雷暴云过境时的地面大气电场变化特征_与云中电荷结构反演模拟分析毕业论文(编辑修改稿)

雷暴云过境时的地面大气电场变化特征_与云中电荷结构反演模拟分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

( ) ( ) ) ]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 0 中 中中 中 中 （ 16） 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                 上 上 上上 上 上上 上 上上 上 上上上 上上 上 上上 上 上 上 上 上上 上 上 （ 17）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                   上 上 上上 上 上上 上 上上 上 上上上 上上 上 上上 上 上 上 0 上 上上 上 上 （ 18） 于是地面测站测得的大气电场值可以表示为： 39。 39。 39。 Z Z Z Z Z Z ZE E E E E E E     下 下 中 中 上 上 （ 19） 同样的，通过给定三极性雷暴云各层电荷 层内各个 参数的值，即：各层带电云体的 电荷分布密度中心 电荷密度 0 00  下 中 上（ ， ， ） ；各层带电云体的电荷分布尺度（ x 下 、 y 下 、 z 下 ）、（ x 中 、 y 中 、 z 中 ）、（ x 上 、y 上 、 z 上 ）；各层带电云体的电荷分布特征参数 x y z  下 下 下（ ， ， ）、x y z  中 中 中（ ， ， ）、x y z  上 上 上（ ， ， ）；各层带电云体的电荷分布密度中心位置 00ox y z下 下 下（ ， ， ） 、 00ox y z中 中 中（ ， ， ） 、 00ox y z上 上 上（ ， ， ）。 并取定 表 2 中前5 个测站（即测站 A、 B、 C、 D、 E） ，由观测方程 (13~19)式可以正演算出雷暴云电荷分布密度中心位置位于（ x0， y0， z0）时， 5 个地面测站 相应的 大气 电场值 39。 39。 39。 ( , , )iE x y z （ i=1„ 5）。 根据相关文献里对雷暴云电场的穿云观测结果 [6]， 将 三极性雷暴云各项参数设置如下表所示： 表 6 三极性雷暴云电荷分布 参数 层数 电荷分布密度 中心位置 （ x0， y0， z0）（ km） 电荷分布特征参数 （σ x ， σ y ， σ z ） (km) 电荷分布尺度 （ △ x，△ y，△ z）（ km） 电荷分布 中心密度值ρ 0（ C/km3） 下层 （ 2，４ ,４） （ ７ ,４ ,３） （ 10， 5， ４ ） + 中层 （ ２ ,４ ,８） （ 8， ３ ,１ ） （ 10,５ ,２ ） 上层 （ ２ ,４ ,10） （ ８ ,７ ,１ ） （ 10， ７ ， ３ ） +1 10 同上，当该三极性雷暴云从图 2 中（ 18， 4）运动到（ 18， 4），则 5 个地面观测站 （ x’ ， y’ ， z’ ）根据观测方程（ 13~19）式计算所得的电场值 39。 39。 39。 ( , , )iE x y z （ i=1„ 5）变化如图 4 所示。 图 4 三极性雷暴云在运动轨迹上对 5 个地面电场仪的影响 结合图 2 中这 5 个测站与雷暴云的平面位置关系，从图 4 中可看出，多极性雷暴云沿同一运动轨迹对各测站的影响规律和单极性雷暴云 大致相同 ，雷暴云的过境使地面大气电场值发生显著的变化。 当雷暴云接近测站时，地面电场的观测值变大，在雷暴云经过测站所在 x 轴坐标（即离测站最近）时达到极值，因此图 4中测站 D 最先达到极值，测站 A、 C、 E 次之且同时达到极值，测站 B 最后达到极值；当雷暴云远离测站时，地面电场的观测值变小。 测站所在 y 轴坐标离雷暴云 y 轴坐标越近，能达到的极值就越大，因此图 4 中测站B、 D、 E 可达到的极值最大且极值相等，测站 A 次之，测站 C 最小。 与图 3 中单极性雷暴云对地面电场的影响相比，由于三极性雷暴云的结构更为复杂，带电量 不同等因素， 图 3 中测站 B、 D、 E 与测站 A 的极值之差和测站 A 与测站 C 的极值之差相差不大，而图 4 中测站 B、 D、 E 与测站 A 的极值之差 比 测站 A 与测站 C 的极值之差 大得 多。 4. 反演模拟计算分析 单极性雷暴云电荷群分布参数（σ x ，σ y ，σ z ，ρ 0 ）的反演思路 在实际工作中，我们需要根据 地面大气电场的 观测 资料来推断 雷暴云电荷结构 参数 ， 这就 需要进行反演分析。 本文以单极性雷暴云单体为例，对雷暴云电荷分布特征参数（σ x ， σ y ， σ z ） 和雷暴云电荷分布密度中心电荷密度ρ 0进行反演。 反演过程 由 流程图 5 表示。 11 图 5 单极性雷暴云反演流程图 根据反演流程图图 5，具体反演过程如下： 将 节正演过程 所得到的 7 个地面测站 的 电场 值作为“实际 观测值 ”， 如表 3，记为 39。 39。 39。 ( , , )iE x y z （ i=1„7）。 并 假设通过其他观测工具已经获得 单 极性雷暴云电荷分布 密度中心位置（ x0， y0， z0） =（ 2， 4， ）及雷暴云电荷分布 尺度 (Δ x， Δ y， Δ z)=（ 10， 10， 4）。 为反演雷暴云电荷分布特征参数（σ x ， σ y ， σ z ） 及雷暴云电荷分布密度中心点电荷密度ρ 0 ，先给定一个初值  0ˆˆ ˆ ˆ, , ,x y z    ，代入观测方程 (12)式求得 1 2 3 4 5 6 7ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ( , , , , , , )iE E E E E E E E ，记观测值 iE 与计算值 ˆiE 之单极性雷暴云电荷群反演模拟分析 读入 地面大气电场观测值及被反演量以外的其它参数 的数值 设定被反演量0, , ,x y z   （ ）的初值 将以上各项参数值代入观测方程（ 12）式，计算得 7 个观测站电场估计值，记为 ˆiE 记观测值 Ei与计算值 ˆiE 之偏差 )ˆ( iii EE  , 0ij 或 ,ij m m 为最大误差允许值 反演结束，输出 最终迭代结果 给被反演量 10%的 扰动，并继续迭代 计算电场对被反演量的偏导值，并通过线性近似和Jacobi 矩阵 法， 求得被 反演 量的 一个修 正量0( , , , )x y z   ，对初值进行调整 是 否 12 偏差 ˆ()i i iEE   ， 0i。 给  0ˆˆ ˆ ˆ, , ,x y z   一个变分（0ˆˆ ˆ ˆ, , ,x y z   ），此处取被反演量初值  0ˆˆ ˆ ˆ, , ,x y z   的 10%。 即 39。 ˆ ˆ ˆx x x   39。 ˆ ˆ ˆy y y   39。 ˆ ˆ ˆz z z   39。 0 0 0ˆ ˆ ˆ   （ 20） 分别将这四个量代入观测方程 (12)式，注意当代入以上任一参数时其他参数需保持不变，并记每改变一个参数时所求得的电场计算值为 39。 ˆE ，称 39。 ˆ ˆiiEE 为场强变分。 因为有 7 个地面观测站，因此应有 28 个变分。 由变分可得偏导数的估计值为： 39。 ˆ ˆˆi i ixxE E E  39。 ˆ ˆˆi i iyyE E E  39。 ˆ ˆˆi i izzE E E  39。 00ˆ ˆˆi i iE E E  (21） 由线性近 似有 00i i i ii x y zx y zE E E E                      i=1„ 7 （ 22） 其中 0( , , , )x y z   为修正量，根据（ 21）和（ 22）式， 记 Jacobi 矩阵 为 110770xxEEJEE   （ 23） 则 方程组（ 22） 式 的矩阵形式为 13 0*xyzJ  (24) 可得 10( * ) * *xy TTizJ J J  (25) 解出 0( , , , )x y z   后，用  0ˆˆ ˆ ˆ, , ,x y z   + 0( , , , )x y z    代替  0ˆˆ ˆ ˆ, , ,x y z   ，通过一次或多次的迭代过程 ，最后 得到真实值 0, , ,x y z   （ ） 的估计值。 单极性雷暴云 情况下 （σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ）的反演 模拟计算举 例 由 节表 1 中 的单极性雷暴云各项参数 值和表 2 中 7 个地面测站的位置坐标， 可正演算出如表 3 中的各测站大气电场观测值；再 根据以上单极性雷暴云电荷群的反演思路， 研究 单极性雷暴云对地面大气电场的正演和 单极性雷暴云 云内电荷结构的反演。 反演模拟分析中，取 表 1 中被反演量 （σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ）除外的其他电荷分布参数，即当 （ x0， y0， z0） =（ 2， 4， ）， (Δ x， Δ y， Δ z)=（ 10， 10， 4） 时，给被反演量（σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ）一个假定的初值，并代入观测方程 （ 12） 式，求出相应的大气电场计算值，再与表 3 中的各测站大气电场观测值作比较，并根据线性相似与 Jacobi 矩阵法，通过一次或多次的迭代，对被反演量初值进行调整，最后求得被反演量（σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ）真实值的一个估计值。 模拟试验中，各参数迭代估计值与相应真实值之差的平方和（误差平方和）取 为阈值 ， 被反演量（σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ） 用三 组 不同 的 初值 进行反演 ，得到结果如下表所示 ： 表 7 单极性雷暴云（σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ）的反演 （σ x ，σ y ， σ z ，ρ 0 ）真实值 （σ x ，σ y ， σ z ，ρ 0 ）初 值 （σ x ，σ y ， σ z ，ρ 0 ） 第 1 次迭代值 误差平方和 （ 4,4,1,1） （ ,） （ ,） （ ,） （ ,） （ ,） (,) 从表 7 的迭代结果中可看出， 经过上述方法，对被反演量 （σ x ， σ y ， σ z ，ρ 0 ） 在其初始估计值 为（ ,） 、（ ,）和（ ,） 的基础上 进行 一次 反演迭代， 误差平方和都较小， 可以得到比较好的估计值， 说明此算法用于地面大气电场与雷暴云电荷结构的反演具有。