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闪电通道衰退和再激活过程的数值模拟研究

再激活过程,雷电数值模拟,放电通道衰退

雷电基础理论和应用理论研究 > 雷暴电学

      闪电参数化方案对于模拟雷暴电学演化过程至关重要，特别是具有显性通道的闪电参数化方案已经发展成为探索雷暴电环境与闪电放电特征之间关系的最重要工具之一。在本研究中，我们开发了一套耦合放电通道状态变化的闪电参数化方案，该方案首次在包含显性通道的闪电数值模型中再现了通道衰退、截断以及再激活过程。而为了实现对通道截断和再激活过程的模拟还原，新方案通过实时计算任意通道段非线性电参数，包括通道电流、电场、电导率和电荷的演变，取代了随机闪电模型中的固定电势降设置，并在整个模拟时刻保持放电通道的完全电中性。此外，新方案允许多个先导分支同步延伸，同时还考虑了正、负先导极性不对称特征，为探讨正、负先导放电差异提供了可能。

      将新方案植入经典的雷暴三极电荷结构中，开展了大量闪电放电模拟试验，模拟结果很好地展现了新方案的上述特征，且模拟得到的闪电不论是形态、起始和传播特征，还是非线性电参数的演化、通道熄灭以及再激活特征都与观测以及当前的科学认知具有很好的一致性，进而也说明了新模型的稳定性和模拟结果的合理性。以新开发的闪电放电模型为研究基础，分析了模拟得到的闪电个例正、负先导通道不同位置处非线性电参数的演变特征，重点展示了闪电通道截断和再激活过程起始前后非线性电参数的变化规律。此外，讨论了通道状态变化（主要是再激活过程）对正、负先导通道发展的影响，还给出了通道衰退和再激活过程对闪电通道侧向电场极性的影响。