耦合通道截断和再激活过程的自持电中性闪电放电模型的建立

谭涌波

通道状态变化（包括衰退，截断以及再激活等）是闪电放电过程中重要的物理过程。许多常见的放电现象与其密切相关，例如地闪多次回击，以及云闪的K过程。这些放电现象从上世纪起就一直受到研究人员的关注，且随着观测手段的进步，近期诸如正先导的针状结构、闪烁以及活跃负先导侧向再激活等由通道状态变化引发的精细化放电结构也被陆续报道出来。那么这些放电现象发生前后通道电参数的变化规律如何？这些放电现象的起始与闪电通道结构以及雷暴电环境之间存在什么样的关系呢？

近期我司谭涌波教授团队建立了一个可以描述通道电参数实时变化特征，并能再现通道衰退和再激活过程的闪电放电参数化方案。该方案相比于已有的随机放电参数化方案的最大改进是增加了通道状态的变化，为了实现通道状态的变化，该方案采用时变的通道非线性电参数取代随机放电方案中通道固定电位的设定，以此来驱动闪电先导的传播，判定闪电通道的状态。此外，新方案可以保持整个放电通道电中性，这对于衰退通道的再激活过程至关重要。利用新的闪电放电方案，我们在经典的雷暴三级电荷结构下成功实现了云闪放电过程的模拟。模拟得到的云闪个例IC1很好的展现了放电通道的双层分支结构（如图1所示），负先导分支比正先导分支发展的更加旺盛，向上延伸范围更广；而正先导分支自起始后主要向水平方向延伸，且在正先导端的截断点位置成功起始了多次明显的再激活过程，而在负先导端的截断点位置只有尝试性的再激活过程发生。这些都与观测结果一致。对通道衰退和再激活过程进行分析，图2展示了云闪IC1正负先导首个分叉点位置处非线性电参数的时域变化特征。在再激活过程发生前，通道电流和纵向电场呈现显著的负相关。当通道电场累积到再激活起始阈值时，再激活过程发生，通道电流和电导率显著增强，通道电场则迅速下降到千伏每米量级，之后随着正先导通道头部的持续向外延伸，通道电场继续累积为后续的再激活过程累积能量。

该研究有利于提高数值模式对闪电多种击穿过程的仿真能力，与闪电探测技术的发展形成互补，填补该领域的空白，亦可以深化对各类击穿过程与雷暴电环境之间相互关系的科学认知，为进一步揭示闪电这种自然界中“精灵”的各种“奇特行为”提供理论基础。该工作近期发表在Geophysical Research Letters 上。

论文信息：

Zheng, T., Tan, Y., Wang, H., Shi, Z., Lyu, W., Wu, B., & Zhang, Y. (2022). A self-sustained charge neutrality intracloud lightning parameterization containing channel decay and reactivation. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL100849. https://doi.org/10.1029/2022GL100849

图1  云闪个例IC1的模拟结果. （a）每一个新增通道格点的高度随时间的变化，绿叉标识出IC1起始高度。（b）IC1的放电通道结构。绿叉代表云闪的起始点，蓝线和红线分辨代表负和正先导通道，粉色和淡蓝色菱形分别指示正、负先导首个分叉点，青线对应衰退的流光通道，灰线代表衰退的先导通道，深红和深蓝代表再激活的正极性再激活和负极性再激活通道。（c）先导通道段数量随高度的分布情况

图2  云闪IC1正先导（a）和负先导（b）首个分叉点位置（见图1b中标识）的电导率σ、纵向电场E和电流I在整个放电周期内的变化曲线。电流曲线向上移动了1 mA，FB、Re1和Re2分别代表首次击穿，首次再激活和第二次再激活