伴随超强VHF辐射的闪电双极性窄脉冲初步观测

闪电过程中一类双极性脉冲辐射伴随的超过常规闪电一个数量级的VHF辐射是卫星观测的穿越电离层的脉冲对(TIPPs)的来源。文中给出了在中国上海地区观测到的该类放电事件产生的78例双极性窄脉冲。典型的双极性窄脉冲上升时间约1.2μs,初始峰宽度约2—3μs、半宽约1μs,整个脉冲持续时间约15μs,脉冲幅度与地闪首次回击幅度相当,过冲幅度约为初始峰幅度的1/3。这类脉冲波形特征与普通闪电双极性脉冲波形特征差异明显。根据空间双极性脉冲被电离层以及地面-电离层反射的时间延迟并假定电离层高度为85 km,估算了这些双极性窄脉冲发生高度。11例负极性脉冲(对应上面负电荷区对下部正电荷区之间的放电)中有10例脉冲发生高度在海拔14.0—15.0 km,一例出现在负地闪初始击穿阶段的脉冲发生高度为海拔6.4 km。67例正极性窄脉冲发生高度位于海拔7—12 km,平均海拔9.4 km。利用传输线电流模式以及偶极子辐射近似估计了电流在通道内传播时间以及放电电流参数,78例平均结果显示电流从通道底部传播到顶部经历的时间约1μs,电流矩约为5 kA.km量级。我们推断放电通道长度约100—300 m,放电电流幅度具有20 kA量级,电流传播速度与光速可比拟、具有108m/s量级。     

雷暴云底部正电荷区对闪电类型影响的数值模拟

在经典的雷暴云三极电荷结构的假定下结合已有的随机放电参数化方案,进行了二维高分辨率闪电放电的模拟实验,定量的探讨了雷暴云底部正电荷对闪电类型的影响．结果表明：（1）雷暴云底部正电荷对负地闪和反极性云闪的产生起了关键作用,随着底部正电荷区的电荷密度大小或分布范围的增大,闪电类型依次从正极性云闪向负地闪再向反极性云闪变化;（2）相对于电荷区分布范围而言,底部正电荷区的电荷密度大小对闪电类型的影响起主导作用．只有当雷暴云底部正电荷区的最大电荷密度取值在一定范围内时,才会出现负地闪,并且负地闪的发生概率相对固定;（3）在该范围内,负地闪的发生由底部正电荷区的电荷密度大小以及分布范围共同决定,且其与云闪触发条件之间存在一个线性边界;（4）底部正电荷区的电荷密度大小以及分布范围的共同效果是改变底部正位势阱的分布,当闪电启动参考电位接近0MV时生成反极性云闪,而当其远小于0MV时则更容易形成负地闪．     

随机性与电环境特征对地闪击地点影响的数值模拟

本文利用已有的随机放电参数化方案,结合四次探空资料,进行了12.5 m的高分辨率二维雷暴云数值模拟实验,得到了各种雷暴云电荷结构下的地闪个例,并就地闪击地点与空间电荷、电位分布之间的相互关系进行了分析.结果表明:(1)由空间电荷唯一确定的电位分布决定了先导的传播最大趋势,而闪电传播的随机性所带来的地闪击地点的不确定范围被限制在3 km之内,利用动态聚类法迭代得出的三个击地点位置之间的差为1 km左右.(2)负地闪的初始点与击地点的位置差主要分布在0~6 km范围内,且93%的负地闪分布在0~4 km范围内,正地闪的分布相对较广,0~3 km范围内占48%,3~6 km范围内占34%,6~10 km范围内占18%.(3)正、负地闪主要产生于离地面最近的一对电荷堆之间,其起始高度越高,初始点与击地点位置差分布越广;另外,产生于三级性雷暴云电荷结构下的正地闪,其起始于上部的主正电荷堆与中部主负电荷堆之间,由于下行正先导会绕过底部的次正电荷堆,因此其击地点与初始点的距离基本在6 km以上.     

通道感应电荷对放电活动特征的影响

为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响,利用已有的三维雷暴云起放电模式,结合2011年8月12日发生在南京地区一次典型的雷暴个例,通过控制倍数改变闪电通道感应电荷量进行大量敏感性试验。模拟结果表明:闪电通道感应电荷量对空间电荷结构分布和云闪通道长度有明显影响。通道感应电荷量增加,即空间异极性电荷堆增多,加大空间电荷结构复杂程度;云闪通道在发展过程中难以穿越与自身极性相同的电荷堆,导致短通道云闪频次增加。通道感应电荷累积总量相同,不同闪电通道感应电荷量下云闪频次与通道电荷平均累积量呈负相关,即通道感应电荷平均累积量增大,云闪频次减少。而地闪频次、类型与通道感应电荷量相关性不明显。     

闪电VLF/VHF信号大容量采集系统及其现场实验

简要描述了闪电ＶＬＦ／　ＶＨＦ信号大容量采集系统的硬件构成、　软件设计以及现场实验等情况，　并对系统观测到的一次云地闪电和一次云内闪电的过程ＶＬＦ／ＶＨＦ辐射特征进行了个例分析，　初步分析结果揭示了以下一些有趣的新现象：　（１）无论云闪还是地闪都以一个间歇性的大双极性脉冲列为启动标志，　并伴随强烈的ＶＨＦ辐射。云闪和地闪初始击穿大脉冲序列波形特征明显不同。（２）地闪的云内放电以及云闪放电都产生一类特征性的ＶＬＦ辐射，　该辐射表现为一个脉冲半宽３～４　μｓ、　出现频率１０５个·ｓ－１的快脉冲列。该过程同时伴随明显的ＶＨＦ辐射。（３）回击主峰期间ＶＨＦ辐射相当微弱。闪电过程中最强的ＶＨＦ辐射起源于以下云内放电过程：　（ａ）　云闪和地闪的初始击穿过程；　（ｂ）　云内Ｋ过程和ｃ回击主峰后１００～２５０　μｓ期间的云内放电。上述初步分析结果显示了本系统在闪电放电物理研究方面的应用潜力。     

建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算

建筑物尖端周围大气电场畸变特征研究是大气电学的重要分支之一。假定建筑物为理想导体并与地面充分连接,通过有限差分法计算二维泊松方程,得出建筑物周围的电位空间分布。讨论建筑物尖端的高度、宽度以及相对位置对大气电场畸变的影响,结果表明:最大电场畸变系数λ_i随高度呈线性增加,且线性方程斜率随宽度增加而减小;λ_i随尖端位置沿建筑屋顶的中心线向两边呈对称递增趋势,此趋势随建筑物高度增加更为显著; λ_i随尖端宽度呈指数递减关系,且宽度对畸变系数的影响随高度增加变得尤为显著。     

冰晶核化对雷暴云闪电行为影响的数值模拟研究

为了探讨冰晶核化对雷暴云闪电行为的影响,通过已有的三维对流云起、放电模式探讨对比了3种冰晶核化方案,分别为原模式中的经验公式YS方案及与气溶胶相关的DE方案和LP方案。研究表明冰晶核化方案对雷暴云内冰晶微物理发展特征、起电及放电过程均有一定影响。模拟结果显示:(1)考虑了气溶胶的两种新参数化方案中冰晶粒子在高温区(高于-13.8℃)出现,在雷暴云发展过程中DE方案和LP方案冰晶的垂直分布均大于YS方案。(2)DE方案和LP方案中高温区出现的冰晶所带电荷极性有明显的反转现象,导致雷暴云电荷结构产生差异;雷暴云发展旺盛时刻DE方案和LP方案出现三级性电荷结构,而YS方案在整个雷暴云过程都是偶极性,并且DE方案和LP方案中电荷空间分布区域更加广泛。(3)不同核化方案下雷暴云放电特征存在差异,YS方案在偶极性电荷结构背景下没有负地闪产生,而DE方案和LP方案中次正电荷区的存在促进了负地闪的发生,并且负先导出现在较低的高度范围内;DE方案和LP方案中电荷量级较大,因此云闪发生频次以及正、负先导传播次数增加明显。     

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。     

气溶胶对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟

将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。