第二章電場儀的工作原理及其在雷電預警中的應用

1、第二章第二章 電場儀的工作原理及電場儀的工作原理及其在雷電預警中的應用其在雷電預警中的應用南京信息工程大學南京信息工程大學雷電科學與技術系雷電科學與技術系主要內容主要內容l第一節(jié)第一節(jié) 電場探測儀電場探測儀l 地面電場儀地面電場儀l 空中電場儀空中電場儀l第二節(jié)第二節(jié) 電場儀資料在雷電監(jiān)測預警中的應用電場儀資料在雷電監(jiān)測預警中的應用l 反推電荷結構反推電荷結構l 揭示雷暴的起電程度揭示雷暴的起電程度1 1 電場探測儀電場探測儀l原理原理： 電場探測一般采用導體在電場中產生電場探測一般采用導體在電場中產生感應感應電荷電荷的原理。的原理。l分類分類： 從測量的對象上可分為從測量的對象上可分為地面地

2、面大氣電場探測，大氣電場探測，空中空中電場探測及電場探測及空間空間電場探測。電場探測。l大氣電場強度是大氣電學的基本參數，在晴天電學、雷暴電學以及閃電的研究中，都有重要意義，在雷暴和閃電監(jiān)測中具有重要作用。1.1 1.1 地面電場儀地面電場儀( (場磨式電場儀場磨式電場儀) )l地面電場儀可以測量地面電場儀可以測量地面地面大氣電場的大氣電場的強度強度和和極極性性，可對對流云的，可對對流云的起電過程起電過程進行連續(xù)監(jiān)測。進行連續(xù)監(jiān)測。l既可既可單獨使用單獨使用記錄局地雷電情況，又可用于記錄局地雷電情況，又可用于聯聯網監(jiān)測網監(jiān)測空中電結構。空中電結構。一一. . 基本工作原理基本工作原理l在靜電場

3、在靜電場E中放置一塊金屬導體，導體表面就會產生中放置一塊金屬導體，導體表面就會產生感應電荷，感應面電荷密度為：感應電荷，感應面電荷密度為：KE 其中其中 為空氣中的為空氣中的介電常數介電常數，一般取真空介電常，一般取真空介電常數數 ，K是由于導體放入引起的是由于導體放入引起的電場畸變系數電場畸變系數，如果金，如果金屬導體的表面積為屬導體的表面積為S，則導體上產生的感應電荷量，則導體上產生的感應電荷量 為：為：0qqSKES 電容：表征電容器容納電荷的本領的物理量。把電容器的兩極板間的電勢差增加1伏所需的電量，叫做電容器的電容。l若感應導體的電容量為若感應導體的電容量為CC，則產生的感應電壓為：

4、，則產生的感應電壓為：qKESVCCl金屬導體通過一個電阻接地，就會有電流通過，當電場變化時，測出此電流的變化就可知電場的變化。但在靜電場中，電場基本不變或變化緩慢，根據動態(tài)感應原理，要測量這種電場，必須使處在于靜電場中的導體產生變化的電荷，因此可采用對一個導體屏蔽和去屏蔽裝置的方法。二二. . 感應器的組成感應器的組成定片（感應片，又稱定子）定片（感應片，又稱定子）動片（接地屏蔽片，又稱轉子）動片（接地屏蔽片，又稱轉子）直流電機直流電機前置放大器前置放大器同步信號發(fā)生器等部分組成。同步信號發(fā)生器等部分組成。l定片和動片是一圓板開六（四）等分的定片和動片是一圓板開六（四）等分的扇形面扇形面。l

5、定片定片：感應電場信號，與機架絕緣。：感應電場信號，與機架絕緣。l動片動片：定片上方，由直流電機帶動旋轉，接地。：定片上方，由直流電機帶動旋轉，接地。l 動片轉動時定片在電場中交替地被屏蔽和暴露，產生感動片轉動時定片在電場中交替地被屏蔽和暴露，產生感應的交變信號。應的交變信號。l前置放大器前置放大器：放大很微弱的信號。：放大很微弱的信號。l小葉片小葉片：形狀與定片相似，也由電機帶動旋轉，并通過光：形狀與定片相似，也由電機帶動旋轉，并通過光電開關的缺槽口使光電開關產生同步參考脈沖，用于鑒別電開關的缺槽口使光電開關產生同步參考脈沖，用于鑒別電場信號的極性。電場信號的極性。 采用采用倒置結構倒置結構

6、使電場儀使電場儀能在惡劣能在惡劣天氣條件天氣條件下工作下工作l當轉子和定子的葉片完全重疊時，由于接地轉子的屏當轉子和定子的葉片完全重疊時，由于接地轉子的屏蔽作用，電力線不能到達定子葉片上，感應電荷為蔽作用，電力線不能到達定子葉片上，感應電荷為0 0；隨著轉子的轉動，定子葉片逐漸露出，感應電荷逐漸隨著轉子的轉動，定子葉片逐漸露出，感應電荷逐漸增大。因此，定子上的電荷呈周期性變化：增大。因此，定子上的電荷呈周期性變化：l 儀器可通過測量電流的大小進而推得電場的大?。簝x器可通過測量電流的大小進而推得電場的大小：/IdQ dt0QKES（S S為感應等效面積）為感應等效面積）三三. . 感應原理感應原

7、理定片感應的交變信號定片感應的交變信號, , 經前置放大器放經前置放大器放大和光電開關產生的同步信號一起從感大和光電開關產生的同步信號一起從感應器輸出應器輸出, , 經長屏蔽電纜接到主機上。經長屏蔽電纜接到主機上。主機把信號進一步放大主機把信號進一步放大, , 相敏檢波器在相敏檢波器在經過整形分相的同步脈沖作用下鑒別出經過整形分相的同步脈沖作用下鑒別出交變電場信號的正負極性交變電場信號的正負極性, , 通過低通濾通過低通濾波器得到相應的直流信號輸出。波器得到相應的直流信號輸出。四四. 2XDD-03/E型大氣電場儀主要性能參數型大氣電場儀主要性能參數五五. . 標定標定電場儀的標定一直是人們所

8、研究的課題。電場儀的標定一直是人們所研究的課題。一般，以一般，以庫侖定律庫侖定律為基礎，用電荷量為已知的為基礎，用電荷量為已知的帶電體在已知的距離處產生的電場為一定來標帶電體在已知的距離處產生的電場為一定來標定。定。這種帶電體可用一個球體、一條懸空導線。這種帶電體可用一個球體、一條懸空導線。用得最多且標定精度最佳的是：兩平行導電板用得最多且標定精度最佳的是：兩平行導電板構成的構成的平板電容式電場標定裝置平板電容式電場標定裝置。l改變兩板間的電壓改變兩板間的電壓改變電場值改變電場值電場儀輸出信號值改變電場儀輸出信號值改變得到不同得到不同電場值下所對應的電場儀輸出信號大小的一條曲線電場值下所對應的

9、電場儀輸出信號大小的一條曲線- -即即標定曲線標定曲線。l感應器蓋內裝有一塊與外殼絕緣的平板，感應器蓋內裝有一塊與外殼絕緣的平板， 可對儀器進行簡易標定。由于平板可對儀器進行簡易標定。由于平板與定片間距離很近，只需加很低的電壓便可標定，但板間距離小，產生畸變與定片間距離很近，只需加很低的電壓便可標定，但板間距離小，產生畸變大，這種標定是較粗略的。大，這種標定是較粗略的。電場的標定應當在一個已知數值的電場的標定應當在一個已知數值的均勻電場中進行，均勻電場中進行，根據處于不同電位根據處于不同電位的兩塊相互平行、且有無限尺度的導的兩塊相互平行、且有無限尺度的導電板之間存在均勻電場的原理，電板之間存在

10、均勻電場的原理，利用利用在兩塊相距為一定距離的平板電極間在兩塊相距為一定距離的平板電極間加上一已知的穩(wěn)定電壓，為一基本的加上一已知的穩(wěn)定電壓，為一基本的電場標定裝置，平板間電場可根據電場標定裝置，平板間電場可根據E=V/dE=V/d算出。算出。1.2 1.2 空中電場儀空中電場儀l空中電場的測量對研究雷暴云下及云內電結構以及起電機制具有重空中電場的測量對研究雷暴云下及云內電結構以及起電機制具有重要意義。同時人工觸發(fā)閃電、避雷防雷、航天技術等部門也需要進要意義。同時人工觸發(fā)閃電、避雷防雷、航天技術等部門也需要進行空中電場的測量行空中電場的測量, , 空中電場儀測量電場是很有前景的一種測量手段空中

11、電場儀測量電場是很有前景的一種測量手段, , 目前國內尚屬起步。目前國內尚屬起步。l空中電場的主要是將感應裝置加載空中電場的主要是將感應裝置加載探空氣球探空氣球、小火箭小火箭或或飛機飛機上進行上進行空中電場廓線的測量，探空球方式操作簡單，易于實現，但時效性空中電場廓線的測量，探空球方式操作簡單，易于實現，但時效性差；火箭方式可以探測到短時內的電場空間分布。而空間電場的探差；火箭方式可以探測到短時內的電場空間分布。而空間電場的探測是將特殊的感應棒加載到空間探測衛(wèi)星上進行的。測是將特殊的感應棒加載到空間探測衛(wèi)星上進行的。l測量方法：測量方法：電場磨法電場磨法和和電暈探針法電暈探針法?？罩须妶鎏綔y的

12、國內外發(fā)展概況空中電場探測的國內外發(fā)展概況l空中電場探測的探測在空中電場探測的探測在上個世紀末逐漸發(fā)展起來上個世紀末逐漸發(fā)展起來，一般稱為火箭，一般稱為火箭電場探空（電場探空（AEFS）。）。l目前目前國外國外上主要有上主要有美國美國、法國等法國等國家開展了大氣電場的模式研究國家開展了大氣電場的模式研究及有關探測設備的開發(fā)研制，并將研究的成果和設備用于云物理及有關探測設備的開發(fā)研制，并將研究的成果和設備用于云物理研究、人工影響天氣、強風暴預報等領域。美國國家強風暴實驗研究、人工影響天氣、強風暴預報等領域。美國國家強風暴實驗室利用球載電場儀的電場變化數據，進行閃電的判別。另外在美室利用球載電場儀

13、的電場變化數據，進行閃電的判別。另外在美國的國的REFS項目還應用于航空領域，主要是為空間探測器的發(fā)射項目還應用于航空領域，主要是為空間探測器的發(fā)射提供安全的保證。提供安全的保證。l國內國內的大氣電場研究的大氣電場研究始于始于60年代年代，目前僅在衛(wèi)星發(fā)射基地進行，目前僅在衛(wèi)星發(fā)射基地進行了空中電場探測的初步試驗，實驗結果還不甚理想，空中電場探了空中電場探測的初步試驗，實驗結果還不甚理想，空中電場探測的技術還不成熟，特別是其中的電場感應精度和遙測控制技術，測的技術還不成熟，特別是其中的電場感應精度和遙測控制技術，還有待于提高。還有待于提高。一一. 場磨式空中電場儀原理場磨式空中電場儀原理l與場

14、磨式地面電場儀相似。與場磨式地面電場儀相似。l因測量因測量裝置不能接地裝置不能接地, 使處在電場中的儀器因空間電荷或摩擦帶使處在電場中的儀器因空間電荷或摩擦帶電的影響電的影響, 本身帶有一定的極化電荷本身帶有一定的極化電荷, 形成附加電場而造成形成附加電場而造成測量測量誤差。誤差。l置于均勻電場中的導體置于均勻電場中的導體, 在其對稱點會感應出大小相等、符號相在其對稱點會感應出大小相等、符號相反的電荷反的電荷,而本身帶電產生的電荷其大小相等符號也相同而本身帶電產生的電荷其大小相等符號也相同, 利用利用差差分原理分原理可以消除自身帶電的影響?？梢韵陨韼щ姷挠绊?。l差分電路的特點是輸出信號與兩

15、個輸入信號之差成比例差分電路的特點是輸出信號與兩個輸入信號之差成比例, 而與導而與導體本身帶電無關體本身帶電無關, 從而得到空間的真正電場。根據這個原理從而得到空間的真正電場。根據這個原理, 可可以把以把兩個電場儀兩個電場儀安置在一個相對于水平面對稱的導體上來測量。安置在一個相對于水平面對稱的導體上來測量。 電機帶動上下動片同時旋轉, 使上下定片通過感應窗口在電場中交替地被屏蔽和暴露, 各自感應出交變信號。同時動片在旋轉時還通過光電開關管的槽口, 產生用于解調的同步信號。 把空中電場儀設把空中電場儀設計成一個光滑圓柱計成一個光滑圓柱體體, 上下開感應窗口上下開感應窗口形成雙電場儀形成雙電場儀,

16、 在感在感應艙內裝有上感應應艙內裝有上感應電極上定片、上動電極上定片、上動片、下感應電極下片、下感應電極下定片、下動片。定片、下動片。 上下感應片感應的信號與各自的電荷放大器相連。電荷放大器是一個具有電容反饋的高增益運放, 它的輸出與輸入電荷量成比例。把兩個信號加到差分放大器以消除儀器自身帶電的影響, 得到真正的電場交變信號并送至相敏檢波器。動片在旋轉時還通過光電開關槽口形成與信號同步的參考脈沖, 經整形分相形成兩相脈沖, 亦加到相敏檢波器。在兩相同步脈沖作用下相敏檢波器能鑒別出感應交變信號的正負極性。二二. . 場磨式空中電場儀的技術指標場磨式空中電場儀的技術指標三三. . 場磨式空中電場儀

17、的標定場磨式空中電場儀的標定l空中電場儀的校準是比較困難的, 在實驗室內校準需模擬產生均勻電場及高壓設備。l通過在地面把空中電場儀和地面電場儀對雷暴天氣進行多次聯測試驗,可以對空中電場儀進行校準, 此方法簡單可行。四四. . 注意事項注意事項l空中電場儀是用氣球攜帶的空中電場儀是用氣球攜帶的, , 要求體積小、質要求體積小、質量輕、耗電省。量輕、耗電省。l另外儀器的引入會使自然電場產生畸變另外儀器的引入會使自然電場產生畸變, , 為了為了得到盡可能均勻的曲率以減小空間電荷的釋放得到盡可能均勻的曲率以減小空間電荷的釋放, , 儀器表面要求光滑儀器表面要求光滑, ,盡量避免棱角或尖端。盡量避免棱角

18、或尖端。飛機電場測量研究現狀飛機電場測量研究現狀一一. . 飛機電場測量的發(fā)展（飛機電場測量的發(fā)展（ 4 個階段） 嘗試階段：嘗試階段：20 20 世紀世紀40 40 年代末至年代末至70 70 年代早期年代早期 以探測晴天電場和積雨云內電場為主。最初采用滑翔機以探測晴天電場和積雨云內電場為主。最初采用滑翔機安裝一個電場儀安裝一個電場儀, ,用于測量電場的垂直分量。用于測量電場的垂直分量。20 20 世紀世紀50 50 年代年代后期開始采用動力飛機后期開始采用動力飛機, ,并在機身對稱位置上安裝并在機身對稱位置上安裝2 2 個電場儀個電場儀, ,以消除引擎尾流的影響。進入以消除引擎尾流的影響。

19、進入20 20 世紀世紀60 60 年代后年代后, ,針對三維電針對三維電場測量問題場測量問題, ,同時也為了消除機身電荷的影響同時也為了消除機身電荷的影響, ,又在機身安裝了又在機身安裝了2 2 個額外的電場儀。飛機電場測量逐漸受到重視。個額外的電場儀。飛機電場測量逐漸受到重視。初步發(fā)展階段：初步發(fā)展階段：20 20 世紀世紀70 70 年代中期至年代中期至80 80 年代末年代末l1975 1975 年年, , 美國新墨西哥工礦技術學院的美國新墨西哥工礦技術學院的Langmuir Langmuir 實驗室開始利實驗室開始利用一架海軍研究辦公室提供的飛機（代號：用一架海軍研究辦公室提供的飛機

20、（代號：SPTVAR SPTVAR ）研究雷暴）研究雷暴云發(fā)展過程中的起電機制云發(fā)展過程中的起電機制, ,并采用了當時較為成功的電場儀校正并采用了當時較為成功的電場儀校正方法方法, ,使其成為第一架較為成功的電場測量飛機。使其成為第一架較為成功的電場測量飛機。l此階段其他一些飛機也用于電場測量此階段其他一些飛機也用于電場測量, ,如如SDSMT/ IAS(SDSMT/ IAS(南達科他礦南達科他礦業(yè)與技術學院大氣科學分院業(yè)與技術學院大氣科學分院) ) 的的T228 T228 、美國、美國NASA/MSFC NASA/MSFC (NASA (NASA 馬歇爾空間飛行中心馬歇爾空間飛行中心) )

21、的的ER22 ER22 、美國、美國NOAA (NOAA (國家海洋國家海洋和大氣管理局和大氣管理局) ) 的的F108 F108 等。等。l此階段電場儀校正方法相對落后此階段電場儀校正方法相對落后, ,普遍要求電場儀對稱安裝普遍要求電場儀對稱安裝, ,同時同時對電暈放電缺乏足夠認識對電暈放電缺乏足夠認識, ,測量結果誤差很大。測量結果誤差很大。 全面發(fā)展和應用階段：全面發(fā)展和應用階段：20 20 世紀世紀90 90 年代年代l20 20 世紀世紀90 90 年代開始年代開始,3 ,3 支機構致力于電場儀校正方法研究支機構致力于電場儀校正方法研究, ,提出了提出了多種飛行校正方法多種飛行校正方

22、法, ,使飛機電場測量技術得到了廣泛發(fā)展和應用。使飛機電場測量技術得到了廣泛發(fā)展和應用。lSDSMT/IAS SDSMT/IAS 和和Langmuir Langmuir 實驗室仍分別沿用實驗室仍分別沿用T228 T228 和和SPTVAR ,SPTVAR ,而而NASA/ MSFC NASA/ MSFC 憑借雄厚的經費支持憑借雄厚的經費支持, ,與與UAH (Alabama UAH (Alabama 大學大學) ) 的的Johnson Johnson 研究院展開合作研究院展開合作, ,利用利用ER22 ER22 、T228 T228 、Lear228/ 29 Lear228/ 29 (1990

23、 )(1990 )和和DC28 (1992 ) DC28 (1992 ) 等多種型號飛機參與了近等多種型號飛機參與了近1010項科研項科研任務任務, ,取得了大量應用成果取得了大量應用成果, ,充分顯示了飛機測量電場的優(yōu)越性。充分顯示了飛機測量電場的優(yōu)越性。成熟階段：成熟階段：21 世紀初到現在世紀初到現在l本世紀本世紀NASA/ MSFCNASA/ MSFC對電場儀校正方法開展了進一步研究。對電場儀校正方法開展了進一步研究。l當前當前, ,電場儀不再需要對稱安裝電場儀不再需要對稱安裝, ,數量也提高到了數量也提高到了6 6 個甚至更多個甚至更多, ,飛飛機電場測量技術逐步成熟。機電場測量技術

24、逐步成熟。l2004 2004 年年, T228 , T228 因飛行高度不夠而被因飛行高度不夠而被NSF(NSF(國家科學基金國家科學基金) ) 取消資助。取消資助。2006 2006 年底年底SDSMT/ IA H SDSMT/ IA H 開始了下一代穿暴飛機開始了下一代穿暴飛機( (初步選定為初步選定為A10) A10) 的可行性論證。的可行性論證。lNASA/ MSFC NASA/ MSFC 從從2002 2002 年年8 8月起月起, , 開始采用捕食者無人機的改進型開始采用捕食者無人機的改進型AL TUS AL TUS 測量電場測量電場(6 (6 電場儀電場儀) ) 。二二. .飛

25、機電場測量方法研究現狀飛機電場測量方法研究現狀l美國機載電場儀采用旋片式結構，圖美國機載電場儀采用旋片式結構，圖 a a由由NASA/ MSFC2UA H NASA/ MSFC2UA H 研制研制, ,質量質量3. 9 kg ,3. 9 kg ,敏感范圍為敏感范圍為1. 9 V/ m1. 9 V/ m64 kV/ m ,64 kV/ m ,分辨率為分辨率為1. 9 V/ m1. 9 V/ m。圖圖b b由由Langmuir Langmuir 實驗室研制實驗室研制, ,質量為質量為1. 6 kg ,1. 6 kg ,敏感范圍為敏感范圍為10 V/ m10 V/ m26 kV/ m ,26 kV/

26、 m ,分辨率為分辨率為10 V/ m10 V/ m。GPS強電場電暈探空系統(tǒng) 探空儀實物圖探空儀實物圖探測量：電場垂直分量溫度、相對濕度、GPS402M高增益天線00oIIUcost=sin( t+90 )C1C1電暈電流測量原理圖( )( )( )101oocoru tdu titCRdt1 11 101( )( )1ttR CR Cocoru teiedC o0UI R1sin( t) 021sin1 1(cos)1 (1 1)tRCoI RUtR C etR C123U1R1C1R2Icor1UoIcor2成熟期的雷暴溫、壓和電場，以及反演的電荷結構三三. 我國發(fā)展飛機電場測量的建議我

27、國發(fā)展飛機電場測量的建議l飛機電場測量的發(fā)展對提高云內起電過程認識有重要意義。它不飛機電場測量的發(fā)展對提高云內起電過程認識有重要意義。它不僅能用于科學研究僅能用于科學研究,還可以用于航天發(fā)射場和日常氣象探測。另還可以用于航天發(fā)射場和日常氣象探測。另外外,利用飛機測量云外大氣電場利用飛機測量云外大氣電場,還可以檢測大氣電場異常還可以檢測大氣電場異常,為地震為地震研究提供大范圍的電場數據。研究提供大范圍的電場數據。l當前國外飛機電場測量技術已較為成熟當前國外飛機電場測量技術已較為成熟,而國內由于條件不足仍而國內由于條件不足仍沒有開展相關研究。沒有開展相關研究。l在當前我國財力有限的情況下在當前我國

28、財力有限的情況下,應協(xié)同氣象部門、航空航天部門應協(xié)同氣象部門、航空航天部門以及電子部門以及電子部門,首先研究以無人機作為載體的電場測量技術首先研究以無人機作為載體的電場測量技術,重點重點突破電場儀設計、電場儀校正和電暈處理突破電場儀設計、電場儀校正和電暈處理3 大關鍵技術大關鍵技術,進行必進行必要的技術儲備。要的技術儲備。2 2 電場儀資料在雷電監(jiān)測預警中的應用電場儀資料在雷電監(jiān)測預警中的應用 反推電荷結構反推電荷結構揭示雷暴的起電程度揭示雷暴的起電程度一一. . 反推電荷結構（反推電荷結構（地面電場儀地面電場儀）p19911991年之前年之前，研究表明，雷暴云的電荷分布一般都具有，研究表明，

29、雷暴云的電荷分布一般都具有偶極性偶極性或或三極性三極性結構特征。偶極性結構是指在云內有兩個垂直電荷區(qū)，結構特征。偶極性結構是指在云內有兩個垂直電荷區(qū)，在雷暴云的上部為一個正電荷區(qū)，下部為一個負電荷區(qū)，三極性在雷暴云的上部為一個正電荷區(qū)，下部為一個負電荷區(qū)，三極性結構除了具有偶極性結構的主電荷區(qū)，在雷暴云的底部還有一個結構除了具有偶極性結構的主電荷區(qū)，在雷暴云的底部還有一個規(guī)模和電荷量較小的正電荷區(qū)。規(guī)模和電荷量較小的正電荷區(qū)。p19911991年之后年之后，新的探測資料表明，實際上雷暴云中的電荷結構，新的探測資料表明，實際上雷暴云中的電荷結構十分復雜，電荷結構可能會十分復雜，電荷結構可能會傾斜

30、傾斜，也會有，也會有反極性反極性結構，也可能是結構，也可能是多層多層正負電荷層交替。雷暴云電荷結構與氣象和地形條件有關，正負電荷層交替。雷暴云電荷結構與氣象和地形條件有關，不同季節(jié)、地區(qū)的雷暴云電荷結構也不完全一樣。不同季節(jié)、地區(qū)的雷暴云電荷結構也不完全一樣。 對于垂直偶極性電荷結構的雷暴對于垂直偶極性電荷結構的雷暴, E, E1 1表示為：表示為： 對具有垂直三極性電荷結構的雷暴對具有垂直三極性電荷結構的雷暴, E, E2 2可表示為可表示為: : E E1 1、E E2 2為地面垂直電場為地面垂直電場,D,D為電偶極軸與測站之間的水平為電偶極軸與測站之間的水平距離距離, Q, QP P、Z

31、 ZP P分別為雷暴上部正電荷區(qū)的電荷量和距離地面分別為雷暴上部正電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高度的高度;Q;QN N、Z ZN N為中部負電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高為中部負電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高度度;Q;QSPSP、Z ZSPSP為下部正電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高度為下部正電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高度. .13/23/2222212NNPPPNQ ZQ ZEDZDZ23/23/23/222222212NNSPSPPPPNSPQ ZQ ZQ ZEDZDZDZ 發(fā)生在上部正電荷區(qū)與中部負電荷區(qū)之間的云閃發(fā)生在上部正電荷區(qū)與中部負電荷區(qū)之間的云閃產生的電場變化為產生的電場變化為: : 3

32、/ 23/ 2222212NNPPPNQ ZQ ZEDZDZ 因此對具有垂直偶極性電荷結構的雷暴因此對具有垂直偶極性電荷結構的雷暴, ,地面地面電場和云閃產生的電場變化隨著雷暴的移動其極電場和云閃產生的電場變化隨著雷暴的移動其極性的變化應是同時發(fā)生的性的變化應是同時發(fā)生的. . 電場的反轉距離電場的反轉距離pNQQQ13/23/2222202214pNpNQZQZEDZDZ如果云中電荷分布為偶極模式如果云中電荷分布為偶極模式則偶極分布時電場可寫為則偶極分布時電場可寫為對于離云荷電中心電場為零的距離對于離云荷電中心電場為零的距離D0為為 1/32/32/32/30pNpNDZ ZZZ對于對于D0

33、又稱電場的反轉距離。它僅與荷電中心高度有關。又稱電場的反轉距離。它僅與荷電中心高度有關。 圖圖 雷暴過程地面電場波形和閃電頻數統(tǒng)計雷暴過程地面電場波形和閃電頻數統(tǒng)計 (a) 2002年年7月月19日一次雷暴云通過觀測站時的地日一次雷暴云通過觀測站時的地面電場波形；面電場波形；(b) 2002年年8月月1日一次雷暴云通過觀測站時的地面電場波形；日一次雷暴云通過觀測站時的地面電場波形；(c) 2002年年7月月20日一日一次雷暴云通過觀測站時的地面電場波形；次雷暴云通過觀測站時的地面電場波形；(d) 2002年年7月月20日一次雷暴過程閃電頻數統(tǒng)計日一次雷暴過程閃電頻數統(tǒng)計 。高原雷暴的地面電場變

34、化和電荷結構第一類：偶極結構雷暴云產生的電場，占第一類：偶極結構雷暴云產生的電場，占1/3（a）第二類：三極結構雷暴云產生的電場，占第二類：三極結構雷暴云產生的電場，占2/3（b和和c）一. 反推電荷結構（空中電場儀） Stolzenburg et al(1998a, b, c)利用氣球攜帶的電場儀和利用氣球攜帶的電場儀和無線探空設備對無線探空設備對15次中尺度對次中尺度對流系統(tǒng)流系統(tǒng)MCC（上升氣流內部（上升氣流內部10次、外部次、外部5次）和次）和13次單體次單體（上升氣流內部（上升氣流內部7次、外部次、外部6次）次）進行了電場探空，結合過去的進行了電場探空，結合過去的電場探空觀測，利用高

35、斯定理電場探空觀測，利用高斯定理推算了電荷結構。圖中為一次推算了電荷結構。圖中為一次MCC上升氣流內部的電場分布上升氣流內部的電場分布和及推算的一維電荷分布。電和及推算的一維電荷分布。電場結構中的場結構中的3個特征點個特征點，和和分別代表下正峰值、負峰值和分別代表下正峰值、負峰值和上正峰值；上正峰值； L表示表示5次閃電對應次閃電對應的電場變化。的電場變化。0zEz 圖圖2-4給出了其中給出了其中一次中尺度對流系統(tǒng)一次中尺度對流系統(tǒng)上升氣流外部的基本上升氣流外部的基本電場分布和由電場分電場分布和由電場分布推算出的一維電荷布推算出的一維電荷分布。無上升氣流區(qū)分布。無上升氣流區(qū)有有5個峰值電場特征

36、個峰值電場特征點，分別以點，分別以，和和標出。由高斯定標出。由高斯定律近似得到一維電荷律近似得到一維電荷分示于圖（分示于圖（b）中，）中，6個電荷中心中上部的個電荷中心中上部的正電荷區(qū)包含平均電正電荷區(qū)包含平均電荷荷p相似的相似的3個區(qū)域，個區(qū)域，區(qū)域之間的電荷密度區(qū)域之間的電荷密度為零。為零。 上升氣流區(qū)域內、外的電荷結構有明顯差別。在上升氣流區(qū)域內、外的電荷結構有明顯差別。在內部包含內部包含4個電荷區(qū)域個電荷區(qū)域，呈現上負、正、負、正的電荷結構，而呈現上負、正、負、正的電荷結構，而外部包含外部包含6個電荷區(qū)域個電荷區(qū)域，呈現上負、，呈現上負、上正、主負、主正、下負、下正的電荷結構。在上升氣

37、流外部探測到的正、上正、主負、主正、下負、下正的電荷結構。在上升氣流外部探測到的正、負最大電場均大于上升氣流內部，而且高度較低。除了上部的正電荷區(qū)域外，負最大電場均大于上升氣流內部，而且高度較低。除了上部的正電荷區(qū)域外，上升氣流外部的電荷區(qū)域深度較淺，而且電荷密度較大。上升氣流外部的主上升氣流外部的電荷區(qū)域深度較淺，而且電荷密度較大。上升氣流外部的主電荷區(qū)域高度較低而且溫度較高，分別為電荷區(qū)域高度較低而且溫度較高，分別為5.5 km和和6.2。 l16次探空得到每次中尺度對流系統(tǒng)的電荷分布次探空得到每次中尺度對流系統(tǒng)的電荷分布 Stolzenburg et al(1998b)根據根據13次孤立

38、超級單體雷暴的電場探空得到的次孤立超級單體雷暴的電場探空得到的電荷分布示意圖。電荷分布示意圖。7次上升氣流內部的電場探空發(fā)現電場共有次上升氣流內部的電場探空發(fā)現電場共有3個峰值。由此推算在個峰值。由此推算在上升氣流內部有上升氣流內部有4個電荷區(qū)域個電荷區(qū)域。在上升氣流。在上升氣流外部的電場結構和電荷結構較復雜外部的電場結構和電荷結構較復雜。與。與在中尺度對流系統(tǒng)中的探測結果一樣，在上升氣流區(qū)內、外部的電荷結構有明顯的在中尺度對流系統(tǒng)中的探測結果一樣，在上升氣流區(qū)內、外部的電荷結構有明顯的差別。差別。 二二. 揭示雷暴的起電程度揭示雷暴的起電程度隨著雷雨云的發(fā)展，起電過程逐漸增強，電荷逐漸累積，

39、云內外隨著雷雨云的發(fā)展，起電過程逐漸增強，電荷逐漸累積，云內外大氣電場增大，云下的地面電場強度也隨著雷雨云的發(fā)展演變而大氣電場增大，云下的地面電場強度也隨著雷雨云的發(fā)展演變而發(fā)生劇烈變化，地面大氣電場儀通過感應測得雷雨云中電荷產生發(fā)生劇烈變化，地面大氣電場儀通過感應測得雷雨云中電荷產生的靜電場以及電場的極性和連續(xù)變化，從而得到雷雨云中強電荷的靜電場以及電場的極性和連續(xù)變化，從而得到雷雨云中強電荷中心的演變信息。中心的演變信息。由于地面大氣電場是空中所有帶電物在地面產生電場的矢量和，由于地面大氣電場是空中所有帶電物在地面產生電場的矢量和，所以所以單點地面大氣電場的測量不能準確地反映雷雨云中的雷電

40、活單點地面大氣電場的測量不能準確地反映雷雨云中的雷電活動狀況，需要地面電場儀的組網觀測，動狀況，需要地面電場儀的組網觀測，利用空間電場反演計算模利用空間電場反演計算模型，根據電場資料反演得到可靠的雷雨云中強電荷中心的強度、型，根據電場資料反演得到可靠的雷雨云中強電荷中心的強度、極性和分布，確定雷雨云的空間位置；并結合區(qū)域內閃電定位系極性和分布，確定雷雨云的空間位置；并結合區(qū)域內閃電定位系統(tǒng)提供的閃電位置信息，進行雷電的預警預報。統(tǒng)提供的閃電位置信息，進行雷電的預警預報。利用地面電場儀資料預警的方法利用地面電場儀資料預警的方法 常規(guī)常規(guī)：簡單地：簡單地設置一個預警值設置一個預警值，常用的電，常用

41、的電場預警值為場預警值為3kV3kVm m ，大多數電場儀都將預警，大多數電場儀都將預警值設為可調的（考慮到雷暴與觀測站之間的距值設為可調的（考慮到雷暴與觀測站之間的距離）。離）。改進：在設定電場預警值的同時，可以檢測電場儀測量值的跳變，在設定電場預警值的同時，可以檢測電場儀測量值的跳變，當測量值發(fā)生跳變時，電場儀開始報警。當測量值發(fā)生跳變時，電場儀開始報警。檢測電場值的跳檢測電場值的跳變，可以在電場儀的終端軟件中對相鄰變，可以在電場儀的終端軟件中對相鄰2 2個電場采樣值進個電場采樣值進行比較，當行比較，當2 2個采樣值的差值大于某一數值個采樣值的差值大于某一數值( (稱其為跳變值稱其為跳變值

42、) )時，認為電場發(fā)生跳變，附近有閃電發(fā)生，電場儀開始報時，認為電場發(fā)生跳變，附近有閃電發(fā)生，電場儀開始報警。警。電場儀報警的解除則可以采用延時方式，而不采用電場值電場儀報警的解除則可以采用延時方式，而不采用電場值低于預警值即解除報警。低于預警值即解除報警。當發(fā)生報警后，報警持續(xù)一定時當發(fā)生報警后，報警持續(xù)一定時間。根據雷暴的生命期和閃電發(fā)生的間隙時間，持續(xù)時間間。根據雷暴的生命期和閃電發(fā)生的間隙時間，持續(xù)時間可取可取5 min5 min左右左右( (不能低于閃電發(fā)生的間隙時間不能低于閃電發(fā)生的間隙時間) )，如在報，如在報警持續(xù)時間內，又出現預警條件，重新計時。如果超過設警持續(xù)時間內，又出現預警條件，重新計時。如果超過設定的持續(xù)時間，仍沒有再次出現預警條件，則解除報警。定的持續(xù)時間，仍沒有再次出現預警條件，則解除報警。l目前，利用地面電場儀進行雷電