中层大气闪电现象的模拟研究

论文摘要

当今,中层大气闪电现象的研究是中高层大气的热门研究课题。本论文主要从数值模型方面对中层大气闪电现象进行模拟研究。论文的第一章介绍了中层大气闪电现象的研究现状;在第二章和第三章,简单地介绍雷暴云的电荷结构理论和闪电放电的电流特征,大气击穿和电子崩理论等,为后面的模型建立做铺垫。在第四章中,以Possion方程为基础,建立了一个二维、时变的准静电场模型,并用模型很好的解释Red sprite的时空间特征。在第五章中,以麦克斯韦方程组为基础建立了一个二维、时变的电磁场模型。电磁场模型模拟结果显示:闪电放电产生的电场主要分布在两个区域,近场区和远场区。近场区的电场（准静电场）是产生Red sprite的源;远场区的电场（辐射场）是产生Elves的源。并讨论了不同放电电流参数对Elves的水平扩张速度的影响。在第六章里,我们用扩散击穿机制简单地讨论了Blue jet的空间特征。并简单的探讨了为什么40-50km高度是Blue jet向上的终端高度和Red sprite向下的最低点高度。总之,我们改进了已有的准静电场和电磁场模型;得到了一些符合观测实际的模拟结果;解释了一些新观测现象,为下一步的研究提供了理论基础。

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 中层大气闪电现象的观测介绍
• 1.2.1 Red sprite
• 1.2.2 Blue jet
• 1.2.3 Elves
• 1.2.4 Gigantic jet
• 1.3 中层闪电现象的理论和模型研究介绍
• 1.4 研究目的和意义
• 1.4.1 科学意义
• 1.4.2 应用价值
• 第二章 大气电学特征
• 2.1 晴天大气电特征
• 2.1.1 晴天大气中存在电场和自由电荷
• 2.1.2 晴大气的电流密度
• 2.1.3 晴天大气的电导率
• 2.1.4 晴天大气电场
• 2.1.5 晴天大气的电势
• 2.1.6 晴天大气的电荷密度
• 2.1.7 全球电路
• 2.2 雷暴云的电荷结构
• 2.3 雷暴云起电机制
• 2.3.1 感应起电机制
• 2.3.2 非感应起电机制
• 2.3.3 对流起电机制
• 2.4 闪电的观测特征
• 2.5 正云地闪的主要特征
• 第三章 气体击穿特征简介
• 3.1 气体电离
• 3.1.1 电子在电场中加速
• 3.1.2 碰撞电离和碰撞电离系数
• 3.1.3 平均自由程和碰撞截面
• 3.2 气体击穿的电子崩理论
• 第四章 Red sprite 的准静电场理论和模型
• 4.1 准静电场的物理理论
• 4.2 模型的背景电场等参数的选取
• 4.3 闪电放电参数的选取
• 4.4 模型的计算坐标系
• 4.5 结果与讨论
• 4.6 小节
• 第五章 Red sprite 和Elves 的电磁场理论和模型
• 5.1 Red sprite 和Elves 的电磁场模型
• 5.1.1 闪电放电电流参数的选取
• 5.1.2 模型的基本方程
• 5.1.3 模型的电磁场初值
• 5.1.4 计算坐标系
• 5.1.5 结果和讨论
• 5.1.6 小结
• 5.2 Elves 超光速水平扩张
• 5.2.1 模拟参数的选取
• 5.2.2 Elves 在89km 高度水平扩张
• 5.2.3 Elves 超光速水平扩张速度的几何解释
• 5.2.4 闪电放电电流波形对Elves 水平扩张速度的影响
• 5.2.5 小结
• 5.3 模拟研究闪电放电产生的天电
• 第六章 Blue jet 的定性探讨讨
• 6.1 Blue jet 的电子流飘移击穿机制
• 6.2 Blue jet 的向上运动的速度
• 6.3 Blue jet 的半径宽度
• 6.4 Blue jet 的高度
• 6.5 小结和讨论
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 创新点
• 7.3 今后工作的设想
• 参考文献
• 博士期间主要工作成果
• 致谢