高矮建筑物多上行先导连接过程的数值模拟

运用改进后的三维多先导模型, 允许高矮建筑物上均可以始发上行先导, 对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明: 矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小, 高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子, 当建筑物间高度差较小时, 高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显, 下行先导通道的相对位置对矮建筑物是否优先始发上行先导存在影响; 随着建筑物间高度差的增加, 矮建筑物难以优先始发上行先导, 只在下行先导通道明显偏向矮建筑物时, 矮建筑物才可能始发上行先导, 并有一定概率与下行先导连接形成回击; 当建筑物间高度差超过某阈值后, 矮建筑物既不会始发上行先导, 更不会被击中。     

地闪三维随机模型的改进及多上行先导的数值模拟研究

为了探讨地闪连接过程中多上行先导的起始与发展,考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,本研究在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上,植入背景电场模块并改进上、下行先导模块。基于新模型开展大量敏感性试验,结果如下:（1）新模型模拟的下行先导形态多样、分支数大幅度减少,能更好地再现多样的地闪连接过程。（2）在孤立建筑物情况下,上行先导长度、闪击距离以及触发多上行先导的次数与建筑物高度成正相关。（3）随着建筑物增高,同一次地闪中首个始发的上行先导与后续始发的上行先导间的起始时间差整体呈现上升趋势。初步研究表明:建筑物高度对触发多上行先导的影响显著。此外,受到建筑物高度及正、负先导发展情况的影响,低矮建筑物触发的多上行先导几乎同时起始,而高建筑物上允许首个始发的上行先导优先发展一定长度后再始发后续上行先导。      

高建筑物对矮建筑物保护作用的三维数值模拟

运用三维高分辨率随机多先导连接模型, 设置高矮两座建筑物并改变其中矮建筑物的高度以及高矮两座建筑物水平距离, 同时设置孤立矮建筑物进行对照, 探究多先导模式下高建筑物对矮建筑物的保护作用。结果表明:高矮建筑物距离较近时, 下行先导的发展完全受高建筑影响;随着建筑物水平距离增加, 高建筑物对先导主通道仍然存在明显吸引效应。当矮建筑物雷击概率的增长趋势出现明显减缓的分界点, 此时与孤立矮建筑物的雷击概率仅相差3.6%, 但单次闪电的连接过程仍存在显著差异。通过对比不同建筑物水平距离与孤立建筑物的雷击结果, 高矮建筑物水平距离由400 m增至600 m, 差异则从44.5%降低至22.7%。在相同高建筑物影响下, 不同高度矮建筑物的雷击概率变化趋势亦存在该特征, 高度为50, 100, 150 m和200 m的矮建筑物对应的雷击增长速率分界点的水平距离为300, 450, 550 m和600 m。     

雷击建筑物的先导连接过程模拟

为了研究闪电先导与地物的相互作用,该文建立了一个闪电先导的二维模式以模拟雷击建筑物的先导连接过程。模拟得到梯级长度在13.8~51.5 m的范围内,下行先导的感应电荷为0.03×10-4~1.2×10-4 C/m,梯级长度和感应电荷量均随着先导离地高度的下降而增加,模拟结果与观测值相吻合。下行先导最后一跳之前的转向并不明显,但最后一跳,下行先导向避雷针产生的上行先导偏转一定角度。模式模拟了下行先导与40 m宽度的建筑之间的相互作用和连接过程,得到建筑物拐角也具有一定的吸引半径,避雷针和拐角之间存在竞争关系。因此,在雷电防护设计中需要考虑拐角等复杂结构尖端对闪电的吸引作用,简单地采用理想情况（如地面孤立高耸尖端）下避雷针的吸引半径等参数进行复杂建筑物的防雷设计会存在问题和隐患。     

超高建筑物雷电先导-连接过程数值模拟

为了更好地分析超高建筑物雷击物理过程,基于雷电通道分形模型,对超高建筑物雷电先导-连接过程建立了空间分辨率为1 m×1 m的精细化数值模拟模型.将数值模拟结果与超高建筑物自然闪电光学观测记录进行了对比分析,发现超高建筑物闪电的上、下行先导发展特征模拟结果与真实情况较为一致.并对超高建筑物上部周围的电场强度分布情况进行了...     

闪电先导随机模式的建立与应用

根据地闪先导发展特征,建立了一个闪电先导的二维随机模式,并模拟研究了下行先导与避雷针或地面的连接过程。模拟得到下行先导感应电荷的数量级为10-4 C/m;下行先导出现明显的分叉,且先导接近地面时分叉逐渐增多;模拟的连接过程形态呈现多样性的特点;建筑物上的避雷针在绝大多数情况下可以有效拦截闪电下行先导,但避雷针正上方的下行先导并不是百分之百击中避雷针,远离避雷针的下行先导仍有很大概率被避雷针拦截;在下行先导与避雷针水平距离一定的条件下,建筑物越宽越矮,避雷针有效拦截闪电先导的概率就越小。     

广州高建筑物雷电观测与研究10年进展

作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分,广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)始建于2009年,迄今已积累数百次高建筑物雷电资料。对于雷电连接过程,高建筑物会起到“放大镜”的作用：TOLOG的观测在国际上首次发现了连接过程中负-正先导之间“头部-侧面”连接的现象,给出了先导连接行为的两种基本形态;揭示了负先导梯级发展过程的精细化结构,给出了下行先导和上行先导的二维/三维发展特征;估算了不同高度建筑物上雷电的闪击距离。高建筑物对雷电电磁场具有“放大器”的作用,且建筑物越高增强效应越显著。高建筑物是下行和上行闪电的“汇集点”：对下行闪电的吸引作用可保护高建筑物附近的其他物体免遭雷击;正地闪的回击、延续电流和云内放电过程均可在高建筑物上触发负极性上行闪电。另外,高建筑物区域可作为闪电监测系统的“标校场”,TOLOG的观测资料在地闪定位系统探测效率和定位精度的评估方面也得到了应用。     

建筑物高度对上行闪电触发以及传播影响的数值模拟

为了探讨建筑物高度对单个上行闪电触发以及传播的影响,设定了一个固定的背景电场,并结合自行触发的上行闪电随机放电参数化方案,进行了二维高分辨率上行闪电放电的模拟试验。结果表明:(1)上行闪电在初始阶段分支比较少;发展到离地面2 km左右后,闪电开始出现大量的分支,闪电通道开始出现明显的分叉:一部分通道继续向高电荷密度中心垂直传播,另一部分通道绕过高电荷密度中心,向外水平传播;模拟的上行闪电只能垂直传播到4 km处的负电荷中心,不能穿过0电势线向上方的正电荷区传播。(2)建筑物高度对上行闪电的触发起了关键作用,建筑物越高,越容易触发上行闪电。(3)建筑物高度对上行闪电传播具有一定的反作用,随着建筑物高度增高,模拟出的上行闪电的水平和垂直传播距离都有所减小,通道的分形维数变小,通道传播的总长度也逐渐减小。     

人工引雷的数值模拟

本文通过一个二维平面对称模式，针对甘肃地区雷暴云的特点，计算了在不同电荷分布情况下人工引雷成功时的触发高度、火箭发射点的地面电场值以及能成功引发闪电的范围大小。并对甘肃地区雷暴云在负电场区很难引雷成功的原因和在偶极性电荷分布的雷暴云下人工引雷的结果进行了一些分析。结果表明，下部小正电荷中心的高度、电量的大小对能成功引雷的范围、触发高度都有较大影响。整个云体的高度对触发高度有较大的影响，但对能触发闪     

地闪不规则先导的多尺度熵特征

针对不规则脉冲簇难以判别问题,将多尺度熵应用于不规则先导分析中,探讨闪电信号不规则脉冲分析应用中多尺度熵关键参量的选择方法。在此基础上,将不规则先导与直窜先导及梯级先导闪电信号的多尺度熵进行比较。统计分析表明:不规则先导和直窜先导熵值随尺度先增加后趋于平稳,但熵值有很大差异;梯级先导熵值随尺度变化不明显,整体呈增长趋势,与不规则先导的熵值在大于3的尺度上也有所差异,因此当尺度大于3时可将熵值大于1.5的先导归类为不规则先导,熵值小于1.5的先导归类为梯级先导或直窜先导。不规则先导的特征熵平均值为2.0~2.1,最大值范围为2.6~2.8,最小值范围为1.51~1.59。     

高建筑对周围建筑雷击保护距离的模拟

在已有先导连接参数化方案的基础上,选取近地面层为研究区域,保持方案中其他基本参量不变,通过改变闪电的空间形态,在同一建筑分布的背景下进行多次闪电模拟。研究多个建筑之间的屏蔽作用以及建筑雷击保护距离与建筑相关特征参数之间的关系,结果表明:高建筑对矮建筑具有屏蔽作用,并存在一个临界保护距离,当高、矮建筑高度分别为190 m和165 m,宽度均为20 m时,建筑之间的距离在12 m以内,矮建筑受高建筑完全保护不遭受雷击;建筑之间的距离超过12 m,矮建筑遭雷击次数明显增多。     

利于上行负地闪始发的电荷区参数数值模拟

在经典偶极性电荷结构下,结合已有的闪电放电参数化方案及中国气象局雷电野外科学试验基地的广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)观测分析结果,不断调整主负电荷区参数进行二维高分辨率闪电模拟试验,讨论自持型上行负地闪与云中闪电之间的相互竞争关系以及有利于自持型上行负地闪始发的云中电荷结构。数值模拟结果表明：自持型上行负地闪始发与电荷结构存在一定关系,在主负电荷区越高的情况下,始发自持型上行负地闪需要的主负区电荷密度与电荷分布范围越大。对于不同类型的闪电始发条件,推测存在自持型上行负地闪始发的主负电荷区高度阈值,当主负电荷区高度高于该值时,随着主负区电荷量的不断累积,会始发起始于云中的闪电而不是自持型上行负地闪,当主负电荷区高度低于该值时,电荷的不断积累会导致自持型上行负地闪始发。     

地闪近地面形态特征的数值模拟

该文在已有闪电随机放电参数化方案的基础上,截取近地面区域,保持闪电其他基本参数不变,通过改变闪电的空间形态,对同一背景下的闪电进行多次模拟,研究闪电近地面空间形态的差异对闪电击地点位置、上行先导长度、上行先导触发时下行先导的尖端位置及连接过程形态等参数的影响,并探索闪电参数之间的相关性。结果显示:闪电近地面空间形态会使上行先导长度在77~609 m区间内变化,大部分集中在100~200 m,也会使上行先导触发时下行先导的尖端位置分布在建筑物上空的一个椭球形空间内。同时,闪电近地面空间形态的差异也会使地闪连接形态呈多样性。另外,近地面闪电下行先导长度与上行先导长度有一定的线性相关性,而其他闪电参数相互之间的相关性较弱。这不仅可以加深对闪电空间形态不确定性的理解,同时也对以后的模式建立有一定借鉴意义。     

一次多回击负地闪放电过程的甚高频辐射和传输特征分析

利用短基线时间差甚高频(VHF)辐射源定位系统对一次多回击负地闪放电过程进行详细研究发现, 负地闪的预击穿、梯级先导、直窜先导及回击后云内放电过程伴随有较强烈的VHF辐射。结合同步观测的闪电快、慢电场变化资料, 分析VHF辐射源时空发展特征发现, 预击穿阶段辐射源在云中的放电通道为双向发展, 平均速度均在104 m s-1量级, 预击穿下行分支直接转化为梯级先导, 并产生多个分支通道同时向地面发展, 先导平均速度在105 m s-1量级。继后回击之前先导过程均产生多个分支通道, 直窜先导平均速度在105～106 m s-1量级, 新开辟的梯级先导速度在105 m s-1量级。闪击间及地闪后期云内放电活动较为复杂, 主要表现为辐射源从闪电起始区域发展, 进一步延伸云内闪电通道。地闪后期多次负极性K变化过程(Kitagawa and Kobayashi, 1958)主要表现为负极性流光沿之前的正极性电离通道快速发展, 平均速度在106 m s-1量级。     

Numerical Simulation to Evaluate the Effects of Upward Lightning Discharges on Thunderstorm Electrical Parameters

A theoretical discussion of the discharge effects of upward lightning simulated with a fine-resolution 2D thunderstorm model is performed in this paper,and the results reveal that the estimates of the total induced charge on the upward lightning discharge channels range from 0.67 to 118.8 C,and the average value is 19.0 C,while the ratio of the induced charge on the leader channels to the total opposite-polarity charge in the discharge region ranges from 5.9%to 47.3%,with an average value of 14.7%.Moreover,the average value of the space electrostatic energy consumed by upward lightning is 1.06×10^9 J.The above values are lower than those related to intracloud lightning discharges.The density of the deposited opposite-polarity charge is comparable in magnitude to that of the preexisting charge in the discharge area,and the deposition of these opposite-polarity charges rapidly destroys the original space potential well in the discharge area and greatly reduces the space electric field strength.In addition,these opposite-polarity charges are redistributed with the development of thunderstorms.The space charge redistribution caused by lightning discharges partly accounts for the complexity of the charge structures in a thunderstorm,and the complexity gradually decreases with the charge neutralization process.     

多网格法在长期数值天气预报模式中的应

本文在简要介绍了多网格法的基本思想和本文所用的经改进的地气耦合非定常距平模式的基础上，用多网格法求解地气耦合非定常距平模式中的位势倾向方程—椭圆型方程。通过对1982～1989年6～8月的北半球环流季节预报试验表明，由于使用多网格法，迭代精度提高了，克服了原模式预报的距平场过分光滑振幅偏小的缺点，很好地解出了模式中对长期天气预报起关键作用的大尺度低频信号。在高低两种精度下进行的比较试验表明:多网格法较逐步超松弛法可以使计算速度提高1倍以上。高精度较低精度多网格法更为有效。     

自适应网格技术在MM5中的应用研究

结合一次暴雨过程，将自适应网格技术应用于中尺度模式MM5中进行数值试验，同时对比自适应网格方案和固定网格方案的优劣，对模拟结果作了诊断分析。结果表明：对于此次降水过程，自适应网格模拟的效果取决于一些参数的选择。