，地面建筑自行觸發(fā)上行閃電較為容易。ZHOU等[4-5]認為，地面建筑物的高度以及地形對上行閃電的觸發(fā)影響較大。PEREIRA等[6]研究發(fā)現(xiàn)，上行閃電絕大數(shù)是由周圍閃電觸發(fā)。還有研究發(fā)現(xiàn)，許多日本冬季雷暴云下的上行先導同時始發(fā)于多個建筑[7]，這意味著同一雷暴云下電場達到上行閃電放電閾值的可能不止一個點。同一次云中放電過程可能激發(fā)多個上行閃電，云中放電過程的水平范圍很大程度上決定了放電對象的數(shù)目和放電對象間的距離[8]。由于觀測手段的限制，導致目前國外對上行閃電的數(shù)值模擬研究相對較少，大多數(shù)研究都是探討與下行閃電相連接的上行先導[9-13]。

因此，筆者將在二維雷暴云起、放電模式基礎(chǔ)上進一步深化上行閃電的模式工作，加深已有對云閃與上行閃電間關(guān)系的認知，更清楚地展現(xiàn)上行閃電觸發(fā)時背景電場的發(fā)展情況，為云閃后更易觸發(fā)上行閃電這一觀測結(jié)果，提供從模擬角度的驗證，同時也將為高大建筑物的雷電防護與設(shè)計工作的發(fā)展提供一定的科學基礎(chǔ)。

1 雷暴云背景下上行閃電計算模型的建立和放電參數(shù)化方案

上行閃電是典型始發(fā)于地物的閃電，當高層建筑物上方存在由雷暴云帶來的強電場，并由于建筑物頂部尖端畸變使建筑物頂部周圍電場大大加強，在一定范圍內(nèi)，達到擊穿閾值時，產(chǎn)生向上的上行先導并持續(xù)向上傳播，當傳播超過一定距離，稱為上行閃電。若只是觸發(fā)并未持續(xù)發(fā)展稱為未連接上行先導。

本文上行閃電隨機放電參數(shù)化方案耦合到二維雷暴云起、放電模式中[14]新的變化背景電場下的上行閃電參數(shù)化放電模式。以比較大的模擬域（76 km×20 km）為主要研究區(qū)，在雷暴云正下方附近區(qū)域，加一個沒有寬度只有高度的建筑物，通過調(diào)整溫濕擾動參數(shù)以及熱濕擾動的大小，進行各項模擬實驗。選擇20 km為模擬域的寬度是因為筆者模擬的是整個云模式下的閃電放電方案，基本上所有的云中過程，均發(fā)生在對流層之中，雷暴云頂部發(fā)展最高不會超過20 km。因為只有當建筑物位于雷暴云正下方時，電場最強，達到上行閃電的觸發(fā)閾值最大。

1.1 模擬模型的建立

在模擬域76 km×20 km的區(qū)域內(nèi)，存在一個高700 m的建筑物，建筑物與地面充分接觸形成統(tǒng)一的等勢體，且電位都默認為零。建筑物不設(shè)定寬度是因為模式默認上行閃電產(chǎn)生于雷暴云正下方的建筑，建筑隨著雷云的移動而改變位置。由于選取模擬域較大，采用12.5 m的空間分辨率，將模擬域均勻離散成6 080×1 600個網(wǎng)格點。模式中的背景電場是由雷暴云起、放電模式中的閃電過程自動生成的云微物理粒子所帶的電荷產(chǎn)生，會隨著雷暴云的發(fā)展，熱濕泡擾動的上升及云閃的放電不斷變化。本模式中放電參數(shù)化方案，主要采用TAN等[15]提出的新閃電參數(shù)化方案BSLP。模式的時間步長取為2 s，限定在一個時間步長里，閃電頻數(shù)不得超過4次。

1.2 上行閃電放電參數(shù)化方案

1.2.1 上行閃電的啟動

由于放電過程中采用的是76 km×20 km的大范圍模擬域，因此可忽略建筑物的寬度，只考慮其高度。本文上行閃電啟動閾值參照任曉毓等[10]的連接先導模式中上行先導的啟動閾值500 kV/m，但由于任曉毓等是在空間分辨率為0.1 m的近地面研究域中把由下行先導觸發(fā)的上行先導啟動閾值設(shè)置為500 kV/m。

不同網(wǎng)格間距電場畸變系數(shù)Ki擬合得到的關(guān)系方程為

式中：Ki為尖端頂部電場畸變系數(shù)；h為網(wǎng)格間距。

1.2.2 上行閃電的傳播

閃電通道拓展采用了隨機步進方式，即傳播過程中上行閃電通道每次只拓展一個后繼通道點。計算已有通道點與全部周圍環(huán)境點間的電場強度，按概率公式隨機選取下一個通道后繼點。

式中：p為概率；F為歸一化函數(shù)；Ei為通道周圍第i個環(huán)境點與該通道間的電場強度。

2 閃電模擬實驗結(jié)果個例描述

以上述探空曲線為初始場，調(diào)整相對位溫和相對濕度擾動，通過以多組不同的相對位溫和相對濕度為初始擾動因子，模擬完整的雷暴過程中的云閃放電和上行閃電放電過程。由于模式還不夠完善，不足以模擬地閃回擊過程，故本文暫不考慮地閃和上行閃電觸發(fā)的關(guān)系，只研究完整雷暴環(huán)境下，云閃過后，云中電荷結(jié)構(gòu)改變對上行閃電觸發(fā)帶來的影響[16]。

筆者共進行了幾次模擬實驗，雖然模擬過程次數(shù)不夠多，但從結(jié)合已有的觀測結(jié)果，對比分析模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本文模式模擬出的上行閃電與觀測到的上行閃電的種類，形態(tài)發(fā)展過程，極性，分叉結(jié)構(gòu)等均有較好的一致性，說明模擬的結(jié)果具有一定科學性，下文將先分別介紹得到的幾個有代表性的個例。

如圖1所示，案例1中共計發(fā)生了3次云閃過程，3次云閃發(fā)生的時間分別為36.43 min，37.93 min，40.23 min，云閃均發(fā)生在30 min之后，雷暴云的成熟期。第1次云閃和第2次的時間間隔較短，在1.5 min左右，第2次云閃和第3次云閃間隔時間更長。第1次云閃和第2次云閃發(fā)生時的空間電荷結(jié)構(gòu)并沒有太大變化，都是較為典型的3極結(jié)構(gòu)。只是由圖1（a）到圖1（b）過程中，中間負電荷層發(fā)生較明顯分離，圖1（b）中左側(cè)出現(xiàn)分離出的小塊負電荷區(qū)。對比圖1（b）和圖1（c）發(fā)現(xiàn)，第3次云閃發(fā)生時，電荷分布已經(jīng)發(fā)生了很大變化：1）頂部正電荷區(qū)分離，原本正電荷區(qū)右側(cè)出現(xiàn)一塊略小的正電荷區(qū)；2）中部負電荷區(qū)擴大，并隨上部正電荷區(qū)向右側(cè)延伸；3）下部正電荷區(qū)在原來較小的正電荷區(qū)基礎(chǔ)上發(fā)展增大了數(shù)倍。通過數(shù)次云閃放電，云中原有電荷區(qū)被打亂，上部正電荷區(qū)分離，中部負電荷區(qū)發(fā)展，下部正電荷迅速增大，導致下層正電荷區(qū)對雷暴云下方電場影響大大增強，為建筑物上方觸發(fā)上行先導所需強電場提供條件。對比圖1（d）和圖1（f）發(fā)現(xiàn)，云閃放電后，原有空間電位場完全改變，電位線走勢也完全不同。

圖1 3次云閃和一次上行閃電的空間電荷分布圖和空間電位分布圖Fig.1 Space charge distribution and space potential distribution of three cloud flashes and one upward lightning

3次云閃均為正極性云閃，發(fā)生在主正電荷區(qū)和主負電荷區(qū)之間，從放電強度來看，第1次云閃最強，接下來2次云閃強度依次減弱，可以從圖中觀察到圖（a）中閃電先導傳播距離最遠，負先導長達10 km，而圖（b）中先導傳播距離為數(shù)km，圖（c）中先導主要在云內(nèi)傳播。

當?shù)?次云閃過后約1.73 min，一次上行閃電觸發(fā)了，并持續(xù)向上傳播到達正電勢井中心。上行閃電傳播過程分為兩個階段：1）入云之前，單向傳播，有輕微的彎曲，但基本沿垂直向上方向發(fā)展。2）當先導傳播入云中之后，上行先導開始出現(xiàn)了明顯的分叉結(jié)構(gòu)，越接近云中電荷結(jié)構(gòu)中心，分叉越多。

上行閃電的空間電荷分布與第3次云閃的電荷分布較為相似，發(fā)生時間間隔在1.7 min，對比圖（c）和圖（e），上行閃電和前1次云閃發(fā)生時相比，底部正電荷區(qū)大小基本不變，電荷密度增加，上方正、負電荷區(qū)發(fā)生云閃放電后，部分中和，原有主正電荷區(qū)破碎，打散成更小塊的正電荷區(qū)，電荷密度也大大降低?？梢哉J為是第3次云閃的發(fā)生，改變了云中電荷結(jié)構(gòu)，使雷暴云下建筑物上電場強度達到觸發(fā)閾值，觸發(fā)了這一次上行閃電。從上行閃電的空間電位圖來看，上行先導一直沿著電位梯度最大，即電場最強的方向傳播，右側(cè)上方電場更強，上行先導略向右邊偏轉(zhuǎn)，但總體保持向上趨勢。

圖2 1次云閃和1次上行閃電的空間電荷分布圖和空間電位分布圖Fig.2 Space charge distribution and spatial potential distribution of a cloud flash and an upward lightning

案例2的模擬結(jié)果見圖2，該次模擬過程共發(fā)生了1次云閃和1次上行閃電，上行閃電和云閃的時間間隔在0.5 min左右。當T=33.27 min時刻，第1次云閃發(fā)生時，上層電荷分布呈現(xiàn)正偶極結(jié)構(gòu)，下層電荷分布呈反偶極結(jié)構(gòu)，中間層并無明顯電荷堆積。該次發(fā)生的云閃為正極性云閃，云閃始發(fā)于高度在10 km左右的上層正負電荷中心。云閃負先導在正電荷區(qū)內(nèi)先水平發(fā)展，伴隨許多細小的分叉結(jié)構(gòu)，后向左上方發(fā)展到云外，最后水平向左發(fā)展。

上行閃電沿著右側(cè)向上傳播，進入云中底部正電荷區(qū)后在電荷高密度中心約3 km左右處出現(xiàn)一個朝向右側(cè)的小分支。上行閃電通道從1 km左右發(fā)展到3.8 km，約發(fā)展了2.8 km。上行閃電上方是一個類似正偶極結(jié)構(gòu)加反偶極閃電結(jié)構(gòu)的四極電荷結(jié)構(gòu)，底部次正電荷區(qū)離始發(fā)點最近只有不到1 km。

對比圖2（a）和圖2（c）發(fā)現(xiàn)：上行閃電和上一次云閃發(fā)生時相比，底部反偶極結(jié)構(gòu)的負電荷區(qū)和正電荷區(qū)基本沒有變化，頂部正偶極結(jié)構(gòu)在云閃放電后，正電荷區(qū)破碎，大量正負電荷中和，電荷區(qū)密度大大降低。

案例3的模擬結(jié)果見圖3，該次模擬過程一共發(fā)生了8次云閃過程和1次上行閃電。圖3中選取了其中5次云閃和1次上行閃電作為該次模擬過程的代表，進行對比分析。

從第1次云閃發(fā)生到觸發(fā)上行閃電共經(jīng)歷了13 min左右，這13 min內(nèi)共發(fā)生了8次云閃放電，每1次云閃過程都會使電荷分布變得更加復(fù)雜，散亂，云下背景電場也隨之不斷變化。圖3（a）中，第1次云閃放電時，空間電荷結(jié)構(gòu)為明顯的偶極結(jié)構(gòu)，上面為主正電荷區(qū)，下面為主負電荷區(qū)，負電荷區(qū)跨度比較大，在6～10 km間均存在負電荷區(qū)，首次云閃先導為水平分叉結(jié)構(gòu)。圖3（b）中電荷分布與第1次放電已經(jīng)有了明顯的轉(zhuǎn)變，原有傘狀的正電荷結(jié)構(gòu)被拉長，水平分布更廣，呈細長條狀分布，發(fā)展到圖3（c）中左側(cè)部分正電荷脫離，漂移到原有正電荷區(qū)左下方，在局部形成一個正負的4極電荷結(jié)構(gòu)。圖3（b）、3（c）、3（d）中，云閃先導都是垂直分叉結(jié)構(gòu)，從正負電荷中心向上發(fā)展，主正電荷區(qū)離地面越來越近，開始大概在10 km左右，經(jīng)過多次電荷結(jié)構(gòu)變化后，正電荷區(qū)中心高度在3～4 km。圖3（e）中最后1次云閃放電強度很大，與前2次模擬的云閃放電相反，正先導發(fā)展范圍遠大于負先導，正先導橫向跨度長達15 km，底部正電荷區(qū)跨度為1.5～6 km。

圖3 5次云閃和1次上行閃電的空間電荷分布圖Fig.3 Space charge distribution of five cloud flashes and one upward lightning

對比最后1次云閃和正地閃的電荷分布圖，由于負電荷區(qū)中的強正先導發(fā)展，原有主負電荷區(qū)被打散，主負電荷區(qū)中出現(xiàn)許多分散的小塊正電荷區(qū)，原有頂部正電荷區(qū)變化不明顯。底部正電荷區(qū)進一步發(fā)展，電荷密度增大，底部更接近地面。

3 結(jié)論

筆者將固定的背景電場下，自行觸發(fā)的上行閃電隨機放電參數(shù)化方案耦合到已有二維雷暴云起、放電模式中，調(diào)整后得到一個新的變化背景電場下的二維上行閃電參數(shù)化方案。在長76 km，寬26 km的研究域內(nèi)進行了3次時間步長為2 s，空間分辨率為12.5 km的上行閃電放電模擬實驗，模擬真實雷暴云背景下上行閃電的發(fā)展過程，得到以下幾點結(jié)論：

1）3組模擬實驗中有5組成功模擬出了上行閃電和未連接上行先導，上行閃電和未連接上行先導約發(fā)生在最后1次云閃后0.5～1.7 min。

2）上行閃電多發(fā)生在雷暴云的成熟期，這時候雷暴云中對流最劇烈，雷暴云底距離地面最近，云中電荷分布變化最快；未連接上行先導出現(xiàn)在雷暴云的消散期，雷暴云下方電場減弱，上行閃電先導未能傳播入云中。

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