適用于數(shù)值天氣模式的三維雷電分形結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維雷電數(shù)值模擬方法，具體涉及一種適用于數(shù)值天氣模式的三 維雷電分形結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 早期的雷電數(shù)值模型大多并不模擬閃電通道，而只是人為定量的減少電場(chǎng)或凈電 荷濃度大于給定閾值
[0003] 的區(qū)域的電荷，不考慮閃電通道的傳播過程，整體考慮閃電對(duì)雷暴云電荷的中和 作用。這類方案簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但缺乏物理依據(jù)。隨后出現(xiàn)的一些方案考慮了閃電通道的發(fā) 展。Helsdon等首次在二維雷暴云電模式中應(yīng)用了Kasemir提出的雙向先導(dǎo)概念，并以環(huán)境 電場(chǎng)控制閃電通道的發(fā)展和結(jié)束，通過調(diào)整通道末端的電荷分布以保持整個(gè)通道的電中 性，通道沉降的離子隨后被水成物粒子捕獲。該方案局限在沒有提出處理地閃的方法，也沒 有考慮閃電通道發(fā)展過程中自身感應(yīng)電荷對(duì)環(huán)境電場(chǎng)的影響，且不能模擬出閃電的分支結(jié) 構(gòu)。MacGorman對(duì)Helsdon的參數(shù)化方案作了改進(jìn)，考慮了次網(wǎng)格波動(dòng)對(duì)閃電起始的影響，并 認(rèn)為閃電的終止應(yīng)該由環(huán)境電場(chǎng)和電荷密度共同決定，即閃電能夠在電場(chǎng)強(qiáng)度較大的區(qū)域 始發(fā)并傳播，也能夠在電場(chǎng)強(qiáng)度較低、電荷密度較高的區(qū)域繼續(xù)發(fā)展。Tan同時(shí)應(yīng)用了 Kasemir提出的雙向先導(dǎo)概念和Wiesmann等開發(fā)的電介質(zhì)擊穿模型，并在二維環(huán)境中比較 了不同分辨率下閃電傳播特征的差異，認(rèn)為在12.5m的高分辨率環(huán)境下模擬得到的云閃通 道幾何結(jié)構(gòu)、延伸范圍等特征與觀測(cè)結(jié)果更為一致。Barthe等建立了一個(gè)三維閃電參數(shù)化 方案并將它耦合入了一個(gè)中尺度云模式中。該參數(shù)化方案通過在MacGorman的參數(shù)化方案 的基礎(chǔ)上引入一種隨機(jī)分形算法來實(shí)現(xiàn)，但是并沒有模擬出實(shí)際閃電過程中的分形結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種適用于數(shù)值天氣模式的三維雷電 分形結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了三維雷電結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，能夠模擬出與自然云閃、 地閃相似的分形結(jié)構(gòu)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0006] 一種適用于數(shù)值天氣模式的三維雷電分形結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法，所述方法包括如下 步驟：
[0007] (1)設(shè)置閃電起始擊穿閾值；
[0008] (2)閃電從起始擊穿點(diǎn)觸發(fā)后雙向傳播，形成閃電傳播通道；
[0009] (3)對(duì)閃電類型進(jìn)行判斷；
[0010] (4)空間電荷進(jìn)行再分配。
[0011] 優(yōu)選的，所述步驟(1)中，所述閃電起始擊穿閾值取隨高度變化的逃逸擊穿電場(chǎng)閾 值，表達(dá)式如下：
[0012] Ebe(z) = ± 167p(z)
[0013] p(z)=1.208exp(-z/8.4)
[0014] 式中Ebe為電場(chǎng)擊穿閾值，單位是kv/m，p是空氣密度，單位為kg/m3,其值與高度z有 關(guān)。
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟(2)包括如下步驟：
[0016] 步驟2-1、閃電從起始擊穿點(diǎn)觸發(fā)后雙向傳播，正、負(fù)先導(dǎo)分別沿平行于和逆平行 于電場(chǎng)線的方向發(fā)展；
[0017] 步驟2-2、采用步進(jìn)式擴(kuò)展閃電通道，每一時(shí)步正、負(fù)先導(dǎo)各自只擴(kuò)展一次，后繼擴(kuò) 展通道點(diǎn)從可能擴(kuò)展點(diǎn)中隨機(jī)選擇，各個(gè)后繼擴(kuò)展點(diǎn)的概率與該電場(chǎng)強(qiáng)成正相關(guān)；
[0018] 步驟2-3、每完成一步新的通道擴(kuò)展后，將擴(kuò)展后的閃電通道作為固定邊界條件， 通過泊松方程得到新的空間電位值。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟2-2中，所述各個(gè)后繼擴(kuò)展點(diǎn)的概率表達(dá)式為：
[0020]
[0021]
[0022] 式中，P,為擴(kuò)展到該可能擴(kuò)展點(diǎn)的概率，F(xiàn)為歸一化函數(shù)，Ei為通道周圍第i個(gè)點(diǎn)與 該通道點(diǎn)之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，該電場(chǎng)強(qiáng)度大于傳播閾值的格點(diǎn)個(gè)數(shù)為k，Ec^ t為通道傳播閾 值，設(shè)為 〇.6Einit;
[0023] 當(dāng)新的擴(kuò)展點(diǎn)選定后，所述新的擴(kuò)展點(diǎn)的電位計(jì)算公式如下：
[0024]
m
[0025] 式中，，是該點(diǎn)距離該通道起始點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度，m是路徑段數(shù)，cU是各段的長(zhǎng)度， ?-Ι S代表通道攜帶電荷的極性，Φ ref為初始點(diǎn)環(huán)境電位，Elnt為閃電通道的內(nèi)部電場(chǎng)，設(shè)為 500V/m。
[0026] 優(yōu)選的，所述步驟2-3中，所述空間電位值計(jì)算公式如下：
[0027]
[0028] 式中，Φ為該格點(diǎn)空間電勢(shì)，P'為該格點(diǎn)的凈電荷密度，ε為空氣的介電常數(shù)，在求 解出新的空間電位分布時(shí)，通過泊松方程計(jì)算出閃電通道格點(diǎn)上的感應(yīng)電荷密度。
[0029] 優(yōu)選的，所述步驟(3)中，判斷所述閃電類型的方法包括如下步驟：
[0030] 步驟3-1、當(dāng)閃電通道的某一端發(fā)展到距地面1.25km時(shí)，該次閃電被判斷為地閃， 該通道極性為正時(shí)視為正地閃、極性為負(fù)時(shí)視為負(fù)地閃，同時(shí)該極性的通道將停止傳播，傳 播到地面的閃電通道的電荷被置為0;
[0031] 步驟3-2、當(dāng)閃電通道的任一端都沒有發(fā)展到距地面1.25km時(shí)，則該次閃電被視為 云閃。
[0032] 優(yōu)選的，所述步驟(4)中，所述空間電荷進(jìn)行再分配的方式為:在一次閃電過程結(jié) 束后通道上的感應(yīng)電荷按格點(diǎn)內(nèi)各種類型水成物粒子的表面積分配給所述水成物粒子，公 式如下：
[0033]
[0034] 式中，δρ*是一次閃電結(jié)束后閃電通道格點(diǎn)的電荷密度，301是該格點(diǎn)上總表面積為 Si的水成物i的電荷濃度，i表示云滴、雨滴、雪、冰晶、霰和冰雹，δρ?()是閃電發(fā)生前該格點(diǎn)水 成物i攜帶的電荷濃度，Σ kSk為六種水成物粒子的表面積總和。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0036]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了三維雷電結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，能夠模擬出與自然云閃、地閃相似的分 形結(jié)構(gòu)，并且能夠模擬出閃電過程對(duì)云內(nèi)電場(chǎng)的削減作用。提高了數(shù)值天氣模式對(duì)雷暴云 內(nèi)雷電過程的模擬能力，有助于提升數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的雷電預(yù)報(bào)精度。
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明提供的一種適用于數(shù)值天氣模式的三維雷電分形結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法 流程圖
[0038] 圖2是本發(fā)明提供的閃電初始擊穿、傳播示意圖
[0039]圖中，點(diǎn)線區(qū)域A為逃逸子域，X為閃電初始點(diǎn)，實(shí)心圓為已經(jīng)擴(kuò)展的閃電通道，黑 色實(shí)線代表正先導(dǎo)通道，短虛線代表負(fù)先導(dǎo)通道;長(zhǎng)虛線連接的環(huán)境點(diǎn)為該通道點(diǎn)周圍可 能的后繼通道點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0041] 近幾十年來，隨著雷電探測(cè)技術(shù)、數(shù)值模擬水平的進(jìn)步，人們對(duì)雷暴云內(nèi)的電過程 進(jìn)行了大量研究。雷暴云內(nèi)的起電過程是怎樣的？哪些因素影響著閃電的特性？國(guó)內(nèi)外對(duì)這 些雷暴電學(xué)基礎(chǔ)問題的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是還有很多地方是尚未研究清楚的。 由于閃電的隨機(jī)性、復(fù)雜性及高危險(xiǎn)性，使得閃電的實(shí)際觀測(cè)研究遇到了眾多問題。隨著電 子信息技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬研究雷暴云內(nèi)閃電過程已成為可能。雷暴云內(nèi)閃電參數(shù) 化模型，不僅對(duì)于揭示復(fù)雜的雷電形成機(jī)理有重要意義，并對(duì)開展雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警和人工影 響天氣都是一項(xiàng)有意義的研究手段。本模型的程序代碼由Fortran語言實(shí)現(xiàn)。
[0042]雷暴云中某處的電場(chǎng)達(dá)到擊穿閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次放電，其結(jié)果是減少了產(chǎn)生 閃電的雷暴系統(tǒng)的電場(chǎng)能量，暫時(shí)抑制了閃電的再次發(fā)生，并使雷暴云中的電荷重新分布。 由于探測(cè)技術(shù)的限制，對(duì)于閃電初始的擊穿閾值尚不能給出定論，但可以確認(rèn)該閾值和大 氣壓、水成物粒子及地面尖端物體有關(guān)。Giffiths和Phelps在試驗(yàn)和模擬的基礎(chǔ)上提出，在 海拔2.5km，正流光連續(xù)傳播需要的電場(chǎng)強(qiáng)度大于3 X 105Vm-l，而9km處大于1 X 105Vm-l，但 是在雷暴云中很少能觀測(cè)到這樣大的電場(chǎng)。例如，在大氣壓，直徑1.4mm或更大的水滴的出 現(xiàn)可以使空氣擊穿電場(chǎng)值從3X106Vm-l減小到小于lX106Vm-l。另外，如果在地面上有一 尖端物體，在尖端上會(huì)發(fā)生電荷集聚，尖端附近電場(chǎng)將大大強(qiáng)于周圍電場(chǎng)，只要電場(chǎng)強(qiáng)度超 過某一極小值，緊挨尖端的空氣就能被擊穿，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度只需800Vm-l。依據(jù)以上物理基 礎(chǔ)及觀測(cè)結(jié)論，本模型中雷電起始閾值取隨高度變化的逃逸擊穿閾值。
[0043]目前大量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閃電從起始擊穿點(diǎn)始發(fā)后，如圖2所示，正、負(fù)先導(dǎo)分別朝 平行于和逆平行于電力線的方向傳播，通道電荷是由電場(chǎng)在通道上感應(yīng)所產(chǎn)生，先導(dǎo)或閃 電通道總體上呈電中性。本模型中將該過程進(jìn)行了數(shù)值模型化，