【正文】 2 / 2 / 2 02 2 2 3/ 2 / 2 / 239。 39。 39。1e x p [ ( ( ) ( ) ( ) ) ]2( , , ) 39。 39。 39。4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]z z y y x xz z y y x xx x y y z zrx y zE x y z d x d y d zx x y y z z? ? ? ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? （９） 其 中 ， x? ， y? ， z? 為云團(tuán) 電荷分布尺度 ， [ ( 39。) , ( 39。) , ( 39。) ]r x x y y z z? ? ? ?， ? 為大氣介電常數(shù) 。 一般情況下 ，（ ?x， ?y， ?z） ≥ （σ x ， σ y ， σ z ） ，因此測(cè)站 39。 39。 39。( , , )x y z 處地面大氣電場(chǎng)儀測(cè)量的電場(chǎng)僅僅是其中的一個(gè)分量 ZE ，根據(jù)式（ 9）， 雷暴云電荷所產(chǎn)生的 電場(chǎng) ZE 可以表示為： 0 0 00 0 0/ 2 / 2 / 20 2 2 2 3/ 2 / 2 / 22 2 20 0 0( 39。)( 39。, 39。, 39。)4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]1* e xp[ ( ( ) ( ) ( ) ) ]2z z y y x xZz z y y x xx y zzzE x y zx x y y z zx x y y z z dx dy dz???? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ?? ??? ? ? （ 10） 根據(jù)鏡像法 ， 可得雷暴云鏡像電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng) zE＇ 為 ： 0 0 00 0 0/ 2 / 2 / 20 2 2 2 3/ 2 / 2 / 22 2 20 0 0( 39。)( 39。, 39。, 39。)4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]1* e xp[ ( ( ) ( ) ( ) ) ]2z z y y x xzz z y y x xx y zzzE x y zx x y y z zx x y y z z dx dy dz???? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ?? ??? ? ?＇ （ 11） 則地面觀測(cè)站測(cè)得的總場(chǎng)強(qiáng)為 ： 39。( 39。, 39。, 39。) ( 39。, 39。, 39。)ZZE E x y z E x y z?? （ 12） (12)式即為地面大氣電場(chǎng)的觀測(cè)方程， 表 示在 39。 39。 39。( , , )x y z 處的測(cè)站觀測(cè)值與其它物理量之間的關(guān)系 。 3. 正演模擬計(jì)算分析 單極性電荷結(jié)構(gòu)雷暴云的大氣電場(chǎng)正演 以單極性雷暴云單體為例，給定雷暴云內(nèi)各個(gè) 參數(shù) 值，即：帶電云體的 電荷分布中心 電荷密度ρ 0；帶電云體的電荷分布尺度 （ ?x， ?y， ?z） ；帶電云體的電荷分布特征參數(shù)（σ x ，σ y ，σ z ）；帶電云體的電荷分布密度中心位置（ x0， y0， z0） 。 假設(shè)有 7 個(gè)地面電場(chǎng)觀測(cè)站，取定 7 個(gè)地面電場(chǎng)觀測(cè)站的坐標(biāo)，由觀測(cè)方程 (12)式可以正演算出 7 個(gè)地面電場(chǎng) 觀測(cè)站 相應(yīng) 的電場(chǎng)值 39。 39。 39。( , , )iE x y z （ i=1? 7），并將此正演結(jié)果作為大氣電場(chǎng)儀觀測(cè)值 。 正演過程可以通過以下流程圖表示： 5 圖 1 單極性雷暴云正演流程圖 本文正演過程所取參數(shù)如下： （ 1）單極性雷暴云在某一時(shí)刻的各項(xiàng)參數(shù)如表 1 所示： 表 1 單極性雷暴云電荷分布 參數(shù) 雷暴云電荷分布密度中心位置（ x0， y0， z0） （ 2， 4， ）（ km） 雷暴云電荷分 布 尺度 (Δ x， Δ y， Δ z) （ 10， 10， 4）（ km） 雷暴云電荷分布特征參數(shù)（σ x ， σ y ， σ z ） （ 4， 4， 1）（ km） 雷暴云電荷分布中心 電荷密度ρ 0 1 （ C/km3） （ 2） 7 個(gè)地面電場(chǎng)觀測(cè)站坐標(biāo)如表 2 所示： 表 2 地面觀測(cè)站站點(diǎn)位置信息 站點(diǎn) 坐標(biāo)（ x’ ， y’ ， z’ ） （ km） A （ 0， 0， 0） B （ 5， 5， 0） C （ 0， 10， 0） D （ 5， 5， 0） E （ 0， 5， 0） F （ 10， 0， 0） G (5， 0， 0 ) 從而可以得 到雷暴云電荷分布密度中心點(diǎn) Q（ 2， 4， ）與 7 個(gè)地面觀測(cè)站 站 點(diǎn)之間的位置分布 如圖 2 所示。 單極性雷暴云云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)對(duì)大氣電場(chǎng)的影響正演模擬分析 假設(shè)單極性雷暴云各項(xiàng)參數(shù)值 給定 7 個(gè)地面電場(chǎng)觀測(cè)站位置信息 將 7 個(gè)觀測(cè)站位置坐標(biāo)及單極性雷暴云各項(xiàng)參數(shù)值代入觀測(cè)方程（ 12）式并計(jì)算 求得的 7 個(gè)電場(chǎng)值，即正演值，記為 Ei ，并作為大氣電場(chǎng)儀觀測(cè)值 6 圖 2 雷暴云與觀測(cè)站平面位置示意圖 根據(jù)表 1 中單極性雷暴云各參數(shù) 值 ，由計(jì)算得到 該雷暴云的 總電荷量為 ，當(dāng)其 電荷分布密度中心位置（ x0， y0， z0） =（ 2， 4， ）時(shí)，根據(jù)觀測(cè)方程（ 12）式，由 表 1 及表 2 可以 算得 7 個(gè)地面測(cè)站 的大氣 電場(chǎng) Z 分量 觀測(cè) 值 39。 39。 39。( , , )iE x y z （ i=1? 7），如表 3。 表 3 雷暴云中心點(diǎn)位于（ 2， 4， ）時(shí) 7 個(gè)地面測(cè)站的大氣 電 場(chǎng) Z 分量 觀測(cè) 值 站點(diǎn) （ x’ ， y’ ， z’ ） （ km） 電場(chǎng)值 Ei（ ｋ V/m） A （ 0， 0， 0） B（ 5， 5， 0） C（ 0， 10， 0） D（ 5， 5， 0） E（ 0， 5， 0） F (10， 0， 0) G (5， 0， 0) 大氣電場(chǎng)強(qiáng)度與測(cè)站位置的關(guān)系 測(cè)站位置高度 為探討測(cè)站位置高度對(duì)大氣電場(chǎng)各分量的影響， 單極性雷暴云各參數(shù)的數(shù)值如表 1 所示。 以 測(cè)站 A 為例，對(duì) 同一位置的不同高度的 大氣電場(chǎng) 進(jìn)行 正 演計(jì)算， 所得 結(jié)果如表 4 所示 。 表 4 測(cè)站 A 位于不同高度時(shí)的大氣電場(chǎng)各分量值 （ x’ ， y’ ， z’ ）（ km） 大氣電場(chǎng) x 分量 Ex （ kV/m） 大氣電場(chǎng) y 分量 Ey （ kV/m） 大氣電場(chǎng) z 分量 Ez （ kV/m） (0， 0， 0) 0 0 (0， 0， ) (0， 0， ) 7 由表 4 結(jié)果中可以看出，當(dāng)測(cè)站 A 有一定高度（即高度不為 0）時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生 x 和 y 方向的大氣電場(chǎng)分量 。 因?yàn)橛^測(cè)點(diǎn)位置高于 地平面 時(shí) ， 觀 測(cè)點(diǎn)到云中電荷團(tuán)的距離與它到鏡像電荷團(tuán)的距離不一致 ，所以 會(huì)產(chǎn)生 x 或 y 方向的大氣電場(chǎng)分量 。 且當(dāng)測(cè)站位置 高度 離雷暴云越近，電場(chǎng) 的 Z 分量 絕對(duì)值越大 。 測(cè)站與單極性雷暴云之間的距離 為研究 地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度與測(cè)站水平距離的關(guān)系， 以表 1 單極性雷暴云各參數(shù)為例并 選取表 2 中前 5個(gè)測(cè)站（即測(cè)站 A、 B、 C、 D、 E）進(jìn)行大氣電場(chǎng)正演計(jì)算，分析 單極性雷暴云運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)各測(cè)站大氣電場(chǎng)的 時(shí)間變化 。 因此，根據(jù) 以上觀測(cè)方程 式 （ 12） 模擬單極性雷暴云電荷分布密度中心點(diǎn)（ x0， y0， z0）從圖 2 中（ 18， 4）運(yùn)動(dòng)到（ 18， 4） 時(shí) ， 5 個(gè)地面觀測(cè)站 39。 39。 39。( , , )x y z 計(jì)算所得的電場(chǎng)值 39。 39。 39。( , , )iE x y z （ i=1? 5）變化如圖 3 所示。 圖 3 單極性雷暴云在運(yùn)動(dòng)軌跡上對(duì) 5 個(gè)地面電場(chǎng)儀的影響 結(jié)合圖 2 中這 5 個(gè)測(cè)站與雷暴云的平面位置關(guān)系， 從圖 3 中可看出，雷暴云的過境使地面 大氣 電場(chǎng)值發(fā)生顯著的變化 。 當(dāng)雷暴云接近測(cè)站時(shí)，地面電場(chǎng)的觀測(cè)值變大，在雷暴云經(jīng)過測(cè)站所在 x 軸坐標(biāo)（即 離測(cè)站最近 ） 時(shí)達(dá)到極值 ，因此圖 3 中測(cè)站 D 最先達(dá)到極值，測(cè)站 A、 C、 E 次之且同時(shí)達(dá)到極值，測(cè)站 B 最后達(dá)到極值 ；當(dāng)雷暴云遠(yuǎn)離測(cè)站時(shí)，地面電場(chǎng)的觀測(cè)值變小 。 測(cè)站所在 y 軸坐標(biāo)離雷暴云 y 軸坐標(biāo)越近，能達(dá)到的極值就越大，因此圖 3 中測(cè)站 B、 D、 E 可達(dá)到的極值最大且 極值 相等，測(cè)站 A 次之，測(cè)站 C最小 。 8 電荷量 對(duì)大氣電場(chǎng)的影響 為研究電荷量對(duì)大氣電場(chǎng)的影響， 單極性雷暴云各參數(shù)的取值如表 1 所示，并改變?chǔ)?0的值，根據(jù)觀測(cè)方程 （ 12） 式 對(duì)測(cè)站 A（ 0， 0， 0）進(jìn)行大氣電場(chǎng)正演計(jì)算 。 即當(dāng) （ x0， y0， z0） =（ 2， 4， ）， (Δ x， Δ y，Δ z)=（ 10， 10， 4），（σ x ， σ y ， σ z ） =（ 4， 4， 1）時(shí)，改變?chǔ)?0的值 ，再根據(jù)式 （ 6） 算出單極性雷暴云的電荷 總 量 Q，繼而對(duì)比單極性雷暴云不同的電荷量對(duì) 地面測(cè)站 大氣電場(chǎng) 值 的影響，結(jié)果如表 5 所示。 表 5 單極性雷暴云電荷量對(duì)大氣電場(chǎng)的影響 雷暴云電荷分布密度中心電荷密度 ρ 0（ C/km3） +1 1 + 雷暴云電荷量 Q ( C ) 測(cè)站 A(0， 0， 0)的 大氣 電場(chǎng)值（ kV/m） 從表 5 中可看出， 地面大氣電場(chǎng)的極性 隨 雷暴云電荷 Q（或雷暴云電荷分布密度中心電荷密度ρ 0） 的極性 的 改變而改變 ；且地 面大氣電場(chǎng)值的大小與雷暴云電荷量成正比，這與 靜電點(diǎn)電荷所激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度 式 （ 7）相符 。 多極性電荷結(jié)構(gòu)雷暴云的大氣電場(chǎng)正演 基于以上單極性雷暴云對(duì)地面大氣電場(chǎng)影響的正演思路，本文以最常見的三極性雷暴云為例，進(jìn)行多極性雷暴云對(duì)地面大氣電場(chǎng)的影響 正演計(jì)算 。 三極性雷暴云的結(jié)構(gòu) 可 簡(jiǎn)化為三層單極性雷暴云， 當(dāng)?shù)孛娲髿怆妶?chǎng)觀測(cè)站高度為 0 時(shí)， 根據(jù)式（ 10） ~（ 12） 有該三層單極性雷暴云 及其鏡像電荷云團(tuán) 對(duì) 地面 大氣 電場(chǎng) 觀測(cè)站的 影響分別為： 0 0 00 0 02 2 20 2 2 2 32 2 22 2 20 00( 39。)( 39。, 39。, 39。)4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]1* e x p [ ( ( ) ( ) ( ) ) ]2z y xz y xZz y xz y xx y zzzE x y zx x y y z zx x y y z z d x d y d z???? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ? ? ? ?? ? ?? ??? ? ?下 下 下下 下 下下 下 下下 下 下下下 下下 下 下下 下 下 下 下 下下 下 下 （ 13） 0 0 00 0 02 2 239。0 2 2 2 32 2 22 2 20 0( 39。)( 39。, 39。, 39。)4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]1* e x p [ ( ( ) ( ) ( ) ) ]2z y xz y xZz y xz y xx y zzzE x y zx x y y z zx x y y z z d x d y d z???? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ?? ??? ? ?下 下 下下 下 下下 下 下下 下 下下下 下下 下 下下 下 下 下 0 下 下下 下 下 （ 14） 0 0 00 0 02 2 20 2 2 2 32 2 20 2 2 200( 39。)( 39。, 39。, 39。)4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]1* e xp [ ( ( ) ( ) ( ) ) ]2z y xz y xZz y xz y xx y zzzE x y zx x y y z zx x y y z zdx dy dz???? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ? ? ? ?? ? ????? ? ?中 中 中中 中 中中 中 中中 中 中中中 中中 中 中中 中 中 中 中 中中 中 中 （ 15） 9 0 0 00 0 02 2 239。0 2 2 2 32 2 20 2 2 20( 39。)( 39。, 39。, 39。)4 [ ( 39。) ( 39。) ( 39。) ]1* e xp [ ( ( )