其中闪电通道的扩展采用 步进方式，即每次正、负通道各自只扩展一个后继发展点，从可能性大于零的点中随机选一 个作为新的通道发展点，正、负先导通道的处理方法相同。每完成一步新的通道扩展后，就 要把扩展后的闪电通道作为固定边界条件，空间电位值按泊松方程重新计算，得到新的空 间电位分布。泊松方程通过超松弛迭代法求解。通过这种方法，可以考虑到闪电通道尖端区 域对周围环境电场造成的畸变影响。
[0044] 闪电过程会中和雷暴云的电荷、并削减雷暴云的的电场强度。本模型中考虑了这 一物理过程，并将该物理过程进行了数值程序化，模型中认为闪电在传播过程中会由空间 电场的作用而产生感应电荷，在一次闪电结束后把闪电通道上的感应电荷分配给该通道格 点上的各个水成物粒子。各个水成物粒子获得的电荷量与它们各自的表面积成正比，同时 分配过程中考虑粒子本身携带的电荷。
[0045] 如图1所示，为本发明提供的一种适用于数值天气模式的三维雷电分形结构数值 模拟方法，步骤如下：
[0046] 步骤1、设置闪电起始击穿阈值；
[0047] 所述闪电起始击穿阈值取随高度变化的逃逸击穿电场阈值，表达式如下：
[0048] Ebe(z) = ± 167p(z)
[0049] p(z) = 1.208exp(-z/8.4)
[0050] 式中Ebe为电场击穿阈值，单位是kV/m，P是空气密度，单位为kg/m3,其值与高度z有 关。
[0051] 步骤2、闪电从起始击穿点触发后双向传播，形成闪电传播通道；
[0052] 步骤2-1、闪电从起始击穿点触发后双向传播，正、负先导分别沿平行于和逆平行 于电场线的方向发展；
[0053]步骤2-2、采用步进式扩展闪电通道，每一时步正、负先导各自只扩展一次，后继扩 展通道点从可能扩展点中随机选择，各个后继扩展点的概率与该电场强成正相关；
[0054] 所述各个后继扩展点的概率表达式为：
[0055]
[0056]
[0057] 式中，P,为扩展到该可能扩展点的概率，F为归一化函数，Ei为通道周围第i个点与 该通道点之间的电场强度，该电场强度大于传播阈值的格点个数为k，Ec^ t为通道传播阈 值，设为 〇.6Einit;
[0058] 当新的扩展点选定后，所述新的扩展点的电位计算公式如下：
[0059]
m
[0060] 式中，是该点距离该通道起始点的路径长度，m是路径段数，cU是各段的长度， /-1 S代表通道携带电荷的极性，Φ ref为初始点环境电位，Elnt为闪电通道的内部电场，设为 500V/m。
[0061]步骤2-3、每完成一步新的通道扩展后，将扩展后的闪电通道作为固定边界条件， 通过泊松方程得到新的空间电位值。
[0062]所述空间电位值计算公式如下：
[0063]
[0064] 式中，Φ为该格点空间电势，P'为该格点的净电荷密度，ε为空气的介电常数，在求 解出新的空间电位分布时，通过泊松方程计算出闪电通道格点上的感应电荷密度。
[0065]步骤3、对闪电类型进行判断；
[0066]当闪电通道的某一端发展到距水平面1.25km时，该次闪电被判断为地闪，该通道 极性为正时视为正地闪、极性为负时视为负地闪。同时该极性通道将停止传播，传播到地面 的闪电通道的电荷被置为0,但是相反极性的通道可以继续扩展。如果闪电通道的任一端都 没有发展到距地面1.25km时，则该闪电被视为云闪。
[0067]步骤4、空间电荷进行再分配。
[0068] 所述空间电荷进行再分配的方式为:在一次闪电过程结束后通道上的感应电荷按 格点内各种类型水成物粒子的表面积分配给所述水成物粒子，公式如下：
[0069]
[0070]式中，δρ*是一次闪电结束后闪电通道格点的电荷密度，301是该格点上总表面积为 Si的水成物i的电荷浓度，i表示云滴、雨滴、雪、冰晶、霰和冰雹，δρ?()是闪电发生前该格点水 成物i携带的电荷浓度，Σ kSk为六种水成物粒子的表面积总和。
[0071]最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然 可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何 修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种适用于数值天气模式的=维雷电分形结构数值模拟方法，其特征在于，所述方 法包括如下步骤： (1) 设置闪电起始击穿阔值； (2) 闪电从起始击穿点触发后双向传播，形成闪电传播通道； (3) 对闪电类型进行判断； (4) 空间电荷进行再分配。2. 根据权利要求1所述模拟方法，其特征在于，所述步骤（1)中，所述闪电起始击穿阔值 取随高度变化的逃逸击穿电场阔值，表达式如下： Ebe(z) = ±167p(z) p(z) = l .208exp(-z/8.4) 式中Ebe为电场击穿阔值，单位是kV/m，P是空气密度，单位为kg/m3,其值与高彪有关。3. 根据权利要求1所述模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤： 步骤2-1、闪电从起始击穿点触发后双向传播，正、负先导分别沿平行于和逆平行于电 场线的方向发展； 步骤2-2、采用步进式扩展闪电通道，每一时步正、负先导各自只扩展一次，后继扩展通 道点从可能扩展点中随机选择，各个后继扩展点的概率与该电场强成正相关； 步骤2-3、每完成一步新的通道扩展后，将扩展后的闪电通道作为固定边界条件，通过 泊松方程得到新的空间电位值。4. 根据权利要求3所述模拟方法，其特征在于，所述步骤2-2中，所述各个后继扩展点的 概率表达式为：式中，Pi为扩展到该可能扩展点的概率，F为归一化函数，E功通道周围第i个点与该通 道点之间的电场强度，该电场强度大于传播阔值的格点个数为k，Ecrit为通道传播阔值，设 为O .犯init; 当新的扩展点选定后，所述新的扩展点的电位计算公式如下：说 式中，是该点距离该通道起始点的路径长度，m是路径段数，di是各段的长度，S代 /-I 表通道携带电荷的极性，4 ref为初始点环境电位，Eint为闪电通道的内部电场，设为500V/m。5. 根据权利要求3所述模拟方法，其特征在于，所述步骤2-3中，所述空间电位值计算公 式如下：式中，4为该格点空间电势，P'为该格点的净电荷密度，e为空气的介电常数，在求解出 新的空间电位分布时，通过泊松方程计算出闪电通道格点上的感应电荷密度。6. 根据权利要求1所述模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，判断所述闪电类型的方 法包括如下步骤： 步骤3-1、当闪电通道的某一端发展到距地面1.25km时，该次闪电被判断为地闪，该通 道极性为正时视为正地闪、极性为负时视为负地闪，同时该极性的通道将停止传播，传播到 地面的闪电通道的电荷被置为O; 步骤3-2、当闪电通道的任一端都没有发展到距地面1.25km时，则该次闪电被视为云 闪。7. 根据权利要求1所述模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述空间电荷进行再分 配的方式为:在一次闪电过程结束后通道上的感应电荷按格点内各种类型水成物粒子的表 面积分配给所述水成物粒子，公式如下：式中，Spt是一次闪电结束后闪电通道格点的电荷密度，Spi是该格点上总表面积为Si的 水成物i的电荷浓度，i表不云滴、雨滴、雪、冰晶、靈和冰富，Spio是闪电发生前该格点水成物 i携带的电荷浓度，SkSk为六种水成物粒子的表面积总和。
【专利摘要】本发明提供一种适用于数值天气模式的三维雷电分形结构数值模拟方法，所述方法包括如下步骤：(1)设置闪电起始击穿阈值；(2)闪电从起始击穿点触发后双向传播，形成闪电传播通道；(3)对闪电类型进行判断；(4)空间电荷进行再分配。本发明实现了三维雷电结构的数值模拟，能够模拟出与自然云闪、地闪相似的分形结构。并且能够模拟出闪电过程对云内电场的削减作用。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105653855
【申请号】
【发明人】王昊亮, 刘玉宝, 冯双磊, 王勃, 靳双龙, 马振强, 胡菊, 宋宗朋, 王伟胜, 刘纯, 杨红英, 车建峰, 王铮, 姜文玲, 卢静, 张菲, 赵艳青
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网冀北电力有限公司, 国网山东省电力公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月29日