摘要
闪电的起始、发展过程与雷暴云内的电荷结构密切相关。研究闪电在云内始发和通道发展过程以及所依存的雷暴云电荷结构有着重要的科学意义。基于闪电通道可分辨的高精度三维定位技术不仅提供了研究雷电物理过程的重要手段，通过重构云内放电正、负极性通道，也可以反映雷暴云内参与放电的电荷分布结构特征。本研究发展了一套基于闪电电场变化率(dE/dt)的高精度闪电三维定位系统，实现了对闪电起始和后续发展的通道特征的精细刻画;通过山东滨州的人工引雷和强对流观测实验(SHATLE),探测获得了雷暴过程中闪电的高精度三维发展传输特征，结合甚高频干涉仪、电场探空、气象雷达等观测资料，详细研究了闪电起始和放电发展过程以及雷暴云内的电荷结构分布特征。论文取得了以下主要结果: 1、发展了一套闪电高精度三维定位系统，其主要特点有:采用dE/dt传感器，实现了闪电辐射信号的高灵敏度探测。相比较于传统的快天线电场变化探测仪，其大脉冲信号能够快速恢复，更适合于闪电脉冲探测和定位应用。研制了高精度的GPS驯服高稳晶振时钟(GPS disciplined oscillator,GPSDO),充分利用GPS和高稳恒温晶振两者的优点，实现了分布式多测站闪电电磁辐射脉冲的精确时间同步，时间同步精度优于20ns。利用环形缓冲器和直接内存访问技术(Direct Memory Access,DMA),实现了长达小时级雷暴天气系统雷电信号的连续探测和数据高速存储。在此基础上，进一步发展了配套的闪电放电通道和过程可分辨的三维定位算法，利用大小窗口两次互相关实现多个测站波形的匹配，计算闪电辐射信号到达不同测站的时间差，进一步利用Chan氏算法配合多重网格嵌套迭代寻优的定位算法，最终实现了闪电通道可分辨的三维定位。通过对比一次人工引发闪电的光学观测资料，得到该系统三维定位结果二维投影的垂直和水平距离误差均小于40 m。 2、利用所发展的闪电三维定位系统，结合甚高频干涉仪等资料，发现闪电初始过程电场变化可以表现为初始击穿过程(IBP)、初始电场变化(IEC)和双极性窄脉冲(NBE)三种形式。对由IBP、IEC、NBE三种电场波形起始的闪电始发及其后续放电通道的发展过程进行了详细研究，明确了闪电起始后，负极性通道前端“流光-先导”两种放电类型交替发生的通道发展物理机制，发现每次先导发展的长度一般不会超过前一阶段流光放电所发展的范围。 3、分析研究了包含已电离通道侧向放电的闪电过程，发现正极性通道侧向产生负极性放电通道并发展接地形成回击的一次放电过程，正先导通道电场方向反转是这一现象产生的主要原因。放电过程最终产生了特殊的云闪/负地闪混合闪电放电类型，扩展了闪电放电类型的认识。 4、发展了雷暴云内参与闪电放电的电荷区识别方法，获得云内参与放电区域的电荷结构。基于DBSCAN空间聚类，结合正、负极性先导通道发展特征，建立了判别闪电放电通道正、负极性的方法，明确了一次雷暴云内参与放电的电荷结构为三极性电荷结构。结合雷达探测数据发现，三极性电荷结构的雷暴云上部正电荷区主要对应云上部15～25 dBZ的回波区，中部负电荷区对应6～10km高度30～45 dBZ的雷达回波区域，下部正电荷区对应2～7 km高度范围40～50 dBZ雷达回波强度的区域。对雷暴云单体电荷结构演变特征分析发现，随着单体大于35dBZ回波面积的增大，中部负电荷区的厚度有明显的增加，主要体现为负电荷区最大高度增加。负电荷区最大高度增加的同时，上部正电荷区受对流层顶最大高度的限制不能继续升高，造成了上部正电荷区厚度变薄且与中部负电荷区距离拉近，使得这两个电荷区之间的正极性云闪放电频次明显增加。 5、研制了双金属球电场探空仪，探空实验获得了雷暴云层云区电场和电荷结构。在一次雷暴云减弱阶段探测到了正、负极性交替的5个电荷区，分别是:云上部正电荷区（4.4～5.7km之间，0℃层附近）、云中部负电荷区（3.6～4.4km之间）和云下部正电荷区（1.0～3.6km之间）;在1km以下的高度还存在一个负电荷区，同时在雷暴云顶附近存在一个弱的负极性电荷区（5.7～6.9km之间）。多个不同强度、不同厚度的电荷层构成了中部负电荷区和下部正电荷区。此外，双金属球电场探空仪在探测过程中，受气流影响在中部负电荷区，经历了上升-下降-再次上升的过程，说明雷暴云内动力场复杂。相同高度处的云内电荷分布相似但又有所差异，直观反映了雷暴云内电荷结构的时空不均匀性和复杂性。
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