电荷结构相对位置对闪电类型影响的数值模拟

马益平，钱 程，夏时哲，何晓伟，陈 俊

（浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315800）

电荷结构相对位置对闪电类型影响的数值模拟

马益平，钱 程，夏时哲，何晓伟，陈 俊

（浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315800）

在雷暴云三极性电荷结构模型下，加入随机放电参数方案，通过高分辨率模拟实验，主要研究了雷暴云电荷去位置对闪电类型的影响。结果表明：1）随着雷暴云底部正电荷区偏移程度的增大，产生的闪电类型依次从负地闪变成反极性云闪再变成正极性云闪；2）随着雷暴云中部负电荷区偏移程度的增大，产生的闪电类型从负地闪变成反极性云闪，当偏移到一定程度时闪电不发生；3）闪电的类型与雷暴云下部正、负电荷区的相对位置有关，不同类型闪电的产生对应不同相对位置的范围。

电荷区位置；偏移程度；闪电类型；数值模拟

0 引言

根据闪电通道到达的位置，闪电分为云闪和地闪两大类，其中地闪是人类防御的重点。早期，人们只是根据地面电场仪以及闪电引起的电场变化来推断雷暴云的电荷结构。Wilson[1]认为雷暴云的电荷结构是上部为正电荷堆，下部为负电荷堆的偶极性分布，后来随着研究的深入以及观测技术的发展，有很多的科学家通过电场探空等探测到有的雷暴云底部还会有一个小的正电荷堆[2-4]。张义军等[5]通过三维雷电VHF辐射源的观测资料，研究了雷暴云底部正电荷区对负地闪的影响。谭涌波等[6-7]采用高分辨率放电模拟实验，主要研究了正电荷区密度对闪电类型的影响。对于这种雷暴云电荷结构垂直的情况已经有了许多的研究，但是在实际的雷暴云中，它的电荷结构远比上述垂直分布的偶极性或三极性电荷结构复杂的多。日本的冬季雷暴中经常发生正地闪，就有人用倾斜的偶极性电荷结构来解释这种现象，指出是很强的风切变使得雷暴云上部的正电荷区显露出来而对地放电形成正地闪[8]。还有其他学者[9-11]对雷暴云电荷结构进行了研究。

笔者在雷暴云三极性电荷结构模型下，加入随机放电参数方案，通过高分辨率模拟实验，主要研究了雷暴云电荷去位置对闪电类型的影响，主要讨论雷暴云下部正、负电荷区的相对位置对闪电类型的影响。

1 模拟方法

数值模拟是一种与实际观测互补的研究手段，谭涌波等[6-7]，建立了高分辨率的闪电参数化方案，笔者在此基础上，利用一个典型的三极性电荷结构的假定，进行雷暴云二维12.5 m×12.5 m高分辨率放电模拟实验，目的是利用地闪通道的传播特性和几何结构典型的模拟结果，给出雷暴云电荷区位置对闪电类型的影响，主要研究雷暴云底部正、负极性电荷区的相对位置对随机产生闪电类型的影响。

1.1 雷暴云电荷结构

为了更真实的模拟闪电通道直径以及空间分布形态，笔者采用高分辨率的笛卡尔坐标系，电荷结构的空间分辨率为12.5 m×12.5 m。雷暴云主要分为三个电荷结构区，从最高层到最低层依次为：负的屏蔽层电荷区（S）、上部正电荷区（P）、主负电荷区（N）、底部正电荷区（LP）（如图1所示），即在典型的雷暴云三极结构基础上增加了云顶屏蔽层[12]。利用三极电荷结构层以及云顶屏蔽层，能够真实的反映出雷暴云实际电荷结构。图1中，椭圆结构表示雷暴云每个电荷结构区，该椭圆结构分别用rx和ry分别表示雷暴云电荷区的长、短半轴，电荷区的中心位置由（X0，Z0）决定，且用r0来表示雷暴云电荷区最大密度值。用XOLP来表示雷暴云底部正电荷区的位置，负电荷位置由XON表示。笔者主要研究了N区与LP区的位置对闪电类型的影响，因此在研究过程中，通过控制变化法，使得其它值保持不变，通过改变X0的变化，雷暴云电荷区的空间分布范围，根据Krehbiel[2]的研究结果（如表1所示）。为了方便讨论，定义r0x为雷暴云每个电荷区的最大电荷密度值。下标x可以是S、P、N以及LP，分别对应不同的电荷区。

表1 雷暴云电荷区的几何和电参数Table 1 Geometric and electrical parameters of the charge region of the thunderstorm cloud

图1 雷暴云经典三极电荷结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the classical three-pole charge structure of thunderstorm cloud

1.2 闪电启动条件

其中闪电的启动条件设置为：本文选Ebe为闪电的初始击穿阈值，它是随着高度的变化而变化的。

Ebe的单位是kV．m-1，ρ是空气密度（kg·m-3）它与高度z（km）有关，图2的点线区域A就是逃逸电子域，它的范围是500 m×500 m，×为闪电的触发点，实心黑点是已经发生了的闪电通道，黑色实线代表的是正先导的通道，灰色实线代表的是负先导的通道，虚线所在的附近为这个通道点有可能继续发展的通道点。如果模拟域内的哪个格点上面的电场强度超过了300 kV·m-1，即超过了空气的击穿阈值时，这个点即为闪电触发点。然后根据该闪电位置触发点，计算出周围所有可能触发闪电的位置。

图2 闪电初始击穿示意图Fig.2 Schematic diagram of initial breakdown of lightning

1.3 闪电的传播方式

闪电是从起始点开始从两个方向传播的，在闪电通道扩展过程的模拟实验中，正、负先导能不能继续发展，是根据它们自己的传播条件来判断的。文中假设两种先导自己的传播条件是一样的，即通断的端点与旁边环境的格点的点位差大于传播阈值（如150 kV·m-1）时就可以发展也就是说，两种先导都是每次只往后发展一个点；然后计算所有的已经发展的点与附近点之间的电场强度，通过各通道点与附近点之间的电位差确定的概率大小随机选择正、负通道各自的通道后继点。

2 模拟结果

根据雷暴云三极性电荷结构模型，并结合随机放电参数方案，对闪电随机放电进行数值模拟，模拟分辨率为12.5 m×12.5 m，研究了雷暴云电荷位置对随机产生闪电类型的影响，笔者主要研究了雷暴云LP、N区的相对位置对产生闪电类型的影响。因此，在模拟实验时要改变的参数只是LP区和N区的XON的值的大小，其他参数是在产生负地闪的电荷分布范围和密度大小的条件下进行模拟的，参数如表1所示。当雷暴云LP区和N区的XON的值的大小都为38 km时，即雷暴云电荷结构垂直时进行模拟实验得出的结果如图3所示，从图中可以看出闪电在雷暴云下部正负电荷区交界处触发，正负先导从启动点开始垂直延伸一段距离，正先导向负电荷区传播，到达高密度电荷区后水平延生形成大量的分支结构，负先导向正电荷区传播，到达高密度电荷区后有的水平延生形成大量分支结构，也有的分支继续向下到达地面，这明显可以看出是负地闪。

表2 雷暴云电参数Table 2 Thunderstorm cloud power parameters

图3 雷暴云电荷结构空间分布图Fig.3 Spatial distribution of charge structure of thunderstorm cloud

2.1 雷暴云LP区的位置对闪电类型的影响

XOLP为雷暴云电荷结构中正电荷的中心位置，首先改变正电荷中心位置的大小，来研究雷暴云中LP区位置对闪电类型的影响。其他结构配置都不变，XOLP依次取值是37.5 km，37 km，36.5 km，36 km，分别进行模拟实验。图4为雷暴云正电荷中心不同位置处，产生的闪电类型，图4（a）、图4（b）分别表示雷暴云底部正电荷中心位置偏移了不同距离时，模拟产生的闪电。其中图4（a）表示中心位置偏移0.5 km，图（b）为偏移1 km模拟结果。从图（b）图可以看出，闪电从正负电荷交界处触发后倾斜的延伸一段距离，正先导到达负电荷区的高密度中心后水平延伸，向右边延伸的长度比左边的长，负先导向下传播到达正电荷区的高密度中心后水平延伸，有的分支向下发展击中地面。图（c）表示中心位置偏移1.5 km，图（d）为偏移2 km模拟结果，从图（c）、图（d）可以看出，在正电荷区以及中部电荷区之间有闪电触发，产生的负极性先导发展到正电荷区时，沿着水平方向发展，没有与地面接触。根据上述分析得出，雷暴云底部正电荷区位置发生偏移程度增加时，触发的闪电类型从负地闪向正极性云闪转化。

图4 雷暴云LP区在不同位置时的闪电通道结构和空间电荷分布Fig.4 Lightning channel structure and space charge distribution in thunderstorm LP region at different positions

从图4（b）到图4（c），底部正电荷区移动了0.5 km，闪电的启动点发生了变化，使得闪电类型由负地闪变成了正极性云闪，为了弄清楚在这0.5 km的范围内还有没有其他类型的闪电产生，比如反极性云闪的产生，笔者在37 km至36.5 km之间再取9个点做模拟实验，即从37 km开始每隔0.05 km取一个点做模拟实验，结果显示，当雷暴云底部正电荷区在一定的位置还会产生反极性云闪。

以上结果表明：1）雷暴云LP区的位置对闪电类型的影响很大，当LP区偏移较小时闪电的启动点在底部正电荷区与中部负电荷区之间，正负先导从启动点开始倾斜的传播一段距离，负先导到底正电荷区的高密度中心后水平延伸，向右边的延伸距离比左边的要长，负先导到达正电荷区后有大量分支，有的分支穿过正电荷区接地，而且随着电荷区向左边偏移程度的增加，闪电击中地面的点向左边水平的移动；2）当雷暴云LP区偏移到一定程度时闪电类型发生变化，负先导向下传播到达正电荷区后水平延伸产生大量的分支但是不会继续向下发展到达地面，发生的是反极性云闪，正先导向上传播到达负电荷区后水平延伸，但是可以很明显的看出，闪电向右边延伸的长度比向左边延伸的长度要长很多，有的分支甚至向右延伸穿过了电荷区，但穿过电荷区之后成单线发展；3）当雷暴云LP区继续向左偏移时，闪电启动点发生了变化，闪电起始于雷暴云上部正电荷区与中部负电荷区之间，发生的是正极性云闪，正负先导同时产生，正先导向负电荷区传播，负先导向正电荷区传播，到达电荷区的高密度中心之后，正负先导开始水平延伸形成大量分支结构，整个通道呈现的是一个双层水平分支结构。

2.2 雷暴云N区的位置对闪电类型的影响

根据上文可知，XON表示雷暴云中负电荷区的中心位置，笔者通过改变XON的大小来探讨N区的位置对闪电行为的影响。雷暴云电荷区的其他结构配置都不变，XON依次取值是37.75 km，37.50 km，37.25 km，37.00 km分别进行模拟实验。图5（a）是在雷暴云N区偏移了0.25 km时模拟出的闪电通道结构和空间电荷分布图，闪电始发与雷暴云下部正负电荷区之间，闪电从正负电荷交界处触发后垂直的延伸一段距离，正先导到达负电荷区的高密度中心后水平延伸，负先导向下传播到正电荷区之后，产生大量的分支，有的分支继续向下击中地面，发生的是负地闪，但是地闪的击地点对比起始点水平移动了将近0.5 km。图5（b）、（c）、（d）三图是分别在雷暴云N区分别偏移了0.5 km，0.75 km，1 km时模拟出的闪电通道结构和空间电荷分布图，发生的都是反极性云闪，但是先导和传播行为也有一定的不同，随着N区偏移程度的增大，先导自触发点产生之后是倾斜着传播的，到达正负电荷区的高密度中心之后再水平延伸产生大量分支，但是可以明显的看出（d）图中闪电通道向左边延伸的距离要比其他的长，有的分支甚至向左发展向左穿过了电荷区。

图5 雷暴云N区在不同位置时的闪电通道结构和空间电荷分布Fig.5 Lightning channel structure and space charge distribution of thunderstorm cloud N region at different positions

以上结果表明：1）当雷暴云N区偏移较小时闪电的启动点在底部正电荷区与中部负电荷区之间，正负先导从启动点开始垂直的传播一段距离，负先导传播到底部正电荷区的高密度中心后水平延伸产生大量分支，有的分支穿过正电荷区接地，产生的是负地闪。但是随着电荷区向左边偏移程度的增加闪电通道结果也有区别，对比原始点，随着雷暴云N区向左偏移闪电击地点的向左边水平移动；2）当雷暴云N区继续向左边移动，闪电的启动点不发生变化，还是产生于雷暴云下部正负电荷区之间，但是闪电通道到达的位置发生了变化，负先导到达底部正电荷区之后不会继续向下发展击中地面，产生的是反极性云闪。雷暴云N区的偏移程度在一定范围内时产生的都是反极性云闪，但是闪电通道结构有一定差异，倾斜程度增大以后，闪电从起始点触发以后会先倾斜的传播一定距离，到达正负电荷区的高密度中心之后水平延伸产生大量分支，但是向左边延伸的长度比向右边延伸的长度长很多，有的分支向左延伸穿过了电荷区，但穿过电荷区之后成单线发展；3）当雷暴云N区向左偏移的距离太大时，闪电就不再产生了。

3 结论

在雷暴云三极性电荷结构模型下，加入随机放电参数方案，通过高分辨率模拟实验，主要研究了雷暴云电荷去位置对闪电类型的影响，主要得出以下四点结论：

1）雷暴云底部正电荷区位置发生偏移程度增加时，触发的闪电类型从负地闪向正极性云闪转化；

2）雷暴云中部负电荷区的位置也对闪电类型有很大的影响，随着雷暴云中部负电荷区位置偏移程度的增大，闪电类型从负地闪变成反极性云闪，当偏移到一定程度的时候闪电不发生；

3）闪电类型与雷暴云下部正负电荷区的相对位置有关，雷暴云下部正负电荷区的中心位置的水平距离在0～1.25 km之内才会产生负地闪，在水平距离大于0.75 km时才会产生反极性云闪，水平距离大于1 km才会产生正极性云闪，在0.75km～1.25 km范围内，三种闪电都可能产生；

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Numerical Simulation of the Effect of Relative Position of Charge Structure on Lightning Type

MA Yiping,QIAN Cheng,XIA Shizhe,HE Xiaowei,CHEN Jun
（Ningbo Electric power supply company,Zhejiang Electric Power Company,Ningbo 315800,China）

By using the model of the thunderstorm cloud with three pole charge structure and com⁃bining with the random discharge parameter scheme,the influence of the charge region position on dis⁃charge type is studied through high resolution experiments.The results show:1)With the increase of thun⁃derstorm cloud bottom positive charge region offset degree,the lighting type changes from negative CG flashes to inverted IC lighting and then to positive polarity IC lighting;2)With the increase of thunder⁃storm cloud middle positive charge region offset degree,the lighting type changes from negative CG flash⁃es to inverted IC lighting,and then the offset to a certain extent lighting does not occur;3)the type of light⁃ing is related to relative position of thunderstorm lower on the positive and negative charge region,differ⁃ent types of lighting corresponding to different relative positions.

charge region position；offset degree；lightning type；numerical simulation

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.027

2017-02-20

马益平（1964—），男，高级工程师，研究方向:电力系统运行管理及综合控制。