雷电灾害是当今十大自然灾害之一,雷电预警与雷暴云定向对国民经济、交通、军事、航空航天等领域具有重要的影响。基于大气电场的雷电预警是防雷减灾的重要手段,为此研究大气电场测量,尤其是三维大气电场测量的雷电预警和雷暴云定向是目前雷电探测领域的研究重点和热点。大气电场是大气电学的基本参数,是雷电预警的基础,目前常用的一维大气电场仪只能测量一个方向的大气电场,通常是垂直电场,不能确定电场矢量,当感应方向和电场方向不一致时,测量误差大。在应用中,而机场和航空航天基地等需要对雷暴云电荷进行定向,气象部门需要对雷电及其位置进行预警,因此,通过雷暴云电荷在地面形成的三维大气电场强度和方向的探测,确定雷暴云方位,跟踪雷暴云运动轨迹,对分析雷电活动和雷暴云电荷结构,实现对雷电定向预警,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文分析了雷暴云地面三维大气电场分布特征,研究了地面三维大气电场与雷暴云电荷的方位关系,根据地面电场探测与雷暴云定向的要求,设计了单轴旋片式地面三维大气电场传感器,与相对介电常数传感器相结合构建地面三维大气电场测量系统,通过设计标定平台,研究了电场传感器标定方法。分析了三维大气电场测量系统野外观测的环境条件,通过野外观测实验,研究了地面三维大气电场的性质与特征,并结合雷达图对雷暴云定向进行了对比研究,提出了基于三维大气电场探测的雷电定向预警方法,主要研究内容如下:1、分析了雷暴云电荷在地面产生的三维大气电场的分布特征,以及三维大气电场对地面介电常数和水平距离的敏感性,研究了电场方向和雷暴云对观测点的方位关系,提出了基于地面三维大气电场和地面相对介电常数相结合的空中雷暴云定向方法。2、研究了大气电场传感器的测量原理,设计了一维振动屏蔽式电场传感器,在此基础上,进一步设计了具有差分信号结构的单轴旋片式三维大气电场传感器,包括传感器结构,感应电极设置,感应信号处理电路,系统控制电路,存储通信电路等。根据雷暴云定向方法,设计了同面多电极结构地面相对介电常数传感器,与三维大气电场传感器相结合,构建了地面三维大气电场测量系统,设计了下位机测量程序和上位机处理软件,为雷暴云定向观测提供了实验装置。3、研究了三维大气电场传感器的标定方法,设计了标定装置,分析了电场对不同方向三维大气电场传感器感应电极的影响问题,确定了三维大气电场传感器标定方案,对三维大气电场传感器方向影响系数和辅助测量的相对介电常数传感器进行了标定,通过实验进行了检验。4、研究了三维大气电场传感器电场测量易受环境影响的问题,提出了三维大气电场传感器安装条件和对周围环境的一般要求。利用雷暴云定向观测系统,通过长时间的雷暴云定向观测实验,根据实验数据,分别分析了不同气象条件下地面三维大气电场的强度特征,雷暴云发生、发展和消散期间电场强度特征和电场方向特征,雷暴云电荷积累期电场方向变化以及闪电期电荷结构变化,说明了本系统可用于雷暴云电场强度、电场方向等信息获取和雷暴云定向。5、通过地面三维大气电场方向对雷暴云进行定向实验研究,并与雷达对雷暴云定向效果图对比分析,说明了本文所研制系统能够跟踪雷暴云移动路径。通过设置三维大气电场的垂直电场门限,结合电场抖动特征,对雷电进行预警,同时,通过电场水平方位角给出了雷电活动的方位。实验结果表明,与雷达资料和闪电定位资料观测结果相符。