人工引发雷电流及其电磁辐射与传输特征的观测分析与理论研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张其林 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-05-30 |
| 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 | 雷电流 电磁场 先导 回击 分形 表观速度 表面波 |
| 其他题名 | Observation and Theorial Study on Current and Electromagnetic Fields Changes of Triggered Lightning |
| 学位专业 | 大气物理学与大气环境 |
| 中文摘要 | 雷电流及其近距离电磁场既是科学地进行雷电防护所必须了解的关键参量，也是认识雷电特性和放电物理过程的主要依据。但由于自然雷电在一定时空尺度上发生、发展的瞬时性、随机性与危险性，很难对雷电流及其近距离电磁辐射场进行同步观测。2005年夏季在国家自然科学基金“十五”重点项目“雷暴及其雷电过程的观测和理论研究”的支持下，在山东开展了旨在了解强雷暴天气系统雷电特征的人工引发雷电实验（实验简称SHATLE）。利用火箭拖带金属导线的人工引发雷电技术，共成功引发雷电5次，并获得了一次完整的微秒量级时间分辨率的雷电流波形（包括10次回击）及其近距离电磁场变化资料。基于这次引发雷电实验，本论文对雷电流及其电磁辐射与传输特征进行了详细分析与理论研究。 五次人工引发雷电都包含有1-10次不等的大电流回击放电过程，其中直接测量的10次回击电流峰值平均为11.9 kA，变化范围为6.6-21.0kA，与自然雷电继后回击电流峰值基本一致。回击电流波形的半峰值宽度为39µs，较通常结果要大。回击电流峰值I(kA)和中和的电荷量Q(C)之间满足关系式:I=18.5Q^0.65。基于DU(Diendorfer and Uman)回击电流模式，通过合理的选取放电参数，模拟了雷电流及其电荷密度的时空分布，发现随高度的增加，雷电流波形峰值减小，而上升沿时间增大，这与光学观测的回击电流脉冲波形随雷电通道的变化特征一致。 空中人工引发雷电的双向先导过程在地面60m处产生的电场变化为4.7-14.6kV/m，呈负向变化；而在550m处为0.11-0.16 kV/m，呈正向变化。利用60m处的先导电场变化，估算的双向先导通道线电荷密度分布的递减率为(0.12-0.38)×10µC/m^2。箭式先导-回击过程电场变化波形呈不对称V形，V形的底部对应先导的结束和回击的开始，随水平距离的增加，V形半峰值宽度增大。60m处的箭式先导和回击电场几何平均值分别为17.8 kV/m和16.7kV/m；550m处的平均值分别为1.2kV/m和1.65kV/m。随水平距离r(m)的增加，箭式先导电场(kV/m)以-1.18次方的形式衰减。由于人工引发雷电放电过程与自然雷电的相似性，本文所得到的结果可应用于自然雷电灾害的防护设计中。 回击过程的强烈电磁辐射是由瞬变的回击电流所产生的。在雷电回击辐射场计算中，一般假定通道笔直且垂直于无限大的良导体光滑地面，但实际情况是雷电通道是弯曲和分叉的，地面电导率是有限的。本论文根据实际观测的雷电通道，利用“数盒子法”发现回击主放电通道近似具有分形特征，其分形维数介于1.1-1.3之间，平均为1.2。基于分形理论模拟的通道和观测的通道，分析计算了主放电通道的垂直假定所引起的辐射场相对误差，结果表明雷电通道的垂直假定所产生的辐射场平均相对误差小于10%，最大达50%。 雷电回击电流脉冲接近光速沿通道传输，不同于天线辐射，雷电回击的电磁辐射存在推迟势效应，不存在相对论效应；雷电回击辐射场角分布F因子是远场计算公式的近似。由于推迟势效应，如果假定实际回击速度随高度不变，但在地面不同位置“看到”的回击速度（表观速度）随高度递减，距离越近，表观速度随高度递减越快；地面的表观回击速度比实际速度偏小。地面的观测结果可能并不能完全代表真实的回击传播速度。 地面电导率的有限性直接影响了雷电电磁场的探测及其放电参量的估算，因此本论文还利用表面波理论，对时域和频域回击辐射场沿有限电导率地表面的传播特性进行了诠释和分析讨论，发现地表面电磁场的衰减规律与自由空间或良导体表面电磁场的传播特性明显不同。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 135 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21662]  |
| 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 | 张其林. 人工引发雷电流及其电磁辐射与传输特征的观测分析与理论研究[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. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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