上行闪电触发、传播特征以及对空间电荷、电位分布影响的研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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上行闪电触发、传播特征以及对空间电荷、电位分布影响的研究

项目名称：上行闪电触发、传播特征以及对空间电荷、电位分布影响的研究
项目类别：面上项目
批准号：41175003
申请代码：D0501
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2012-01-01-2015-12-31

项目负责人：谭涌波
负责人职称：副研究员
依托单位：南京信息工程大学
批准年度：2011

中文摘要：

上行闪电是一种发生在自然界的地闪之一，目前关于它的研究局限于地面电场变化和云下高速摄像的观测和分析，相应的模式研究工作还比较缺乏，而关于上行闪电的触发、传播以及对空间电环境的影响等科学问题还有待进一步的研究解决。本项目拟在已有的雷暴云起、放电模式的基础上，继续发展和完善上行闪电以及后继回击放电的参数化方案。结合敏感性数值模拟实验和实地高层建筑物上行闪电观测个例，探讨高层尖端效应以及云中电荷、电位分布等因素对上行闪电触发的影响；研究上行闪电入云后的传播特征，和对空中电荷、电位分布以及后继云内放电过程的影响并与下行地闪进行对比；定量分析上行闪电以及后继过程中，云-地之间电荷交换的极性以及大小，并给出统计结果。通过本项目的模拟和研究，不仅能够得到不同类型闪电的特征，深化我们对雷电物理过程、特别是上行闪电的认识，还能够为雷电防护设计和技术的发展提供科学依据和理论基础。

中文主题词：上行闪电；电场畸变；高建筑物；数值模拟；电晕放电

英文摘要：

Upward lightning；Electric field distortion；High-grounded object；Numerical simulation；Corona discharge

英文主题词： Upward lightning；Electric field distortion；High-grounded object；Numerical simulation；Corona discharge

结论摘要：

上行闪电是一种始发于地面超高建筑物的自然放电现象，建筑物的尖端对环境电场的加强作用(尖端效应），为闪电的启动提供了初始条件。而对于这种由于超高建筑物所带来的放电现象，目前的认知还十分匮乏。本项目通过数值模拟实验结合实地观测，对上行闪电进行了较系统的研究。首先，建立了建筑物尖端处电场畸变的计算模块，并通过大量的模拟计算，给出了电场畸变随建筑物高度、宽度以及形状变化的规律，并着重探讨了空间分辨率对建筑物尖端处电场畸变的影响，通过外推，得到了极限情况下，建筑物尖端处电场畸变的理论真值。建立了高建筑物大气电场畸变误差订正公式，为上行闪电的数值模拟提供了良好的基础。利用已建立的误差订正公式，解决了在云模式分辨率基础上的上行闪电触发问题，并建立了相应的上行闪电的参数化方案。首次在雷暴云模式中实现了不同类型上行闪电的数值模拟，得到了一批较有价值的模拟结果。并通过对比分析，给出了上行闪电特征随建筑物高度变化的一些特征，发现建筑物越高，上行闪电越容易触发，但其延伸范围会被抑制。而由于空中电荷结构的复杂性，上行闪电可分为诱导触发型和自行触发型两种类型，前次云闪过程结束时对环境电场的影响，是诱导触发型上行闪电始发的一个主因，而自行触发型闪电则与电荷堆离地面的高度以及电荷量大小相关。在国际上首次发现了自然地闪下行梯级先导击中上行连接先导头部以下（非头部-头部连接）的现象，建立了基于双站光学资料重建闪电三维通道的方法，并给出了三维闪电通道长度以及传播速度与传统二维结果之间的区别。通过对比分析，给出了不同类型闪电发生的有利电环境特征，指出闪电初始点处的电位可能是决定闪电通道是否击地的关键因子。发现在空间电荷结构一定时，地闪的击地位置被限制在3 km范围内。并给出了三极电荷结构下底部次正电荷区的大小以及范围对闪电类型以及传播范围影响的定量分析结果。结合实验室实验以及理论计算，给出了孤立尖端处电晕放电的初始电场阈值，发现其与尖端的尺度，材质无关，并建立了电晕初始电场阈值与空间分辨率之间的函数关系。整个项目的顺利实施加深了我们对于上行闪电初始情况的认知，已取得的一些研究成果深化了我们对于雷电物理过程的认知，特别是对于上行闪电的认识。为针对这种始发于超高建筑物雷电的防护设计和技术发展提供了重要的科学基础。而新建立的上行闪电参数化方案也为将来进一步探讨上行闪电与下行地闪之间的异同提供了可能。

成果综合统计