雷暴云过境时的地面大气电场变化特征_与云中电荷结构反演模拟分析毕业论文

毕业论文题目雷暴云过境时的地面大气电场变化特征与云中电荷结构反演模拟分析**公益性行业科研专项（GYHY200806014）和江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)资助。

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结果表明：地面测站处的大气电场值与位置有关，且大气电场与雷暴云电荷量成正比；雷暴云电荷分布尺度、扰动量、反演初值等是造成反演效果不同的因素。

关键词：雷暴云、大气电场、电荷结构、模拟分析1.引言雷电是发生在大气中的一种瞬态大电流、高电压、强电磁辐射的天气现象[1]。

随着信息技术和微电子器件的广泛应用，雷电灾害越来越严重，受灾范围几乎涉及各行业。

为减少雷电对人民生命、财产造成的损失，进行雷电灾害的监测、产品服务和预警预报有着重要意义。

大气电场是大气中的一种基本状态参数，不同的天气条件将会引起大气电场的变化，从而呈现出不同的特性。

观测表明，晴天大气中始终存在方向垂直向下的大气电场，即大气相对于大地负正电荷，而大地为负电荷[2]。

晴天条件下，大气电场强度为±500V/m[3]。

雷暴发生过程相当于能量释放过程，因此电场可以很好的反映能量[4]。

当有雷暴时，云地闪电、云下方地物和植物的尖端发生放电，使周围环境大气和大地所带的异性电荷增大，往往引起地面电场的显著变化[5]。

通过测量地面大气电场强度和极性的连续变化，实时地监测云层的带电状况，计算雷暴云的荷电结构，推测其处于哪个发展阶段，可对可能造成雷击危险的大气电场变化加以识别和预警。

有雷暴天气临近时，大气电场强度随着云中电荷量的增加而逐渐增加，大气电场强度为±2kV/m以上；雷暴发生时，大气电场强度可达到14kV/m以上[3]。

雷暴云电荷结构的研究在大气电学领域里是一个很重要的内容，有直接和间接两种研究手段：采用雷暴云电场的穿云观测是最直接的方法，通过此方法可以获取探空路径上电场的分布特征；间接的手段有通过闪电放电的多站同步观测资料来拟合闪电所中和的电荷源位置，以对雷暴云电荷结构进行反演等[6]。

Simpson等提出雷暴云三极性电荷结构，即上部正*公益性行业科研专项（GYHY200806014）和江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)资助电荷区、中部负电荷区、雷暴云底部有小正电荷区[7，8]。

长期以来，这一结论得到了学术界的广泛认可，但越来越多的电场探空显示，雷暴云电荷结构远比三极性物理模型复杂得多[9，10]。

Stolzenburg 等利用电场探空深入研究了不同尺度的雷暴云电荷结构，结果表明：雷暴上升气流区有4个电荷区，最底部为正电荷区，往上依次改变极性，上升气流区外部则至少有6个以上的电荷区存在[11~14]。

Holzer 和Workman 通过8站同步观测首先对新墨西哥的雷暴闪电进行研究，分析表明：正、负电荷区分布于云内-5~-25℃的环境温度区域内[15]。

Jacobson 和Krider [16]通过多站同步观测得出与Workman 等[15]基本一致的结论。

综上所述，雷电的发生总是与大气电场密切相关，当大气电位梯度达到大气的击穿电位梯度时，将会发生雷电。

大气电场仪在实际工作中主要用于探测大气中带电物质所引发的地面电场变化, 对局部地区潜在雷暴活动发出警报。

但能否利用地面大气电场资料对雷暴云内电荷结构进行反演，至今为止，相关的研究较少。

为了研究地面大气电场和雷暴云电荷结构的关系，本文通过静电场原理和镜像法，推导了单极性和多极性雷暴云电荷结构呈正态分布情况下地面电场的观测方程，对地面大气电场进行正演分析，并在此基础上对单极性雷暴云电荷结构参数进行反演模拟计算研究。

大气电场资料在雷电监测和预警中发挥着重要的作用，此研究对于推测未来雷暴云的强度发展，移动动态，有可能发生的短时临近强降水预报、雷电预警和监测都有一定的参考意义，因此深入了解地面大气电场变化特征与雷暴云内电荷结构的对应关系便显得尤为重要。

2. 云下电场理论分析长期以来，雷暴云电荷结构被认为是一个垂直的双极性或三极性结构，即雷暴云上部-25℃~-60℃为正电荷区，-10℃~-25℃为负电荷区，有时会有一个小的正电荷区存在于底部0℃附近 [17]。

本文主要以单（多）极性雷暴云单体为例，通过静电场原理和镜像法，对雷暴云过境时的大气电场变化特征正演和单极性雷暴云电荷结构参数反演进行模拟分析。

2.1 大气电场基本概念晴天大气电场的大小和方向用大气电场强度E 表示，大气电场强度一般简称为大气电场，单位为V/m [18，19]。

大气中某点处大气电场的大小等于该处大气电位的梯度值，方向与大气电位梯度的方向相反。

大气电场E 与大气电位V 的关系为[2] (,,)(,,)E x y z V x y z =-∇（1）在以地面为x-o-y 面的o-xyz 直角坐标系中，各个方向上的大气电场分量可以表示为(,,)(,,)(,,)(,,)x y z E x y z E x y z i E x y z j E x y z k =++（2）式（2）中，i 、j、k 分别是x 、y 、z 轴的单位矢量，(,,)x E x y z 、(,,)y E x y z 、(,,)z E x y z 分别为大气电场在x 、y 、z 方向上的分量。

在科学研究中，习惯将晴天大气的大气电学量定义为正，即方向垂直向下的大气电场为正电场，方向垂直向上的大气电场为负电场[20]。

2.2 雷暴云的准正态分布电荷模型Rust 等和周志敏等证实，云电荷可以由不同极性的电荷层构成，而电荷层的电荷存在着电荷密集区和稀疏区，分布并非均匀[21,22]。

本文提出用正态分布来描述雷暴云的电荷分布，认为雷暴云电荷分布是由许多自然随机因子随机作用的结果，虽然电荷可能不是严格的服从高斯分布，但仍可用高斯分布来模拟。

假设电荷分布符合自然界中许多随机变量分布概率，则从概率统计角度来描述雷暴云的电荷分布，便可用正态或准正态分布模型来模拟。

假设雷暴云为单极性，云团电荷分布密度中心点位置为000(,,)x y z ，云团电荷分布中心电荷密度为ρ0，云团电荷分布特征参数为（σx ，σy ，σz ），则云团电荷分布密度函数可以表示为：22200001,,)exp[(()()())]2x y zx x y y z z x y z ρρσσσ----=++（ (3) 其中σx 、σy 、σz 越小，则电荷密度由荷电中心向外减小的越快，即主要荷电区域越小，其分布越集中在荷电中心点附近；反之亦然。