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《中国科学技术大学》 2017年
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基于VLF/LF多站预测的初始击穿脉冲串特征研究

马冬  
【摘要】:初始击穿脉冲串(Preliminary Breakdown Pulses,PBPs 或者 Initial Breakdown Pulses,IBPs)是初始击穿过程产生的一系列双极性脉冲。由于其与初始击穿过程密切相关,对揭示闪电的激发机理有着重要意义,受到学术界的极大关注。本论文利用基于GPS时间同步技术的VLF/LF多站闪电探测系统,对发生在合肥地区的两类不同雷暴中的PB脉冲串特征进行了系统性的对比观测研究。论文的主要研究结果如下:1.根据闪电中是否有明显的PB脉冲串,对负地闪和云闪进行了区分,划分成了 PBCG-type闪电、CG-type闪电、PB-type闪电和IC闪电四种类型。对PBCG-type闪电定义了四个参量PBA、RSA、PB-RS幅值比和PB-RS间隔。2.报道了四个单体小雷暴中的PB脉冲串特征。结果表明,在雷暴发展阶段全部存在,成熟阶段部分存在,消散阶段不存在PB-type闪电。在成熟阶段PB-type闪电发生时负地闪有所减少,这与LPCC模型非常吻合,然而在发展阶段并未如此,提出了修正的LPCC模型,很好地解释了这一现象。在统计的2155例闪电中,记录到的22例PB-type闪电仅占1.0%。根据PB-type闪电发生时间定义了 PB-type闪电潜在发生区,统计发现PBCG-type闪电和CG-type闪电在时间-频次上总是以相对分离的形式出现。计算了四个雷暴中的PBCG-type闪电百分比,在三个雷暴中发现它与PBA和PB-RS幅值比存在正相关,进一步分析后认为存在的MNCC变化使得它不总是与PBA或者PB-RS幅值比存在正相关,猜测这可能是百分比过低的原因之一。统计了四个雷暴中的PB-RS间隔,最小值为21.4ms,与其他研究者结果存在较大差异。3.报道了一个中尺度多单体雷暴中的PB脉冲串特征。结果表明,在雷暴发展阶段和成熟阶段存在,消散阶段不存在PB-type闪电。在成熟阶段PB-type闪电发生时负地闪没有减少,这与小雷暴中的结果不同,但同样可用修正的LPCC模型进行解释。在统计的1000例闪电中,记录到的14例PB-type闪电仅占1.4%。不同于小雷暴中的结果,统计发现PBCG-type闪电和CG-type闪电在时间-频次上有很高的重合度。统计了雷暴中的PB-RS间隔,最小值为3ms,与其他研究者结果相近。4.比对了两类雷暴中的PB脉冲串特征。结果表明,在雷暴发展阶段均存在PB-type闪电并且负地闪没有减少(假如有负地闪的话),吻合修正的LPCC模型,推测大多数雷暴发展阶段存在持续时间很短的过大LPCC。两类雷暴中的PB-type闪电发生概率都非常低,认为在所有雷暴中都是如此。在两类雷暴中观测到了雷暴核的合并和分裂过程,发现在雷暴核的完全合并和分裂时期总是存在PB-type闪电。两类雷暴中的PB-RS间隔最小值分别为21.4和3ms,存在很大不同。通过分析发现PB-RS间隔最小值受控于PB脉冲串和回击之间的关系,正是它们之间的不同关系使得PB-RS间隔最小值存在差异。进一步分析后发现,PB脉冲串和回击之间的不同关系主要来自于PBA和RSA关系的不确定性,由此提出了 PB脉冲串和回击关系的概念模型,并对其可能存在的物理意义进行了探讨。
【关键词】:初始击穿脉冲串 反极性云闪 下部正电荷区 主负电荷区 单体小雷暴 中尺度多单体雷暴
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P427.32;P412
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-11
  • 第1章 绪论11-37
  • 1.1 初始击穿过程的研究回顾14-18
  • 1.2 初始击穿脉冲特征参数18-24
  • 1.3 初始击穿脉冲串与回击之间的特征参数24-29
  • 1.4 可探测初始击穿脉冲串百分比29-32
  • 1.5 初始击穿过程的放电模型32-35
  • 1.6 论文的选题与主要内容35-37
  • 第2章 仪器设备和方法37-51
  • 2.1 闪电观测系统37-44
  • 2.1.1 硬件系统37-41
  • 2.1.2 站点分布与误差分析41-44
  • 2.2 雷达资料44
  • 2.3 数据处理方法44-50
  • 2.3.1 时差定位算法44-48
  • 2.3.2 回击识别算法48-50
  • 2.4 本章小结50-51
  • 第3章 四次单体小雷暴中的初始击穿脉冲串特征分析51-81
  • 3.1 数据说明51-59
  • 3.1.1 数据预处理51-56
  • 3.1.2 雷暴总体特征56-59
  • 3.2 雷暴不同发展阶段的初始击穿脉冲串特征59-71
  • 3.2.1 PBA在雷暴发展中的演变61-64
  • 3.2.2 RSA在雷暴发展中的演变64-67
  • 3.2.3 PBRS幅值比在雷暴发展中的演变67-69
  • 3.2.4 PB-RS间隔在雷暴发展中的演变69-71
  • 3.3 初始击穿脉冲串与回击关系71-73
  • 3.4 负地闪中初始击穿脉冲串百分比73-77
  • 3.5 讨论77-79
  • 3.6 本章小结79-81
  • 第4章 一次中尺度多单体雷暴中的初始击穿脉冲串特征分析81-95
  • 4.1 数据说明81-83
  • 4.2 雷暴不同发展阶段的初始击穿脉冲串特征83-88
  • 4.2.1 PBA在雷暴发展中的演变85-86
  • 4.2.2 RSA在雷暴发展中的演变86
  • 4.2.3 PB-RS幅值比在雷暴发展中的演变86-87
  • 4.2.4 PB-RS间隔在雷暴发展中的演变87-88
  • 4.3 初始击穿脉冲串与回击关系88-89
  • 4.4 讨论89-92
  • 4.5 本章小结92-95
  • 第5章 结论与展望95-101
  • 5.1 本论文的主要研究结果95-97
  • 5.2 本论文的主要创新点97
  • 5.3 未来工作展望97-101
  • 参考文献101-125
  • 致谢125-127
  • 在读期间发表的学术论文127

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