感应起电对雷暴云起电及闪电行为影响的数值模拟研究

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为了探讨感应起电在雷暴云起电及闪电行为过程中的作用,结合真实的雷暴个例,通过已有的积云二维起、放电云模式探讨对比了不同感应强度及不同感应过程在感应起电中的作用。通过改变霰-云滴碰撞系数的不同来代表感应强度的不同,不同感应过程包括四种方案:仅考虑非感应起电机制;同时考虑非感应起电机制及霰-云滴之间的感应起电;同时考虑非感应起电机制及霰-冰晶之间的感应起电;同时考虑以上三种过程。针对相同的运动学和微观物理学属性,给出起、放电特征的差异,利用现有的研究理论给予解释。在定性分析的基础上进行一定的定量分析,使模拟结论更符合现有研究结果。通过模拟得出感应电荷分离过程在起电过程中的重要作用,为更好地解释雷暴云宏观分布和微物理动态演变提供更好的背景,完善了现有的研究结果,为后续进行雷暴云的起电机制研究提供了新的参考。本文得到以下主要结论:(1)感应强度不同时,在雷暴云发展的前期阶段均呈现为三极性电荷结构分布,但在次正电荷区下部产生了一个小负电荷堆。这是由于雷暴云前期发展阶段上升气流较强,更多的水汽被带入高空,云滴自动转化为霰粒子的过程发展较为迅速,霰粒子增多后不断沉降,形成固态降水,由于霰粒子带负电荷,导致底部正电荷区下出现了一个弱的负电荷区,之后由于霰粒子沉降完毕,负电荷区逐渐消失,回复到之前的三极性电荷结构。随着感应强度的增大,没有改变总闪次数,但后期云闪放电时间提前。(2)针对同一动态微物理过程,采用相同的非感应起电机制与不同的感应起电过程相结合的四种方案,并进行比较。发现单独的非感应电荷分离足以产生一个偶极性电荷结构,主负电荷区和上部正电荷区之间可触发闪电。霰和云滴之间的感应起电过程表现出正常的三极性电荷结构(包括主负电荷区下的底部正电荷区)。此外,还发现霰和冰晶之间感应电荷分离能够在偶极电荷结构的基础上产生更加强烈的电荷分离。相比其它情况,霰与冰晶间的感应过程会产生更多的闪电,并且闪电先导传播步数明显增加。
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