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闪电连接过程中先导三维发展特征的分析

作　者: 高彦
导　师: 吕伟涛
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 自然闪电连接过程通道三维重建先导三维发展特征
分类号: P427.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 3次
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内容摘要

闪电二维图像不能反映三维空间中闪电通道的真实分布情况，难以满足准确分析闪电通道三维发展特征和闪电先导相互作用的需求。本硕士论文建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法，从两幅在不同位置拍摄到的闪电二维图像上分别获取闪电通道的坐标序列，利用空间立体几何原理，寻找两组序列中相互匹配的坐标，再由匹配的坐标序列重建出最终的闪电三维通道。利用建立的闪电通道三维重建方法，对2012年在广州观测到的6次自然闪电连接过程中上行连接先导（Upward Connecting Leader，UCL）和下行先导主分叉（Primary Branch of Downward Leader，PBDL）的通道进行了三维重建，并对比分析了利用单站高速摄像资料和双站光学观测三维重建资料得到的首次回击前连接过程中先导的二维和三维发展特征。主要结论如下：1.重建得到的6个UCL通道三维长度的范围为180-818m，平均值为426m；UCL三维速率的变化范围为0.8-14.3105m/s,平均值为4.7105m/s。UCL三维速率随时间呈现逐渐增加的趋势。2.对应于UCL三维速率的时间段，PBDL三维速率的变化范围为0.8-6.8105m/s,平均值为3.4105m/s。在首次回击前0.4ms之前，PBDL的速率随时间没有明显的变化；在首次回击前0.4ms之内，PBDL的速率随时间有明显增加的趋势。3.PBDL和UCL之间三维速率比值的范围为0.2-3.8，平均值为0.9。该比值随时间呈现逐渐减小的趋势。在首次回击前0.5ms之内，75%的三维速率比值小于1。4.单独使用主观测站的高速摄像资料，可以得到6个个例中UCL和PBDL三维重建通道对应的二维发展特征。从统计结果来看，三维数据是二维数据的1.1-1.8倍。5.PBDL头部亮度随时间没有明显的变化趋势，只有在回击前0.2ms之内，PBDL头部亮度才有明显的提升；UCL头部亮度随时间呈增加的趋势。总体上看，先导头部亮度的变化趋势和先导速率的变化趋势相一致。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章引言  10-16
  1.1 闪电现象  10
  1.2 连接过程中先导发展特征  10-12
    1.2.1 光学观测结果  11-12
    1.2.2 模式模拟结果  12
  1.3 三维定位方法  12-14
    1.3.1 电磁场和声学三维定位方法  13-14
    1.3.2 光学三维定位方法  14
  1.4 研究目的和意义  14-15
  1.5 研究内容  15-16
第二章广州高建筑物雷电观测试验  16-22
  2.1 观测场地  16
  2.2 观测系统  16-22
    2.2.1 主观测站观测设备  16-19
    2.2.2 副观测站观测设备  19-22
第三章双站摄像资料重建闪电三维通道的方法  22-34
  3.1 空间坐标系的建立  22-23
  3.2 重建方法  23-27
    3.2.1 初始化角度  23-24
    3.2.2 匹配角度  24-25
    3.2.3 利用匹配的角度重建闪电通道  25-27
  3.3 最短公垂线法  27
  3.4 方法检验  27-32
    3.4.1 重建标准点的坐标  27-29
    3.4.2 个例分析  29-31
      3.4.2.1 校准角度和初始化闪电通道  30
      3.4.2.2 重建三维闪电通道  30-31
      3.4.2.3 重建误差  31
    3.4.3 算法分析  31-32
  3.5 结论  32-34
第四章一次自然闪电连接过程中不同先导发展特征对比  34-48
  4.1 分析  34-45
    4.1.1 下行先导主分叉（PBDL）发展特征  40
    4.1.2 上行连接先导（UCL）发展特征  40
    4.1.3 上行未连接先导（UUL）发展特征  40-42
    4.1.4 PBDL 和 UCL 的最终连接  42-43
    4.1.5 先导发展速率的比值  43-44
    4.1.6 先导头部亮度  44-45
  4.2 结论和讨论  45-48
第五章连接过程中先导的发展特征  48-60
  5.1 观测资料  48-49
  5.2 UCL 发展特征分析  49-53
    5.2.1 UCL 长度  49
    5.2.2 UCL 速率  49-53
      5.2.2.1 UCL 速率和时间的关系  50-51
      5.2.2.2 UCL 速率和长度的关系  51
      5.2.2.3 UCL 速率和高度的关系  51-52
      5.2.2.4 UCL 速率和先导头部三维间距的关系  52-53
  5.3 PBDL 发展特征分析  53-55
    5.3.1 PBDL 速率和时间的关系  53-54
    5.3.2 PBDL 速率和先导头部三维间距的关系  54-55
  5.4 下行先导主分叉和上行连接先导之间速率的比值  55-56
  5.5 先导头部亮度和时间的关系  56-57
  5.6 先导连接方式  57-60
第六章总结和展望  60-64
  6.1 总结  60-61
  6.2 创新点  61
  6.3 展望  61-64
参考文献  64-68
致谢  68-70
个人简历  70

闪电连接过程中先导三维发展特征的分析

内容摘要

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