雷电原理复习大纲

雷暴云电荷结构及起电机制

1．地球大气分层标准及各标准下的大气分层。

答案：按温度随高度的变化：对流层、平流层、中间层、热层和外大气层。

按大气组成：均质层、非均质层。

按电磁特性：中性层、电离层、磁层。

2．雷暴云的垂直偶极性和三极性结构分别是怎样的？

答案：垂直正偶极性：上正下负。

负偶极性：上负下正。

三极性结构：上部正电荷，下部负电荷，底部少量正电荷。

3．迄今为止，进过观测研究，除了垂直的偶极性和三极性电荷结构外，雷暴云中还存在什么样的电荷结构？

答案：反极性电荷结构、发生倾斜的电荷结构、多偶极形式的电荷结构等。

4．形成雷暴云需要什么条件，一个雷暴云单体分为哪几个阶段，各阶段有什么特征？

答案：条件：（1）凝结核。（2）空气中水汽的饱和或过饱和。（3）绝热膨胀降温（绝热上升）。

雷暴云单体发展共分三个阶段：积云期、成熟期和消散期。

积云期雷暴云水平尺度较小，云底高度较低，云体中仅有上升速度，云内粒子较单一，冰相粒子较少较小。

成熟期雷暴云水平尺度增大，云底高度上升，上升气流达到最大，同时有下沉气流出现，云内冰相粒子较大较多，此时期一般出现强的降水和闪电。

消散期雷暴云内以下沉气流为主，小的冰粒子和过冷水粒子在云的中上部，大的粒子随降水大量降到地面，雷暴云趋于消亡。

5．雷暴云的分类。

答案：依据形成过程中的对流抬升机制：局地热雷暴、锋面雷暴、地形雷暴。

根据形态和组织结构：普通单体雷暴、多单体雷暴、带状雷暴（飑线）、超级单体雷暴。6．什么叫做感应起电机制？

答案：指在垂直外电场的作用下，被极化的小云滴和大雨滴之间的碰撞会发生电荷转移，后来又衍生到霰粒与冰晶的碰撞起电。

7．什么叫做非感应起电机制？受哪些因素的影响？

答案：是雷暴云中最重要的起电机制，霰粒子与冰晶碰撞引起的转移电荷极性和电荷转移量主要依赖于温度和液态水含量，另外还与碰撞冰晶的尺寸和碰撞速度有关。

下行负地闪放电过程

箭式先导光学上表现为一根很亮的细线，或像几十米长的箭一样向地面传播，没有分叉。

梯级先导：闪电进入初始击穿后期，电子与空气分子发生碰撞，产生轻度的电离，而形成负电荷向下发展的流光，表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐级伸向地面。即为梯。

1．什么是上行地闪和下行地闪？

答案：上行地闪：从地面向上发展的先导激发。

下行地闪：向下移动的先导激发。

2．*一次负地闪过程分为哪几个阶段，每个阶段的特征及持续时间？梯级先导单个梯级的长度？梯级先导通道直径？梯级先导的平均电流？梯级先导的总电荷？

答案：（1）预击穿过程：初始击穿过程的正、负击穿都由同一点始发并沿相反的方向传播，分别进入负、正电荷区。

（2）梯级先导0

（3）连接过程：下行的梯级先导传播至地面几十米的范围内时，先导头部电荷产生局地电场将由于地面上的电导物体存在而增强，而地面或地面的突出物体上也将产生向上的迎面先导，当二者相连接时，将导致强的放电过程即回击的产生。先导和回击之间的过程被称为连接过程。

（4）回击过程：产生大电流强电磁辐射的地闪回击有效地将原来沉积在先导通道中的电荷以及在通道顶部的电荷输送到了地面。（继后回击：继后回击的峰值电流分布，差不多为首次回击的一半。）

（5）闪击间过程：在多回击地闪的两个回击之间，会发生连续电流、M分量和K变化等。时间间隔为几十毫秒。

（6）直串先导：回击一般没有分叉。直窜先导的电场变化一般持续时间为1ms。

单个梯级的长度平均为50m。梯级先导通道直径变化范围约1~10m。平均先导电流为1.3kA。总电荷量10-20C，单位梯级长度的平均电荷为10-3C/m。

3．先导的静电学模式中的源电荷模式。

答案：一个发展完善的先导通道可以等效为一个位于地表上空均匀带电的垂直线电荷。

4．回击间的过程：

一、连续电流

地闪的连续电流过程是雷暴云中局地荷电中心在闪击之后沿闪电通道对地的持续放电过程，它可引起慢而大幅度的地面电场变化，且云下的闪电通道持续发光。

二，K变化：云内的回击过程，其电场变化波形为单极性脉冲。

三、M分量指在回击过程之后通道微弱发光阶段通道亮度的突然增加，并伴随有电场的快速变化。

第二章正地闪、云闪和其他类型闪电

1．正地闪的放电过程。

答案：云内预击穿过程、先导过程、连接过程、回击过程、闪击间过程、连续电流和M分量等。

2．上行闪电。

答案：当雷暴云下部存在大范围的正电荷区时，可能在高大建筑物顶端诱发上行负先导。当上行负先导进入雷暴云正电荷区后稳定传输，从而将云内正电荷等效地向大地释放。高大建筑物顶端易于始发上行先导，但同时其顶端的电晕离子可能会抑制先导的始发

。绝大多数上行负地闪是由于周围发生的正地闪诱发的。

3．双极性地闪。

答案：指在云对地放电过程中，同时向大地释放了两种相反极性的电荷。

4．一次云闪的主要过程。

答案：常始于连续传播的流光，当其遇极性相反的电荷源时，引发类似地闪回击的放电过程，即反冲流光，伴随小而快速的电场变化（K-变化）。

云内放电过程区分为初始、活跃和结束三个阶段。、、、、、、

上行闪电（上行雷）：地面尖端物由于尖端放电形成持续传输的流光，向上传输进入雷暴云，从而引发的雷电称为上行闪电（上行雷）

第三章人工引发雷电

1．火箭人工引雷中传统的引发雷电技术和空中引发雷电技术方法、原理，引发雷电的过程。

引发雷电技术

技术方法：火箭-导线技术原理：尖端放电

过程：通过向起电的雷暴云体发射拖带金属导线的小火箭来实施的，在负环境电场下，当火箭以100~200m/s的速度升空时，引雷钢丝同时也被拉出通常火箭上升到一百米的高度时，由于尖端放电效应，在导线上端引发上行正先导，随着正先导的发展，导线上的电流达到一定的强度，导线由于被不断加热而熔断，随后放电通道再次被导通，并促进上行正先导进一步发展进入云体。随后发生类似于自然雷电箭式先导-继后回继的放电过程，即引雷成功。

空中引发雷电技术

技术方法：火箭-导线-尼龙线技术原理：尖端放电

过程：火箭拖带的细金属导线与大地之间通过一定长度的绝缘尼龙线相连，上升的火箭首先释放出一段几十米的绝缘尼龙线，然后是金属导线。当释放的金属导线达到一定长度时，在导线的两端引发先导过程，当下行的负先导接近地面时，一个上行的连接正先导将从地面目标物激发，一旦两个先导连接，将在目标物与导线下端之间产生所谓的双向先导-小回击过程，随后发生的放电过程与传统引雷方式类似。

2．传统的人工引雷中雷暴云底部分别为正电荷和负电荷时，引发的雷电物理过程有什么区别？

为正电荷时，引发的雷电一般在初始连续电流过程之后即终止，放电的峰值电流一般在千安上下为负电荷时，初始连续电流过程之后，可能会发生数次直窜先导及继后回击过程，放电的峰值电流可达数十千安，放电持续时间一般在数百毫秒甚至一秒以上。

3．

4．冰雹云、飑线、热带气旋中的闪电特征。

(1)冰雹云：单体、多单体和超级单体风暴都可能产生冰雹。

冰雹云除降雹外，还常伴有强降水、破坏性大风和雷电等灾害性天气。

冰雹云中的上升气流速度更大，能够携带更多的降水粒子进入高空，使得云顶高度更高，雷达回波也更强。

动力和微物理条件非常利于雷暴的起电和放电。通常，冰雹云的雷电频数要远高于普通雷暴。

(2) 飑线:飑线（Squall Line）又称不稳定线或气压涌升线，是由若干排列成行的雷暴单体或雷暴群所组成的风向、风速发生突变的狭窄的强对流天气带。

飑线过境时，常产生冰雹、灾害性强风以及雷电等。

飑线中，云闪通常非常活跃，占总闪的绝大部分。

一般可将飑线划分为3个独立的区域：对流区、过渡区以及层云区。

(3) 热带气旋:热带气旋（Tropical Cyclone）是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋，是一种强

大而深厚的热带天气系统。

与中纬度的中尺度对流系统相比，热带气旋内的上升气流较弱，过冷水含量也少。

根据非感应起电机制，这些动力和微物理特征并不适合云内起电过程的发生。实际的观测也表明，热带气旋中的雷电活动并不频繁。

5．正极性地闪与灾害性天气的可能关系。

通常，雷暴中正地闪占总地闪的比例较低，一般少于10% ，但有些情况下正地闪比例也有可能较高，如雷暴消散期、冬季雷暴、中尺度对流系统的层云区等

此外，强雷暴的对流区有时也呈现出正地闪非常活跃的现象。

所以，在某些地区、某些特殊类型的风暴确实能够产生大量的正地闪，并且还较为常见6．全球雷暴活动的地理分布呈现哪三个特征？

（1）平均年雷暴活动一般随纬度增加而递减。

（2）陆地上的平均年雷暴日普遍大于同纬度的海洋地区。

（3）在陆地上，潮湿地区的平均年雷暴日一般大于同纬度干旱地区的数值。

7．中国雷暴活动的地理分布特征？

(1)陆地上的雷电活动大体可分为四条大致与海岸平行的带状区域：近海区域，中部区域，

西部区域和西部边境区域，陆地雷电活动的这一特点与中国地势的三级阶梯分布紧密相

关。

(2)喜马拉雅山脉南北两侧、中国陆地东部和西部，海洋和陆地之间雷电密度差别很大。

（3）广州附近、广东茂名附近及海南岛中部地区是中国雷电活动最频繁的三个地区。

（4）中国地势第二级阶梯的西部及青藏高原的北部边缘地区是中国雷电活动最弱的区域，个别地区甚至全年没有一次雷电

第四章雷暴云上方的大气瞬态发光事件

1．雷暴云上方的大气瞬态发光事件包括哪几种？颜色、形态、发展的高度和方向、亮度等方面各有什么特征？

(1)红色精灵

颜色：上方头发（hair），88~95 km的高度；中间为头（head），66~74 km，这两部分皆为红色；下方为卷须，40~60 km高度，上方为红色，向下转成紫色最后变成蓝色

形态：可以是单一的垂直圆柱状，也可以由多个具有复杂尺寸、取向和形状的分离单元构成，但以圆柱状(columniform)和胡萝卜状(carrot)为主要形态，另外, 还有天使状(Angle) 和焰火状(firework) 等

发展的高度和方向：始发高度一般在70~85 km，并以大约10 000 km/s的速度快速向下发展。

亮度：亮度可达几百兆瑞利, 并持续几十毫秒。

(2)蓝色喷流:

颜色：蓝色

形态：倒圆锥形

发展的高度和方向：从雷暴云向上发展，速度相对较慢，约为100 km/s，发展的最大高度约在40~50 km左右。

(3)光辐射和甚低频扰动:颜色:红色；发生高度：低电离层区域约80~95 km;

(4)巨大喷流:

巨大喷流与蓝色喷流类似；但是巨大喷流可由强烈的雷暴云顶部一直延伸到大约70~90 km的高度，直达电离层下部

(5)光环:是一种自电离层向下发展的短暂发光，水平范围约40—70 km。