基于VLF/LF多站观测的初始击穿脉冲串特征研究

摘要

初始击穿脉冲串(Preliminary Breakdown Pulses，PBPs或者Initial BreakdownPulses，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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 初始击穿过程的研究回顾

1．2 初始击穿脉冲特征参数

1．3 初始击穿脉冲串与回击之间的特征参数

1．4 可探测初始击穿脉冲串百分比

1．5 初始击穿过程的放电模型

1．6 论文的选题与主要内容

第2章 仪器设备和方法

2．1 闪电观测系统

2．1．1 硬件系统

2．1．2 站点分布与误差分析

2．2 雷达资料

2．3 数据处理方法

2．3．1 时差定位算法

2．3．2 回击识别算法

2．4 本章小结

第3章 四次单体小雷暴中的初始击穿脉冲串特征分析

3．1 数据说明

3．1．1 数据预处理

3．1．2 雷暴总体特征

3．2 雷暴不同发展阶段的初始击穿脉冲串特征

3．2．1 PBA在雷暴发展中的演变

3．2．2 RSA在雷暴发展中的演变

3．2．3 PB-RS幅值比在雷暴发展中的演变

3．2．4 PB-RS间隔在雷暴发展中的演变

3．3 初始击穿脉冲串与回击关系

3．4 负地闪中初始击穿脉冲串百分比

3．5 讨论

3．6 本章小结

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

4．1 数据说明

4．2 雷暴不同发展阶段的初始击穿脉冲串特征

4．2．1 PBA在雷暴发展中的演变

4．2．2 RSA在雷暴发展中的演变

4．2．3 PB-RS幅值比在雷暴发展中的演变

4．2．4 PB-RS间隔在雷暴发展中的演变

4．3 初始击穿脉冲串与回击关系

4．4 讨论

4．5 本章小结

第5章　结论与展望

5．1 本论文的主要研究结果

5．2 本论文的主要创新点

5．3 未来工作展望

参考文献

致谢

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