第二章 电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用

1、第二章第二章 电场仪的工作原理及电场仪的工作原理及 其在雷电预警中的应用其在雷电预警中的应用 南京信息工程大学南京信息工程大学 雷电科学与技术系雷电科学与技术系 主要内容主要内容 l第一节第一节 电场探测仪电场探测仪 l 地面电场仪地面电场仪 l 空中电场仪空中电场仪 l第二节第二节 电场仪资料在雷电监测预警中的应用电场仪资料在雷电监测预警中的应用 l 反推电荷结构反推电荷结构 l 揭示雷暴的起电程度揭示雷暴的起电程度 1 1 电场探测仪电场探测仪 l原理原理： 电场探测一般采用导体在电场中产生电场探测一般采用导体在电场中产生感应感应 电荷电荷的原理。的原理。 l分类分类： 从测量的对象上可分

2、为从测量的对象上可分为地面地面大气电场探测，大气电场探测， 空中空中电场探测及电场探测及空间空间电场探测。电场探测。 l大气电场强度是大气电学的基本参数，在晴天电学、 雷暴电学以及闪电的研究中，都有重要意义，在雷暴和 闪电监测中具有重要作用。 1.1 1.1 地面电场仪地面电场仪( (场磨式电场仪场磨式电场仪) ) l地面电场仪可以测量地面电场仪可以测量地面地面大气电场的大气电场的强度强度和和极极 性性，可对对流云的，可对对流云的起电过程起电过程进行连续监测。进行连续监测。 l既可既可单独使用单独使用记录局地雷电情况，又可用于记录局地雷电情况，又可用于联联 网监测网监测空中电结构。空中电结构。

3、 一一. . 基本工作原理基本工作原理 l在静电场在静电场E中放置一块金属导体，导体表面就会产生中放置一块金属导体，导体表面就会产生 感应电荷，感应面电荷密度为：感应电荷，感应面电荷密度为： KE 其中其中 为空气中的为空气中的介电常数介电常数，一般取真空介电常，一般取真空介电常 数数 ，K是由于导体放入引起的是由于导体放入引起的电场畸变系数电场畸变系数，如果金，如果金 属导体的表面积为属导体的表面积为S，则导体上产生的感应电荷量，则导体上产生的感应电荷量 为：为： 0 q qSKES 电容：表征电容器容纳电荷的本领的物理量。把电容器的两极板间的 电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。

4、l若感应导体的电容量为若感应导体的电容量为CC，则产生的感应电压为：，则产生的感应电压为： qKES V CC l金属导体通过一个电阻接地，就会有电流通过，当电场 变化时，测出此电流的变化就可知电场的变化。但在静 电场中，电场基本不变或变化缓慢，根据动态感应原理， 要测量这种电场，必须使处在于静电场中的导体产生变 化的电荷，因此可采用对一个导体屏蔽和去屏蔽装置的 方法。 二二. . 感应器的组成感应器的组成 定片（感应片，又称定子）定片（感应片，又称定子） 动片（接地屏蔽片，又称转子）动片（接地屏蔽片，又称转子） 直流电机直流电机 前置放大器前置放大器 同步信号发生器等部分组成。同步信号发生器

5、等部分组成。 l定片和动片是一圆板开六（四）等分的定片和动片是一圆板开六（四）等分的扇形面扇形面。 l定片定片：感应电场信号，与机架绝缘。：感应电场信号，与机架绝缘。 l动片动片：定片上方，由直流电机带动旋转，接地。：定片上方，由直流电机带动旋转，接地。 l 动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感 应的交变信号。应的交变信号。 l前置放大器前置放大器：放大很微弱的信号。：放大很微弱的信号。 l小叶片小叶片：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光 电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用

6、于鉴别电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用于鉴别 电场信号的极性。电场信号的极性。 采用采用 倒置结构倒置结构 使电场仪使电场仪 能在恶劣能在恶劣 天气条件天气条件 下工作下工作 l当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏 蔽作用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为蔽作用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为0 0； 随着转子的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐随着转子的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐 增大。因此，定子上的电荷呈周期性变化：增大。因此，定子上的电荷呈周期性变化： l 仪器可通过测量电流的大小进而推得电场的大小

7、：仪器可通过测量电流的大小进而推得电场的大小： /IdQ dt 0 QKES （S S为感应等效面积）为感应等效面积） 三三. . 感应原理感应原理 定片感应的交变信号定片感应的交变信号, , 经前置放大器放经前置放大器放 大和光电开关产生的同步信号一起从感大和光电开关产生的同步信号一起从感 应器输出应器输出, , 经长屏蔽电缆接到主机上。经长屏蔽电缆接到主机上。 主机把信号进一步放大主机把信号进一步放大, , 相敏检波器在相敏检波器在 经过整形分相的同步脉冲作用下鉴别出经过整形分相的同步脉冲作用下鉴别出 交变电场信号的正负极性交变电场信号的正负极性, , 通过低通滤通过低通滤 波器得到相应的

8、直流信号输出。波器得到相应的直流信号输出。 四四. 2XDD-03/E型大气电场仪主要性能参数型大气电场仪主要性能参数 五五. . 标定标定 电场仪的标定一直是人们所研究的课题。电场仪的标定一直是人们所研究的课题。 一般，以一般，以库仑定律库仑定律为基础，用电荷量为已知的为基础，用电荷量为已知的 带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标 定。定。 这种带电体可用一个球体、一条悬空导线。这种带电体可用一个球体、一条悬空导线。 用得最多且标定精度最佳的是：两平行导电板用得最多且标定精度最佳的是：两平行导电板 构成的构成的平板电容式电场标定装置平板电容式电场标

9、定装置。 l改变两板间的电压改变两板间的电压改变电场值改变电场值电场仪输出信号值改变电场仪输出信号值改变得到不同得到不同 电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线- -即即标定曲线标定曲线。 l感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板，感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板， 可对仪器进行简易标定。由于平板可对仪器进行简易标定。由于平板 与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板间距离小，产生畸变与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板间距离小，产生畸变 大，这种标定是较粗略的。大，这种标定是较粗略的。 电场的标定应当在一个已知数值的电场的标

10、定应当在一个已知数值的 均匀电场中进行，均匀电场中进行，根据处于不同电位根据处于不同电位 的两块相互平行、且有无限尺度的导的两块相互平行、且有无限尺度的导 电板之间存在均匀电场的原理，电板之间存在均匀电场的原理，利用利用 在两块相距为一定距离的平板电极间在两块相距为一定距离的平板电极间 加上一已知的稳定电压，为一基本的加上一已知的稳定电压，为一基本的 电场标定装置，平板间电场可根据电场标定装置，平板间电场可根据 E=V/dE=V/d算出。算出。 1.2 1.2 空中电场仪空中电场仪 l空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制具有重空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制

11、具有重 要意义。同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需要进要意义。同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需要进 行空中电场的测量行空中电场的测量, , 空中电场仪测量电场是很有前景的一种测量手段空中电场仪测量电场是很有前景的一种测量手段, , 目前国内尚属起步。目前国内尚属起步。 l空中电场的主要是将感应装置加载空中电场的主要是将感应装置加载探空气球探空气球、小火箭小火箭或或飞机飞机上进行上进行 空中电场廓线的测量，探空球方式操作简单，易于实现，但时效性空中电场廓线的测量，探空球方式操作简单，易于实现，但时效性 差；火箭方式可以探测到短时内的电场空间分布。而空间电场的探差；火箭方

12、式可以探测到短时内的电场空间分布。而空间电场的探 测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的。测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的。 l测量方法：测量方法：电场磨法电场磨法和和电晕探针法电晕探针法。 空中电场探测的国内外发展概况空中电场探测的国内外发展概况 l空中电场探测的探测在空中电场探测的探测在上个世纪末逐渐发展起来上个世纪末逐渐发展起来，一般称为火箭，一般称为火箭 电场探空（电场探空（AEFS）。）。 l目前目前国外国外上主要有上主要有美国美国、法国等法国等国家开展了大气电场的模式研究国家开展了大气电场的模式研究 及有关探测设备的开发研制，并将研究的成果和设备用于云物理及有关探

13、测设备的开发研制，并将研究的成果和设备用于云物理 研究、人工影响天气、强风暴预报等领域。美国国家强风暴实验研究、人工影响天气、强风暴预报等领域。美国国家强风暴实验 室利用球载电场仪的电场变化数据，进行闪电的判别。另外在美室利用球载电场仪的电场变化数据，进行闪电的判别。另外在美 国的国的REFS项目还应用于航空领域，主要是为空间探测器的发射项目还应用于航空领域，主要是为空间探测器的发射 提供安全的保证。提供安全的保证。 l国内国内的大气电场研究的大气电场研究始于始于60年代年代，目前仅在卫星发射基地进行，目前仅在卫星发射基地进行 了空中电场探测的初步试验，实验结果还不甚理想，空中电场探了空中电场

14、探测的初步试验，实验结果还不甚理想，空中电场探 测的技术还不成熟，特别是其中的电场感应精度和遥测控制技术，测的技术还不成熟，特别是其中的电场感应精度和遥测控制技术， 还有待于提高。还有待于提高。 一一. 场磨式空中电场仪原理场磨式空中电场仪原理 l与场磨式地面电场仪相似。与场磨式地面电场仪相似。 l因测量因测量装置不能接地装置不能接地, 使处在电场中的仪器因空间电荷或摩擦带使处在电场中的仪器因空间电荷或摩擦带 电的影响电的影响, 本身带有一定的极化电荷本身带有一定的极化电荷, 形成附加电场而造成形成附加电场而造成测量测量 误差。误差。 l置于均匀电场中的导体置于均匀电场中的导体, 在其对称点会

15、感应出大小相等、符号相在其对称点会感应出大小相等、符号相 反的电荷反的电荷,而本身带电产生的电荷其大小相等符号也相同而本身带电产生的电荷其大小相等符号也相同, 利用利用差差 分原理分原理可以消除自身带电的影响。可以消除自身带电的影响。 l差分电路的特点是输出信号与两个输入信号之差成比例差分电路的特点是输出信号与两个输入信号之差成比例, 而与导而与导 体本身带电无关体本身带电无关, 从而得到空间的真正电场。根据这个原理从而得到空间的真正电场。根据这个原理, 可可 以把以把两个电场仪两个电场仪安置在一个相对于水平面对称的导体上来测量。安置在一个相对于水平面对称的导体上来测量。 电机带动上下动片同时

16、旋转, 使上下定片通过感应窗口在电场中交替地被 屏蔽和暴露, 各自感应出交变信号。同时动片在旋转时还通过光电开关管的槽 口, 产生用于解调的同步信号。 把空中电场仪设把空中电场仪设 计成一个光滑圆柱计成一个光滑圆柱 体体, 上下开感应窗口上下开感应窗口 形成双电场仪形成双电场仪, 在感在感 应舱内装有上感应应舱内装有上感应 电极上定片、上动电极上定片、上动 片、下感应电极下片、下感应电极下 定片、下动片。定片、下动片。 上下感应片感应的信号与各自的电荷放大器相连。电荷放大器是一个具有电容反馈 的高增益运放, 它的输出与输入电荷量成比例。把两个信号加到差分放大器以消除仪器自 身带电的影响, 得到

17、真正的电场交变信号并送至相敏检波器。动片在旋转时还通过光电开 关槽口形成与信号同步的参考脉冲, 经整形分相形成两相脉冲, 亦加到相敏检波器。在两相 同步脉冲作用下相敏检波器能鉴别出感应交变信号的正负极性。 二二. . 场磨式空中电场仪的技术指标场磨式空中电场仪的技术指标 三三. . 场磨式空中电场仪的标定场磨式空中电场仪的标定 l空中电场仪的校准是比较困难的, 在实验室内 校准需模拟产生均匀电场及高压设备。 l通过在地面把空中电场仪和地面电场仪对雷暴 天气进行多次联测试验,可以对空中电场仪进 行校准, 此方法简单可行。 四四. . 注意事项注意事项 l空中电场仪是用气球携带的空中电场仪是用气球

18、携带的, , 要求体积小、质要求体积小、质 量轻、耗电省。量轻、耗电省。 l另外仪器的引入会使自然电场产生畸变另外仪器的引入会使自然电场产生畸变, , 为了为了 得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放, , 仪器表面要求光滑仪器表面要求光滑, ,尽量避免棱角或尖端。尽量避免棱角或尖端。 飞机电场测量研究现状飞机电场测量研究现状 一一. . 飞机电场测量的发展（飞机电场测量的发展（ 4 个阶段） 尝试阶段：尝试阶段：20 20 世纪世纪40 40 年代末至年代末至70 70 年代早期年代早期 以探测晴天电场和积雨云内电场为主。最初采用滑翔机以探测晴天电场

19、和积雨云内电场为主。最初采用滑翔机 安装一个电场仪安装一个电场仪, ,用于测量电场的垂直分量。用于测量电场的垂直分量。20 20 世纪世纪50 50 年代年代 后期开始采用动力飞机后期开始采用动力飞机, ,并在机身对称位置上安装并在机身对称位置上安装2 2 个电场仪个电场仪, , 以消除引擎尾流的影响。进入以消除引擎尾流的影响。进入20 20 世纪世纪60 60 年代后年代后, ,针对三维电针对三维电 场测量问题场测量问题, ,同时也为了消除机身电荷的影响同时也为了消除机身电荷的影响, ,又在机身安装了又在机身安装了 2 2 个额外的电场仪。飞机电场测量逐渐受到重视。个额外的电场仪。飞机电场测

20、量逐渐受到重视。 初步发展阶段：初步发展阶段：20 20 世纪世纪70 70 年代中期至年代中期至80 80 年代末年代末 l1975 1975 年年, , 美国新墨西哥工矿技术学院的美国新墨西哥工矿技术学院的Langmuir Langmuir 实验室开始利实验室开始利 用一架海军研究办公室提供的飞机（代号：用一架海军研究办公室提供的飞机（代号：SPTVAR SPTVAR ）研究雷暴）研究雷暴 云发展过程中的起电机制云发展过程中的起电机制, ,并采用了当时较为成功的电场仪校正并采用了当时较为成功的电场仪校正 方法方法, ,使其成为第一架较为成功的电场测量飞机。使其成为第一架较为成功的电场测量飞

21、机。 l此阶段其他一些飞机也用于电场测量此阶段其他一些飞机也用于电场测量, ,如如SDSMT/ IAS(SDSMT/ IAS(南达科他矿南达科他矿 业与技术学院大气科学分院业与技术学院大气科学分院) ) 的的T228 T228 、美国、美国NASA/MSFC NASA/MSFC (NASA (NASA 马歇尔空间飞行中心马歇尔空间飞行中心) ) 的的ER22 ER22 、美国、美国NOAA (NOAA (国家海洋国家海洋 和大气管理局和大气管理局) ) 的的F108 F108 等。等。 l此阶段电场仪校正方法相对落后此阶段电场仪校正方法相对落后, ,普遍要求电场仪对称安装普遍要求电场仪对称安装

22、, ,同时同时 对电晕放电缺乏足够认识对电晕放电缺乏足够认识, ,测量结果误差很大。测量结果误差很大。 全面发展和应用阶段：全面发展和应用阶段：20 20 世纪世纪90 90 年代年代 l20 20 世纪世纪90 90 年代开始年代开始,3 ,3 支机构致力于电场仪校正方法研究支机构致力于电场仪校正方法研究, ,提出了提出了 多种飞行校正方法多种飞行校正方法, ,使飞机电场测量技术得到了广泛发展和应用。使飞机电场测量技术得到了广泛发展和应用。 lSDSMT/IAS SDSMT/IAS 和和Langmuir Langmuir 实验室仍分别沿用实验室仍分别沿用T228 T228 和和SPTVAR

23、,SPTVAR ,而而 NASA/ MSFC NASA/ MSFC 凭借雄厚的经费支持凭借雄厚的经费支持, ,与与UAH (Alabama UAH (Alabama 大学大学) ) 的的 Johnson Johnson 研究院展开合作研究院展开合作, ,利用利用ER22 ER22 、T228 T228 、Lear228/ 29 Lear228/ 29 (1990 )(1990 )和和DC28 (1992 ) DC28 (1992 ) 等多种型号飞机参与了近等多种型号飞机参与了近1010项科研项科研 任务任务, ,取得了大量应用成果取得了大量应用成果, ,充分显示了飞机测量电场的优越性。充分显示

24、了飞机测量电场的优越性。 成熟阶段：成熟阶段：21 世纪初到现在世纪初到现在 l本世纪本世纪NASA/ MSFCNASA/ MSFC对电场仪校正方法开展了进一步研究。对电场仪校正方法开展了进一步研究。 l当前当前, ,电场仪不再需要对称安装电场仪不再需要对称安装, ,数量也提高到了数量也提高到了6 6 个甚至更多个甚至更多, ,飞飞 机电场测量技术逐步成熟。机电场测量技术逐步成熟。 l2004 2004 年年, T228 , T228 因飞行高度不够而被因飞行高度不够而被NSF(NSF(国家科学基金国家科学基金) ) 取消资助。取消资助。 2006 2006 年底年底SDSMT/ IA H S

25、DSMT/ IA H 开始了下一代穿暴飞机开始了下一代穿暴飞机( (初步选定为初步选定为A10) A10) 的可行性论证。的可行性论证。 lNASA/ MSFC NASA/ MSFC 从从2002 2002 年年8 8月起月起, , 开始采用捕食者无人机的改进型开始采用捕食者无人机的改进型 AL TUS AL TUS 测量电场测量电场(6 (6 电场仪电场仪) ) 。 二二. .飞机电场测量方法研究现状飞机电场测量方法研究现状 l美国机载电场仪采用旋片式结构，图美国机载电场仪采用旋片式结构，图 a a由由NASA/ MSFC2UA H NASA/ MSFC2UA H 研制研制, , 质量质量3

26、. 9 kg ,3. 9 kg ,敏感范围为敏感范围为1. 9 V/ m1. 9 V/ m64 kV/ m ,64 kV/ m ,分辨率为分辨率为1. 9 V/ m1. 9 V/ m。 图图b b由由Langmuir Langmuir 实验室研制实验室研制, ,质量为质量为1. 6 kg ,1. 6 kg ,敏感范围为敏感范围为10 V/ m10 V/ m 26 kV/ m ,26 kV/ m ,分辨率为分辨率为10 V/ m10 V/ m。 GPS强电场电晕探空系统 探空仪实物图探空仪实物图 探测量：电场垂直分量 温度、相对湿度、GPS 402M高增益天线 00 o II Ucost=sin

27、( t+90 ) C1C1 电晕电流测量原理图 ( )( ) ( )10 1 oo cor u tdu t itC Rdt 1 11 1 0 1 ( )( ) 1 t t R CR C ocor u teied C o0 UI R1sin( t) 0 2 1 sin1 1(cos) 1 (1 1) t RC o I R UtR C et R C 1 2 3 U1 R1 C1 R2 Icor1 Uo Icor2 成熟期的雷暴温、压和电场，以及反演的电荷结构 三三. 我国发展飞机电场测量的建议我国发展飞机电场测量的建议 l飞机电场测量的发展对提高云内起电过程认识有重要意义。它不飞机电场测量的发展对

28、提高云内起电过程认识有重要意义。它不 仅能用于科学研究仅能用于科学研究,还可以用于航天发射场和日常气象探测。另还可以用于航天发射场和日常气象探测。另 外外,利用飞机测量云外大气电场利用飞机测量云外大气电场,还可以检测大气电场异常还可以检测大气电场异常,为地震为地震 研究提供大范围的电场数据。研究提供大范围的电场数据。 l当前国外飞机电场测量技术已较为成熟当前国外飞机电场测量技术已较为成熟,而国内由于条件不足仍而国内由于条件不足仍 没有开展相关研究。没有开展相关研究。 l在当前我国财力有限的情况下在当前我国财力有限的情况下,应协同气象部门、航空航天部门应协同气象部门、航空航天部门 以及电子部门以

29、及电子部门,首先研究以无人机作为载体的电场测量技术首先研究以无人机作为载体的电场测量技术,重点重点 突破电场仪设计、电场仪校正和电晕处理突破电场仪设计、电场仪校正和电晕处理3 大关键技术大关键技术,进行必进行必 要的技术储备。要的技术储备。 2 2 电场仪资料在雷电监测预警中的应用电场仪资料在雷电监测预警中的应用 反推电荷结构反推电荷结构 揭示雷暴的起电程度揭示雷暴的起电程度 一一. . 反推电荷结构（反推电荷结构（地面电场仪地面电场仪） p19911991年之前年之前，研究表明，雷暴云的电荷分布一般都具有，研究表明，雷暴云的电荷分布一般都具有偶极性偶极性 或或三极性三极性结构特征。偶极性结构

30、是指在云内有两个垂直电荷区，结构特征。偶极性结构是指在云内有两个垂直电荷区， 在雷暴云的上部为一个正电荷区，下部为一个负电荷区，三极性在雷暴云的上部为一个正电荷区，下部为一个负电荷区，三极性 结构除了具有偶极性结构的主电荷区，在雷暴云的底部还有一个结构除了具有偶极性结构的主电荷区，在雷暴云的底部还有一个 规模和电荷量较小的正电荷区。规模和电荷量较小的正电荷区。 p19911991年之后年之后，新的探测资料表明，实际上雷暴云中的电荷结构，新的探测资料表明，实际上雷暴云中的电荷结构 十分复杂，电荷结构可能会十分复杂，电荷结构可能会倾斜倾斜，也会有，也会有反极性反极性结构，也可能是结构，也可能是 多

31、层多层正负电荷层交替。雷暴云电荷结构与气象和地形条件有关，正负电荷层交替。雷暴云电荷结构与气象和地形条件有关， 不同季节、地区的雷暴云电荷结构也不完全一样。不同季节、地区的雷暴云电荷结构也不完全一样。 对于垂直偶极性电荷结构的雷暴对于垂直偶极性电荷结构的雷暴, E, E1 1表示为：表示为： 对具有垂直三极性电荷结构的雷暴对具有垂直三极性电荷结构的雷暴, E, E2 2可表示为可表示为: : E E1 1、E E2 2为地面垂直电场为地面垂直电场,D,D为电偶极轴与测站之间的水平为电偶极轴与测站之间的水平 距离距离, Q, QP P、Z ZP P分别为雷暴上部正电荷区的电荷量和距离地面分别为雷

32、暴上部正电荷区的电荷量和距离地面 的高度的高度;Q;QN N、Z ZN N为中部负电荷区的电荷量和距离地面的高为中部负电荷区的电荷量和距离地面的高 度度;Q;QSP SP、 、Z ZSP SP为下部正电荷区的电荷量和距离地面的高度 为下部正电荷区的电荷量和距离地面的高度. . 13/23/2 2222 1 2 NNPP PN Q ZQ Z E DZDZ 23/23/23/2 222222 1 2 NNSPSPPP PNSP Q ZQ ZQ Z E DZDZDZ 发生在上部正电荷区与中部负电荷区之间的云闪发生在上部正电荷区与中部负电荷区之间的云闪 产生的电场变化为产生的电场变化为: : 3/ 2

33、3/ 2 2222 1 2 NNPP PN Q ZQ Z E DZDZ 因此对具有垂直偶极性电荷结构的雷暴因此对具有垂直偶极性电荷结构的雷暴, ,地面地面 电场和云闪产生的电场变化随着雷暴的移动其极电场和云闪产生的电场变化随着雷暴的移动其极 性的变化应是同时发生的性的变化应是同时发生的. . 电场的反转距离电场的反转距离 pN QQQ 13/23/2 2222 0 2 21 4 p N pN QZ QZ E DZDZ 如果云中电荷分布为偶极模式如果云中电荷分布为偶极模式 则偶极分布时电场可写为则偶极分布时电场可写为 对于离云荷电中心电场为零的距离对于离云荷电中心电场为零的距离D0为为 1/3

34、2/3 2/32/3 0pNpN DZ ZZZ 对于对于D0又称电场的反转距离。它仅与荷电中心高度有关。又称电场的反转距离。它仅与荷电中心高度有关。 图图 雷暴过程地面电场波形和闪电频数统计雷暴过程地面电场波形和闪电频数统计 (a) 2002年年7月月19日一次雷暴云通过观测站时的地日一次雷暴云通过观测站时的地 面电场波形；面电场波形；(b) 2002年年8月月1日一次雷暴云通过观测站时的地面电场波形；日一次雷暴云通过观测站时的地面电场波形；(c) 2002年年7月月20日一日一 次雷暴云通过观测站时的地面电场波形；次雷暴云通过观测站时的地面电场波形；(d) 2002年年7月月20日一次雷暴过

35、程闪电频数统计日一次雷暴过程闪电频数统计 。 高原雷暴的地面电场变化和电荷结构 第一类：偶极结构雷暴云产生的电场，占第一类：偶极结构雷暴云产生的电场，占1/3（a）第二类：三极结构雷暴云产生的电场，占第二类：三极结构雷暴云产生的电场，占2/3（b和和c） 一. 反推电荷结构（空中电场仪） Stolzenburg et al(1998a, b, c)利用气球携带的电场仪和利用气球携带的电场仪和 无线探空设备对无线探空设备对15次中尺度对次中尺度对 流系统流系统MCC（上升气流内部（上升气流内部10 次、外部次、外部5次）和次）和13次单体次单体 （上升气流内部（上升气流内部7次、外部次、外部6次

36、）次） 进行了电场探空，结合过去的进行了电场探空，结合过去的 电场探空观测，利用高斯定理电场探空观测，利用高斯定理 推算了电荷结构。图中为一次推算了电荷结构。图中为一次 MCC上升气流内部的电场分布上升气流内部的电场分布 和及推算的一维电荷分布。电和及推算的一维电荷分布。电 场结构中的场结构中的3个特征点个特征点，和和 分别代表下正峰值、负峰值和分别代表下正峰值、负峰值和 上正峰值；上正峰值； L表示表示5次闪电对应次闪电对应 的电场变化。的电场变化。 0 z E z 图图2-4给出了其中给出了其中 一次中尺度对流系统一次中尺度对流系统 上升气流外部的基本上升气流外部的基本 电场分布和由电场分

37、电场分布和由电场分 布推算出的一维电荷布推算出的一维电荷 分布。无上升气流区分布。无上升气流区 有有5个峰值电场特征个峰值电场特征 点，分别以点，分别以， 和和标出。由高斯定标出。由高斯定 律近似得到一维电荷律近似得到一维电荷 分示于图（分示于图（b）中，）中，6 个电荷中心中上部的个电荷中心中上部的 正电荷区包含平均电正电荷区包含平均电 荷荷p相似的相似的3个区域，个区域， 区域之间的电荷密度区域之间的电荷密度 为零。为零。 上升气流区域内、外的电荷结构有明显差别。在上升气流区域内、外的电荷结构有明显差别。在内部包含内部包含4个电荷区域个电荷区域， 呈现上负、正、负、正的电荷结构，而呈现上负

38、、正、负、正的电荷结构，而外部包含外部包含6个电荷区域个电荷区域，呈现上负、，呈现上负、 上正、主负、主正、下负、下正的电荷结构。在上升气流外部探测到的正、上正、主负、主正、下负、下正的电荷结构。在上升气流外部探测到的正、 负最大电场均大于上升气流内部，而且高度较低。除了上部的正电荷区域外，负最大电场均大于上升气流内部，而且高度较低。除了上部的正电荷区域外， 上升气流外部的电荷区域深度较浅，而且电荷密度较大。上升气流外部的主上升气流外部的电荷区域深度较浅，而且电荷密度较大。上升气流外部的主 电荷区域高度较低而且温度较高，分别为电荷区域高度较低而且温度较高，分别为5.5 km和和6.2。 l16

39、次探空得到每次中尺度对流系统的电荷分布次探空得到每次中尺度对流系统的电荷分布 Stolzenburg et al(1998b)根据根据13次孤立超级单体雷暴的电场探空得到的次孤立超级单体雷暴的电场探空得到的 电荷分布示意图。电荷分布示意图。7次上升气流内部的电场探空发现电场共有次上升气流内部的电场探空发现电场共有3个峰值。由此推算在个峰值。由此推算在 上升气流内部有上升气流内部有4个电荷区域个电荷区域。在上升气流。在上升气流外部的电场结构和电荷结构较复杂外部的电场结构和电荷结构较复杂。与。与 在中尺度对流系统中的探测结果一样，在上升气流区内、外部的电荷结构有明显的在中尺度对流系统中的探测结果一

40、样，在上升气流区内、外部的电荷结构有明显的 差别。差别。 二二. 揭示雷暴的起电程度揭示雷暴的起电程度 随着雷雨云的发展，起电过程逐渐增强，电荷逐渐累积，云内外随着雷雨云的发展，起电过程逐渐增强，电荷逐渐累积，云内外 大气电场增大，云下的地面电场强度也随着雷雨云的发展演变而大气电场增大，云下的地面电场强度也随着雷雨云的发展演变而 发生剧烈变化，地面大气电场仪通过感应测得雷雨云中电荷产生发生剧烈变化，地面大气电场仪通过感应测得雷雨云中电荷产生 的静电场以及电场的极性和连续变化，从而得到雷雨云中强电荷的静电场以及电场的极性和连续变化，从而得到雷雨云中强电荷 中心的演变信息。中心的演变信息。 由于地

41、面大气电场是空中所有带电物在地面产生电场的矢量和，由于地面大气电场是空中所有带电物在地面产生电场的矢量和， 所以所以单点地面大气电场的测量不能准确地反映雷雨云中的雷电活单点地面大气电场的测量不能准确地反映雷雨云中的雷电活 动状况，需要地面电场仪的组网观测，动状况，需要地面电场仪的组网观测，利用空间电场反演计算模利用空间电场反演计算模 型，根据电场资料反演得到可靠的雷雨云中强电荷中心的强度、型，根据电场资料反演得到可靠的雷雨云中强电荷中心的强度、 极性和分布，确定雷雨云的空间位置；并结合区域内闪电定位系极性和分布，确定雷雨云的空间位置；并结合区域内闪电定位系 统提供的闪电位置信息，进行雷电的预警

42、预报。统提供的闪电位置信息，进行雷电的预警预报。 利用地面电场仪资料预警的方法利用地面电场仪资料预警的方法 常规常规：简单地：简单地设置一个预警值设置一个预警值，常用的电，常用的电 场预警值为场预警值为3kV3kVm m ，大多数电场仪都将预警，大多数电场仪都将预警 值设为可调的（考虑到雷暴与观测站之间的距值设为可调的（考虑到雷暴与观测站之间的距 离）。离）。 改进： 在设定电场预警值的同时，可以检测电场仪测量值的跳变，在设定电场预警值的同时，可以检测电场仪测量值的跳变， 当测量值发生跳变时，电场仪开始报警。当测量值发生跳变时，电场仪开始报警。检测电场值的跳检测电场值的跳 变，可以在电场仪的终

43、端软件中对相邻变，可以在电场仪的终端软件中对相邻2 2个电场采样值进个电场采样值进 行比较，当行比较，当2 2个采样值的差值大于某一数值个采样值的差值大于某一数值( (称其为跳变值称其为跳变值) ) 时，认为电场发生跳变，附近有闪电发生，电场仪开始报时，认为电场发生跳变，附近有闪电发生，电场仪开始报 警。警。 电场仪报警的解除则可以采用延时方式，而不采用电场值电场仪报警的解除则可以采用延时方式，而不采用电场值 低于预警值即解除报警。低于预警值即解除报警。当发生报警后，报警持续一定时当发生报警后，报警持续一定时 间。根据雷暴的生命期和闪电发生的间隙时间，持续时间间。根据雷暴的生命期和闪电发生的间隙时间，持续时间 可取可取5 min5 min左右左右( (不能低于闪电发生的间隙时间不能低于闪电发生的间隙时间) )，如在报，如在报 警持续时间内，又出现预警条件，重新计时。如果超过设警持续时间内，又出现预警条件，重新计时。如果超过设 定的持续时间，仍没有再次出现预警条件，则解除报警。定的持续时间，仍没有再次出现预警条件，则解除报警。 l目前，利用地