| 题名 | 强电场探空系统及其对雷暴电荷结构的实验研究 |
| 作者 | 赵中阔 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 郄秀书 |
| 关键词 | 强电场探空系统 电晕电流 电场强度 探空实验 雷暴云电荷结构 起电机制 中国内陆高原 |
| 其他题名 | A Strong Electric-Field Sounding System & Studies on the Charge Structure inside Thunderstorms |
| 学位专业 | 大气物理学与大气环境 |
| 中文摘要 | 雷暴云穿云电场探测对了解雷暴云内的电荷结构具有其他遥感手段不可比拟的优势。本论文根据电晕放电原理，设计集成了一套雷暴云强电场综合探空系统，并选取甘肃平凉地区作为实验区域，进行了雷暴云穿云电场探空实验，成功实现了雷暴云内的5次电场探空，获得了雷暴云内的电荷分布特征。结合对同步的温度、湿度、GPS探空数据和地面雷达观测资料的详细分析，本论文得到主要结果如下： （1）通过分析电晕电流的放电原理和前人所作的电晕电流-电场的标定关系，提出了利用电晕电流测量电场的方案。在计算机模拟基础之上，设计制作了电晕电流传感器，并分析了传感器的系统误差与随机误差。在单片机平台上，通过集成GPS传感器、温度、相对湿度传感器和数字信号发射机，研制了GPS强电场探空仪。基于VC++的MSComm控件，编写了接收探空数据的终端程序。野外实验显示，该系统运行可靠，基本符合实验要求。 （2）平凉地区雷暴主要发生时段为12:00~17:00；雷暴平均持续时间2.4h，大约2/3的雷暴持续时间在1.5~3h之间。多数雷暴地面电场初始增长阶段呈指数增长趋势，持续时间达到20 min或更长。雷暴成熟阶段的地面电场可分为3类：第一类以负电场为主，表明此类雷暴可能具有常规三极性电荷结构，称之为常规雷暴；另一类以长时间的正电场为特征，这类雷暴可能具有范围、强度均较大的下部正电荷区，且持续时间较长，称之为特殊型雷暴；第三类地面电场极性发生多次反转，表明相应雷暴内的电荷结构可能发生多次变化。三类雷暴所占比例分别为25%、63%和12%。 （3）利用自行研制的GPS强电场探空仪在甘肃平凉地区的探空观测表明，2次雷暴云的对流区中心或附近的主要电荷区域为具有下部大范围正电荷区的三极性电荷结构：上部正电荷区，中部负电荷区和下部正电荷区，另外，在云下边界还存在一个负极性屏蔽电荷区。各电荷区的高度（温度）范围（两次探空结果平均）分别为：6.9~7.8 km(-11~-18℃)，5.8~6.8 km(-3.5~-10℃)，4.7~5.8 km(4~-2.5℃)，4.5~4.7 km(6~4℃)。雷暴云中三极电荷结构的分布特征可以利用目前国际上公认的非感应起电机制进行解释。 （4）探讨了云内电荷结构的成因，并与国外探空结果进行了对比。平凉地区雷暴中部负电荷区与下部正电荷区为雷暴云的主电荷区，上部正电荷区的强度与垂直尺度都比下部正电荷区小。这种电荷结构与国外得到的常规三极性电荷结构有所不同，常规电荷结构通常都是上部正电荷区强度要远大于下部正电荷区。这种差异可能源于该地区雷暴内特殊的动力结构以及微物理特征：探空结果表明，在反转温度层上下，上升气流存在明显变化，反转温度之下上升气流较强，而反转温度之上上升气流明显减弱，造成反转温度层之下的起电水成物粒子浓度较大，电荷分离程度高，起电量大，而反转温度层之上只有少量的水成物粒子，电荷分离程度低，起电量小。所以，上部正电荷区要明显弱于下部正电荷区，而且负电荷区与下部正电荷区的强弱关系也发生了转变。雷暴云砧中的两次观测结果发现，即使回波微弱(5~10 dBz)的雷暴云砧内，也存在较强的电场，电场强度超过15 kVm-1，且维持较长时间、超过100 min。 （5）平凉地区地面电场的风暴消散阶段震荡(EOSO)分为两类。一类为典型EOSO，在发生首次电场极性反转前，地面电场极性将由负变为正，5次EOSO平均持续时间为57.3 min；另一类为反转EOSO：首先地面呈强正电场，接着电场出现第一次极性迅速反转，变为强负值，五次反转EOSO平均持续时间为43.5 min。两类EOSO持续时间的数学期望之差，置信系数为0.95的区间估计为[-47.2 19.6](min)。 （6）雷暴结束阶段的云内电荷结构与雷暴活跃期的电荷结构显著不同，云中的电荷区包括一个负电荷内核和云上、下边界的两个屏蔽电荷区，云中最大电场约25 kVm-1。另外，在云底之外，还存在一个可能由降水形成的负电荷区和地面电晕放电形成的屏蔽电荷层，这两个电荷区之间存在着超过25 kVm-1的强电场。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 128 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21840]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵中阔. 强电场探空系统及其对雷暴电荷结构的实验研究[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2009. |
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