雷电学原理知识点总结.docx

第二章 大气中的带电粒子（5分）1.电离源：（1） 地壳中的放射性物质发出的射线（、和射线, 最多）（2） 大气中的放射性物质发出的射线（最多）（3） 宇宙射线对大气的电离2.带电粒子：大气轻离子（小离子）、大气重离子（大离子）。第三章 晴天大气电场（10分）1.大气电场的基本特征（方向、大小）： 方向：垂直向下；大小，不同高度的垂直电场强度在地表呈现极大值，就全球平均而言其值为120V/m，而在海洋上则为130V/m。2.大气电场的空间分布特征(海陆差异、地形差异、,随高度分布等) 海陆差异：由于下垫面条件相近，所以各处晴天大气电场之间的差异较小，而且其变化 规律多与全球性影响机制有关;陆地局部条件相差很大，各处电场的差异很大。 地形差异：海上由于局部条件相近，晴天大气电场随纬度的变化较为明显。 随高度分布：晴天大气电场随高度也因地因时而异，陆地上分布较为复杂。通常晴天大气电场随高度呈指数衰减的分布特征。3.大气电场的时间变化特征（日变化、年变化）（分下面3种） 日变化：陆地主要受地方时影响，海洋受世界时影响. 大陆简单型： 表现为单峰、单谷，即一天中出现一次极大和极小。 大陆复杂型：表现为双峰、双谷，即一天中出现两次极大和极小。 海洋极地型：具有单峰单谷型 。 年变化：地面和海面晴天大气电场年变化的波形一般具有单峰、单谷，即一年中出现一次极大和一次极小值，平均而言，晴天电场峰值都在北半球的冬季，而谷值都在北半球的夏季。第四章 晴天大气电导率、大气体电荷、大气电流1.大气电平衡（）观测表明，地球电荷并未被中和，而是以与传导损失相同的速率得到补充。晴天大气电流是大气电的消耗者，闪电电流是大气电的制造者。 大气电流使负电荷要减少；降水电流使负电荷要减少；(降水携带的正电荷大于负电荷)尖端放电使负电荷增加；(雷雨云和地面之间电荷的主要输送着是尖端放电释放的电流)雷暴活动使负电荷增加。（这是地球表面负电荷维持恒定值的必不可少的条件）2.全球电路: 第五章 雷暴云及其电结构（30分）1、雷暴云的概况 1）雷暴云形成条件: 雷暴诞生在暖湿不稳定的空气中，而有利产生雷雨的条件如下。充沛的水汽、大气中需要有大量的不稳定的能量存在。 2)雷暴云的类型（两种分类方式）及各自的特征 根据雷暴中出现的单体数目和强度 1单体雷暴：只有一个单体组成强度弱，范围只有510km，寿命短，只有十几分钟 2. 多单体雷暴：一连串相继发生的单细胞雷暴组合成的雷暴，通常有30个以上的单体。在其中发展、成熟、消散，每个单体约有30-45分钟的生存时间，而约510分钟的间隔就有一个新的单体开始发展。 3.超级单体雷暴：是指更加强大、持久，更能发生强烈灾害性的天气状态，超级单体雷暴有高度组织化的内部环流，其传播方式不再是离散式而是连续的运动，故比多单体雷暴具有更大的整体性。 根据雷暴形成时不同的大气条件和地形条件1. 热雷暴：是在天气温暖时，在几乎是静止的很热和均一的气团内发生的。雷云是因下层空气受热或上层空气受冷发生强烈的上下对流作用而致的，往往决定于局部的条件，例如地形、温度和湿度等。2. 锋雷暴：是在两个大的气团移动时，在界面上，也就是在冷气团和暖气团相遇的锋面上发展起来的。这时冷空气总在暖空气下面，排挤暖而湿的空气，并把它抬升起来，于是那个地方的天气就急剧地变化。按照冷暖空气流动的情况，可以把锋分做两类：暖锋雷暴、冷锋雷暴。3. 地形雷暴：由于地形关系，某些地区特别容易产生雷雨。例如在山岭地区，当暖空气经过山坡被强迫上升时，在山地迎风的一面空气沿山坡上升，到一定高度变冷而形成雷云；但到了山脉背风的那一面，空气沿山坡下沉，温度升高，雷雨消散或减弱 3)雷暴云发展三个阶段及对应的天气现象和特点1.形成阶段：从淡积云发展为浓积云，1015min云中都是上升气流，云底为辐合上升运动，上升速度初期一般不超过5m/s，浓积云阶段可达1520m/s，云中电荷正在集中，但并未发生闪电，也无降水。2.成熟阶段：浓积云发展到积雨云，15-30min，云中为上升气流，云顶发展很高。云顶出现冰晶结构，上升速度增加，雨滴出现，产生降水，出现下沉气流。-20高度以上，云中以冰晶雪晶为主，以下冰晶与过冷水滴共存，出现雷电。对大多数雷暴云中，正电荷位于云上部，负电荷位于下部。3.消散阶段：降水持续，下沉气流范围不断扩大，直至切断维持上升气流的暖湿空气源，造成云体整个下沉。云滴不再增大，降水逐渐停止，残留云体蜕变，蒸发消散。4)雷暴单体内部环流特征（气流结构、粒子分别、地面现象）（识图）传播型多单体雷暴内部环流对流胞以n-2、n-1、n、n+1的顺序发生，实线为空气相对风暴移动的气流，有垂直进入和流出纸面的气流，圆圈曲线为粒子自云底右前方成长逐渐发展成冰雹降下的轨迹，不同浓度的灰色表雷达回波强度。高度高湿空气由雷暴前方流入，上升到上层由后方向外流出，中层的干空气由低层侧方流入，云上部落下的降水粒子于降落途中蒸发冷却，形成大范围的下降气流，到达地面附近时向水平方向扩散，与风暴前方流入的高温高湿空气辐合并抬升，发展出新的n+1对流胞。一般而言，风场的下对流层吹高温湿的偏南风，因此风暴的南边是发展新胞的最好处所。超级单体内部环流低层流入的上升气流由雷暴前进的右前方向上斜插入雷暴，在中心产生最大上升运动，随后呈气旋式旋转到达对流顶附近，受上层风向影响而向雷暴移动的方向流出，而中层流入的气流则猛烈下降，在雷暴后方产生大量降水，并与下层像上升的暖湿空气生成阵风锋面（gust front）。2.雷暴云的电荷分布（电结构、负电荷区分布位置）云中大气电场和大气体电荷分布类型：1）无规则电荷分布2）正单极性电荷分布3）正双极性电荷分布4）负单极性电荷分布5）负双极性电荷分布6）多极性电荷分布 其中2+3约为50%,4+5约为40%，1+6为10%。3.雷暴云中的电荷结构：偶极结构（上面为正电荷，下面为负，上正下负）、三级结构（正-负-正）、反极性结构（负-正）3.雷暴云地面电场分布(电场波形图线解读,包括雷暴发展阶段、电场极性转变、EOSO现象) 1.负电荷区分布位置：负电荷常常集中在-10-20C高度之间，负电荷区所在的 温度层基本上不随雷暴的发展而变化。负电荷层所对应温度层的稳定性表明了一般雷暴云起电的温度层在0以下或-10左右，而在0以上的温度层基本不直接参与起电 。 2.电场波形图线解读 4. 雷暴云地面电场分布：随着雷暴的发展以及与测站距离的不同，地面垂直电场波形将随之呈现出不同大小和极性的变化不同雷暴过程的地面电场的极性及其变化趋势的差异较大，有的甚至完全相反。5. 雷暴过程电场演变特征分析v 整个雷暴过程中地面电场主要为负电场，特别是雷暴当顶时，电场达到一5一6kVm，即负电荷起主要作用，但在地面电场记录的开始阶段，电场为小的正值；v 随着雷暴云移近测站，受到雷暴云中负电荷的作用。使得电场逐渐转为负值，而在最后阶段随着雷暴远离测站地面电场又逐渐向正值转变根据方程(1)推测这个雷暴的电荷结构为偶极性结构v 值得注意的是：雷暴当顶时地面电场波形中有两个阶段从负电场转变为正电场，持续时间为几分钟根据实况记录，发现两个正值区恰好对应着较强的降雨过程(图中FEAWP)v FEAWP这是由于雷暴中水成物粒子在起电过程中带有不同极性的电荷，这些粒子的降落将影响云中电荷区对地面电场的作用，从而使地面电场改变极性第六章 雷暴云起电机制(碰撞起电、选择捕获起电、破碎起电、温差起电)（10分）1.结合起电机制解释雷暴云正负电荷中心的形成假设雷暴云电荷分布为偶极模型，即上部为正电荷区，中部为负电荷区，云底部还存在一个小正电荷区。云上部以冰相粒子为主，根据温差起电机制，冰中有一小部分分子处于电离状态，形成较轻的H+和较重的羟基OH-,温度高的地方浓度大，温度低的地方浓度小，通过温度扩散作用使冷端获得净的正电荷，而热端获得负电荷，而冰中体电荷的生成阻止电荷继续分离，最后达到平衡状态。 由于云中重力分离作用，带正电荷的粒子随气流上升至云体上部，而带负电荷的粒子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。雷暴云中部为负电荷区，该区域内以固态或液态的降水粒子和云粒子为主，根据碰撞感应起电机制，降水粒子在大气电场的极化作用下，上半部带负电，下半部带正电。当降水与云粒子接触时，降水粒子正电荷与云粒子负电荷相交换，导致降水粒子带负电，云粒子带正电。通过重力分离机制，荷正电的云粒子向上运动，荷负电的降水粒子向下运动，从而形成云中上正下负的电荷中心。在雷暴云底部，集中相当数量的大雨滴，当大雨滴出现在上升气流很强的地方，且当水滴半径超过毫米时，水滴在上升气流的作用下破碎，大雨滴上半部破碎成荷负电的小水滴，下半部破碎成荷正电的大水滴。在云中正负电荷的重力分离过程中，带负电的小水滴随上升气流到达云的上部，而带正电的较大水滴因重力沉降而聚集于0层以下的云底附近，使云底荷正电。2.注意起电机制对应的类型，感应起电还是非感应起电，起电机制对应的条件 感应起电机制、非感应起电机制（区别：大气电场是否参与起电过程）第七章 闪电1.闪电概况1)闪电的分类方式及各自特点、所占比例等。根据闪电形状：枝状、片状、线状、带状、 联珠状、球状、蛛状等。闪电发生位置：云闪：占总闪电的一半以上；主要发生在雷暴云内的主正、负电荷区之间； 也有发生几率相对较低的云间闪电、云与空气放电。云内闪电 、云际闪电、云空闪电。不与大地和地物发生接触的闪电。地闪：发生于云体与地面之间的对地放电，云内荷电中心与大地和地物之间的放电过程。 负地闪：将云内的负电荷输送到地面的放电过程，占地闪的90。（破坏力大） 正电闪：将云内的正电荷输送到地面的放电过程，占地闪的5。按照先导所转移电荷的极性和运动方向：（云内是什么电荷就是什么地闪，上行、下行看先导的运动方向）下行负地闪、下行正地闪 上行闪电（负）：由从地面向上移动的携带正电荷先导激发，对应于云中的负电荷向地面的输送。上行闪电（正）：由从地面向上移动的携带负电荷先导激发，对应于云中的正电荷向地面的输送。2）闪电放电的基本参数特征（持续时间、释放电荷量、闪击次数）地闪持续时间取决于地闪闪击数、 地理条件和气象因子。 据大量观测资料表明， 地 闪持续时间的典型值为0.2 秒左右。 其变化范围为0.01 秒到2 秒左右。一次始于云中的负地闪放电过程通常将几十库仑的负极性云电荷带到地面2.闪电放电过程及其特征（掌握一次完整放电过程的各阶段、及其各阶段的重要特征）1）预击穿过程梯级先导连接过程首次回击连续电流直窜先导继后回击M分量J变化K变化2)一些重要的子过程的特征及危害(梯级先导、回击、连续电流等)梯级先导特征：表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐级伸向地面，这称之为梯级先导。在每一梯级的顶端发出较亮的光，梯级先导在大气体电荷随机分布的大气中蜿蜒曲折的进行，并产生许多向下发展的分枝。回击特征：几公里之内的回击电场以静电场为主，它在回击电流停止流动后不会马上变为零。近距离的磁场同样也以静磁场为主。远距离的电场和磁场有类似的波形，为弧形双极性波形。连续电流特征：连续电流引起的电场变化与之前回击过程电场变化的极性一致，而且伴随有连续的发光。在垂直闪电通道和单极电荷模式假定下，发现连续电流的电荷源在云中呈水平分布，并与回击电荷在相同的高度上。连续电流大小在50580A之间，而且连续电流在开始最大，并随时间逐渐减小。长连续电流的持续时间为平均为150ms，有时可达500ms。连续电流所中和的电荷高度与回击高度相近，连续电流在300ms内向地面输送电荷26.46C。危害：含有长连续电流分量的闪电对地面物体的危害为没有连续电流闪电的几倍，因而被称作“热闪电”，它常引起森林火灾、金属构筑物的过热损伤或高架输电线的损坏等。3)相似过程的对比（梯级先导和直窜先导、首次回击与继后回击）梯级先导和直窜先导：当回击之间的时间较长时， 直窜先导将从连续移动的先导转化为梯级先导；相对于首次回击前的梯级先导而言， 速度相对较快，梯级长度相对较短， 梯级间的间歇时间也相对较短；直窜 梯级先导的的梯级长度为10m左右， 梯级间的时间间隔约为10ms。首次回击与继后回击：一般认为首次回击的峰值电流平均值2040KA,200KA发生的几率为1%。继后回击峰值电流分布与首次回击类似，但大小差不多为首次回击的一半。M分量J过程K过程3正地闪和云闪的基本特征1）正地闪的基本特征（发生比例、基本参数如回击次数、回击电流强度等）发生比例: 一般来讲，虽然在夏季雷暴中正地闪较为罕见，但是其发生的比例会随着纬度的增加和地面海拔高度的增加而增加。随着海拔高度的增加，正地闪发生的比例也增加，在海平面上比例约为3%，在海拔高度为2-4km的地方，则为30%。回击数：一般较少，大多数正地闪一般仅包含一次回击过程，两次以上回击的正地闪所占的比例很低。回击电流强度：一般来说，正地闪回击电流的峰值电流和脉冲宽度都较负地闪要大，意味着破坏性可能更强。正地闪电流峰值较大且持续时间较长，因此，正地闪过程释放的电荷量也较大。2）正、负地闪的差异一般来说，正地闪电流的上升时间和恢复时间都较负地闪要长。由表可以看出正地闪回击上升沿时间的平均值为22s，是负地闪的4倍；对于单次闪击地闪,正闪的持续时间是负闪的7倍；平均的正闪脉冲电荷是单次闪击负闪的3倍；一次单闪击正地闪转移的总电荷量比单闪击负地闪大一个量级。平均的电流虽然相差不大，分别为35kA和30kA，但是正地闪产生大电流的几率较负地闪要大的多，正地闪回击电流超过250kA的几率为5%，而负地闪回击电