论文摘要
闪电是大气中的一种强放电现象,放电过程伴随电流运动和变化,而闪电造成的“光、电、热、磁和化学效应”从根本上来说与闪电通道中的电流有关。但是,闪电的通道电流仅在少数情况下（如人工触发闪电、高塔闪电）可以直接测量得到,特别是闪电云内过程的电流无法直接获知。可以说,闪电通道电流是研究与闪电相关的多种大气物理、化学过程和现象的桥梁与纽带,如何搭建这个桥梁一直是闪电物理研究的难题。本文在闪电通道电流反演方法理论方面做了初步的探索和尝试,将基于到达时间差法（Time of Arrival,TOA）的具有高时间分辨率的闪电电场脉冲定位技术与多站闪电电场变化分析方法相结合,初步建立了一套基于闪电LF/VLF快电场变化测量的闪电定位方法、放电理论模型、通道电流反演的理论和方法。本文的研究内容主要有以下几个方面:（1）基于LF/VLF快电场的闪电精细化定位方法研究和应用,（2）普适电场传输方程的推导和三维传输线模型的建立,（3）基于人工触发闪电回击电流的反演方法验证,（4）闪电爆发式脉冲序列（RPBs）的通道电流反演和分析。取得了以下研究结论:1)本文基于低频电场探测阵列（Low Frequency Electric-field Detection Array,LFEDA）的电场探测信号,分析了LF/VLF闪电定位系统算法普遍存在的问题,针对性地建立了全脉冲识别的低频闪电定位方法:使用基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）的Hilbert-Huang Transform（HHT）方法,设置闪电电场波形的截止频率,对闪电LF/VLF电场波形的1ms波段进行滤波,降低高频噪声,将其与降时间尺度的二次互相关方法相结合,采用TOA方法得到高精度的闪电LF/VLF电场脉冲的三维位置和时间。该方法不仅有效提高了闪电LF/VLF电场脉冲信号峰值时间提取的精度,增加了Hilbert变换还提高了脉冲信号的提取准确度和匹配效率,从而大幅提升了探测系统对闪电发展通道的描绘能力和定位精度。通过与传统LF/VLF闪电电场定位方法的定位结果对比发现,新算法在时间误差估计σ=100ns、限定优度χ小于5的条件下,定位脉冲数量提升近7倍,定位结果的χ分布符合正态分布,95%的置信区间约在04之间,即定位结果的时间均方误差≤200ns;闪电通道连续性大幅改善,能够清晰分辨闪电通道的结构特征和发展过程。低频闪电探测系统具备更客观描绘闪电通道的发展过程的能力。2)结合LFEDA系统和广州市番禺雷达站的数据,对2017年6月3日发生于广州市从化区的一起致人死亡的雷击事故进行了分析。得益于全脉冲识别的低频闪电定位方法,使得LFEDA系统能够支撑对闪电灾害事件的形成过程开展分析。对于该次事故,业务闪电定位系统成功地探测到是一次具有七次回击的负地闪放电事件,其首次回击发生在6月3日16:36:49.219,峰值电流强度为-30.9kA。LFEDA系统给出的七次回击的位置与雷击点之间的最大误差为57.3m,相对于雷击点,七次回击的位置结果分布的标准差为17m,分布半径小于60m,具有较好的收敛性。根据LFEDA系统的观测发现,雷击点与云砧区（0 dBz）边缘的水平距离约为0.3km,降水区（18 dBz）边缘与雷击点的水平距离约为1.8km。雷击发生时,事故地点上空无云体覆盖,这是一次“晴天霹雳”闪电,闪电通道延伸到云体外部最远的距离达到3km。“晴天霹雳”击中了受害者旁边一棵13米高的大树,LFEDA系统探测到的七次回击电场变化波形表现出多峰特征,说明该闪电回击具有多接地特征。雷击造成人员死亡有两种可能的机制:旁络闪击和跨步电压。而最可能的伤害机制则是旁络闪击。采用全脉冲识别低频闪电定位方法的LFEDA系统在闪电灾害事件溯源分析中发挥了重要作用,客观上证明了新定位方法的优异性能。3)从Jefimenko方程出发,推导了普适的电场传输方程,消减了Jefimenko方程中的电荷密度项,将其转化为只与电流密度相关的简单形式,可用于计算任意形态电流源产生的时变电场,它在维度降低的情况下与Uman et al.（1975）根据麦克斯韦方程推导的电场方程具有完全一致的形式。在此基础上,将传统的一维传输线模型拓展到三维空间,从而使传输线模型具备更广泛的应用场景。利用三维传输线模型对地闪回击过程产生的电场脉冲波形进行了模拟和对比分析,结果表明闪电通道倾斜时,回击通道内电流的水平分量产生的电场分量是非常重要的。这一方面说明传统一维传输线模型的局限性,也说明传输线模型向三维空间拓展的必要性,而普适电场传输方程的推导则是传输线模型维度拓展的基础。提出了三维直线通道内电流符合Kumaraswamy分布（K分布）的修正传输线模型—3D-MTLK模型。采用通道内电流符合K分布的修正传输线模型（MTLK模型）,分析了K分布函数的取值问题,并进而论证了MTLK模型对通道电流线性衰减的修正传输线模型（MTLL模型）和通道电流指数衰减的修正传输线模型（MTLK模型）的替代性问题,认为K分布的MTLK模型具有更为广泛的物理意义,可以替代MTLL和MTLE模型,并且在实际应用中,K分布函数的两个参数取值分别应限定在（1,2）和（2,10）。4)基于通道垂直假定的MTLK模型和非垂直通道下的3D-MTLK模型,结合LFEDA系统获取的电场脉冲及定位结果,构建了使用粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）迭代寻优的通道电流反演方法。利用LFEDA系统探测的一次人工触发闪电回击过程的双站实测电场反演得到通道电流,反演结果和PSO过程的收敛曲线证明传输线模型的三维延拓更加接近回击通道的实际情况。本文提出的3D-MTLK模型和通道电流反演方法能够在一定程度上（非折线、弯曲通道）准确反演回击过程通道电流。5)利用LFEDA系统探测到的闪电电场变化波形,以及建立的闪电电场信号分析、脉冲定位和基于3D-MTLK模型的通道电流反演方法,开展了对云、地闪电放电中普遍存在的一类称之为规则脉冲簇（Regular Pulse Bursts,RPBs）的电场波形的波形特征、脉冲定位和多站电场反演研究,获取了一个RPBs个例的电场波形特征、通道发展特征以及通道电流特征。结果表明,与闪电起始脉冲（Initial Breakdown Pulses,IBPs）和闪电双极性窄脉冲（Narrow Bipolar Pulses,NBPs）等电流脉冲相比,其电流特征主要表现为较小的时间、空间尺度以及相对较小的发展速度和与IBPs相似的峰值电流强度。分析发现,该RPBs个例的电场信号在LF/VLF频段主要位于80220kHz之间,对应脉冲信号宽度约为4.512.5μs。LF/VLF频段探测系统探测到的RPBs是连续排列的几十kHz几百kHz之间叠加在超低频静电场波形上的脉冲序列。对RPBs波形中的63组电场脉冲信号进行了通道电流反演,获取了产生电场脉冲信号的云内通道特征和通道电流特征。统计发现,与单个电场脉冲对应的分段通道长度最小约43m,最长则达到633m,主要分布在250m以下,平均长度则为201.9m,其脉冲之间的发展通道是重叠递进式向前发展的梯级形态,梯级之间存在时间间隔。这63个电流脉冲在云内通道中的平均传播速度为1.22 10 8)/,分布范围在0.921.49 10 8)/之间,标准差为1.67 10 8)/,闪电通道以相对稳定的传播速度发展。电流峰值变化较大,从-20kA到接近-160kA的较大范围内变化,平均值为88.8kA。电流脉冲的上升沿时间为1.542.79μs,平均为1.93μs;而下降沿时间分布为1.164.23μs,平均为2.26μs;初始电流持续时间则分布在2.916.33μs范围内。普遍而言,初始电流的形态特征表现为下降沿时间比上升沿时间略大的准对称形态。脉冲电流在通道内的衰减速率较为一致。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 范祥鹏
导师: 张义军
关键词: 低频电场探测阵列,经验模态分解,闪电定位,闪电灾害,晴天霹雳,方程,传输线模型,分布,人工引雷,电流反演,爆发式脉冲序列
来源: 中国气象科学研究院
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 气象学
单位: 中国气象科学研究院
分类号: P427.3
总页数: 177
文件大小: 16451K
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标签：低频电场探测阵列论文; 经验模态分解论文; 闪电定位论文; 闪电灾害论文; 晴天霹雳论文; 方程论文; 传输线模型论文; 分布论文; 人工引雷论文; 电流反演论文; 爆发式脉冲序列论文;