雷電客觀數值預報探索

關屹瀛 ，楊 帆 ，張 洋 ，王連仲 ，滕 昊 ，趙廣娜 ，張惠君

(1.黑龍江省氣象局機關服務中心，黑龍江 哈爾濱150030;2.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧 沈陽110000;3.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030)

1 引言

雷電（閃電）是雷暴天氣中發生的一種長距離瞬時放電現象[1]。雷電產生的大峰值電流、高峰值功率、炙熱高溫、強電磁輻射和沖擊波等物理效應，會對地面建筑、森林、電力和電子設備、航海、航空航天、通信等產生破壞作用，甚至威脅人的生命。因此，及時提供準確、高效的雷電預報，從而提前防護雷電可能造成的災害，為國民經濟發展保駕護航具有十分重要的意義。

目前對雷電的預警，大都是用基于閃電定位資料，通過疊加雷達資料進行線性外推的結果，以及尋找與雷電相關的氣象要素統計相關性，進而達到對雷電的預警，如Bothwell和Shafer，Fuelberg用統計方法去尋求所發生地閃的強度與氣象要素場之間的聯系。這種方法缺乏對雷電活動進行有效的分析和準確的預報。

在國內，陳渭民指出[2]：積云內電場正負及大小與云內粒子的相變密切相關。翟麗[3]、周筠珺 、蔣大凱、伍魏、李曉敏提出雷電強度與風切變密切相關。

2 建立動力學方程組

在雷電動力學G模型的基礎上建立G方程組

(1)Navier－Stokes（納維－斯托克斯）運動方程[4]

其中P為壓力，τ為黏性應力矢量。

(2)熱力學方程[5]

其中θ為位溫，Q為外界對空氣團的加熱率，T為溫度。

(3)氣壓方程[6]

則有如下的氣壓預報方程：

這里，π’是無量綱氣壓擾動量，式中的C是絕熱聲速，D是次網格尺度項。

(4)水物質守恒方程

水物質分為水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹七類。模式中水物質預報方程共有12個，即水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹的比含水量方程和雨水、冰晶、雪、霰和雹的比濃度方程，分別為[6]：

式中，等號右邊第一項為微物理起電過程源匯項，第二項為雷諾平均的湍流通量，第三項為降水性水成物的重力沉降移出率，Vx為雨水、冰晶、雪、霰和雹的下落末速度。

(5)水物質電荷密度守恒方程

雷暴云中云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹粒子在各種起電機制作用下攜帶一定的電荷，其電荷密度方程分別為[6]：

式中，等號右邊第一項為起電過程源匯項，第二項為雷諾平均的湍流通量項，第三項為降水性水成物的重力沉降移出率，Vx為雨水、冰晶、雪、霰和雹的下落末速度。

(6)建立了積云電場G方程

定義云粒子貢獻半徑為：

其中 Qi,p,pi,Noi分別為云內各粒子 （i=1，2，3，4，…不同代表云滴、水滴、冰晶、霰）的混合比、空氣密度、云內粒子密度、數密度（這里近似取常數，近似采用積分數密度）。

基于對電荷本質的認識[7]，通過滴水起電實驗，建立了流體電場G方程，經過數學推導得到積云電場G方程[8]。

對云做對流近似后得到對流云電場G方程：

上式中p為氣壓，為空氣密度，p0,T0,p0為基本狀態物理量，p′,T′,q′v分別為由積云對流引起的擾動壓力、擾動溫度、擾動水汽，z為垂直高度，g為重力加速度 ，q′v為比濕，qi為比含水量，Fz是在垂直方向上的湍流粘性力。

圖2 2019年8月1日15時（世界時為07時）

圖1 技術路線

上式的左邊是電場相對變化率，右邊大括號內第一項（中括號內）主要反映了對流強度的大小，是云粒子宏觀運動對云內電場相對變化率的貢獻；右邊大括號內第二項主要反映了云內各粒子混合比對數變化率及云粒子的碰并速度對云粒子荷電的貢獻，它反映了微觀物理過程對云內電場相對變化率的貢獻；右邊最后一項是大氣電場與云內電場的相互作用。因第三項作用微小，一般可忽略。因此，雷云荷電主要與前兩項密切相關。

3 建立雷電客觀數值預報G模式

利用編程語言將G方程組的差分方程轉換成閃電數值預報G模式。

在基于實驗建立起來的雷電動力學G模型的基礎上，篩選WRF數值預報輸出產品，進而建立了雷電動力學差分方程，再利用編程語言對相關要素進行后處理，從而建立雷電客觀預報G模式。

4 雷電客觀預報G模式產品與實況對比

利用閃電數值預報G模式預報

圖3 2019年8月2日16時（世界時為08時）

圖4 2019年8月3日14時 （世界時06時）

圖5 2019年8月5日23時（世界時15時）

5 結論

通過雷電客觀數值預報G模式的預報產品與實況對比，可以得出：在實驗基礎上建立起來的積云電場G方程是科學的、可信的；在此基礎上，通過編程語言建立的閃電數值預報G模式較好地反映了閃電發生、發展的規律，是能夠為海上艦船、航空航天及火箭發射、森林防火等各行各業提供及時、長效的雷電客觀數值預報，從而減少或避免雷電造成的重大危害。