（大气物理学与大气环境专业论文）雷暴云电结构和气象参数及卫星雷达资料与闪电关系初探.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、刨新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：呈蓑 日 期：坦。至。盈 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库迸行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：呈撰一一 日期：幽。蛰 南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 本文研究了雷暴云起电机制和雷暴云电结构以及雷暴云下地面电场，利用甘 肃兰州地区的探空资料、雷达资料和卫星资料，综合分析了它们与闪电之间的 关系，对雷电的预报与预警有一定的指导意义。 本文主要从下面三个方面分析了闪电特征： 1 雷暴云的起电理论中软雹碰撞冰晶的非感应起电机制比较重要，由经验公 式可知起电量与液态水含量、粒子大小和下降末速度成正比关系。软雹与冰晶 碰撞起电后，正负电荷分离，形成正负电荷区相间的偶极性、三极性或多极性 电荷结构。雷暴云内电荷量越大，形成的云内电场和地面电场也较大。并且云 内正负电荷中心高度影响地面电场强度大小，电荷中心高度越低，地面电场越 大；云砧出现后，雷暴云电结构倾斜，正电荷集中分布在云砧，雷暴云母体和 云砧下方地面负和正电场均有所增大，均有利于负地闪和正地闪的发生；负地 闪放电后，在短时间内正电荷电量不变，雷暴云下方地面负电场减小，云砧下 正地面电场增大。 2 雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关，因而闪电活动 与大气的不稳定因子之间必然有一定的关系。本文利用2 0 0 4 年兰州地区探空资 料和闪电资料讨论分析了对流有效位能、气团指数、总指数、垂直风切变和反 转温度高度与闪电的关系，发现雷电天气中对流有效位能、气团指数和总指数 较无闪电时的要大，但它们不是预报闪电活动的关键因子，对闪电活动的预报 只具有指导意义；而反转温度层高度与闪电的峰值电流有较好的相关性；垂直 风切变与正地闪闪电电流峰值分布基本一致，与负地闪闪电电流峰值分布趋势 相反。 3 利用2 0 0 4 年甘肃兰州地区三次出现冰雹、大风的雷电天气的闪电资料、 雷达资料和卫星云图资料，分析了闪电出现时雷达回波特点和卫星云图上云型 特征。结果表明：卫星云图与地闪分布图对比发现负地闪多发生在雷暴云母体 附近，而正地闪多出现在下风方向；云砧出现后，负地闪多集中在雷暴云母体 南京信息工程大学硕士学位论文 下方，而正地闪多分布在云砧下方。结合雷达回波图与闪电分布图分析可知， 闪电频次与云内液态水含量演变成一致对应关系；闪电密集区与雷达强回波区 相对应，但闪电密集区最大中心不是雷达回波最大区；而且地闪分布位置、雷 达回波位置以及卫星云图上雷暴云的位置三者基本上吻合，可将卫星云图资料 与雷达回波资料综合分析地闪发生的位置，对闪电的预报与预警有指导意义。 关键词：雷暴云电结构，地面电场，气象参数，卫星云图，雷达回波，地闪 塑塞堕皇三堡盔堂堡主堂焦塑苎 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h u n d e r s t o r me l e c t r i f i c a t i o nm e c h a n i s m sa n dc h a r g e s t r u c t u r e s ，a n a l y z e s t h e r e l a t i o n s h i p o ft h eg r o u n de l e c t r i c f i e l d su n d e r n e a t h t h u n d e r s t o r m ，m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e ra n dc h a r g i n go ft h u n d e r s t o r m ，d i s c u s s e st h e r e l a t i o n s h i po fi i g h m i n g ，r a d a rd a t aa n ds a t e l l i t ei m a g e t h er e s u l t sc s r ! p r o v i d et h e r e f e r e n c ef o ri i g h m i n gi n s p e c t i o na n df o r e c a s t i n g t h i sp a p e ri n c l u d e st h r e ep a r t s ： f i r s t l y , n o n i n d u c t i v em e c h a n i s m si sv e r yi m p o r t a n ti nm a n ym e c h a n i s m so f t h u n d e r s t o r m ，a n dt h eg r a u p e l i c em e c h a n i s mi st h eo n l yo n et h a ti sc a p a b l eo f c a u s i n gc l o u d st ob e c o m ee l e c t r i f i e de n o u g ht o b et h u n d e r s t o r m t h er e l a t i o no f l i q u i dw a t e rc o n t e n t ，t h er a d i u so fp a r t i c l e s ，t h ev e l o c i t yo fp a r t i c l et a r g e t sa n dt h e c h a r g ei s d i r e c tp r o p o r t i o na c c o r d i n gt oe m p i r i c a lf o r m u l a a f c e rr i m e dg r a u p e l c o l l i d i n gw i t hi , c ep a r t i c l e s ，p o s i t i v ea n dn e g a t i v ec h a r g e ss e p a r a t e ，t h ec h a r g e s t r u c t u r eo ft h u n d e r s t o r mp r e s e n t sad i p o l e ，at r i p o l a ro rm o r ev e r t i c a l l ys t a c k e d c h a r g e s t h ec h a r g eo ft h u n d e r s t o r mi sb i g g e r ，t h ei n t e n s i t yo fe l e c t r i c f i e l di s s t r o n g e ri nt h et h u n d e r s t o r ma n do nt h eg r o u n d t h ea l t i t u d eo fr e v e r s et e m p e r a t u r e l a y e ri n f l u e n c e st h ea l t i t u d eo fc h a r g e s ，a n dt h ei n t e n s i t yo fe l e c t r i c f i e l do nt h e g r o u n dh a s as t r o n gr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec e n t e rp o s i t i o n s t h el o w e rc e n t e rp o s i t i o n o ft h ep o s i t i v ea n dt h en e g a t i v ec h a r g ew i l ll e a dt os 仃o r 培e ri n d u c e dn e g a t i v ee l e c t r i c f i e l d ；a f t e rt h ep l u m ea p p e a r i n g ，t h ec h a r g es t r u c t u r et i l t st oo n es i d e ，a n dp o s i t i v e c h a r g e sm a i n l yd i s t r i b u t ei np l u m e ，p o s i t i v ea n dn e g a t i v ee l e c t r i cf i e l du n d e r n e a t h t h u n d e r s t o r me n l a r g e ，b e i n ga d v a n t a g e o u st op o s i t i v ea n dn e g a t i v ec l o u d t o g r o u n d l i g h t n i n g t a k ep l a c e w h e nt h ec l o u d t o - g r o u n dl i g h t n i n gh a p p e n s ，t h en e g a t i v e c l o u d - t o g r o u n dl i g h t n i n gf l a s h e st a k ep l a c ef i r s t l ya n dc o n s u m es o m en e g a t i v e c h a r g e s ，t h e nt h ep o s i t i v eo n e sw i l ld i s t r i b u t ei nt h ep l u m e s e c o n d l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h u n d e r s t o r mc o r r e l a t e s 、i 也t h e r m a li n s t a b i l i t y 3 南京信息工程大学硕士学位论文 b a s e do ns o u n d i n gd a t aa n dl i g h t n i n gd a t ai nl a n z - h o ui n2 0 0 4 ，t h er e l a t i o nb e t w e e n m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e ra n dl i g h t n i n ga c t i v i t yi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ec o r r e l a t i o no ft h ec o n v e c t i v ea v a i l a b l ep o t e n t i a le n e r g y ，a i r - m a s s i n d e x ，c o m b i n e di n d e x ，v e r t i c a lw i n ds h e a ra n dl i g h t n i n ga c t i v i t ya r eg o o d ；a tt h e s a m et i m e ，t h ea l t i t u d eo fr e v e r s et e m p e r a t u r el a y e rp l a yi m p o r t a n tr o l ei nl i g h t n i n g a c t i v i t y ；a n dt h ep e a kc u r r e n to f l i g h t n i n gc o r r e l a t ew i t ht h ev e r t i c a lw i n ds h e a r f i n a l l y , b yu s i n gl i g h t n i n gl o c a t i o ns y s t e md a t a , r a d a rd a t aa n ds a t e l l i t ed a t ai n t h r e es e v e r ec o n v e c t i v ew e a t h e rp r o c e s si ng a n s ui n2 0 0 4 ，t h er e l a t i o n so f c l o u d - t o g r o u n dl i g h t n i n g ，r a d a re c h oa n ds a t e l l i t ei m a g ea r ea n a l y z e d 。t h er e s u l t s s h o wt h a tt h r o u g ha n a l y z i n gl i g h t n i n gd a t aa n ds a t e l l i t e i m a g e ，t h ep o s “i v e c l o u d t o - g r o u n dl i g h t n i n gm a i n l yo c c u ri nt h ep a r e n tb o d yo ft h u n d e r s t o r m ，t h e n e g a t i v e o n e st a k e p l a c ei nd o w n w i n d ；a f t e rp l u m ea p p e a r i n g ，t h ep o s i t i v e c l o u d - t o - g r o u n dl i g h t r f i n gm a i n l yd i s t r i b u t ei nt h ep a r e n tb o d yo ft h u n d e r s t o r m ，t h e n e g a t i v eo n e so c c u ri np l u m e c o m b i n i n gr a d a re c h oa n dl i g h t n i n gd i s t r i b u t i o nd a t a c a l lk n o w , t h e 丘e q u e n c y - d i s t r i b u t i o no fl i g h t n i n gh a sab e t t e rc o r r e l a t i o n 、撕t ht h e d e v e l o p m e n to ft h el i q u i dw a t e r ；t h eb i g g e s tc e n t e ro fl i g h t n i n gd e n s i t yd o e sn o t d i s t r i b u t ei nt h eb i g g e s ta r e ao fr a d a re c h o ，t h ei n t e n s i v e s ta r e ai sn o tt h eb i g g e s t r e g i o no fr a d a re c h o ；t h ed i s t r i b u t i o no fc l o u d - t o - - g r o u n dl i g h t n i n gh a sab e t t e r c o r r e l a t i o nw i t l lr a d a re c h oa n ds a t e l l i t ei m a g e t h r o u g ha n a l y z i n gr a d a rd a t aa n d s a t e l l i t ei m a g e ，i tc a nb es e e nt h a tt h ec l o u d t o - g r o u n d l i g h t n i n gl o c a t i o n t h e s e r e s u l t sc a np r o v i d et h er e f e r e n c ef o rl i g h t n i n gi n s p e c t i o na n d f o r e c a s t i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i c c h a r g es t r u c t u r eo ft h u n d e r s t o r m ，g r o u n de l e c t r i cf i e l d ， m e t e o r o l o g i cp a r a m e t e r , s a t e l l i t ei m a g e ，r f l 止l , re c h o ，c l o u d t o g r o u n dl i g h t n i n g d 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 概述 闪电，俗称雷电，是自然大气中的超强、超长放电现象，是重要的大气现象之一，与 天气的变化有密切的关系，是大气科学重要的研究内容，一直倍受学术界和社会公众的关 注。雷暴的出现常带来强降水、大风、光、强电场和强电流、雷、瞬变电磁脉冲辐射、无 线电噪声等。以强电流、强电场为主，造成人类生命财产的重大损失，给国民经济带来重 大损失，因此对雷暴的研究和分析有重要意义。自古以来，雷电灾害主要是其电流通道造 成的人畜伤亡及爆炸、引起火灾等。根据美国近几十年的统计。雷击在美国每年造成约1 0 0 余人死亡，另有约5 0 0 人受伤。随着人类社会特别是经济的发展雷电造成的危害亦有所变 化，电子产品日益增多，雷击引起的破坏日趋严重。特别是间接雷害，使破坏从点变成面 而显得特别严重，其总的趋势是面变得广了。 通过研究雷暴云形成过程及其起电原理等问题，分析闪电分布特征和与其关联的天气 变化等因素，进而揭示雷电形成、发展、消散阶段中的微物理过程，最大限度的预报闪电 的发生，尽可能的防止雷击事件的发生，减小雷电灾害带来的损失。 1 2 国内夕 雷电研究现状 雷暴是发展旺盛的强对流现象，是伴有强风聚雨、雷鸣闪电的积雨云系统的统称。而 闪电是指积雨云中不同符号荷电中心之闻的放电过程，或云中荷电与大地和地物之间的放 电过程，或云中荷电中心与云外大气不同符号大气体电荷中心之间的放电过程，闪电分为 云闪和地闪。 1 2 1 雷暴云起电机制 雷暴云起电机制一直是大气电学研究领域的重要课题，很多人认为降水是雷暴起电的 主要原因，降水起电机制最早由e l s t e r 和g l e i t e l “1 提出，并认为极化雨滴和云滴相碰发 生电荷转移分别获得负、正电荷，在重力和气流场作用下分离使云体起电。t a k a h s h i ”1 ( 1 9 7 8 ) 通过实验室实验提出了软雹碰撞冰晶的非感应起电机制。v o n n e g u t “”( 1 9 5 3 ，1 9 6 3 ) 提出了 不依赖于降水的电荷分离对流起电机制。该机制假定云中电荷不是来自水成物的起电和重 力沉降，而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。而对起电模式的研究开始于暖云模拟，在一些早期较为肯定的扩散起 电、电传导起电等弱起电机制的基础上重点模拟了感应起电过程。其中最具代表性的是 t a k a h a s h i “1 ( 1 9 7 9 ) 的工作，他在动力模式的基础上引入电场力和各种起电过程，建立了一 5 南京信息工程大学硕士学位论文 个一维轴对称云模式来研究浅对流暖云的电荷结构。c h i u ”1 ( 1 9 7 8 ) 将这一工作延伸，模拟 了深对流暖云中空问电荷的分布特性。但8 0 年代以来，对雷暴云的起电机制主要集中研究 冷云中非感应起电机制。如r a w l i n s ( 1 9 8 2 ) 最早在模式中引入了较完整的非感应起电机 制，由于该机制的很多参量尚未在实验室中得到证实，模拟结果不符合实际。而t a k a h a s h i ”1 ( 1 9 8 4 ) 利用二维轴对称模式分别对暖云和冷云进行了模拟，且考虑了大陆性和海洋性环 境影响，但由于非感应起电机制与温度、液态水含量、云中粒子大小和数浓度等微物理条 件有关，对其研究还有很多值得商榷的地方。此后，h e l d s o n ( 1 9 8 7 ) 、z i e g l e r “( 1 9 8 9 ) 和n o r v i l l e “”( 1 9 8 1 ) 迸一步研究了非感应机制在模式中的应用。而在国内，言穆弘和葛正 谟“”( 1 9 8 5 ) 曾讨论了冰晶浓度对非感应起电过程的敏感性问题，进入9 0 年代后，言穆弘 “”“( 1 9 9 6 a ，b ) 进一步建立了一个模拟积云动力和电力发展的二维时变轴对称模式，来 讨论形成雷暴电结构的物理原因。且张义军等“”( 1 9 9 9 ) 又在言穆弘等“3 “1 ( 1 9 9 6 a ，b ) 发展的二维时变积云动力和电过程二维模式的基础上，引入了闪电放电过程，从而对雷暴 中的放电过程进行数值计算。但雷暴云的起电过程并非只有非感应起电机制存在，可能是 在此基础上多个起电过程共同作用的结果，所以现在有关雷暴云起电机制的研究仍然是一 个重要课题。 1 2 2 雷暴云的荷电结构 雷暴云内的电荷分布也是十分复杂的，有双( 偶) 极结构、三极结构以及多极性电荷 分布等。雷暴云电结构的实际探测一般采用三种方式“：利用闪电电场变化的多站地面 观测来拟合闪电源的位置，从而来推断云中与闪电放电有关的云电荷分布( j a c o b o na n d k r i d e r ，1 9 7 6 ；k r e h b i e le ta 1 ，1 9 7 9 ；b r o o ke ta 1 ，1 9 8 2 ：r e y n o l d sa n dn e l l ，1 9 8 5 ： m a i e ra n dk r i d e r ，1 9 8 6 ；k r i d e r ，1 9 8 9 ；k o s h a ka n dk r i d e r ，1 9 8 9 ；m u r p h ye ta 1 ， 1 9 9 8 6 ；都秀书等，1 9 9 8 ) 。火箭或气球携带电场仪穿云观测( w i n ne ta 1 ，1 9 7 4 ，1 9 8 1 ： b y r n ee ta 1 ，1 9 8 3 ；m a r s h a l la n dr u s t ，1 9 9 1 ；m a r s h a l le ta 1 ，1 9 9 5 a ，b ；w e b e re t a 1 ，1 9 8 2 ) ，利用在云内测量到的电场变化，通过高斯定理来估计云中的电荷结构。飞 机穿云观测( k a s e m i ra n dp e r k i n s ，1 9 7 8 ；i m y a n i t o ve ta 1 1 9 7 2 ；f i t z g e r a l d ，1 9 7 6 ： r a y m o n d ，1 9 9 1 ；m oe t a l ，1 9 9 8 ) 。图1 ，1 是利用多站同步观测通过拟合闪电放电源的位 置得到的美国f l o r i d a ，n e wm e x i c o 夏季雷暴和日本冬季雷暴电荷分布经典模式。利用这 种方法可得到与闪电放电有关的云内电荷分布，即一般认为雷暴云电荷的垂直分布是双 ( 偶) 极结构或三极结构。在三个雷暴中，雷雨云中下部负电荷中心的温度区域为一i o c 一2 0 ，云上部的正电荷中心低于一2 0 c ，云底部的次正电荷中心在0 左右。双( 偶) 极模 6 南京信息工程大学硕士学位论文 型首先由w i l s o n “8 “( 1 9 1 6 ，1 9 2 0 ，1 9 2 9 ) 和s i m p s o n ( 1 9 0 9 ) 提出，它是根据雷暴 区内地面测量的电场和降水电荷分析得出的。三极模型最初是由s i m p s o n 和s c r a s e “( 1 9 3 7 ) 与s i m p s o n 和r o b i n s o n 1 ( 1 9 4 1 ) 提出，作为s i m p s o n 和w i l s o n 的双( 偶) 极分布的改 进和综合考虑。但通过火箭或气球携带电场仪穿云观测到的云内电荷结构发现，许多现场 测量结果与电荷分布的双( 偶) 极模型或三极模型并不一致，如：r u s t 等”“( 1 9 9 2 ) 利用 电场探空发现在美国的o k l a h o m a 中尺度对流系统( m c s ) 中有三个以上的主电荷区；r u s t 和m a r s h a l l ( 1 9 9 6 ) 发现，6 9 次探测中有许多次有3 个以上电荷区”“。s t o l z e n b u r g 等“” ( 1 9 9 8 ) 根据m c s 对流云区1 6 个电场探测结果得到了多极性的m c s 荷电概念模型。 2 0 高 曼1 6 要 1 2 8 4 0 图1 1 雷雨云的电荷结构 中国内陆高原地区的雷暴云底部正电荷区的电荷量和分布范围，都较常规偶极性电荷 结构雷暴内的小电荷区要大得多( 王才伟等”，1 9 8 7 ；刘欣生等1 ，1 9 8 7 ) 。而且不同季节、 地区的雷暴特征也不完全一样。郭凤霞等”指出我国南方地区多观测到正偶极电荷结构， 北方地区多观测到三极性电荷结构，膏海高原地区多反偶极结构，但也有正常结构。即说 明在同一纬度，但不同地区、不同季节、不同的环流形式及不同扰动温度形成的雷暴云也 各不相同，雷暴云云内电结构不能以简单双极性和三极性电荷结构或固定模型的多极性电 荷结构来分析模拟雷暴云内真实电场。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 3 气象要素与闪电活动关系 雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关，即闪电活动与大气的不稳定 因子之间有一定的关系。郑栋等1 研究发现，潜在一对流性稳定度指数，抬升指数，对流 有效位能和7 0 0 h p a 相当位温与闪电活动有较好的相关性。张翠华等”在甘肃平凉地区的对 流风暴的研究中发现，中层7 0 0 4 0 0 h p a 的平均湿度与对流风暴中地闪活动有较好的相关 性。郭风霞等1 研究了温湿层结对雷暴云空间电荷结构的影响，对流有效位能和中层平均 相对湿度共同影响着雷暴云中的电荷结构。s o l o m o n 等”在研究新墨西哥州雷暴时，发现 当对流有效位能的值 4 0 0 j k g - 1 时，可以较好的预报闪电活动的发生。张喜轩等”研究发 现，有8 3 的冰雹天气，其中层( 7 0 0 - - 4 0 0 h p a ) 平均相对湿度在3 0 7 0 之间；6 3 7 的 雷雨天气，其中层湿度也在这一范围。n e u m a n n ”的预报模式中使用了8 0 0 - - 6 0 0 h p a 的平均 相对湿度来预报闪电活动的发生。郄秀书等1 ，张义军等。“”对青藏高原地区的闪电活 动和层结状况的关系进行了研究。雷电过程通常总是强对流天气和雷暴降雨过程联系在一 起，雷暴的起电和闪电研究是当今关于风暴研究的一个重要方面，闪电定位和特征测量对 于全面、深入地研究强风暴过程至关重要。j a y a r a z n e 等1 认为闪电的发生必需有非常强 和深厚的上升气流才能促使过冷却水和冰粒混合态地区出现电荷分离现象。s c o t t 等“研 究美国中南部地区夏季云地闪与降水的关系，结果表明地闪与地面降水的相关性较高。廖 晓农等“在特拉维夫雷暴中正地闪与垂直风切变的关系中介绍了正闪所占百分率与水平风 的强垂直切变的关系。这些研究工作都说明了大气不稳定参数与雷电的活动有一定的关系， 在一定程度上不稳定参数可以应用在雷暴的分析和预报中。 1 3 闪电的观测方法 雷电的观测在古代就有大量记载。从1 9 世纪后期到2 0 世纪中叶，摄影和光谱分析成 了研究闪电的重要手段，例如h e r s c h e l ( 1 8 6 8 ) ，h o f f e r t ( 1 8 8 9 ) l a r s e n ( 1 9 0 5 ) ，b o y s ( 1 9 2 6 ) 等。而闪电的电场和磁场的测量开始于1 9 7 0 s ，如u m a n ( 1 9 6 9 ，1 9 8 4 ) ，从此闪电的研究进 入了新的阶段。闪电定位仪是指利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击 放电参数的一种自动化探测设备。现代闪电定位系统起源于1 7 9 6 年美国人克瑞德等人成功 地对原双阴极示波器闪电探测仪的改进，在此基础上研制出了智能化的磁方向定位网。1 9 8 6 年，美国大气科学研究公司又研制了一种时差雷电定位系统。进入9 0 年代，在原来测向系 统的基础上增加了时差功能，称为时差测向混合系统。而且世界上许多国家和地区相继开 展了雷电监测业务，如美国、加拿大、欧洲国家等国家和地区已建立了一定规模的，包括 南京信息工程大学硕士学位论文 高达上百个子站的覆盖全国的雷电监测网，如n a l d n ，e u c e i d 等。除地基闪电观测外，上 世纪末，美国利用卫星搭载的闪电观测设备，如o p t i c a lt r a n s i e n td e t e c t i o n ( o t d j ， l i g h t n i n gi m a g i n gs e n s o r ( l i s ) ，l i g h t n i n gm a p p i n gs e n s o r ( l m s ) ，l i g h t n i n gd e t e c t i o n s e n s o rp a c k a g e ( f o r t e ) ，从太空监测全球闪电。闪电的探测方法基本上分为：地基闪电探 测和闪电的空间探测。而地基闪电探测包括v l f 测向定位、v l f 到达时间差( t o a ) 、v h f 干 涉仪和v h f 到达时间差。闪电的空间探测分为o t d l i s ( 极轨卫星光学成象感应器) 、l m s ( 静止卫星光学成像感应器) 、f o r t e ( v h f + p d d ) 和多星闪电探测定位。 我国从2 0 世纪6 0 年代，在北京开展了雷雨的观测研究，雷暴探测成功地揭示了雷暴 的动力场、温度场和电场等要素，为我们研究强对流天气动力学、物理学和电学提供了很 好的基础。7 0 年代，叶宗秀等1 中科院兰州高原大气所的研究人员在甘肃的永登、平凉开 展了雷雨云的电学观测，特别是冰雹云的闪电频数特征，给出了简易的闪电识别冰雹云的 方法。8 0 年代以后，是我国雷电研究的重要发展时期，据中国气象局监测网络司的调查， 目前国内至少有上百个v l f l f 闪电定位系统的测站，在气象、电力、电信、民航部队等部 门使用。 几十年来，随着对闪电探测手段的发展，对雷电的形成机制、活动规律有了深入的了 解，在雷电灾害天气预报与预警方面有了一定的发展。 1 4 本课题的研究目的和意义 雷暴云产生闪电的过程常伴有冰雹、暴雨以及局地洪水等灾害，威胁着人民生活，给 工农业生产带来了损失，影响了国民经济的发展。雷暴云的起电机制与云的微物理条件有 关，经云内电荷的积累形成了雷暴云的电荷结构，而且闪电的特征与大气的气象参数有关 联。分析雷暴云起电过程以及电结构特征，研究闪电与气象参数的关系，应用卫星资料和 雷达资料分析闪电特征，预警预防雷电带来的灾害，加强对雷电的预警预报，降低雷暴灾 害的损失，具有非常重要的意义。对雷暴云和闪电的研究，前人已经做了很多工作，但较 为系统的从雷暴云起电机制、电结构和闪电与气象参数的关系多方面结合起来研究雷电不 是很多，特别是将卫星云图和雷达资料结合分析闪电的工作比较少。本文通过对这些方面 进行研究探讨，对闪电的监测和预警有一定的指导意义。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章基本原理 2 1 雷暴云起电机制 雷暴云的微物理特征与云的起电之间的关系一直是大气电学研究领域里的一个难题。 关于云内的起电理论有几十种，但每一种理论不能完善的解释所有云内荷电的实际观测结 果。不同种类的云，起电原因也不相同，至今有关云的起电基本分成两类：一是云雾粒子 起电，二是雷雨云起电1 。对于云雾粒子，云内上升气流很弱，云内起电主要是云雾大气 内的粒子扩散引起的和云滴选择吸附大气离子引起的。对雷雨云粒子，雷雨云内有很强的 上升气流，且常有很强的降水，在积雨云内除雨滴外，还有冰雹、霰和各种冰粒子等固态 和液态水组成，云顶温度很低，垂直厚度大，为云内起电提供了条件，云内起电量大。在 积雨云中，由云中粒子间相互作用起电称为微观起电，而由云内大尺度上升气流使云不同 部位荷不同极性电荷的机制称宏观起电机制。对于宏观起电主要是荷电粒子的重力分离理 论，轻的负荷电粒子在上，重的正荷电粒子在下，造成电荷在垂直方向分离。而微观起电 主要有下面三种理论：离子扩散和电导输送；感应起电；非感应起电。而雷暴云起 电机制以感应起电和非感应起电为主。 2 1 1 雷暴云感应起电机制 对于云中存在有固态或液态水滴时，碰撞感应起电是很重要的。 l 、假定：降水粒子( 大粒子) 和云粒子( 小粒子) 在受到外屯场的作用而极化，由于 降水粒子远大于云粒子，由重力分离理论，降水粒子向下运动，云粒子向上运动。 2 、机制：当它们相遇发生碰撞时可以交换电量。如果电场垂直向下，则粒子上半部极 化为负电，下半部极化为正电。当它们接触时，降水粒子正电荷与云粒负电荷相交换，最 后导致降水粒子带负电，云粒子带正电，通过重力分离机制，荷正电荷的云粒子向云的上 部运动，荷负电荷的降水粒子向云的下部运动，从而形成云中上部为正、下部为负的电荷 中心。对于碰撞感应起电的重要条件是两粒子在碰撞交换电荷后必须分离，如果两粒子台 并在一起不分离，电荷也不能分离。对此只有固态霰粒子和雪或其它冰粒子才满足这一条 件，也就是在温度低于o 。c 的情况下的固态粒子能碰撞后立即弹出。这说明为什么云内的 电荷与云内的温度有关。 3 、理论推导：设在外电场为e 下，降水霰粒子半径为r g ，其与云冰粒子相对于空气的 速率分别是与，云粒子半径为，浓度为n 不难求得降水粒子电量变化率为 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 两= 4 x 3 , li 营i ，0 c o s o e , ， 如果考虑到霰或云粒子原来携带的电荷，则式2 1 写为 ( 2 1 ) 国= 4 n 7 1i 蜃l r c l d 2c o s 0 e , ，+ a q g - b q “ ( 2 2 ) 式中t c l d 是云滴半径，e e ，是通过霰或雹粒中心的电场矢量与作用点方向之间的夹角，g 和 “是霰或雹粒和云滴上已有的电荷量，t 1 、a 和口是两个粒子半径之比足如的无量纲函 数，感应起电取决于电场矢量与作用点方向之间的夹角。如图2 1 中所示，对于球形霰粒 子直径与电场矢量平行时，在直径两端点感应的面电荷密度最大：而当夹角电，增加到9 0 。 时，面电荷密度减小为0 。 系数d 、口是半径的函数，其关系式如下： 4 = 吖堑k l _ q e ， b ：! = - + 蝌儿 式中口是较大粒子的半径，y ，和妇是两粒子半径比的函数 出的y ，和y 。值的大小3 。 袭2 1y l 与yz 值 ( 2 3 ) ( 2 4 ) l a t h a m 和m a s o n ( 1 9 6 2 ) 年给 r 。1 l r ，。0 ，0 o 2 0 40 60 81 0 此外，霰和云滴碰撞并分离的概率随与垂直轴的碰撞作用点角度丽变化，对于感应起 电，碰撞粒子必须要分离，电荷传输和分离概率的角依赖关系以复杂方式相互作用，碰撞 最有效的霰表面位置是感应产生的电荷密度和碰撞分离概率最大的地方。一般掠射( 临边) 碰撞比对着碰撞的分离概率要大。但是实际粒子碰撞可以是弹出碰撞、及掠射碰撞和与霰 的边碰撞。 1 1 南京信息工程大学硕士学位论文 v g v d d 图2 1 云中大粒子与小粒子碰撞感应起电电荷交换图示 原则上说，各种大、小粒子对之闻都有可能产生感应起电，但冰相粒子间碰撞后分离 率高、接触时间短、导电率低、以致难以产生显著的电荷转移；云、雨滴间碰撞后分离率 又很低，也难以产生显著的电荷转移。从式2 1 可知，感应起电要在大气中存在一定电场 的基础上才能起作用。实验室的实验表明，感应起电过程只有当环境电场强度大于l o k v m 时才有显著作用“”。而且a u f d e r m a n r 和j o h n s o n 1 通过实验发现只有在大气电场不小于 l o k v m 的情况下，降水粒子与小粒子之间才能转移足够多电荷来维持雷暴云电场，但是 l o k v m 是远远大于晴天大气电场的。粒子间感应起电不仅与大气内电场有关还与粒子碰撞 且分离率有关，b r o o k s 和s a u n d e r s “”( 1 9 9 4 ) 年实验得到小粒子与降水粒子的分离率仅 为0 0 0 4 0 0 2 ，说明两种粒子的碰撞分离率不是很高。即雷暴云中的感应起电必须具备下 面三个条件：1 强电场，2 粒子表面高导电率、强极化，3 粒子间碰撞且分离。这些都说 明，感应起电机制也不能单独的解释雷暴云的起电过程，该机制是在其他起电过程发生后， 大气中己产生一定强度的电场后才发生的。 2 1 2 雷暴云非感应起电机制 近代雷暴电结构研究中发现非感应起电机制在雷暴云的起电过程中起着重要作用，非 感应起电中以软雹碰撞冰晶为主“”。这种过程主要发生于冰、水共存区，雹粒系雹胚碰撞 云中过冷水滴增长而成，表面较为粗糙，在它降落过程中，云中的冰晶与它碰撞摩擦增温。 摩擦时雹粒的粗糙表面只有少量突出部分与冰晶相接触，这些少量突出部分升温较高，加 南京信息工程大学硕士学位论文 上雹粒含有气泡，而空气的导热率小于冰的导热率，不利于这些突出部分的温度因热传导 而下降。反之冰晶表面较为细密而光滑，以较大面积与雹粒突出部分接触，摩擦增温面积 大，则单位面积增温小。因而由于冰晶的热电效应，温度高的雹粒带负电荷，温度较低的 冰晶带正电荷。由于云中重力分离作用，带正电荷的冰晶随气流上升至云体上部，而带负 电荷的雹粒因重力沉降至云下部，形成云体上部为正电荷区，云体下部为负电荷区。 软雹与冰晶每次碰撞的起电量d q 及其符号是温度、周围过冷水滴含量、粒子大小、粒 子相对速度的复杂函数，关系式为 句= k d ? a v ”( z v c 一上阳。m 矿【r ) ( 2 5 ) 其中d 。、d ，分别是软雹、冰晶粒子的直径，a v = 一k r 是碰撞粒子雹粒与冰晶的 下降末速度差。实验室测量得出r a = 4 ，n = 3 ，k 是比例常数大约为7 3 “”，l w c 是液态水含量， 翮o 。，是低于反转温度时的液态水含量，是反转温度耳的函数。其中，( a t ) 的关系式为 f ( a t j = a a t 3 + b a t 2 + c a t + d ( 2 6 ) 式中a _ 一1 7 1 0 ( 一5 ) ，b 一0 0 0 3 ，c 一0 0 5 ，d = o 1 3 。且 r = 丁一o r o l0，。0 碰撞起电速率与碰撞的次数成正比，即与粒子数的浓度、碰撞效率成正比， 与雹粒单离散性的谱分布下，荷电的速率皇呈为 d t 鲁一- j 。( d ；+ d f ) 2 i v i n 以内 其中晦为描述税粒与冰晶碰撞的物理常数，f 分别为雹粒与冰晶的数浓度。 = 三( d s + d , ) 2 a v ，白 式中岛是雹粒与冰晶的碰撞并反弹效率。 由于d 。 d g ，巧一 儿不稳定； ( b ) ，= 乃中性 ( c ) y 儿稳定。 b 饱和湿空气的稳定度判据 饱和湿空气绝热上升时，其温度随高度的变化率由湿绝热递减率决定，因此将式 2 3 1 中的换成，即可得到饱和湿空气的稳定度判据。 2 5 。2 对流有效位能 对流有效位能的定义为 翻雎= g e l 半p c z s z ， 其中，l 表示虚温；下标e , p 分别表示环境与气块有关的物理量 磊m 为自由对流高度， 是z 0 一z k 由负值转正值的高度；z 苴l 为平衡高度，是t 0 z k 由正值转为负值的高度。c a p e 为气块垂直运动的总有效浮力能，该值越大，为对流发展提供的能量就越大。 2 5 3 稳定度指标 a 沙氏指数彤： s = 瓦0 0 一i ( 2 3 3 ) 沙氏指数为气块由8 5 0 h p a 开始，干绝热地上升到抬升凝结高度，然后再按湿绝热递减 率上升到5 0 0 h p a ，在5 0 0 h p a 上的大气实际温度( z ) 与该上升气块到达5 0 0 ”b 时的温 度( 瓦) 的差值。跏d 表示气层较稳定，s i o 表示气层不稳定，负值越大，气层越不稳定。 南京信息工程大学硕士学位论文 注意：若在8 5 0 h p a 与5 0 0 h p a 之间存在锋面或逆温层时，田无意义。 b 气团指数 髟= k 。一正。 + 阮】7 。一p 一乃 5 。 ( 2 3 4 ) 丁为环境温度，下标d 表示露点