三维高分辨率“全闪电”放电模块的建立及上/下行地闪差异性对比模拟研究

Upward lightning and downward lightning are both discharge process between cloud and ground, but they differ in origination, propagation and effects on space charge and potential. At present, the study of the differences between upward and downward lightning is still relatively rare. Due to numerical models can provide comprehensive data, therefore, this project will establish fine resolution “All lightning” discharge module and simulate various types of lightning flashes in the context of a cloud model based on the existing three-dimensional thunderstorm electrification and discharge model. By analyzing the simulation results, the favorable electrical environment characteristics for the occurrence of various types of lightning flashes will be further studied; the effect of lightning from the initiation to the end on the ambient electric field and the inherent mechanism of competition and promotion among various types lightning flashes will also be discussed. Furthermore, the discharge effects of upward and downward lightning, including the effects on space charge, space potential and subsequent discharge, will also be evaluated. Based on the simulation results of several typical thunderstorms cases, the influence of season, latitude and altitude on the attraction of urban building group to different types of lightning will be explored, and the influence weight of the height and relative position of building group and the distribution of space charge on the type of lightning striking the building will also be discussed. The research of this project can not only deepen our scientific knowledge on the lightning physical process, but also provide the theoretical basis for the lightning protection of ultra-tall buildings in the modern city.

上/下行地闪均为云与地之间的放电过程，但其在始发，传播及对空间电荷/电位的影响等方面不尽相同，目前针对两者的对比研究还较为罕见。本项目拟借助数值模式能够提供全方面数据的优势，在已有的三维雷暴云起、放电模式的基础上，设计开发高分辨“全闪电”放电模块，实现各种类型闪电在云模式框架下的仿真再现；通过模拟对比，深入研究各种类型地闪生成的有利电环境特征，分析闪电初始、传播、结束后对周围环境电场的影响，探讨各种闪电之间相互竞争、促进的内在机理；评估上/下行闪电的放电效应，对比其对空中电荷、电位以及后继闪电行为的影响；结合典型雷暴个例，深入探讨季节、纬度和海拔高度等因素对城市建筑物群遭受雷击情况的影响，分析地面建筑物（群）高度，相对位置，空中电荷分布等参数在建筑物遭受雷击类型中各自影响所占比重。本研究不仅可以提升我们对雷电物理过程的科学认识，也可为现代化城市超高建筑物雷电防控工作提供理论基础。

地闪是云与地之间的强烈放电现象，其对人民生命财产安全带来巨大威胁。目前对下行地闪已经有了较好的认知，而对始发于建筑物顶端的上行地闪过程却不甚了解，对上/下行地闪之间差异的认知也很匮乏。本项目通过数值模拟对上/下行地闪放电过程及其与雷暴电环境特征之间的关系进行了较系统的研究。.首先，将改进的上行闪电放电参数化方案耦合到雷暴云模式中，探讨了上行闪电放电与雷暴电环境之间的相互关系。自持型上行闪电的始发和底部电荷区的平均浓度以及底部电荷区的加权高度有关。上行闪电放电在传播区域植入与原空间电荷浓度量级相当的异极性电荷，形成多层电荷结构，一定概率触发新的闪电放电。.在国际上首次建立起包含通道状态变化的闪电放电参数化方案，新方案以通道非线性电参数的实时演变驱动闪电先导传播，保持放电通道的整体电中性，再现了通道衰退以及再激活过程，此外还考虑了正负先导极性不对称以及多分支同步发展。.建立建筑物群多上行先导近地面三维随机放电模型，考虑下行先导传播过程中分支退电离及正负先导速度比。探讨影响多上行先导起始的因素及影响下行先导选择连接的决定因子，分析不同高度建筑上始发的先导之间的竞争关系及高建筑对低矮建筑的保护效应，并探讨孤立建筑物雷击概率及年雷击次数的影响因素，得到建筑物年雷击次数经验公式。.通过改变背景电荷的分布形式，电荷区数量，高度和范围等，探讨背景电荷分布对闪电放电类型，起始和传播特征的影响。当主负电荷区电荷分布趋于均匀时，有利于触发正地闪，而当主正电荷区电荷分布趋于均匀时，则可能触发巨大喷流放电。.整个项目的顺利实施加深了我们对于上/下行地闪放电过程的认知，已取得的一些研究成果深化了我们对闪电放电与雷暴电环境之间关系的认知，为高建筑物群雷击防护工作提供了理论基础，且新建立的闪电放电参数化方案也为将来进一步探讨地闪触发型上行闪电等与通道状态变化相关的放电现象提供可能。