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基于介质击穿模型对双接地闪电发展过程的三维模拟

中文摘要

闪电是一种常见的大气放电现象，而双接地闪电是一种特殊的闪电。双接地闪电在

放电时会形成两个放电通道。相比于常见的云地闪，它出现概率极低，人们对它的研究

也非常有限。关于双接地闪电的形成机制及发展规律等物理问题还依然不清楚。数值模

拟可以再现闪电的一些行为特征，分析和统计闪电的发展规律，已经成为研究闪电的一

种重要手段。

本文基于介质击穿模型，结合分形几何理论，建立双接地闪电发展模型。介质击穿

模型是根据物质在发生介质击穿时，放电通道会表现出强烈的复杂分支的现象，根据场

强大小用计算机模拟放电通道发展的一种模型。分形几何理论可将复杂的自然现象用分

形维数来描述。本文首先建立了二维双接地闪电的模型，模拟的双接地闪电的形貌与自

然界双接地闪电的二维图片展现的形貌相似。模拟得到的一些发展规律也与自然界双接

地闪电较为一致。在模拟中，下行先导未产生之前，云下电势由于受到背景电场的影响

按层次均匀排列，同一高度下的电势相差无几。在下行先导产生之后，下行先导经过的

地方电势都有了很大的变化，说明下行先导的电场影响远大于背景电场的影响。

三维模拟从立体空间观察了两个分支逐步向下发展过程及上行先导与下行先导连

接形态，再现了闪电的分支结构及其行为特征。在三维模拟中发现，下行先导对空间电

势的影响远大于背景电场的影响，且下行先导对空间电势的影响与高度存在关联。当高

度高于离地面较近的某一特定值时，下行先导对平面电势的影响随着高度减小而增加，

存在一定程度的线性关系。但在这个高度以下，由于同时受到了上行先导的影响，下行

先导对平面电势的影响开始减小。本文通过三维数值模拟，立体展现了双接地闪电的发

展过程，为研究双接地闪电以及多接地闪电的发展特征及规律提供了一种新思路，也对

此类型闪电的防护提供了一定的理论参考。

关键词：数值模拟；介质击穿模型；双接地闪电；下行先导

I

II

The3DSimulationoftheDevelopmentProcessofLightning

withTwoGroundingPointsBasedonDielectricBreakdown

Model

ABSTRACT

Lightningisacommonatmosphericdischargephenomenon,andlighting

withtwogroundingpoints(TGP)isaspeciallightning.TheTGPlightningwillform

twodischargechannelswhendischarging.Comparedwiththecommoncloud-ground

flash,itsoccurrenceprobabilityisverylow,andpeoplesresearchonitisverylimited.

TheformationmechanismanddevelopmentlawofTGPlightningarestillunclear.

Numericalsimulationcanreproducesomebehaviorcharacteristicsoflightning,and

analyzeandstatisticsthedevelopmentlawoflightning,whichhasbecomean

importantmeanstostudylightning.

Inthispaper,basedondielectricbreakdownmodelandfractalgeometry

theory,theTGPlightningdevelopmentmodelisestablished.Dielectricbreakdown

modelisamodeldevelopedbasedonthephenomenonthatthedischargechannelwill

showstrongco