譚涌波，師 正，王寧寧，郭秀峰

1 南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室，南京 210044

2 南京信息工程大學大氣物理學院，南京 210044

1 引 言

地閃是一種云體對大地的放電現(xiàn)象，由于地閃接地過程中所形成的強大電流、猛烈沖擊波以及巨大的電磁輻射會對人類社會造成多種危害，而這種危害與地閃擊地點息息相關，因此地閃接地位置與環(huán)境之間的相互關系是雷電科學研究的重要方向之一.目前關于地閃擊地點選擇這一科學問題的研究主要集中在地形地物對擊地點影響方面.Horvath等[1-2］提出了建筑物引雷空間的概念，同時Eriksson等[3-4］提出了更為準確的引雷空間計算方法；L.Dellera等[5］建立了一個簡單的放電模式用來計算高結構體的保護區(qū)域以及不同高度的結構體遭受雷擊的概率；N.I.Petrov等[6］基于以上的理論利用閃電分形對不同建筑的雷擊率做了量化分析；張小青[7］基于引雷空間理論，估算出了高結構體的年雷擊率；任曉毓等[8］基于隨機放電理論，建立了一個閃電先導的二維模式以模擬雷擊建筑物的先導連接過程，該模式模擬了下行先導與寬度40m的建筑之間的相互作用和連接過程.

地閃始發(fā)于雷暴云中，其先導的傳播趨勢與空間電荷、電位分布息息相關：Coleman等[9］利用三維閃電觀測圖和氣球電場探空資料對比分析發(fā)現(xiàn)了云閃通道的上下兩層水平分支與空間位勢阱以及主要電荷區(qū)的位置相一致；譚涌波等[10］通過高分辨率的二維模擬探討了云中電荷以及電位分布對閃電先導通道的傳播行為的影響.既然空間電荷結構及電位分布限制著先導的傳播趨勢，其也必然對地閃的擊地點產生影響，那么這種影響程度究竟如何？目前，對于此類問題研究相對較少，只是在一些實際閃電觀測結果中有所涉及[9，11-12］，雖然實際觀測結果中給出了地閃的初始點以及擊地點位置，但是并沒有給出關于地閃擊地點選擇的相關結果.另外，目前關于空中電荷、電位分布的實地觀測主要還是采用氣球探空技術，而氣球探測的3～12km高度范圍的電場廓線是26min時間間隔內、沿著氣球上升軌跡的場強分布，無法得到云中瞬時電位和電荷空間分布，因此要想通過實地觀測實驗充分了解雷暴云電荷結構以及空間電位分布與地閃擊地點位置之間的關系還十分困難.

本文在已有的雷暴云放電參數(shù)化方案和放電物理研究基礎上，對不同雷暴云電荷結構以及同一雷暴云電荷結構下的地閃進行高分辨率的數(shù)值模擬實驗，旨在利用地閃通道的幾何結構和傳播特性的典型模擬結果，給出空間電荷結構對地閃擊地點影響程度的定量估計及其合理性評價，揭示地閃初始點與擊地點的位置關系的規(guī)律性.

2 放電參數(shù)化方案及試驗個例選取

關于雷暴云的放電參數(shù)化方案較多，但是對于地閃接地過程的研究工作還是相對較少，在放電模式發(fā)展前期，放電參數(shù)化方案中不包括對于地閃過程的處理[13-15］，直到 Mansell等[16］基于隨機介質擊穿模式和雙向先導概念[17］，發(fā)展了一個新的閃電放電參數(shù)化方案，成功地模擬了云內閃電通道的雙層、分叉結構和正、負云地閃，但其模式分辨率（500m）不夠精細以及調整正、負先導總體電中性方法不盡合理，且空中放電通道向下達到1.5km高度就認為是地閃；譚涌波[18-19］發(fā)展了一種逃逸啟動、雙向隨機發(fā)展的放電參數(shù)化改進方案，并進行了12.5m的高分辨率云閃放電模擬實驗，模擬結果很好再現(xiàn)了云閃通道雙層分支結構特性，且其與VHF和照相觀測結果有很好的一致性；陶善昌等[20］在此基礎上，對隨機放電參數(shù)化方案進行了改進，加入了地閃處理的參數(shù)化方案，首次實現(xiàn)了先導能夠直接發(fā)展到地面的地閃模擬.本文綜合應用已有的雷暴云隨機放電參數(shù)化方案，其中選取隨高度變化的或逃逸電子電場閾值為閃電的初始擊穿閾值，設置閃電是從初始點雙向傳播的，模式中閃電通道的擴展是采用步進（step-by-step）方式，即每次正負通道各自只擴展一個后繼通道點，同時考慮了放電過程中通道對環(huán)境電場的影響.另外，模式中認為只有當先導完全接地時才發(fā)生地閃過程，通道接地后，接地點的通道電位設置為0，并且考慮到大電流的作用，將接地先導的內部壓降下調至200V·m-1；并假設上行先導的內部壓降保持500V·m-1不變，重新計算閃電通道的電位分布，由于閃電通道內部電壓被重新調整，通道尖端與周圍環(huán)境電場之間的電位差急劇增大，從而使得閃電通道可能重新產生新的后繼通道，引發(fā)后繼放電過程[18-20］.模式模擬域為76km×20km，對流啟動方式為濕熱泡，大時間步長為2s，小時間步長為0.4s，并且以250m×250m分辨率計算的電荷和電場分布為背景場，在12.5m×12.5m高分辨率下模擬閃電空間結構.

為了在同一雷暴云電荷結構背景下，對模擬結果與實際觀測結果進行對比分析，以及統(tǒng)計在不同的雷暴云電荷結構下，地閃發(fā)生的初始點與擊地點之間的位置關系，因此需要大量模擬實驗結果作為分析依據(jù).觀測表明[21］，風暴的發(fā)生、發(fā)展對初始擾動非常敏感，擾動不同，風暴的強度、結構等特征也不同.本文通過選擇不同的濕熱泡最大中心溫度、相對濕度擾動兩個主要的初始激發(fā)擾動因子，并結合四次探空資料，得到了多種空間雷暴云電荷結構分布下的地閃個例，其中這四次探空資料分別為，墨西哥州Langmuir實驗室所在地進行了雷暴云內電過程的綜合研究（Studies of Electrical Evolution in Thunderstorms，簡稱SEET），其實驗場地海拔高度大約3000m，位于山坡上，另外三次分別選取由南京自動氣象站測出的探空資料分別為：2008年7月22日、2009年7月6日、2009年7月22日.

3 模擬結果分析

3.1 同一雷暴云電荷結構背景下模擬結果

閃電具有隨機性和唯一性，哪怕在時間間隔非常短的情況下，閃電通道傳播表現(xiàn)出來的特征都不相同[22］.那么這種隨機性對于閃電擊地點的影響到底如何？為此，本文選擇來自SEET個例模擬出的各一次典型的正地閃（發(fā)生于36min）和負地閃（發(fā)生于39min），在其固定的空間電荷結構背景下，改變閃電先導傳播的隨機參數(shù)進行了數(shù)值模擬實驗.圖1為所選正地閃及負地閃的空間結構分布圖，可以看出：（1）兩次地閃均產生于離地面最近的一對電荷堆之間.負地閃產生于三級性電荷結構下，起始于中部主負電荷堆與底部次正電荷堆之間，其起始高度為4.25km，正地閃產生于多體結構下，起始于底部的一對正負電荷堆之間，起始高度為3km；（2）正、負地閃在接地以后都產生了云內后繼放電過程，其均發(fā)生于上行先導的末端即離初始點最遠的地方；（3）不同隨機參數(shù)下的正、負地閃基本傳播趨勢相同，先導自初始點出發(fā)后向高電荷密度中心發(fā)展，在其中先導呈現(xiàn)多分叉結構，當先導穿過高電荷密度中心后，開始傳向低電荷密度區(qū)，先導更趨向于單向發(fā)展而少分支.雖然兩次正、負地閃的閃電形態(tài)和通道的傳播趨勢大體一致，但在細節(jié)上仍有所區(qū)別，如地閃接地位置就存在較大差異，其中兩次負地閃的擊地位置分別為：38.85km、40.02km，兩次正地閃擊地點位置：37.12km、38.16km.

在此基礎上，為了研究先導傳播的隨機性對擊地點位置的影響，本文對所選的正、負地閃個例，在電荷結構固定的背景下改變隨機參數(shù)并分別進行了50次模擬實驗，并將正、負地閃的初始點與擊地點之間距離的模擬結果示于圖2中.其中Dig（Distance between the initial point and ground strike point）定義為初始點與擊地點之間的距離，Number定義為Dig出現(xiàn)在各個區(qū)間的次數(shù)，從圖中不難看出，正、負地閃的Dig都在0～2.8km范圍內，負地閃在0～0.8km以及1.2～2.0km范圍內出現(xiàn)的次數(shù)相對較多，而正地閃的分布相對比較均勻，在0.4～0.8km范圍內出現(xiàn)峰值.

圖1 同一雷暴云電荷背景下地閃的通道結構及空間電荷分布（a）（b）同一雷暴云背景下的兩次負地閃；（c）（d）同一雷暴云背景下的兩次正地閃.圖中縱坐標為離地面高度，x為模擬域水平距離，實線和虛線分別是正、負電荷密度的等值線，其依次為±0.1，±0.5，±1，±1.5，±2nC·m-3，黑色實線為正先導、深灰色為負先導，淺灰色為接地后的云中后繼放電過程，黑色實心菱形為閃電的起始位置.Fig.1 CG lightning structure and charge distribution（a）（b）Two negative CG lightning produced in the same thunderstorm charged structure；（c）（d）Two positive CG lightning produced in the same thunderstorm charged structure.Ordinate is for height from ground and xis for horizontal distance of simulation domain.Solid is for positive charge and dashed is for negative charge，and the charge density contour is equal to±0.1，±0.5，±1，±1.5，±2nC·m-3 in turn，black lines are for positive leader，and dark gray lines are for negative，and light gray lines are for post-strike leaders，and black diamond for lightning initiation point.

采用動態(tài)聚類法分析了地閃擊地點位置，基本思想是將這些擊地點位置作為一批凝聚點，進行多次迭代和修改，得出三個典型的擊地點，負地閃為：38.49km、39.40km、40.25km，正地閃為：36.14km、37.33km、38.47km，而正、負地閃這三個位置前后分別相差在1km左右，這與Davis[22］通過閃電定位網(wǎng)測出前后兩次間隔微秒發(fā)生的兩次地閃的擊地點的距離在1km左右是一致的，前后時間間隔為微秒可以認定空間電荷結構不發(fā)生變化，與模擬條件是大致相同的.雖然這些擊地點位置各不相同，但是這些位置都是被限定在3km的范圍之內，也就是說下行負先導的傳播趨勢應被某種條件控制在一個大致的方向上.

圖2 同一雷暴云電荷背景下地閃的初始點與擊地點之間距離的分布Fig.2 Distribution of distances between the initial point and ground strike point in the same background of thunderstorm charge

模式中閃電的先導通道是隨機傳播的，其傳播趨勢由閃電通道尖端與環(huán)境格點之間的電位差決定，電位差越大先導的傳播概率就越高[20］，而通道尖端電位由初始參考電位以及路徑長度唯一確定[18-19］，因此閃電通道的空中形態(tài)應與空中電位分布密不可分.圖3a、3b分別為圖1a、1c中正負地閃的電位分布圖，其中電位等值線的間隔為±20MV.從圖中不難發(fā)現(xiàn)：當閃電起始之后先導通道先沿著電位等值線最密集的方向發(fā)展，那里也是環(huán)境電場變化最快的方向；如果先導在傳播的過程中遇到位勢阱（其中負位勢阱代表位勢極小值區(qū)，正位勢阱代表位勢極大值區(qū)），正（負）先導分別向負（正）位勢阱區(qū)延伸，而當先導穿過位勢阱中心并繼續(xù)向外發(fā)展時，是沿著位勢阱變化最緩慢的方向發(fā)展，此時周圍環(huán)境與通道尖端的電位梯度相對最大[10］.

綜上所述，可以看出雷暴云的空間電荷結構決定了云內的電位分布，而電位分布限制了地閃先導的最大傳播趨勢，但是閃電隨機性在這最大傳播趨勢下會改變擊地點位置，且改變的范圍在3km之內.

3.2 不同雷暴云電荷結構背景下地閃初始點與擊地點之間的位置關系

地閃的下行先導受空間電荷結構的影響，其擊地點位置分布差異很大.圖4給出了四個雷暴云個例模擬得到的共186次正、負地閃初始點與擊地點位置差的分布圖，其中Rbs（Ratio of lightning frequency at each interval to total numbers）定義為地閃的Dig在各區(qū)間的次數(shù)與總次數(shù)的比率.從圖中可以看出：總閃的Dig在0～10km內呈逐步減小趨勢，且總閃在0～4km范圍占78%，比例相對較高，負地閃的Dig分布在0～6km以內，且在0～4km范圍內占93%，正地閃的Dig分布在0～10km范圍內，其分布相對比較廣，其中0～3km范圍內占48%，3～6km范圍內占34%，而6～10km范圍內占18%，因此可以看出正地閃的Dig隨著距離增加其所占比例逐漸減小.Coleman等[9］給出的三次負地閃過程中，其初始點與擊地點之間的距離都在2km范圍內，這與大部分的模擬結果相當，當然也不排除那種下行先導水平擴展范圍廣，而從其中任意一個下行分支發(fā)展到地面的情況；Thomas等[11］計算了在一次雷暴發(fā)生過程中，正地閃輻射源輻射功率的空間分布，結合擊地點位置，可以得出初始點與擊地點位置主要分布在0～6km左右，這也證明了模擬結果是合理的.

圖3 地閃通道結構及空間電位分布（a）負地閃通道與放電前空間電位分布圖；（b）正地閃通道與放電前空間電位分布圖（實線為正電位，虛線為負電位，單位MV）.Fig.3 CG lightning structure and potential distribution（a）Negative CG lightning channels and pre-discharge potential distraction；（b）Positive CG lightning channels and pre-discharge potential distraction（Solid lines indicate positive potential and dashed lines indicate negative potential，and the unit is MV）.

圖4 擊地點與初始點之間距離的分布Fig.4 Distribution of distances between the initial point and ground strike point

通過對模擬結果分析發(fā)現(xiàn)：負地閃均起始于三級性電荷結構下中部負電荷堆與底部正電荷堆之間，當起始高度在4km左右，這種類型的負地閃發(fā)生的負先導基本都是穿過底部正電荷區(qū)后直接擊地，其擊地點位置與初始點位置的距離相對較小在0～4km范圍內，如圖1a、1b所示，此次負地閃是在SEET個例下模擬的典型結果，屬于山地雷暴，地面溫度低，地閃起始高度也較低，這一結果與日本觀測到的一些冬季雷暴特征相類似[23］；當起始高度相對較高在6km以上，Dig在0～6km范圍內，如圖5a所示，其中初始場選用了南京站2008年7月22日探空資料，其屬于平地發(fā)生的雷暴，地面溫度高，起始高度在7km左右，觸發(fā)時間為32min，處于雷暴過程的成熟階段，由于其起始高度相對較高，因此下行負先導穿過底部正電荷區(qū)后水平擴展范圍比起始高度在4km的負地閃大.在模擬結果中，正地閃產生于三種類型雷暴云電荷結構，第一類：產生在云中呈多層分布的電荷結構下，起始于下部的一對正負電荷堆之間，其起始高度在3～4km左右，Dig在0～4km范圍內，如圖1c、1d所示，其來自SEET個例所模擬的結果，而在國外觀測結果中也有類似的正地閃報道過[24-25］；第二類：產生于偶極性雷暴云電荷結構下，起始高度相對較高，初始點與擊地點位置差分布在0～9km范圍內，圖5b為SEET個例下的一次正地閃，觸發(fā)時間為70min，處于雷暴過程的消散階段，由于起始高度在6km左右，正先導穿過底部的負電荷區(qū)后的水平擴展范圍較大，此次正地閃初始點與擊地點之間的距離為8.5km；第三類：起始于三級性結構下上部正電荷堆與中部負電荷堆之間，其起始高度在6～8km左右，當正先導在穿負電荷區(qū)的途中遇到底部的次正電荷堆，由于次正電荷堆與下行正先導之間存在同性排斥的關系，正先導會繞開次正電荷堆水平發(fā)展，從而加大了初始點與擊地點之間的距離，其擊地點主要分布在6～10km范圍內，如圖5c所示，其來自SEET個例模擬結果，正地閃起始于上部的一對正負電荷堆之間，起始高度在6km左右，其觸發(fā)時間為46min，處于雷暴過程的成熟階段，正先導向右繞過底部次正電荷堆通向地面，此時初始點與擊地點之間的距離為8.2km.

根據(jù)以上分析，把模擬結果分為兩類：（1）正、負地閃產生于離地面最近的一對電荷堆之間（包括：三級性電荷結構下的負地閃；多級性電荷結構下的正地閃；偶極性電荷結構下的正地閃），其起始高度越高，初始點與擊地點位置差范圍越大；（2）正地閃產生于三級性雷暴云電荷結構下，其起始于上部的主正電荷堆與中部主負電荷堆之間，由于下行正先導會繞過底部的次正電荷堆，因此其擊地點與初始點的距離相對較大.

圖5 地閃通道結構及空間電荷分布（a）三級性電荷結構下的負地閃；（b）偶極性電荷結構下的正地閃；（c）三級性電荷結構下的正地閃（圖例與等值線同圖1）.Fig.5 CG lightning structure and charge distribution（a）Negative CG lightning under the three stage of charge structure；（b）Positive CG lightning under dipole charge structure；（c）Positive CG lightning under the three stage of charge structure of thunderstorm cloud（The cutlines and contours are same to Fig.1）.

4 結論與討論

本文在前人的放電參數(shù)化方案的基礎上，通過改變模式中的初始擾動對四次雷暴進行了多次二維12.5m分辨率地閃模擬實驗，得到多種雷暴云電荷結構背景下的地閃，著重討論了空間雷暴云電位分布對地閃擊地點位置的影響以及地閃擊地點與初始點之間的位置關系，通過對模擬結果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：

（1）在同一雷暴云電荷結構背景下，通過改變模式中的放電隨機參數(shù)分別得到50次正、負地閃擊地點位置，通過利用動態(tài)聚類法對50個接地點位置進行迭代得出的三個擊地點位置，其相互之間的差為1km左右即可以認為在間隔非常短的時間內，連續(xù)發(fā)生的兩次地閃的擊地點位置相差1km左右，其結果與實際觀測結果相一致.地閃擊地點受空間電荷及電位分布影響，電位分布限制了地閃先導的最大傳播趨勢，但是閃電隨機性在這最大傳播趨勢下會改變擊地點位置，且改變的范圍在3km之內.

（2）通過對不同的雷暴云電荷背景下正、負地閃的初始點與擊地點之間的距離進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)總閃的初始點與擊地點的位置差在0～4km范圍內的比例較高為78%，且在0～10km范圍內的各部分比例呈逐步減小的趨勢，負地閃主要分布在0～6km范圍內，且93%的負地閃分布在0～4km范圍內，正地閃的分布相對較廣，0～3km范圍內占48%，3～6km范圍內占34%，18%的正地閃在6～10km范圍內.

（3）正、負地閃的初始點與擊地點位置差受空間電荷結構以及地閃起始高度影響差異很大.正、負地閃主要產生于離地面最近的一對電荷堆之間，其起始高度越高，初始點與擊地點位置差范圍越大，當?shù)亻W起始高度相對較低在4km左右時，無論是三級性電荷結構下負地閃還是產生于多體結構下的正地閃，其Dig分布在0～4km范圍內，當起始高度在6km左右時，三級性電荷結構下的負地閃以及產生于偶極性雷暴云電荷結構下的正地閃，其初始點與擊地點位置差分布在0～9km范圍內，另外一部分的正地閃產生于三級性雷暴云電荷結構，由于正先導的傳播會繞過雷暴云電荷結構底部的次正電荷區(qū)，增加了正地閃初始點與擊地點之間的位置差，因此該類型的正地閃初始點與擊地點位置差在6～10km范圍內.

本文利用數(shù)值模擬探討了不同類型電荷結構以及地閃起始高度下的地閃初始點與擊地點之間的位置關系以及空間電位分布對擊地點位置的影響，并未深入研究空間雷暴云電荷結構對擊地點影響，考慮到空間電荷的分布范圍及其大小將決定空間電位分布，且其與擊地點位置必然存在很大關系，因此討論空間電荷的分布范圍與地閃擊地點位置之間的關系并給出定量分析結果是該工作進一步深入的關鍵，另外雷暴云底部小的電荷堆對地閃先導通道的抑制程度的計算也是下一步工作的重點.

致 謝 本文所采用的積雨云微物理、動力框架由氣象科學院胡志晉研究員提供；在文章的完成過程中陶善昌教授給出了寶貴的意見；南京信息工程大學高性能計算中心提供了計算平臺，在此一并感謝.

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