王藝儒 譚涌波 鄭天雪 余駿皓 李春筍 劉敏芝
1)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 南京 210044)
2)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/雷電物理和防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)
根據(jù)始發(fā)位置的不同,閃電可以分成始發(fā)于高大建筑尖端的上行閃電與始發(fā)于云內(nèi)的閃電,上行閃電數(shù)量相對較少。隨著觀測手段的進(jìn)步以及高大建筑的增多,包括中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地的廣州高建筑物雷電觀測站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)在內(nèi),世界各地研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展了針對上行閃電的觀測與研究[1-16]。
不同閃電的始發(fā)條件一直是雷電研究的熱點(diǎn),大量研究表明:不同類型閃電的始發(fā)與云中電荷結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[17-21],對于上行閃電而言,通過觀測推測上行閃電的起始與雷暴云中電荷區(qū)高度有關(guān),當(dāng)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)較低時(shí),地面電場強(qiáng)度通常較強(qiáng),容易產(chǎn)生上行地閃[22-24]。此外,建筑高度與建筑尖端的電暈層都是影響上行閃電始發(fā)的因素,一般認(rèn)為建筑物越高,觸發(fā)上行閃電需要的環(huán)境電場越小,越容易始發(fā)上行閃電,并且建筑物尖端電暈層對建筑尖端電場存在抑制作用,進(jìn)而影響上行閃電始發(fā)[25-27]。根據(jù)上行閃電始發(fā)因素的不同,可將上行閃電分成觸發(fā)型與自持型兩類,觸發(fā)型上行閃電的起始主要受其他閃電放電產(chǎn)生的瞬時(shí)強(qiáng)電場的影響,自持型上行閃電則是云中電荷不斷累積引發(fā)的[28],自持型上行閃電的起始可能與云中電荷結(jié)構(gòu)尤其是電荷區(qū)高度關(guān)系更為密切??偨Y(jié)目前已有的觀測結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),自持型上行閃電更容易在冬季或者山地雷暴中始發(fā)[1,2,29],這可能與這兩種雷暴發(fā)生時(shí)地面溫度較低、云中電荷結(jié)構(gòu)整體高度較低有關(guān)[29-31]。
綜上所述,云中電荷提供上行閃電需要的環(huán)境電場,建筑尖端增強(qiáng)環(huán)境電場以達(dá)到閃電始發(fā)條件,電荷結(jié)構(gòu)可能也是影響自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的重要因素[32-33]。上行閃電數(shù)量較少,針對自持型上行負(fù)閃電的觀測數(shù)據(jù)更少,并且觀測大多針對閃電通道的形態(tài)、通道速度等,難以探測閃電發(fā)生時(shí)云中的電荷結(jié)構(gòu),數(shù)值試驗(yàn)可以通過改變設(shè)定的背景電荷結(jié)構(gòu)模擬不同類型電荷結(jié)構(gòu)下引發(fā)不同類型的閃電,并且可以記錄閃電發(fā)生時(shí)云中的最大電場強(qiáng)度以及建筑尖端的環(huán)境電場,通過該方式可討論有利于始發(fā)自持型上行負(fù)地閃的云中電荷結(jié)構(gòu)。本文在已有的閃電參數(shù)化方案基礎(chǔ)上[26,34],加入偶極性雷暴云電荷結(jié)構(gòu)模型,通過敏感性試驗(yàn),分析利于自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的電荷結(jié)構(gòu)特征,討論不同電荷背景下自持型上行負(fù)地閃的傳播特征。
本文與TOLOG觀測分析結(jié)果進(jìn)行簡要對比,并對觀測分析進(jìn)行補(bǔ)充,主要探討利于自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的云中電荷初始條件,采用已有的高分辨率上行閃電參數(shù)化方案[34],在模擬域底端固定一個(gè)寬50 m,高200 m的建筑。電荷結(jié)構(gòu)采用經(jīng)典的偶極電荷模型,并開展相關(guān)的敏感性試驗(yàn)。
觀測發(fā)現(xiàn)自持型上行閃電大多出現(xiàn)在山地與冬季雷暴過程中,雷達(dá)探測和閃電三維定位數(shù)據(jù)的分析表明這類雷暴通常云層較低,電荷結(jié)構(gòu)大多呈現(xiàn)偶極性[20,32,35]。本文分析利于負(fù)極性自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的電荷結(jié)構(gòu)特征,重點(diǎn)考慮主負(fù)電荷區(qū)電荷參數(shù),由于目前少有針對上行閃電始發(fā)時(shí)的電荷分布探測結(jié)果,同時(shí)難以使用一個(gè)電荷分布概括所有的雷暴云電荷實(shí)際分布,因此本文背景電荷選用最為常見的經(jīng)典偶極性電荷結(jié)構(gòu),并針對上行閃電始發(fā)時(shí)電荷層較低這一觀測結(jié)論,降低了整體的電荷高度。
有很多類型的電荷分布結(jié)構(gòu)[35-37],圖1是本研究模擬設(shè)定的電荷結(jié)構(gòu)分布示意圖,雷暴云電荷垂直分布從上到下依次為負(fù)的屏蔽層電荷區(qū)(S)、上部正電荷區(qū)(P)和主負(fù)電荷區(qū)(N)。模擬域采用高分辨率的二維直角坐標(biāo)系,范圍為20 km×15 km,空間分辨率為10 m×10 m。圖1中虛線是負(fù)電荷等密度線,實(shí)線是正電荷等密度線。雷暴云各個(gè)電荷區(qū)呈橢圓形,其中電荷區(qū)的電荷密度在電荷區(qū)的中心處最大,由中心向外指數(shù)遞減,呈高斯分布。模擬域中電荷區(qū)的電荷密度分布由以下公式?jīng)Q定[35]:
圖1 雷暴云偶極性電荷結(jié)構(gòu)示意圖[35]
ρ=ρ0e-(2φ)2,
(1)
(2)
其中,ρ0是各個(gè)電荷區(qū)中最大電荷密度,該值可以表征電荷區(qū)整體電荷密度情況;x0和z0為電荷區(qū)中心坐標(biāo),各電荷層的橢圓長半軸為rx,短半軸為rz,如無特殊說明,下文z0,ρ0與rx均指主負(fù)電荷區(qū)參數(shù),當(dāng)電荷濃度衰減至0.1 nC·m-3,設(shè)定此處為電荷區(qū)的邊界。
為了保證上行負(fù)地閃能夠始發(fā),結(jié)合觀測發(fā)現(xiàn)上行閃電多出現(xiàn)在雷暴云較低情況下[30-31],模擬中需要控制除主負(fù)電荷區(qū)以外的電荷參數(shù),電荷區(qū)參數(shù)范圍取值參考了郭鳳霞等[38]模擬的青藏高原地區(qū)雷暴消散期云層較低時(shí)使用的參數(shù)以及張廷龍等[39]在中國高原地區(qū)探測到的偶極性電荷結(jié)構(gòu)參數(shù),任何類型閃電的始發(fā)都需要足夠大的電荷總量,為了保證閃電的始發(fā)及敏感性試驗(yàn)中主負(fù)電荷區(qū)是唯一變化的影響因子,全文控制了P區(qū)的水平范圍以及電荷濃度,具體參數(shù)及變化范圍見表1。
表1 雷暴云電荷區(qū)的空間參數(shù)和電荷參數(shù)
1.2.1 閃電的啟動(dòng)
本文為了考慮有利于自持型上行負(fù)地閃發(fā)展的云中電荷結(jié)構(gòu),需要考慮云中的閃電先導(dǎo)與始發(fā)于建筑物尖端的上行負(fù)地閃之間始發(fā)的先后關(guān)系,也就是本模式同時(shí)監(jiān)測云中與建筑尖端的最高電場,如果云中電場已達(dá)到閃電啟動(dòng)閾值,則自持型上行負(fù)地閃不會(huì)始發(fā)。
對于具體的閃電啟動(dòng)閾值,起始于云中的閃電閾值采取常規(guī)空氣擊穿閾值150 kV·m-1[40]。通常背景電荷在建筑物高度處產(chǎn)生的環(huán)境電場量級(jí)為101kV·m-1,達(dá)不到擊穿空氣所需的閾值,自持型上行負(fù)地閃的啟動(dòng)所需的強(qiáng)電場由建筑物尖端畸變而來,本文不模擬建筑尖端的畸變效應(yīng),使用的是未計(jì)算畸變效應(yīng)之前的環(huán)境電場閾值,設(shè)定為15 kV·m-1,具體畸變效應(yīng)以及計(jì)算過程詳見文獻(xiàn)[26]。
1.2.2 上行先導(dǎo)的傳播
上行閃電的發(fā)展采用步進(jìn)式,即下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)閃電通道只會(huì)延伸一個(gè)空間格點(diǎn)。閃電發(fā)展時(shí),通道周圍可能會(huì)出現(xiàn)不止一個(gè)滿足傳播閾值的點(diǎn),選取其中一個(gè)作為下一個(gè)傳播點(diǎn)。閃電容易朝著與通道之間電位差較高的地方發(fā)展,根據(jù)該現(xiàn)象,計(jì)算全部已有的通道點(diǎn)與其環(huán)境點(diǎn)之間的電位差,選取所有超過傳播閾值的空間點(diǎn),并以電勢差與傳播閾值的差為權(quán)重隨機(jī)選取下一個(gè)通道點(diǎn),電位差越強(qiáng)的點(diǎn)越容易成為下一個(gè)閃電通道點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,本模式對閃電通道的發(fā)展順序進(jìn)行標(biāo)記,也就是可以在通道圖中看到閃電主通道、各分支發(fā)展的順序,并在通道圖中用顏色標(biāo)記,借此討論閃電分支發(fā)展的特征。
在模擬過程中,當(dāng)上行閃電發(fā)展至閃電通道與周邊所有環(huán)境點(diǎn)之間的電位差均未達(dá)到傳播閾值,或閃電通道發(fā)展到邊界時(shí),認(rèn)為閃電終止。本文重點(diǎn)研究有利于上行閃電始發(fā)的電荷結(jié)構(gòu),不考慮閃電停止發(fā)展或是擊中地面的后續(xù)過程。
由于電荷區(qū)垂直尺度的可變化范圍小[41],本文考慮的主負(fù)電荷區(qū)參數(shù)有ρ0,z0與r0。由式(1)和式(2)可知,主負(fù)電荷區(qū)的電荷大小由電荷區(qū)的ρ0和rx共同決定, 且兩個(gè)變量之間相互獨(dú)立, 本文固定兩者中的一個(gè)參數(shù),尋找主負(fù)電荷區(qū)在不同高度下可以始發(fā)自持型上行負(fù)地閃的另一個(gè)參數(shù),以此討論有利于上行閃電始發(fā)的電荷參數(shù)。
本節(jié)將固定主負(fù)電荷區(qū)rx(3.0 km),將z0從4.0 km 以10 m為步長不斷調(diào)整,在每一個(gè)既定z0下,將ρ0從0.8 nC·m-3以0.1 nC·m-3為單位步長不斷增加,直至剛好始發(fā)自持型上行負(fù)地閃或者云中閃電先導(dǎo),以此找到有利于始發(fā)自持型上升負(fù)地閃的電荷電荷參數(shù)。
圖2是始發(fā)自持型負(fù)極性上行閃電的4個(gè)案例,圖2中閃電通道均始發(fā)了負(fù)極性上行閃電,按照順序編號(hào)為UNL1,UNL2,UNL3以及UNL4,z0分別為3.75,3.5,3.2 km以及3.0 km。
表2是云中電場極值與建筑物尖端的環(huán)境電場大小以及其他一些參數(shù),綜合圖2和表2可以發(fā)現(xiàn),UNL1~UNL4中設(shè)定的z0越低,引發(fā)上行負(fù)地閃需要的ρ0越低,這可能是由于近地面高度的電場強(qiáng)度主要是受離地最近的電荷區(qū)控制,靜電場的場強(qiáng)與距離的平方成反比,在雷暴云電荷偶極性結(jié)構(gòu)下,主負(fù)電荷區(qū)離地越近,近地面的場強(qiáng)越高,達(dá)到上行負(fù)地閃始發(fā)的電場閾值所需要的ρ0也就越低。模擬出的上行負(fù)地閃傳播在閃電發(fā)展初期,通道垂直向上發(fā)展逐漸形成閃電的主通道。隨著閃電持續(xù)發(fā)展,閃電通道在水平方向也有所延伸。當(dāng)閃電通道發(fā)展至主負(fù)電荷區(qū)附近,通道開始沿各個(gè)方向延伸,通道不斷出現(xiàn)大大小小的分支,這些形態(tài)特征都與上行閃電的光學(xué)觀測相吻合[3]。圖2中閃電通道的顏色代表了閃電通道發(fā)展的順序,同一高度處分支顏色幾乎一致,說明了分支同時(shí)發(fā)展,并且閃電的主要分支都是在電位40 MV處出現(xiàn)。UNL1~UNL4的z0逐漸降低,始發(fā)的閃電總步長隨之減少,這與模擬使用的電荷結(jié)構(gòu)相似,以及上行閃電一般發(fā)展到云中電位勢阱處不無關(guān)系[42],當(dāng)主負(fù)電荷區(qū)下移時(shí),圖2中主負(fù)電荷區(qū)的電位勢阱垂直高度下移,限制了閃電通道發(fā)展的高度,造成閃電總步長的減少。此外,主負(fù)區(qū)電荷高度的降低,導(dǎo)致負(fù)極性上行閃電始發(fā)所需的ρ0隨之降低,這會(huì)減少主負(fù)電荷區(qū)的整體電場強(qiáng)度,這也是造成閃電總步長降低的因素。
圖2 主負(fù)電荷區(qū)不同高度的閃電通道結(jié)構(gòu)及放電前電位分布(實(shí)線和虛線分別代表正、負(fù)電位等值線,單位:MV;彩色代表閃電通道發(fā)展步數(shù))
表2 主負(fù)電荷區(qū)不同高度下有利于上行負(fù)地閃發(fā)展電荷背景及其他參數(shù)
本節(jié)則固定z0(3.5 km),討論利于自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的不同rx與ρ0的參數(shù)組合。具體做法為先固定rx為3.0 km,在這個(gè)值下以0.1 nC·m-3為步長將ρ0從1.2 nC·m-3不斷調(diào)整,直到始發(fā)了自持型上行負(fù)地閃或是云中閃電先導(dǎo),隨后以100 m 為步長擴(kuò)大rx,重復(fù)之前操作以尋找對應(yīng)的ρ0值。
圖3中4個(gè)案例均為負(fù)極性自持型上行負(fù)地閃,編號(hào)為UNL5,UNL6,UNL7和UNL8。UNL2中z0與圖3中一致,因此,討論時(shí)將UNL2加入其中。UNL2與UNL5~UNL8設(shè)定的rx分別為3.0,3.25,3.5,4.0 km與4.25 km,在對應(yīng)的rx下得到有利于上行負(fù)地閃始發(fā)的ρ0以及其他結(jié)果見表3。由圖3與表3可以發(fā)現(xiàn),在z0相同情況下,主負(fù)電荷區(qū)的水平分布越大,引發(fā)上行負(fù)地閃所需要的ρ0越低,對于偶極性電荷結(jié)構(gòu)而言,電荷量大小決定了整體電勢能的大小,主負(fù)電荷區(qū)電荷總量是由主負(fù)區(qū)ρ0與主負(fù)區(qū)rx共同決定,其他參數(shù)不變時(shí),剛好觸發(fā)上行負(fù)地閃需要的ρ0與rx呈反相關(guān)。本節(jié)上行負(fù)地閃的傳播特征與之前類似,在閃電發(fā)展初期,閃電通道幾乎沒有水平方向的延伸,在近地面閃電很少出現(xiàn)水平方向的發(fā)展。UNL5~UNL8的閃電通道均在電位40 MV附近開始出現(xiàn)主要分支。
圖3 主負(fù)電荷區(qū)不同水平范圍的閃電通道結(jié)構(gòu)及放電前電位分布(實(shí)線和虛線分別代表正、負(fù)電位等值線,單位:MV;彩色代表閃電通道發(fā)展步數(shù))
表3 主負(fù)電荷區(qū)不同水平范圍下有利于上行負(fù)地閃發(fā)展電荷背景及其他參數(shù)
將主負(fù)電荷區(qū)的rx固定為3.0 km,將雷暴云主負(fù)區(qū)從最高處(上邊界緊貼主正區(qū)下邊界,z0=4.0 km)以10 m為步長不斷下移,高度最低值z0為2.5 km,在每一個(gè)既定的主負(fù)電荷區(qū)高度下,將ρ0從0.5 nC·m-3以0.1 nC·m-3為步長不斷增加,直到始發(fā)自持型上行負(fù)地閃或云中閃電先導(dǎo),得到若干組有利于上行負(fù)地閃始發(fā)的電荷參數(shù)點(diǎn),以此探討影響自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的主負(fù)電荷區(qū)因子。
由圖4可以看到,在固定rx情況下,有利于自持型上行負(fù)地閃發(fā)展的主負(fù)電荷區(qū)z0與ρ0關(guān)系密切,z0越大,始發(fā)上行負(fù)地閃所需ρ0越大,這是由于地面建筑處的環(huán)境電場強(qiáng)度與電荷區(qū)之間距離的平方成反比,云層較高時(shí)電荷離地較遠(yuǎn),需要更大的ρ0滿足上行負(fù)地閃所需要的環(huán)境電場強(qiáng)度。由表3可以看到,主負(fù)電荷區(qū)z0不變時(shí),若主負(fù)電荷區(qū)的rx減小,為了滿足上行閃電始發(fā)的初始電場閾值,始發(fā)上行負(fù)地閃所需的主負(fù)電荷區(qū)ρ0會(huì)同時(shí)增加。由圖4可知,在滿足始發(fā)自持型上行負(fù)地閃的參數(shù)中,電荷區(qū)位于較高位置時(shí),需要較大的ρ0以達(dá)到上行負(fù)地閃所需電場強(qiáng)度起始閾值,增大的ρ0又會(huì)導(dǎo)致云中電場強(qiáng)度抬升,同時(shí)主負(fù)電荷區(qū)離地越遠(yuǎn),電荷的積累過程對云中電場強(qiáng)度增幅效果越好,如z0為3.8 km 時(shí)云中電場強(qiáng)度已經(jīng)接近常規(guī)空氣擊穿閾值,可以推測,如果主負(fù)電荷區(qū)高度再次抬升,隨著主負(fù)電荷區(qū)電荷不斷累積,始發(fā)于云中的閃電會(huì)先于自持型上行負(fù)地閃始發(fā),因此,電荷區(qū)高度值可能是影響上行負(fù)地閃始發(fā)的關(guān)鍵因素,這也與觀測發(fā)現(xiàn)上行閃電多始發(fā)于電荷結(jié)構(gòu)較低的環(huán)境這一結(jié)論一致[2-3]??梢酝茰y存在一個(gè)能夠始發(fā)上行負(fù)地閃的z0閾值,當(dāng)主負(fù)電荷區(qū)高度高于該值時(shí),隨著電荷的不斷累積,會(huì)發(fā)生起始于云中的閃電而不是自持型上行負(fù)地閃,只有在z0低于該值時(shí),電荷的不斷積累促使自持型上行負(fù)地閃始發(fā)。這是由于z0較大時(shí),云中電荷離地較遠(yuǎn),電荷累積過程對云中電場的增幅效果遠(yuǎn)大于對建筑尖端電場的增幅效果,始發(fā)于云中的閃電會(huì)先于建筑尖端的自持型上行負(fù)地閃始發(fā),這就使得兩種閃電之間存在一定競爭。這個(gè)高度閾值在不同的云中電荷環(huán)境下不同,之前模擬試驗(yàn)固定了主正電荷區(qū)水平范圍,當(dāng)主正電荷區(qū)水平范圍擴(kuò)大時(shí),由于主正電荷區(qū)對云中電場強(qiáng)度的增幅作用大于對地面處,云中更容易始發(fā)閃電,那么之前推測出上行負(fù)地閃始發(fā)閾值z0可能會(huì)降低,主負(fù)電荷區(qū)需要在更低的位置才能使云中電荷不斷累積致使自持型上行負(fù)地閃始發(fā),同時(shí)該閾值也受風(fēng)速、溫度、建筑高度等環(huán)境因素影響。
圖4 有利于上行負(fù)地閃發(fā)展的主負(fù)電荷區(qū)高度與電荷濃度以及云中電場極值(離散點(diǎn)為有利于自持型上行負(fù)地閃的參數(shù)點(diǎn),彩色為對應(yīng)參數(shù)下的云中最強(qiáng)電場)
為了探討有利于上行負(fù)地閃始發(fā)的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)與自持型上行負(fù)地閃的傳播特征,彌補(bǔ)TOLOG上行閃電觀測手段的不足,本文在設(shè)定的偶極性電荷結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)合已有的上行閃電參數(shù)化方案,進(jìn)行高分辨率的二維上行閃電數(shù)值模擬,得到以下主要結(jié)論:
1) 模擬出的自持型上行負(fù)地閃通道傳播具有一定特征,表現(xiàn)為閃電于建筑尖端起始的部分幾乎沒有分叉,筆直地朝著垂直方向傳播開去,隨著閃電的持續(xù)發(fā)展,閃電漸漸出現(xiàn)水平方向的延伸,閃電通道分支也逐漸增多。分支一般從下向上發(fā)展,主通道前段發(fā)展出新的分支一定程度上會(huì)阻礙位于下方的閃電分支的發(fā)展,位于同一高度的分支可能存在同時(shí)發(fā)展的趨勢。
2) 通過不斷調(diào)整電荷參數(shù)尋找有利于自持型上行負(fù)地閃的參數(shù),發(fā)現(xiàn)隨著主負(fù)電荷區(qū)越高,始發(fā)上行負(fù)地閃需要更高的電荷濃度與更大的電荷水平分布范圍。主負(fù)電荷區(qū)高度是影響自持型上行負(fù)地閃始發(fā)的重要因素,推測存在一個(gè)上行負(fù)地閃始發(fā)的主負(fù)電荷區(qū)高度閾值,當(dāng)主負(fù)電荷區(qū)高度高于該值時(shí),隨著電荷量的不斷累積,可能出現(xiàn)云中先于建筑尖端滿足閃電始發(fā)條件,該雷暴云電荷環(huán)境下會(huì)發(fā)生起始于云中的閃電而不是自持型上行負(fù)地閃,該始發(fā)閾值與主正電荷區(qū)結(jié)構(gòu)以及地面建筑高度都存在相關(guān)性。
本文在偶極性電荷結(jié)構(gòu)下,結(jié)合已有的上行閃電放電參數(shù)化方案,探討了有利于上行負(fù)地閃始發(fā)的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu),得到了一些關(guān)于上行負(fù)地閃傳播特征與有利于上行負(fù)地閃發(fā)展的主負(fù)電荷區(qū)參數(shù)。本文重點(diǎn)在于離地最近的電荷區(qū)對上行負(fù)地閃始發(fā)的作用,在實(shí)際中主正電荷區(qū)也會(huì)對云中電場產(chǎn)生較大影響,繼而影響自持型上行負(fù)地閃的發(fā)生。除了電荷分布的影響之外,建筑高度、建筑尖端的電暈電荷、風(fēng)速、溫度等對自持型上行負(fù)地閃的始發(fā)均有一定影響。如何結(jié)合TOLOG觀測分析資料,建立更加真實(shí)且有效的參數(shù)化方案以及考慮更多因素對上行負(fù)地閃的始發(fā)作用,這將是今后工作重點(diǎn)。