雷电客观数值预报探索

关屹瀛 ，杨 帆 ，张 洋 ，王连仲 ，滕 昊 ，赵广娜 ，张惠君

(1.黑龙江省气象局机关服务中心，黑龙江 哈尔滨150030;2.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳110000;3.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030)

1 引言

雷电（闪电）是雷暴天气中发生的一种长距离瞬时放电现象[1]。雷电产生的大峰值电流、高峰值功率、炙热高温、强电磁辐射和冲击波等物理效应，会对地面建筑、森林、电力和电子设备、航海、航空航天、通信等产生破坏作用，甚至威胁人的生命。因此，及时提供准确、高效的雷电预报，从而提前防护雷电可能造成的灾害，为国民经济发展保驾护航具有十分重要的意义。

目前对雷电的预警，大都是用基于闪电定位资料，通过叠加雷达资料进行线性外推的结果，以及寻找与雷电相关的气象要素统计相关性，进而达到对雷电的预警，如Bothwell和Shafer，Fuelberg用统计方法去寻求所发生地闪的强度与气象要素场之间的联系。这种方法缺乏对雷电活动进行有效的分析和准确的预报。

在国内，陈渭民指出[2]：积云内电场正负及大小与云内粒子的相变密切相关。翟丽[3]、周筠珺 、蒋大凯、伍魏、李晓敏提出雷电强度与风切变密切相关。

2 建立动力学方程组

在雷电动力学G模型的基础上建立G方程组

(1)Navier－Stokes（纳维－斯托克斯）运动方程[4]

其中P为压力，τ为黏性应力矢量。

(2)热力学方程[5]

其中θ为位温，Q为外界对空气团的加热率，T为温度。

(3)气压方程[6]

则有如下的气压预报方程：

这里，π’是无量纲气压扰动量，式中的C是绝热声速，D是次网格尺度项。

(4)水物质守恒方程

水物质分为水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹七类。模式中水物质预报方程共有12个，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、霰和雹的比浓度方程，分别为[6]：

式中，等号右边第一项为微物理起电过程源汇项，第二项为雷诺平均的湍流通量，第三项为降水性水成物的重力沉降移出率，Vx为雨水、冰晶、雪、霰和雹的下落末速度。

(5)水物质电荷密度守恒方程

雷暴云中云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹粒子在各种起电机制作用下携带一定的电荷，其电荷密度方程分别为[6]：

式中，等号右边第一项为起电过程源汇项，第二项为雷诺平均的湍流通量项，第三项为降水性水成物的重力沉降移出率，Vx为雨水、冰晶、雪、霰和雹的下落末速度。

(6)建立了积云电场G方程

定义云粒子贡献半径为：

其中 Qi,p,pi,Noi分别为云内各粒子 （i=1，2，3，4，…不同代表云滴、水滴、冰晶、霰）的混合比、空气密度、云内粒子密度、数密度（这里近似取常数，近似采用积分数密度）。

基于对电荷本质的认识[7]，通过滴水起电实验，建立了流体电场G方程，经过数学推导得到积云电场G方程[8]。

对云做对流近似后得到对流云电场G方程：

上式中p为气压，为空气密度，p0,T0,p0为基本状态物理量，p′,T′,q′v分别为由积云对流引起的扰动压力、扰动温度、扰动水汽，z为垂直高度，g为重力加速度 ，q′v为比湿，qi为比含水量，Fz是在垂直方向上的湍流粘性力。

图2 2019年8月1日15时（世界时为07时）

图1 技术路线

上式的左边是电场相对变化率，右边大括号内第一项（中括号内）主要反映了对流强度的大小，是云粒子宏观运动对云内电场相对变化率的贡献；右边大括号内第二项主要反映了云内各粒子混合比对数变化率及云粒子的碰并速度对云粒子荷电的贡献，它反映了微观物理过程对云内电场相对变化率的贡献；右边最后一项是大气电场与云内电场的相互作用。因第三项作用微小，一般可忽略。因此，雷云荷电主要与前两项密切相关。

3 建立雷电客观数值预报G模式

利用编程语言将G方程组的差分方程转换成闪电数值预报G模式。

在基于实验建立起来的雷电动力学G模型的基础上，筛选WRF数值预报输出产品，进而建立了雷电动力学差分方程，再利用编程语言对相关要素进行后处理，从而建立雷电客观预报G模式。

4 雷电客观预报G模式产品与实况对比

利用闪电数值预报G模式预报

图3 2019年8月2日16时（世界时为08时）

图4 2019年8月3日14时 （世界时06时）

图5 2019年8月5日23时（世界时15时）

5 结论

通过雷电客观数值预报G模式的预报产品与实况对比，可以得出：在实验基础上建立起来的积云电场G方程是科学的、可信的；在此基础上，通过编程语言建立的闪电数值预报G模式较好地反映了闪电发生、发展的规律，是能够为海上舰船、航空航天及火箭发射、森林防火等各行各业提供及时、长效的雷电客观数值预报，从而减少或避免雷电造成的重大危害。