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

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1、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。学生姓名蔡阿玲学号20091319049学院大气物理学院专业大气科学（大气探测方向）指导教师王振会教授二Ｏ一三年五月二十日目录1.引言12.云下电场理论分析22.1大气电场基本概念22.2雷暴云的准正态分布电荷模型22.3地面大气电场观测方程33.正演模拟计算分析43.1单极性电荷结构雷暴云的大气电场正演43.2大气电场强度与测站位置的关系63.3电荷量对大气电场的影响83.4多极性电荷

2、结构雷暴云的大气电场正演84.反演模拟计算分析104.1单极性雷暴云电荷群分布参数(σx,σy,σz,ρ0)的反演思路104.2单极性雷暴云情况下(σx,σy,σz,ρ0)的反演模拟计算举例134.3反演误差因子的讨论145.结语和展望18参考文献19致谢21ABSTRACT22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)资助蔡阿玲（南京信息工程大学 大气物理学院大气探测专业，江苏 南京210044）摘要：本文用正态分布来描述雷暴云的电荷分布，根据

3、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情况下地面电场的观测方程，对地面大气电场进行正演计算，分析雷暴云过境时的地面大气电场变化特征；在单极性雷暴云电荷结构情况下由地面大气电场观测值用迭代法反演雷暴云电荷结构参数，并通过反演模拟分析讨论了反演误差因子。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

4、，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

5、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

6、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

7、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

8、测方程，对地面大气电场进行正演分析，并在此基础上对单