雷电极低频电波在地球-电离层空腔中的传播特征研究

摘要

对雷电极低频电波在地球-电离层空腔中的传播特征进行研究不仅对全球电路平衡、高层大气光化学效应等方面有重要意义，而且对电离层内电介质分布研究和扰动，全球闪电活动以及全球气候变化等方面都有重要应用价值。本文系统深入研究雷电的极低频电波在地球-电离层空腔中的干涉传播效应，通过利用三维球坐标系下时域有限差分FDTD方法建立包含电离层电介质的非线性特征的地球-电离层雷电电磁传输模型，结合舒曼共振实测数据重点对超强闪电Q-burst现象及其舒曼共振背景信号特征进行模拟和实测对比分析。论文的主要研究工作和结论如下:
　　1)不同距离处的观测点所接收到的雷电ELF电波为闪电源辐射的直接波，反向波和环球周期波互相振荡叠加的结果。雷电ELF电波随着源到观测点距离SOD的不同而表现出不同的波形特征。当地球-电离层波导腔为理想无耗介质时，雷电极低频电波的能量不会发生衰减，在源点球对称点位置的波形会出现相位反转现象。当地球-电离层波导腔为有耗介质时，反向波和环球周期波的幅值会受到电离层介质的影响不断发生衰减并消失。
　　2)不同电离层介质分布对雷电电磁场的时域波形影响相近，只在幅值上存在差别，且对雷电电磁场频谱特性的影响随着源到观测点距离SOD的不同而表现不同:(1)当SOD=5Mm时，单指数和’Knee’变化的电离层介质分布下的垂直电场频谱表征出了三峰值特征的舒曼共振谐振特征，而双指数变化的电离层介质分布下的频谱则表征出五阶舒曼共振谐振特征;(2)当SOD=10Mm时，三种电离层介质分布下的垂直电场频谱均表征出三峰值谐振的舒曼共振特征;(3)当SOD=15Mm时，双指数和’Knee’变化的电离层介质分布下的垂直电场频谱表现出双峰谐振的特征，而单指数变化的电离层介质分布下的频谱则表征出四峰值的舒曼共振谐振特征。
　　3)垂直电场的Q-burst的模拟时域波形和与实测数据具有较好的一致性，随着SOD的不同，Q-burst波形可表现为W型，V型，双V型和三脉冲结构的特征。垂直电场的模拟频谱图和实测数据在大于10 Hz的频段具有很好的相似性，都具有在高于某频率值（大约100 Hz左右）之后的高频成分迅速衰减的特征。通过对南北和东西方向的磁场Q-burst的模拟可知，个例中的超强闪电Q-burst发生时的电离层介质分布很可能具有双指数分布的特征，通过SOD估算可以推测此次超强闪电可能发生在东南亚闪电“热斑”地区。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景以及科学意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 极低频(ELF)电波的理论研究现状

1．2．2 极低频(ELF)电波的模拟研究现状

1．2．3 极低频(ELF)电波的观测研究现状

1．3 本论文的内容安排

第二章 利用FDTD方法对地球-电离层系统建模

2．1 舒曼共振的基本概念

2．2 基于三维球坐标FDTD方法的地球-电离层腔体建模

2．3 闪电电流源的加入

2．4 本章小结

第三章 观测距离对雷电ELF电波传输的影响分析

3．1 理想无耗地球-电离层系统中的传播

3．2 有耗地球-电离层系统中的传播

3．3 本章小结

第四章 不同电离层介质对雷电ELF电波的传输影响分析

4．1 电离层非线性介质模型

4．2 不同电离层介质分布对雷电ELF电波的传输影响

4．3 本章小结

第五章 超强闪电Q-burst传输特征的模拟和实测对比分析

5．1 垂直电场Ez的Q-burst传输特征的模拟和实测对比分析

5．2 切向磁场H的Q-burst传输特征的模拟和实测对比分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文的主要研究工作总结

6．2 创新点

6．3 本文存在的不足以及未来工作的展望

参考文献

致谢

作者简介