闪电放电与雷暴云电荷、电位分布相互关系的数值模拟

闪电放电与雷暴云电荷、电位分布相互关系的数值模拟 中国科学技术大学 博士学位论文闪电放电与雷暴云电荷、电位分布相互关系的数值模拟 姓名:谭涌波 申请学位级别:博士 专业:大气物理学 指导教师:陶善昌 20060101 摘要 摘要 本论文的主要工作是把感应和非感应起电参数化以及双向随机闪电模式 (,,,,)集成在中国气象科学研究院的…个积云数值模式框架内，完成了二维和三壤霉暴云起、放电鼗薤禳叛试验程序懿设诗;莲霉于了模式检验露耀、绥分臻辜楼撅结聚的比较;通过雷暴云放电过程的细分辨率(,,(,米),,维模拟，对云闪和云地闪放电跟云中电荷和电位分布的相互关系进行了详细分析;此外，通过三维雷暴云发展和起、放电过程黝糖分辨率(,,,米)数值模拟，揭示了二维和三维模拟结果的共髑点和可能的差异。本数值模攘骄究取得救一黧新结栗鲡下: 一、证实了高分辨率模拟的闪,,,,邋空间形态特征与观测结果肖更好的一致性对于„深入研究闪电放电与云内电环境相互关系面言、惑分辨率放电模拟是必要的。 (,)在雷暴云超、放电模式提供盼二缎、,,,米分辨率电荷背最下，利用取向随机 闪电模式，进行了接近于实际先导瓶径的精细分辨率(,,(,米)云,?，,和云地闪 放电的二雅模拟:撂捌的云闪双层、分叉通道结构，通道的水平和垂直延伸范 围隧及放电翦蜃最大蕊壹电场变纯馕与蕊溅疑禚澎结采有曼会瑾静一鼗馁;成 功地模拟了起始于云内的下行先导随接接地的，,、负云地闪过程，接地前、后 上行和,行先导的传播特性与,,,辐射源观测图像的实际特征相当一致。模 撂豹闲毫遵遂结麴具有分形特短，云闪以及地阂弱乎均分维数分副为,(,,鞠 ,(,,，与理论和观涮德合理地接近。 (,) 粗分辨率无法模拟出与实际观测相符合的明显的双层、分叉结构，闪电的传播 范强与实际情况差异也十分明显，闲电难以穿避离电荷密度中心两在低电褥密 度准中继续延伸。并且单次闪电过程对云中强魄弱的抑籁俸掰差，无法充分湾 耗掉空间中的静电能麓，模拟得到的闪电频次较实际情况偏商。这是因为:粗 分辨率的采用不仅人为地减少了模拟的闪电通道与环境之间的电位梯度，也会 歪基逶遂对环境电场影嫡大小以及邋遒感应电蕊蕊,砉诗。 二、揭示了产生各种类型闪电的云内电环境特征。 (,) 云闪在两个相邻的高密度、异极性电荷累积区的边界区域起动，初始通,崴参考 电位接遥子,,,:羹三爨壤电蓑缝捻，郄毫蕊壤上正下受憨聚嚣产生正云阂，瑟 反偶极电荷结构产生负云闪。或称作反极性云闪。 (,) 负地闪均起始于三级或多层分布电荷结构下邻近地面的一对反偶极电荷累积 区之瘸，拐始通道参考电盛显著，,、鼍,,,,;,薅忑地闪羲可??麓媲子雷暴云滔亡 期的云中上部正偶搬电荷结构的电荷累积区边界上，也可能产生在多层电荷结申淫爨学技泰大学 一,一 饕士学位论文 ,,蓦甏 构下邻近地面的上正下负的电荷累积区边界上，初始通道参考电位显著高于 ,,,。总之，不霹类型闪电起始于不阈环境电位分布薅态下的叠三受电荷累积区 的交舞处瓣近;雷暴云歪和反三缀电荷结构分裂怒负和正遣闵产生静有剩条 件。 三、揭示,,,,,空闽电荷和电位分毒制约闪电通道传播季于为的娥德性。 (,) 一种极性的先导通道倾向于在异辍憔电荷累积区内延伸，几乎可以达虱该电荷 区的最大范围;遭遇到同极性小电荷堆时，先导将绕行;电荷密度越高，通邋 的分叉数则越多。 (,) 闪电窟动螽，先导沿着环境电位梯度大的方向传播，邻近的异极性位势阱“墩 引”该先导进入其中心区域;而当先辱穿过位势阱中心以后它趋向环境电位变 化最慢的地方延伸，继续向外扩展受到该位势阱的“阻碍”。 ( 滔、深入箍示了阗毫藏毫过程中云疼电精重薪配置戳及空润毫蒋中和过程静薪缆象。 (,) 在 闪电放电的瞬态过程中，云内不间极性电荷区之闳电荷的重新配置主要靠导 电懿先导懑道中感痊电餐静输送和转移过程，楚闪电过程在云趣之润魏电荷交 换直接影响的也主要是空中先导通道内感应电荷的分布。 (,) 放电过程绺东时沉积在空间电荷区内郎的异极性感应电萄没有立即被中和掉， 耨生藏了云内更复杂黪电蘅分意，隧鞠导羲窒瘸毫燕露电场嚣,烈下降以及霉爨 云静电能餐的大量消耗。沉积下来的源道感应电荷和原有的空间电荷相互中和 主要是经由云内平流输送、湍流交换和重力沉降等物理过程来实现。 五、透过二绦雾三维模羧络鬃夔分援，绘窭了云阗耧圭,羹闲感应电耱爨蠢游耗势彀能量的估计值。 (,) ,次云闪感应电荷总量为,,,,,, ,，消耗静电能为,, ,,,,, ,;正、负地闪 营次嚣击舞逡嚣所传羧静电蕊量,古诗爨分别在,,,,,,;鞠一,,—，,,,之闻变能， 而后继云内放电过程向地面传输的电荷量估计值在,(,,,,,,,变化，消耗的静 电能达到了,,,,,,…,。与基于观测的一次云闪和云地闪的中和电荷量及消耗静 电能量估计德在数量级上相当。关键词:数值模拟，高分辨率，地闪过程，云闪过程，闪电特征，传播趋势，感应电 荷，电荷中和，静电能量消耗中鬻耪学技术大学 一,,一 露圭学位论文 ,,,,,,;, ,,,,,,;, ，, ,,,, ,,,,,，,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,(,,),,, ,,,,,,,,,,,,,(,,),,,,,,,,,,,, ,,,;,,,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,(,,,,),,,;, ,,;,,,,,,,,, ,,,,,—,,,,;,,,,,, ,,,;,,,,,; ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),;,,,, ,,, ,,,;,,,,,;,,,,,,;,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,,;,,,, ,,, ,,,,;,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,;,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,;,, ,;,,,;,,。,,,,”,, ,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,，,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,;,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ;,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,，,,, ,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ;,,,,,, ,矗,;,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,;,,,,(,;)，;,,,,,,,,,,,,,,(,,),,,,, ,,,, ,,,,,,,;,,,, ,,,;, ;,,,,, ,,, ,,,;,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,, ,,,,,,,,,,(, ,(, ,),,,,,,,,,,,(,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,攮, ,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,;,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,, ,,,,, ,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,(,,, ,,),,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,。,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,,: , ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,, ;,,,,,, ,,,,;,,,,,螽 翻赫,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ;,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,, ,, ,,;,,,,,, ,,, ,,,,,,;,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,( (,),,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,, ,,,,,,, ,,,, ,, ,,,, ,,,,,, ,,, ,,,;, ,,,,,,,,,,，,, ,,,,,,,,, ，, ,,, ,, ,,,;,,,,,, ,, ,, , , ,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,, ,;,,,,(,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,;,,, ,,,, ,,, ,,—,,,,, ,,,,;,,, ;,,,,,, ,,,,;,,,,( ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,;,, ,,,;,,,; ,,,,, ;,,,,,, ,,, ,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,, ;,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,(,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,;, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,;,,,, ,,, ,,,,;, ,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ;,,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,, ,壬,手,,;,,,,, ,,;,,,？,,,( (,) ,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,，,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,,,(,,,,, ,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,;,,,,，,,, ,,, ,,—,,,,, ;,,,,,, ,,,,;,,,, ,, ,,,,,;,,,,,,,，,, ,, ,,,,,;,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,, ,,,?,,,,,，,,,;,,,,,,,,; ,,,,,,,, ;,,?, ,, ;,,,,,,, ,,,？,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,(,,,;,—,,,,,, ,, ,,, ,,,, ,,,,, ,,,？,,,;,,, ,,,, ,,,,, ,, ,,, ,;,,,, ,,,,,,,,,,,,,(,,,, ;,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,, ,,;, ,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,;, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ;,,,,,,, ,,, 中溪辩学技末大学 一,,,, 媾士学位论文—— 一 ～～～～:～～～ ,,, ,,,,,,,,,,,，,,, ,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,;, ,, ;,,,,,,, ,, ,,, ,,;,,,,,,, ,,,;,,,;,, ,,,,,( , ,,;,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, , ,,,;,,,; ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,( 《,)，, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,;, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,, , ,, , ,,,,,,,, ，, ,,,,, ,,;,,,, ,“ ,,, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,;,,,, ,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,，,,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,, ，, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,;,,,,。 (,),,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,( ,,,,, , ,,,,,,, ,, ,,,,,—,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ;,,,,, ,,,,;,,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,;, ,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ;,,,,,, ,, ,,;, ,,,, ,,,, , ,,(,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,, ;,,,,, ,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,，,,, ,,,, ,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,, ;,,,,, ,,,,;,,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,,,,, ,,,,,—,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,,,(,,, ,,,,,,,;, ,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ;,,,,,, ,, ,,;, ,,,, ,,,, , ,,(,,,,,,，,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,。 , ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ;,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,;, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,( (,),,,,,, ;,,,,,,, ;,, ,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,,,，,,, ,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,(,,, ;,,,,,, ,,,,;, ,,,,,, ,, , ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ;,,?,,,,,, ,,,, ,,, ,,,;, ;,,,,, ,,,,,,, ,),,,,, , ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,，,,;, ,,,, ,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,;,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,;,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,;,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,, ,,, ;,,,,,, ,,,,,,(,,;, , ,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,，,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,;,,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,( , ,,;,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,;,, ,,,;,,, ,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,;, ;,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,;,,,,，皆星稃学技零大学 一,, 莲圭学位论文 (,),,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,, , ,,,,,,,,, ,,,,,，,,, ;,,,,, ,,—,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ;,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,;,, ;,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,，,,, ,,, ;,,,,, ,,;,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,;,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,,, , ,, ,,,,, ,,,, ,,,,;,, ,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ;,,,,,,,( (,),,,, , ,,曲,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,，,,, ,,,,,,,, ,,,,;,, ;,,,,, ,,,,,, ,,,;, ;,,,,, ,,,,, ,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,，,,, ,,,,,, ,,,, ;,,,,,, ;,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,;, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,;,,,;,, ,,,,, ,,,;,,,,,, ,;,,,,, ,, ,,,, ,, ,,,;,,,,,,,,; ,,,,,,,, ;,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,(,,, ,,,,,,,,— ,,,,,, ,,,;,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,;,, ;,,,,, ,,, ,,,—,,,,,,,, ,,,;, ;,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,;, ,,;,,,,,,,，,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,, ,, ,,， , ,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,,,;,, ;,,,,, ,,, ;,,,,,,, ,,,;,,,,,,,,; ,,,,„酊,,, ,,,,,;,, ，, ,,, ,, ,,,,, ,, ,,,,, ,, ,, ,,, ,,),,,,,,,,,, ,,,,,,,( (,),,,,, ,, ,,,,;,, ;,,,,, ,,, ; ,,,,,,, ,,,;,,,,,,,,; ,,,,,, ,,, ,, ，, ,,,,, ,,,,, ,, ,(,—,,, , ,,, ,,,,,,,, , ,,,,,;,,,,,,(,,, ,,,,,,,,, ,,,,,, ,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,,, ,,, ,,??,,, , ,,,,,,,?—,?,,, ,,,,,;,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,, ,(,—,, , ,,, ,,, ,,,,,？,,,, ,,,,,;,,,, ,,,;,,,,,,(,,, ;,,,,,,, ,,,;,,,,,,,,; ,,,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,”,(,,, ,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,搬,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,:,,,,,,;,, ,,,,,,,,,,，,,,, ,,,,,,,,,,，,, ,,,,,，，, ,,,,,，,,,,,,,,, ,,,,,,,， ,,,,,,,,,,, ,,,,,,;,，,,,,;,, ;,,,,,，;,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,，,,,;,,,,,,,,; ,,,,,, ;,,,,,,,。 孛嚣辩学技拳大学 一,, 鞲士学位论文 第一章绪论一一雷暴云题电、放电物理学研究连展第一章绪论一雷暴云起逛、放电物理学研究进熊 自然雷电蔚为壮观和激烈，与人们生灞和生产活动慰息相关，认识雷电的现形态翔特征以及过程机理是解释雷电产生与鬻暴云豹宏观气象条件之脚相互耦合机理器实臻陡雷藏灾〔,,,,,,,,,，,,,,:言穆弘等，,,,,〕兹登要蠢,提之一，也是箍承霹滚慝一平流层、中层大气之间电耦合作〔,,,,,,, ,,, ,,,,,,,，,,,,:,,,,, ,, ,,(，,,,,,的具体图景和规律驰必要基础。宵鉴于此，闪电研究已成为当代大气辩学的…个十分活聚辫分支，它熬研究漂莲县经广泛遗渗透剩中尺度气象学、云雾物避掌、中层大气、大气环境和化学以及全球变化椁,系列学科领域的研究中。由于闪电的随机性、复杂性阻及高危殓性，使得闪电的实地观测礤究强临整众多难题。隧辫窀;子诗算机性麓熬提高，裁爝数字模援方法磷究雷暴云内趣电、放电遥程成为可熊，强风暴羲动鸯一电耦合数字模拟逐渐成为云降水物理学和大气学的重搿研究手段之,，其最大优辩在予女,够将云内微物理过程积起恕、放电过耀与铷约云发鼹演变的宏观动力过程有机酌络会起来，揭示蕊糟互箨雳特链;豫蓝之静，实际蘧溅中无法全薅测嚣整令雷暴瑟遵程的电现象，而模拟可以给出相应的探讨;闹时也是检验各种假说，以及起电、放电瓤制黥有效途径。攀实上，照港社会麴发艘，高大建筑物数增多以及蕊技术装备、微电子器俘斡太爨霞餍，雷壹逶成的危害损失也越来越严熏，同时雷击对供电系统、逶讯及信息系统以及航天等高科技领域也造成了巨大的威胁。如何最大黻度地减小荫电灾骞挨失班及尽珂笼虢止霉击攀,学对当翦黉电物理研究提出„了迫切黪要求，这秘社会需求与久稍对鬻电本质蓊搽索是雄动雷电黪理学科发展瓣强大动力。 本章将简要地从三个方谳概述雷电物理研究的主要进展，即雷暴云起电物理学酬究、藏邀穆璎磷究游及塞熬鬣龟鼹弱释热餐攘叛霹究等三方嚣瑟瑟避藤，共提密零论文的选题。 ,(, 露暴云麓毫蔫结掏稻超邀租截 自,,世纪中叶，,,,,,,,,通过实验诞明雷暴云是荷电的，闪电是, 种放电现氰之蓉，,髑蠹蒸关心:霉暴云中的电黄是熟秘分南豹,又楚暹遭辫些镑毽过程产生豹, 孛搿辩学技术大学 一,, 博士学位沧文 第一率绪论一雷藩云起电、放电物理学研究进展,(, ,辫暴云中电荷结构 ,,,,,,,,通过避雷针发现闪电传送下来的电荷主要为负电荷，既然这些测璧是在雷暴云底舰测得到的，因,,,,,,,,,,,认为雷暴云底部主要由负电荷堆所占据(,,,,,,,,,,,,,)。文予理溺搜嚣躲辍裁，早期入锏还无法敷整个霉暴云孛懿电蔫缝搀绘警较竞整的模曩。直到上个落纪早期，,,,,,,(,,,,，,,,,)首次提出，邋过地面布设足够多的电场变化观测站网，云中荷电的空间位置就可以被拟合出来，并提出了经典的雷暴云萄电豹正爨强分蠢,鞫主爰下负)骰设。 虽然该假设得到了广泛的支持，但上个世纪,,年代不少科学家通过地面电场变化以及地闪的观测发现一些雷暴云底部存在正电蒋堆，,,,,,,,(,,,,，,,,,)根据这些观,蒌,,事实臻懑，大部分霉黎云中貔电凝结构为歪偶投鳖，侵遣青少数雷暴云中静电蘸结构恰恰相反，为上负下正的反偶极绪构。为了更好的测量雷暴云中的电荷结构，一些科学家(,,,,,,, ,,, ,;,,,, ,,,,，,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,，,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,)遂过探空气球所溺量翁灏直电场癣绥，指出在大部分雷暴云中，除了经典瓣正璃寝结构之外，在主负电荷堆下还存在蓿小范围的正电荷中心，即为正偶极,三极结构,,,,，,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,，见图,)。除此之外，由于在云顼边界上电导率的不连续性，在强电晒鹣作蕊下，会堆积大量鑫两电蕊形成保护层，两这屡电荷通常被称为屏蔽层(,;,,,,,,, ,,,,,(,,,,,,,, ,, ,, ,,,,)。现在大部分鬣暴云荷电的空间结构模型均由正偶辍，三极结构加羼蔽层所鞠成。 图,,,:典型的云中电荷结构示意图(摘自:,,;,,,,,, ,,,,,,, ,,,,) 应当指出，上面所述的只是雷暴云中电荷垂壹结构的简单描述，实际雷黎云中的 电荷分布疆复杂得多。例如:同一高度上可能存在着极性相反的电荷堆(,,;,,,,,, ,,,,);霜一雷暴过程，不溺露闽豹空阗电菱缝憨不尽貂霜(,越,,,, ,,，,,,,):疰,予阗毫 沉积异极性电荷以及湍流等效应，,,,,,,,(,,,,)通过气球探空的场强垂直廓线还观测 中嚣科学技术大学 一,一 撼士学位论文 第一章绪论,雷暴云起电、放电物理学研究进展到了霄暴云中电荷结构的多层分布等;另外，现今雷暴云中电荷的垂磨分布主要通过气球搽溺的场强瓣线反演餐嚣，毽气球搽嚣游场强枣线(驮遗蠹妥大约,,,,,裹废菠围)为近半小时间隔内，沿稽气球上升轨迹的场强分布，无法得到云中瞬时的电衡空间分布等等，这些都说明了露暴云内电荷空间结构的复杂性。目前，虽然实地观测个籁数蘑较少，滏无法绘崮全瑟撵述，但仍然可以得到一些霉暴云内窀聋结褥静蘩本特征: ,( 负电荷堆通常处于霉暴云中低郝，位于一,,,,,,,,。,温度区内。 ,,( 在负电荷堆上部存在一个正电穑中心，萁位予雷暴云的上部以及云砧部分。 砒 在相同的高度上可能同时存在不问极性的电菏堆。 ,,。 雷暴云中豹垂直电荣层一般不少三层。 ,， 在云顶边界上存在着屏蔽层，其极性通常为负。,，,(,起电机制的理论研究以及实验邃实验 、 雷暴云中的电荷结构是如何形成的,不少科学家通过实验室实验和理论研究绳出了多种起电机制，虽然其中的一些参数还有待商榷，但利用这些机制可以初步解释飘溯豹蚕暴云内电蕊结秘，锻诗熬最大场强 也与实际躐溯静翱访。总髂来说这些起电机制可以分为两必:,)离子简电机制(,,,—,,,,,;,, ;,,,,,,, ,,;,,,,,,,)，主要通过水成物粒子捕获离子以达到起电的效果;,)粒子起电机制(,,,,,;,,—,,,,,;,, ;,,,,,,,,,;,,,,,,,)，郅等量款异投羧电黄逶过勺蚜,拥鸟藁ゲ鏊茫ㄅ鲎病?岜〉龋?换坏礁髯粤,由希虼肆,悠鸬缁朴Ρ,肿芴宓缰行裕ǎ停幔悖牵铮颍恚幔?,,, ,,,,，,,,,)。 面对于离予荷电机制现今比较成熟的有两种:其一，离子选撵捕获起电机制 ,,,,,,,，,,,,);其二，离子拶„教起电秘鬣〕(,,,,，,,,,)。在宇宙射线以及遗瑟放嚣线 等作用下，大气中含有大量的正、负轻离子，他们是大气气溶胶和云滴最初始的超电 源。当环境电场足够强丽云中水成物粒予被极化后，其上、下表面将携带不同极性电 赫，出于东成镶粒子下落末速度帮正、受离子迁移率翁浚澍，逯过京导蔽蠢,乍霜侵零 成物粒子携带不同极性的电荷，这就是离子选择捕获趣电机制:而当环境场强较小无 法使永成物离子极化情况下，出于大气中正、负离子尺度小，重量轻，在热扩散的作 弼下，萁也麓被东成镌粒予繇俘获，鄄离予扩散起电梳髑。考虑赘大气中叁由离子数 量较少，若只采用这些离子趟电机制难以形成强电场，,些科学家通过模式发现这两 孛匿辩学技术大学 搏士学位论交 第一露绪论,雷黎云起电、放电物理学研究进展种起电机制得到的最大场强仅为,,,,,,(,,,,，,,,,;,,,,,,,,,。,,,,)，远远小于实际溪溅蕊霉藜云中懿最大场强，嚣瑟实际雷暴云中应该存在着箕他更强黑戆超毫祝餐。 ,,,,,,(,,,,)提出了感应起电机制，即在电场的作用下，云滴粒子会被极化，当下落的承成物粒子与云溺发生碰撞时，求成物粒予感部所带的电搿擦转移至,云滂上，,旦云滴被弹开，它褥繁走其获得的电旖氪送保晌锪,咏竦糜朐评煜喾吹牡绾伞,杏ζ鸬缁迫舸鹱饔迷虮匦肼阆铝腥鎏跫海幔?嗷ヅ鲎驳乃晌锪,颖匦敕掷耄海猓?矫囟晌锪,优鲎舶茨页孀仁蔽使怀浞郑海悖?胚蠓掷氤隼吹牧奖缍晌锪,璧拇怪彼俣缺匦胗胁钜臁,纸裱跞衔芏岳妆?破鸬绻唐鹱飨岬母杏ζ鸬缁品?诒嗔,樱ɡ琏薄??龋?胄?频沃洹,杏ζ鸬缁频那疤崾嵌晌锾怯璋谓匣【褪撬蹈杏ζ鸬缁鸱窀毡匦氪嬖诮锨勘趸楣涑 ,粒酰妫洌澹颍恚幔酰?,, ,,，(,,,,)发现感应起电机制能够产生与实际观测最大场强栩符的强大电场，但初始电场强度必须大于,,,,,,，这远远大于晴天大气电场强度。 ,,霉代蓐麓，辩学豢翻整基光更多懿转向冷云，遣更多数注意到了,,感应起电,郅水成物粒子不需要被电场极化的起电方式)的作用。通过实验室发现，由于缩凇过程中，霰与冰品发生碰撞时有大量电荷发生转移，并且出于反转温度冉勺存在(,,,,,,,,,，,,,,;,,,,,,,,, ,, ,,。，,,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,，,,,,;,,,,,,,, ,, ,,，，,,,,;,,,,,,, ,, ,,。，,,,,)，通过模式模拟可以得到与实际雷暴云相似的电荷结构，并且能产生与实际观测相近的最大电场强度。并发现非感应起电中霰获得电荷的大小以及.