不同起电模式对雷暴云放电过程的影响

杨 军

（甘肃同兴智能科技发展有限责任公司，兰州730050）

不同起电模式对雷暴云放电过程的影响

杨 军

（甘肃同兴智能科技发展有限责任公司，兰州730050）

为探讨不同感应起电过程在雷暴云起电和放电过程中的作用，基于二维雷暴云起放电数值模式，设计四种起电方案分别对霰与云滴以及霰与冰晶间的感应起电过程进行数值模拟并比较。结果表明：冰相粒子间碰撞的感应电荷分离会使得起电更强;霰和冰晶之间的感应起电过程能够增强主负电荷区和上部正电荷区，并且保持偶极电荷结构不变;霰与冰晶间的感应过程会产生更多的闪电。

感应起电；非感应起电；电荷结构；数值模式

0 引言

雷暴云的电活动伴随着一系列微物理过程的变化，它的电场形成及发展都十分剧烈。强烈的雷电可以造成严重的人员伤亡，损坏通讯设备和供电设备等电子、电气类设备，对敏感的电子、电气技术设备的安全构成很大威胁。基于数值模式进行分析，提高短时预报水平是雷电研究的一个重要方向，这将为雷电监测预警及闪电资料在强对流天气的监测预警中发挥更重要的作用提供理论依据[1]。

针对雷暴云的电荷结构究竟是怎样产生的，不少科学家通过理论研究和实验室实验提出了很多种起电机制，1954年，Sartor[2]首先提出了感应起电机制，他指出云滴粒子由于电场的作用会被极化，当水成物粒子下落而与云滴发生碰撞时，水成物粒子底部所带的电荷会发生转移。1972年，Aufder⁃maur等[3]人发现了感应起电机制能够产生强大的电场，并与实际观测到的最大场强相符，但初始的电场强度必须高于10 kV/m，但晴天大气电场强度远小于它。Reynolds等[4]首次在云室内做了非感应起电的实验，该实验是关于冰相粒子之间的，其实验表明在环境温度为-25℃左右的条件下，冰晶与霰发生碰撞并反弹后，冰晶带正电而霰带负电。然而，针对感应起电的实验室研究，几项研究表明感应起电仅仅在冰相粒子和云滴经过碰撞反弹才发生[5-6]。因为针对电荷转移形成电流而言，冰相粒子和冰相粒子交互接触时间太短，且低电导率的冰相粒子可以使得极化电荷转移无效[7]。因此，应该开展更详细的感应起电过程实验室研究。

雷暴云中存在着各类起电机制，不同的起电机制可能对雷暴云的起电和放电有着不同程度的影响。为了更好地理解雷暴云起、放电过程，有必要对雷暴云起电机制进行深入的研究。目前主要有两种雷暴云起电机制：感应起电机制和非感应起电机制，其中根据试验和模式研究已经很好的检验了非感应电荷分离机制[8-13]。但相对于近年来对非感应起电的研究而言，感应起电在雷暴云起电和放电存在着高度不确定性。因此，深入研究感应起电机制对雷暴云起电及放电的影响具有重要的科学价值和实际应用意义。

1 模式描述

1.1 模式的选取

研究中所使用的模式是1987年胡志晋等[14]发展起来的二维雷暴云起电和放电数值模式，它是一种中尺度积云模式。该模式假定大气为无粘性可压缩流体，并忽略地转偏向力，采用非静力平衡条件以及笛卡尔坐标系，该坐标系统能详细的表示出云微物理过程。根据云中水粒子的物理特性，以及考虑到它们增长和下落速度的差异，水成物主要考虑五类：云滴、冰晶、雨滴、霰以及冰雹，并且这些粒子具有数浓度、混合比双参数谱。其中水成物对周围空气的拖拽力依赖于其自身的重量，云滴完全随气流而运动，其它水成物粒子都具有相对空气的沉降运动，在整个模式中，主要考虑宏观动力条件对电活动的影响，不考虑雷暴内的电活动对雷暴发展的反馈影响。

1.2 起电参数化方案

在非感应起电方面，该模式采用霰与冰晶间的非感应碰撞起电。霰与冰晶的非感应电荷分离率为[15]：

其中，Di和Dg分别表示冰晶和霰的直径，和分别表示冰晶和霰的下落时的平均末速度，Ni代表冰晶的数浓度。Egi为霰和冰晶之间的碰撞系数。δq表示单次碰撞后电荷的转移量，它的大小与相对碰撞速率以及冰晶、霰的直径大小有关。此外，采用Mansell给出的β系数：

感应起电方面，在该模式中，通过诱导霰与云滴或霰与冰晶碰撞而感应起电。基于Ziegler等人的碰撞感应起电参数化，可以给出霰与云滴以及霰与冰晶间的感应起电参数化方程：

式中：Qeg为霰所携带的电荷量；Dc/i和Dg分别是云滴或冰晶和霰的特征直径；Vg是霰的下落速度；Nc/i和Ng分别是云滴或冰晶和霰的数浓度。N0g是霰的截距数浓度，Γ是伽马函数，Ez代表垂直方向上的电场。Egc/i和Erc/i分别表示霰与云滴或冰晶碰撞系数和反弹系数。θ代表反弹角度。本研究中的霰与云滴间的感应起电系数取Erc=0.01，cosθ=0.4，这在Erc为0.007到0.015的范围以及cosθ为0.2到0.5的范围内有意义。此外，霰与冰晶的感应起电系数取Eri=0.7，cosθ=0.2。

1.3 放电参数化方案

用分辨率为250m和时间步长为2s来计算76km×20 km区域内的微物理起电过程。然后，使用由粗糙到精细的分辨率的转换方案来模拟高分辨率（25 m）放电过程的电荷分布。由于空间势场和强度由空间电荷分布和边界条件唯一决定。则可以先设置网格尺寸较大区域的电荷密度，然后设置网格尺寸较小区域。当放电终止，平均电荷密度将越过所有高分辨率网格重新映射回粗网格。

2 模型初始化和实验方法

为了启动云模式，本模式在开始时给出了一个垂直方向上半径为1 km，水平方向上半径为5 km的湿热泡扰动。当t=0时的模式区域中心1 km高度处，采用一个温度扰动（4.5 K）和相对扰动湿度（80%），从中心向外按照余弦函数递减的湿热泡扰动。通过迭加三个对数正态分布函数来与气溶胶分布相适应。气溶胶浓度随高度的增加而减小，并且保持在水平方向上是相同的。气溶胶浓度方程可以表示如下[15]：

其中，N代表地面处的气溶胶浓度，也就是气溶胶的初始浓度，Na(z)代表不同高度处的气溶胶浓度。本文中，气溶胶的初始浓度为100 cm-3，zs代表气溶胶的标高，它的值与地理位置、大气条件以及季节的变化有关。

本研究主要通过使用四种方案来模拟不同的感应起电过程，具体方案如下：

方案1：只包含非感应过程。

方案2：包含非感应过程，霰与云滴间的感应过程。

方案3：包含非感应过程，霰与冰晶间的感应过程。

方案4：包含非感应过程，霰与云滴间的感应过程，霰与冰晶间的感应过程。

3 模式结果与分析

早期电发展阶段的重点是感应过程与电荷结构有关，4种方案表现为雷暴云中闪电发生前的电荷结构如图1所示。从图1（a）可以看出在32 min时的风暴描述了由6-7.5 km的负电荷区和7.5-8.5 km以上的正电荷区组成的一般偶极电荷结构。

方案2中在32 min时风暴的电荷结构如图1b所示，这时雷暴呈现出包含位于3-4 km高度处的相对较弱的正电荷区的一个典型三极性电荷结构，这个较弱的正电荷区也可以叫做底部正电荷区。与方案1相比，方案2中霰与云滴的感应过程主要贡献给了底部正电荷。

从图1（c）可以看出，方案3中，雷暴云也表现为一个偶极电荷结构。此外，方案3的电荷密度比方案1的电荷密度要大。底部负电荷区的垂直距离大约达到6 km，很明显比方案1大。因此，得出这样的结论：冰相粒子间碰撞的感应电荷分离会使得起电更强。方案3中非感应电荷分离和霰与冰晶间的感应电荷分离仅增强了主负电荷区和正电荷区，电荷结构保持不变，依然为偶极电荷结构。结合图1（d），可发现方案4的电荷密度为正常的三倍，这主要归功于霰与冰晶间的感应起电。同时，方案4的电荷密度比方案2大，这是两种感应起电过程的综合效应。

图1 4种方案早期起电过程的电荷分布（32min）Fig.1 Charge distribution of early electrification process in four schemes(32 min)

图1中的细水平线—等温线分别表示0℃，-15℃，-40℃，粗的黑色线表示雷暴云的轮廓特征。通过对比，发现方案3和方案4比方案1和方案2发生的闪电多，这可能归于霰与冰晶间的感应起电。

四个方案的闪电活动所对应的电荷结构如图2所示。方案1模拟中总共发生了14次闪电，包括发生的2次正地闪。所有闪电始发于6-8 km处，也即上部正电荷区和较低的负电荷区域之间。大约在60 min，由于偶极电荷结构更接近地面，负流光通过上部正电荷区向上发展和正流光通过负电荷区向下发展到地面，因此正地闪容易产生。我们可以从图2（a）和图2（c）中看出，方案1和方案3这两种方案雷暴云发展的电荷分布类似，它们可以用标准的偶极电荷结构来描述。在此前提下，方案3的模拟中共产生了28次闪电，却没有产生负地闪。但是，方案3中，较低的负电荷区向下发展了2 km，这有利于正先导向下发展到地面。因此，方案3中产生的正地闪次数比方案1多。见表1。

表1 模拟发生的闪电总数Table 1 The total number of lightning occurrences

方案2和方案4的模拟结果与方案1和方案3的结果类似。如图2（b）和图2（d）所示，方案2中共发生17次闪电，其中包括10次云闪，2次负地闪和5次正地闪。但方案4中共发生了30次闪电，其中包括13次云闪，7次负地闪和10次正地闪。在方案2和方案3的模拟中，这些风暴在32-45min时段内呈现出三极电荷结构，当底部正电荷区有足够大的电荷密度产生强电场时，则将产生负地闪，如图2b和图2d所示，且负地闪产生的初始高度在4-6 km之间。负地闪始发于主负电荷区和底部正电荷区之间，这与之前的观测一致。但是，相比方案2，方案4表现出更强的净正电荷区，导致了更多负地闪被触发。此外，在两个方案模拟的45min后，电荷结构又变成了偶极电荷结构。因此，这段时间内只能产生正地闪和云闪。

图2 四个方案发生闪电活动时的电荷结构Fig.2 Charge structure of lightning activity in four schemes

4 结论

基于二维雷暴云起放电模式对霰与云滴以及霰与冰晶间的感应起电过程对雷暴云电过程的影响进行了探讨，分析结果总结如下：

1）霰与冰晶间的感应起电过程可以增强主负电荷区和上部正电荷区，但并不改变电荷结构类型（偶极电荷结构）。因此会在偶极电荷结构中产生了更多的云闪和正地闪。

2）雷暴云发展阶段的三极性电荷结构通过霰与云滴间的感应起电过程而产生。方案2和方案4中霰与云滴间的感应起电过程均产生了较少的正电荷，因此会在主负电荷区和底部正电荷区始发负地闪。此外，相比其它方案，基于霰与云滴以及霰与冰晶间的两种感应起电过程的方案4可产生更多的闪电。

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Influence of Different Electrification Modes on the Discharge Process of Thunderstorm

YANG Jun
（Gansu Tongxing Intelligent Technology Development Co.,Ltd.,Lanzhou 730050,China）

In order to study the role of different induction electrification processes during the pro⁃cess of thunderstorm cloud electrification and discharge,based on two-dimensional thunderstorm cloud discharge numerical model,four electrification schemes are designed to study the relationship between grapple and cloud droplet and the relationship between grapple and ice crystal.The electrical process is simulated and compared.The results show that:1)Induced charge separation from ice-particle collisions will make electrification stronger;2)the electrification process between the grapple and the ice crystal can enhance the main negative charge region and the positive charge region,and maintain the dipole charge structure;3)the induction process between the grapple and the ice crystal will produce more light⁃ning.

inductive charging；non-inductive charging；charge structure；numerical simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.024

2017-01-14

杨军（1964—），男，硕士，高级工程师，研究方向：计算数学、电力自动化、电力信息通信。