闪电先导随机模式的建立与应用.pdf

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1、第２２卷第２期应用气象学报Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．２２０１１年４月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡｐｒｉｌ２０１１任晓毓，张义军，吕伟涛，等．闪电先导随机模式的建立与应用．应用气象学报，２０１１，２２（２）：１９４２０２．闪电先导随机模式的建立与应用任晓毓１）１）１）２）张义军吕伟涛陶善昌１）（中国气象科学研究院，北京１０００８１）２）（中国科学技术大学，合肥２３００２６）摘要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

2、导感应电荷的数量级为１０－４Ｃ／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。关键词：先导；连接过程；随机放电模式叉现象发生，因此建立闪电随机模式对闪电特征以引言及连接过程的研究更加重要。随机放电模型最早是［８９］在人们研究电介质击穿现象时建立

3、起来的，随之闪电是发生于大气中的一种长距离放电现象，在多个领域获得广泛应用。棒板电极放电的模拟［１０］常常引起各种严重的灾害，特别是电子设备的大量研究是随机模型的直接应用，贺恒鑫等选择空间［１３］采用，雷电灾害越来越严重，影响也越来越大。电位和电子雪崩形成时间为流注生长控制变量，建［１１］尽管目前针对地闪连接过程有许多理论，但对这一立了正极性流注生长概率模型。林家齐等考虑过程的认识仍然不很清楚。随着对闪电发生、发展放电生长几率与局部电场的随机关系，模拟出了针［４］的物理过程认识的不断深入及探测系统的发展，平板电极系统的电场分布。

4、这些所涉及的基本上属基于观测事实建立闪电先导模型，模拟研究闪电先于实验室内的高压放电。近年来，随机放电模型在导的发展及其与地物的连接过程以及闪电防护问题云内闪电和云地闪电的模拟研究上取得了长足的进［１２］已成为一种重要方法。目前有两种类型的先导发展，Ｍａｎｓｅｌｌ等基于随机放电模型，建立了雷暴云［５］展接地模型，即物理模式和随机模式。Ｍａｚｕｒ等起、放电模式，并进行了云内闪电和云地闪电的模拟［６］和Ｂｅｃｃｅｒａ等先后建立了各自的闪电先导发展物研究，成功地再现了云内闪电双层、分叉通道现象。［１３］理模式。文献［７］中，也建立了一个闪

5、电先导的物理Ｔａｎ等在积云起电模式模拟的背景电场中采用模式，选取电位梯度最大的方向为先导下一步的发随机击穿放电参数化模型，模拟了云内闪电放电通［１４］展方向，模拟得到梯级长度和感应电荷量均随着先道的精细结构；Ｒｉｏｕｓｓｅｔ等考虑了每一个待发展导离地高度下降而增加，并得出建筑物拐角也具有连接的局部电场概率，在假定的云电荷结构背景下一定吸引半径的结论，在雷电防护设计中需要考虑模拟了云内闪电放电通道，并估算了通道感应电荷［１５］拐角等复杂结构尖端对闪电的吸引作用。但是物理量；Ｔａｏ等则在随机模型中改进了云地闪电的处模式却不能够模拟再现闪电

6、通道的分叉现象，难以理方案，模拟研究了云地闪电通道发展的精细结构了解闪电接地过程的随机性特征。和雷暴云电荷输送问题。上述模拟结果在闪电通道由于闪电的发展具有随机性特点，而且多有分结构特征、扩展范围和感应电荷等方面获得了ＶＨＦ２０１００５２０收到，２０１０１１２４收到再改稿。资助项目：国家自然科学基金项目（４１０７５００３，４０８７５００３），公益性行业（气象）科研专项（ＧＹＨＹ（ＱＸ）２００７０６０２２）Ｅｍａｉｌ：ｒｅｎｘｙ＠ｃａｍｓ．ｃｍａ．ｇｏｖ．ｃｎ第２期任晓毓等：闪电先导随机模式的建立与应用１９５源定位、电场变化

7、和照相等观测事实的一定支持，但法的收敛速度较慢，因此采用超松弛的迭代算法，即没有考虑下行先导与地面突出尖端之间的相互作用在计算每一个网格点时，将前一时间步长计算得到问题，而这是雷电物理和防雷工程面临的一个基础的邻近点电位代入计算，使收敛速度加快。性科学问题。最近，随机模型的建立及应用也已开电位的迭代公式：始受到广泛关注，特别是在输电线路的雷电屏蔽研狀＋１狀ωφ犻，犼＝φ犻，犼＋×［１６］４究中，Ｈｅ等考虑了发展概率与局部电场的随机（狀狀狀＋１狀＋１狀）。（１）关系，模拟了闪电先导与传输线的相互作用。但是，φ犻＋１，犼＋φ犻，犼＋１＋φ

8、犻－１，犼＋φ犻，犼－１－４φ犻，犼式（１）中，ω为松弛因子的最佳值：地面建筑物形状和几何特征千变万化，如何将随机２放电模型应用于更多形态的地面复杂建筑物与云地ω＝（２）２ｃｏｓ（π／犿）＋ｃｏｓ（π／狀）闪电相互作用的