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1、雷暴云的电荷结构嵇菊颂南京信息工程大学雷电防护科学与技术系，南京210044摘要：关键词：0引言电荷结构研究的重要性雷暴主要集中在夏半年。一年中,夏季最多,冬季最少。雷暴出现的开始月份一般从南往北,由东向西逐渐推迟,而终止月份大多在9、10月份,与我国冬、夏季风进退的季节性变化基本一致。南方极少数地区隆冬季节也能听到雷声。雷暴是热力对流的产物,因此大陆上雷暴多出现在白天,集中期在午后到傍晚之间。而沿海和西部山区的许多河谷地区,由于夜间云顶辐射冷却,云层内不稳定性加大，易在夜间出现雷暴。雷暴出现后,持续时间也有所差异，有的
2、只有几分钟，有的可持续数小时之久,一般而言,持续时间多在1h～2h,而且是南方地区比北方地区持续时间要长。雷暴是人类生存的客观自然界中的一种天气现象,常伴有大风、暴雨、以及冰雹和龙卷等灾害性天气。它影响飞机、导弹等安全飞行,干扰无线电通讯,击毁建筑物、输电和通讯线路的支架、电杆、电气机车,损坏设备引起火灾、击伤击毙人畜等。雷暴和其它灾害性天气相比有它的特殊性：①瞬时性。由于放电本身一般延续不到1s,所以绝大多数雷暴灾害是在放电瞬间产生的,而且往往没有先兆,使人防不胜防。②遍及范围广,但仅局地受害,在82°N～55°S之间
3、的地区都可以找到它的足迹。但就其造成的灾害而言,除雷暴引起森林大火外,大多都是局地的孤立的。③发生的频率高。据统计,地球上每秒钟就有近100次雷电奔驰落地,发生频率之高也是其他气象灾害无法比拟的。④立体性强。天空中飞行的飞机、升空的火箭及地面上的建筑物、人畜和高架的输电线路等都可以遭受雷暴的危害,这是一般的气象灾害所不具备的特点。虽然雷暴对人类生活的危害非常大,但是我们可以利用雷电来进行一些研究,制造专门的仪器——雷电定位仪，利用它可以把接收到的雷电信号转换、放大,最后在示波器的荧光屏上显示雷暴的方向,监视雷暴活动时也就
4、看到了锋面的移动。雷电观测和气象雷达观测相结合,还可以监视台风的移动,及时向人们发出灾害天气警报。1雷暴云的起电机制雷暴云的典型电特征是云内的电荷分离并最终达到放电发生的阶段。实际上，目前已经有多种关于云中起电机制的假设。这些假设大多是以两个基本概念为基础：一是以降水为机车的感应过程和非感应过程；另外一种机制则与降水无直接的关系。1.1感应起电机制感应起电是在一定的电场内，尺度不同的水成物粒子表面被极化后，碰撞并反弹时产生电荷分离的起电机制。最初感应起电主要是指云滴和雨滴之间的碰撞，当云滴与降落速度较大的雨滴碰撞时，由于
5、气流及电场的作用，云滴在反弹的同时带走雨滴下部的一部分极化电荷，而今年对云滴与霰之间的感应起电研究较多。【雷暴云起电过程的数值模拟研究】感应起电机制与环境电场有关，虽然这种机制较容易从物理意义上给出合理的解释，但是该机制对云内电场发展的贡献仍存在争议。根据本文的计算结果，若模式中仅引入非感应起电机制，电场达到击穿闽值的时间及总的电荷分布无明显变化。因此，感应起电对云内主要电荷累积区的贡献很小。感应起电率比非感应起电率小1一2个数量级，因此感应起电对云内早期起电贡献不大。【雷暴云起电过程的数值模拟研究】1.2非感应起电机制
6、非感应起电是在过冷水存在的条件下，霰（雹）与冰晶（雪晶）碰撞时，由于碰撞界面的表面特性和生长速度的不同，从而使大小粒子间产生电荷转移的起点机制，这是一种不依赖电场的起电机制。【雷暴云起电过程的数值模拟研究】1.3对流起电机制对流起电机制假定云中电荷不是来自水成物的起电和重力沉降，二是来自云外的大气离子和地面尖端放电产生的电晕离子，正、负电荷在垂直气流的作用下被分离。这是不依赖于降水的起电机制。目前可在实验室研究的起电机制为感应和非感应起电，以对非感应起电的研究为主。ReynofdS等首次在云室内做了有关冰相粒子间非感应起
7、电的实验，其实验结果表明在-25℃左右的环境温度下，霰与冰晶碰撞并反弹后，霰荷负电而冰晶荷正电。他们提出液态水的存在是产生电荷转移的必要条件，该实验结果为此后对雷暴云起电理论的研究奠定了基础。Takahashi利用含有过冷云水和冰相粒子的云室做了一系列的实验，发现转移电荷的极性和数量与云温和液态水含量有关。当云温高于-10℃时，均荷正电，与液态水含量无关；反之，当云温低于-10℃时，霰在液态水含量很低(<0.1gm-3)或很高(>4.0gm-3)的情况下仍荷正电，而当液态水含量介于0.1gm-3一4.0gm-3时霰荷负电
8、。该实验中得出的转移电荷的极性反转区域在此后的云模式中得出广泛的应用，但是没有考虑冰晶尺度及降落末速差对转移电荷的影响。其他学者如Gaskell和Illingworth也得出与Takahashi类似的结果，他们认为冰相粒子间碰撞时转移电荷的数量级为30fc，与几Takahashi的33fc较为接近。Jayaratne
