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

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 学位论文 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作 者: 罗 霞阢 系: 应用气象系指导 教 师: 陈渭民 教授 业:大气物理学与大气环境提交 时 间: , ,,,年,月 南京信息工程大学 二,,六年五月 学位论文独创性声明 本人郑重声明: ,、坚持以。求实、刨新”的科学精神从事研究工作。 ,、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。 ,、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关均是真实的。 ,、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。 ,、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: ,(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。 ,(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,,,,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。 ,(利用,,,,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 ,,,,,,;, ,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,;,,,,,;,,,,, ,,;,,,,,,, ,,, ;,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,,,;,,,; ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,;,, ,,,,,,,,, ,,, ;,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,，,,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,，,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,(,,, ,,,,,,, ;,,～,,,,,,, ,,,,,,,,,,;, ,,, ，,,,,,,, ,,,,,;,,,, ,,, ,,,,;,,,,,,( ,,,, 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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。,(,(,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,,,,,,和,,,,,,,“,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。,,,,,,,,”,(,,,,)通过实验室实验提出了软雹碰撞冰晶的非感应起电机制。,,,,,,,,“”(,,,,，,,,,)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,,,,,,,,,“,(,,,,)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 , 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。,,,,”,(,,,,)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,,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,,,,,,,…(,,,,)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,,,,,,,,,”, (,,,,)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，,,,,,,,…(,,,,)、,,,,,,,““(,,,,) 和,,,,,,,,“”(,,,,)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“”(,,,,)曾讨论了冰晶浓度对非感应起电过程的敏感性问题，进入,,年代后，言穆弘 “”“(,,,,,，,)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“”(,,,,)又在言穆弘等“,?“,(,,,,,，,)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。,(,(,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(,,;,,,, ,,,,,,,,,，,,,,;,,,,,,,, ,, ,,(，,,,,;,,,,, ,, ,,(，,,,,:,,,,,,,, ,,, ,,,,，,,,,:,,,,, ,,, ,,,,,,，,,,,;,,,,,,，,,,,;,,,,,, ,,, ,,,,,,，,,,,;,,,,,, ,, ,,(，,,,,,;都秀书等，,,,,)。?火箭或气球携带电场仪穿云观测(,,,, ,, ,,(，,,,,，,,,,:,,,,, ,, ,,(，,,,,;,,,,,,,, ,,, ,,,,，,,,,;,,,,,,,, ,, ,,(，,,,,,，,;,,,,, ,,,,(，,,,,)，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(,,,,,,, ,,, ,,,,,,,，,,,,;，,,,,,,,, ,, ,,((,,,,;,,,,,,,,,,，,,,,:,,,,,,,，,,,,;,, ,,(,,，,,,,)。图,，,…?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,,,,,,,，,,, ,,,,;,夏季雷暴和日本冬季雷暴电荷分布经典模式。利用这种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，,?,,一,,?，云上部的正电荷中心低于一,,”,，云底部的次正电荷中心在,?左右。双(偶)极模 , 南京信息工程大学硕士学位论文型首先由,,,,,,““, “(,,,,，,,,,，,,,,)和,,,,,,,…(,,,,)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,,,,,,,和,;,,,,““(,,,,)与,,,,,,,和,,,,,,,,…,(,,,,)提出，作为,,,,,,,和,,,,,,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:,,,,等”“(,,,,)利用电场探空发现在美国的,,,,,,,,中尺度对流系统(,,,)中有三个以上的主电荷区;,,,,和,,,,,,,,(,,,,)发现，,,次探测中有许多次有,个以上电荷区”“。,,,,,,,,,,,等“” (,,,,)根据,,,对流云区,,个电场探测结果得到了多极性的,,,荷电概念模型。 ,, 高 曼,, 要 ,, , , , 图,(,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””，,,,,;刘欣生等…,，,,,,)。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,(,(,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…,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,,,,,,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,,,,,,,,,,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…,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。,,,,,,,等””在研究新墨西哥州雷暴时，发现当对流有效位能的值,,,,,?,,,,时，可以较好的预报闪电活动的发生。张喜轩等””研究发现，有,,,的冰雹天气，其中层(,,,,,,,,,,,)平均相对湿度在,,,,,,,之间;,,(,,的雷雨天气，其中层湿度也在这一范围。,,,,,,,”…的预报模式中使用了,,,,,,,,,,,的平均相对湿度来预报闪电活动的发生。郄秀书等…,，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。,,,,,,,,,等…,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。,;,,,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。,(,闪电的观测方法 雷电的观测在古代就有大量记载。从,,世纪后期到,,世纪中叶，摄影和光谱分析成了研究闪电的重要手段，例如,,,,;,, ,(,,,,)，,,,,,,,(,,,,)(,,,,,,(,,,,)，,,,,(,,,,)等。而闪电的电场和磁场的测量开始于,,,,,，如,,,,(,,,,，,,,,)，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,,,,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。,,,,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,,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,,,,,，,,,,，,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,,,,;,, ,,,,,,,,, ,,,,;,,,,(,,,,， ,,,,,,(,,,)，,,,,,,,,, ,,,,;,,,,,,,,,,,,, ，,,,,,, ,,,,,,(,，,)，,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,(,,,,,)，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?恋?/B>探测包括,,,测向定位、,,,到达时间差(,,,)、,,,干涉仪和,,,到达时间差。闪电的空间探测分为,,,,,，,(极轨卫星光学成象感应器)、,,, (静止卫星光学成像感应器)、,,,,,(,,,，,,,)和多星闪电探测定位。 我国从,,世纪,,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。,,年代，叶宗秀等…,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。,,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,,,,,,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。,(,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。 , 南京信息工程大学硕士学位论文第二章基本原理,(,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…,。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。,(,(,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。 ,、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。 ,、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。.