从空间探测闪电的综述

从空间探测闪电 30多年的历史看 ,一些卫星闪电遥感仪器已提供了许多极有价值的资料 ,例如 ,闪电全球范围内发生的频率 ,其随纬度和季节的变化以及日变化 ,超级闪电的发生等等。这些资料在雷电灾害预警预防、强对流天气监测、某些军事目标的识别等业务和科研工作中得到了应用。本文是关于空间探测闪电的一个综述 ,主要介绍过去 35a一些星载闪电光学探测器 ,并给出由这些仪器观测资料分析所得到的一些重要结果。最后 ,对发展中国星载闪电探测器提出几点建议。     

WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统数据的对比分析

利用WWLLN(World-Wide Lightning Location Network,全球闪电定位网)与江苏省ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活动目录拓扑图)闪电定位系统数据,对2006—2009年江苏省闪电活动年际变化、月际变化、日变化和空间分布、以及探测效率和探测精度等展开研究讨论。结果表明,WWLLN探测的闪电时空分布趋势与ADTD保持较好的一致性:江苏省白天发生的闪电次数略高于晚上;闪电主要集中发生在6—8月,仲夏闪电最为活跃;一天中闪电频次峰值时间段出现在16时(北京时间)左右;江苏省闪电分布呈现明显的地域性,闪电密度高值区位于省内偏西和偏南地区,大致与江苏省经济发达地区的地域分布相吻合。总体上,WWLLN探测到的闪电频次和闪电密度值比ADTD小一个数量级。随着WWLLN全球测站数目的逐年增加以及WWLLN定位技术的升级完善,WWLLN探测效率和探测精度逐步提高。WWLLN探测效率与回击电流极性和强度大小有关联。     

2006—2011年广州人工触发闪电

2006—2011年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 (GCOELD)。试验期间,针对人工触发闪电进行了近距离声、光、电、磁特征等综合测量,对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行了观测和分析,并对广东省地闪定位网的探测效率和定位精度与人工触发闪电进行了比对和校验。试验结果表明:人工触发闪电回击峰值电流范围为-31.93~-6.67 kA,回击电流波形的半峰宽度的范围为6.18~74.19 μs,10%—90%的上升时间范围为0.24~2.25 μs。触发闪电的上行正先导的发展速度在104~105 m/s量级;人工触发闪电的回击过程在架空电源线路 (1200 m长,2 m高) 上产生的感应过电压可达十几千伏;广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件的探测效率为95%,平均定位误差为759 m,闪电定位系统反演得到的电流峰值与实际测量的电流峰值平均相对偏差为16.3%。     

闪电产生的氮氧化物对青藏高原臭氧低值区的可能影响

为进一步认识闪电放电对夏季青藏高原地区臭氧低值区形成的可能影响,本文利用2005年-2013年星载光学瞬变探测器O TD和闪电成像仪LIS资料合成的LIS/OTD2.3版本再分析格点资料与荷兰皇家气象研究所TIMES提供的由OMI卫星得到的对流层NO_2垂直浓度月均值资料(NO2VCD)以及臭氧总浓度柱月均值资料(TOC)分析了中国地区臭氧(O_3)的空间分布特征,确定了青藏高原臭氧低值区范围。分析了所选范围内夏季闪电、NO_2VCD的空间分布以及年际变化关系。基于上述分析结果,进一步计算分析了NO_2VCD与O_3逐年夏季间浓度的差值关系。结果表明:青藏高原臭氧低值区范围为25°-43°N、72°-107°E。闪电产生的氮氧化物(LNOX)会明显导致夏季青藏高原臭氧的降低。     

粤港澳闪电定位系统探测效率及精确度评估

为客观评估粤港澳闪电定位系统性能参数,将闪电定位资料与广州人工触发闪电试验及高建筑物自然闪电观测试验的观测结果进行了对比分析。结果表明,2007 2011年期间对真实闪电事件的闪电探测效率和回击探测效率分别为74%和40%,定位误差的算术平均值和几何平均值分别为2660 m和1500 m;2012年闪电探测效率和回击探测效率分别为97%和90%,定位误差的算术平均值和几何平均值分别为950 m和470 m。2008 2011年期间闪电定位系统的回击电流幅值约为真实值的0.7倍,而2012年约为真实值的4倍。总体上,2012年粤港澳闪电定位系统探测子站大幅度增加后,探测效率和定位精度均有明显提升,但对回击电流幅值的估算呈现系统性偏大。     

基于自然闪电下的限压型SPD残压特征分析

选取2017年6月15日和7月8日的2次人工引雷试验人工触发闪电数据,对采集系统记录了2次有明显残压波形的数据进行分析,结果表明:2次人工触发闪电的平均回击雷电流幅值为11.00kA,平均雷电流波形10%~90%的上升时间为0.24μs,平均雷电流的半峰宽度为10.98μs,平均雷电流的回击波形10%~90%的上升陡度38.20GA/s。2次人工触发闪电的平均残压持续时间为387.1μs,残压峰值平均值为969.4V,残压平均值为759.6V。自然闪电通常具有多回击、回击间隔时间短、放电过程复杂多样等特点,有可能破坏SPD热稳定性,加速老化,甚至可能被击穿;而该试验中SPD没有被损坏,主要是因为:人工触发闪电造成架空线路近距离发生闪电感应,尽管SPD的残压值高,但是电流比较小,所以SPD承受的能量不大。     

ENSO期间海洋性大陆典型地区闪电活动特征分析

利用星载闪电探测器(光学瞬变探测器(OTD)和闪电成像传感器(LIS))的观测资料,配合其他气象资料,对厄尔尼诺期间(1998年春季)和拉尼娜期间(1999年春季)海洋性大陆典型地区(11.25°S—3.75°N,96.25°—128.75°E)的闪电活动变化特征进行研究,分析了雷暴单体数目以及雷暴单体闪电率对闪电活动变化的影响,并通过对比厄尔尼诺年春季和拉尼娜年春季的大气环流形势、相对湿度、最大对流有效位能、对流风暴高度等气象要素,讨论闪电活动变化的原因。结果表明:(1)从ENSO期间雷暴单体密度和闪电密度的空间分布变化特征来看,厄尔尼诺年春季的闪电活动及雷暴活动均比拉尼娜年春季的多,并且,从闪电数目和雷暴单体数目的纬向平均、经向平均的年际变化可以发现在厄尔尼诺年春季闪电活动、雷暴活动有东伸南移的趋势。(2)在海洋性大陆典型地区,雷暴单体数目的变化是闪电数目变化的主要因子,而雷暴单体闪电率的变化是闪电数目变化的次要因子。(3)与1999年春季相比,1998年春季的副热带高压范围大、强度大;地面相对湿度大,高空相对湿度小,上下层湿度差异大,有利于对流发展;对流风暴高度较高,冰相粒子层厚度也较深厚,对流发展旺盛;最大对流有效位能大于300 J/kg的天数的空间分布极大值区域正好与闪电密度、雷暴单体密度的大值区域对应,雷电活动与对流有效位能值密切相关。     

雷暴闪电活动特征研究进展

从一般雷暴、灾害性雷暴和台风的闪电活动特征以及雷暴闪电尺度特征四个方面对相关研究进行梳理。一般雷暴通常具有正常极性电荷结构,云/地闪比例在3左右(中纬度地区),地闪中正地闪占比为10%左右,负地闪位置往往更集中于对流区。灾害性雷暴倾向具有活跃的云闪,低比例的地闪,易出现反极性电荷结构,正地闪比例偏高。闪电活动与灾害性天气现象之间存在关联性,部分雹暴过程具有两次闪电活跃阶段。台风中大部分闪电发生在外雨带,眼壁/外雨带闪电爆发很可能预示气旋强度的增强以及路径的改变。由闪电持续时间、通道空间扩展所表征的闪电尺度与雷暴对流强度相关。弱对流雷暴或雷暴的弱对流区域可能由水平扩展、垂直分层的电荷分布形态主导,闪电频次低,闪电空间尺度大;强对流雷暴或雷暴的强对流区域可能由交错分布的小电荷区主导,闪电频次高,闪电尺度小。      

人工触发闪电M分量的电流与电磁场特征

利用2008—2010年在广州从化人工触发闪电试验中观测到的闪电通道底部电流、近距离电场以及近距离磁场数据资料,对人工触发闪电M过程的电流和电磁场特征及相关性进行了分析。统计分析结果显示:M分量电场波形持续时间和10%~90%上升时间几何平均值分别为0.49 ms和0.12 ms;电流波形持续时间、10%~90%上升时间和电流变化的几何平均值分别为0.53 ms, 0.11 ms和0.34 kA;磁场波形持续时间、10%~90%上升时间和磁场变化的几何平均值分别为0.65 ms, 0.16 ms和2.76×10-5T。此外,M分量的电流、电场及磁场波形间存在一定的相互关系。相关分析结果表明:M分量的电磁场与电流资料在峰值幅度上具有较显著相关性,几何形状也较为一致,利用电磁场资料反演M分量的电流波形具有可行性。     

基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析

2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在5—9月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为13—18时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在1~5 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。     

雷电定位系统的设计

为解决雷电定位系统大体积和不方便安装的问题,提出了采用新型闪电传感器AS3935设计雷电定位系统的新方法。当闪电发生时,GPS模块获取经纬度、高度、时间,AS3935测量地闪到探测器的距离。探测器把数据打包,以无线TCP通信方式传输到中心站。中心站利用多圆相交法计算闪电的经纬度和高度,然后使用C#语言和JavaScript语言在中心站软件上实现Google地图。Google地图利用经纬度获取闪电的地址,同时中心站把闪电信息存入数据库。实验表明,该系统定位性能良好,减少了探测器的体积,降低系统成本,适合于实际运用。     

甘肃中部地区短时强降水与闪电关系初步分析

利用2008~2013年甘肃中部地区布网的LD-Ⅱ闪电定位系统观测到的地闪定位资料及区域自动站小时降水资料,将闪电单位资料处理成时间分辨率为1 h、空间分辨率为0.1°×0.1°(经纬度,面积约为100 km2)的空间网格闪电密度数据,并与该区域中的区域站降水量作对比分析。结果表明:正闪比例与降水强度有较好的正相关;闪电密度的时空分布与强降水时空分布有较好的一致性,但在时间上闪电密度的变化提前于强降水落区的变化;闪电密度9次/100 km2·h和5次/100 km2·h阈值分别对20 mm/h和10 mm/h短时强降水预警,其命中率很高。     

基于ADTD系统的漳州市闪电特征分析

为了给防雷减灾工作提供必要的参考依据,以漳州市2010~2014年闪电监测资料为基础,运用数理统计方法并结合SURFER软件,对漳州市闪电的时间分布和空间分布特征进行了分析。研究表明:闪电主要集中在5~9月份,8月份闪电活动最为强烈;受午后局地对流天气的影响,一天中,闪电在13-20时发生最为频繁;闪电强度主要集中在10~20k A,约占全部闪电的90%以上,20k A以上的闪电很少发生,不到全部闪电的10%;闪电密度分布呈现出东南向西北递增,同一纬度上内陆多于沿海的特征,其形成原因应是海洋和陆地地表热力作用差异和地形因素共同影响的结果。     

DDW1闪电定位系统及性能评估

北京华云东方探测技术有限公司于2016—2018年在广东组网建设了DDW1闪电定位系统, 对一次雷暴过程的观测表明，DDW1定位数据与雷达回波强回波区之间在空间分布上具有较好的一致性。进一步利用2018年中国气象科学研究院在广州从化地区获得的触发闪电试验数据和全闪定位数据对DDW1闪电定位系统性能进行了评估，验证了其探测效率、定位精度等指标。结果表明：对于6次包含有回击过程的人工触发闪电事件，DDW1闪电定位系统全部探测到，地闪探测效率为100%；对于这6次触发闪电中的所包含的27次回击过程，该闪电定位系统共探测到17次，回击探测效率约为63%，对这些回击过程的平均定位误差约为464 m，电流反演误差为1149%；对比高精度全闪探测数据，DDW1的全闪探测效率为50%。     

闪电电场变化波形时域特征分析及放电类型识别

对闪电电场变化波形进行时域特征分析,研究闪电放电类型识别方法,是闪电探测系统研制工作的重要组成部分.利用闪电快电场变化资料,研究分析闪电波形的时域特征,分别统计负地闪回击和双极性窄脉冲波形的上升时间、下降时间、脉冲宽度等多个特征参数,得出负地闪回击波形上升时间平均值为2.9μs、下降时间平均值为89μs、脉冲宽度平均值为15.4μs,而双极性窄脉冲波形的上升时间平均值为1.7μs、下降时间平均值为2.1μs、脉冲宽度平均值为2.4μs.通过对闪电波形参数的统计分析,给出了不同放电过程的识别判据,实现了对地闪回击、双极性窄脉冲的自动识别,并利用实测数据进行了验证.结果表明,制定的波形识别判据对负地闪回击的识别效率可达到90%,对正地闪回击与双极性窄脉冲事件也有较高的识别率.     

FY-4卫星闪电成像仪的使命和挑战

作为我国首次研制和星载的卫星闪电成像仪,FY-4卫星闪电成像仪在仪器研制、测试和定标、资料处理等多个方面,面临严峻挑战.该文介绍了卫星闪电成像仪的发展进程和现状,卫星闪电探测的原理、方法以及闪电探测仪的结构等,探讨了FY-4卫星闪电成像仪的使命和技术指标,与已经上天的闪电成像传感器(LIS)和计划中地球静止轨道卫星闪电成像仪(GLM)的指标对比结果表明,FY-4卫星闪电成像仪的技术指标达到了当今世界卫星闪电探测的最高水平.分析了FY-4卫星闪电成像仪在诸多方面面临的巨大挑战,旨在引起人们的关注和重视.     

南京市闪电定位资料的对比分析

为在雷电的监测预警预报服务中更好地应用江苏省组建的闪电定位系统,通过多种目测和多普勒雷达回波等信息,对2006年6-8月以南京小教场(118°48′E,32°00′N)为中心、半径10 km范围内的闪电定位资料的可信度和探测效率进行了检验分析,结果表明:江苏省气象局闪电定位系统所监测的闪电资料(地闪)是可信的,其漏测率在探测效率η的允许范围内,误测率约为9%,也在允许范围之内.江苏省电力公司的闪电定位系统所探测到的同时段同范围内的闪电资料(地闪)探测正确率大大低于江苏省气象局的监测系统.对江苏省电力公司闪电定位资料作适当修正后,其结果与气象局闪电定位系统资料有很好的一致性,实现了二套系统资料的信息共享、互补.     

基于统计分布特征的闪电强度等级划分

利用2007—2011年福建省ADTD闪电定位监测数据,选取了雷电流幅值和陡度2个参数作为闪电强度的评价指标,根据其统计特征进行了分析,通过确定权重和统一量纲,将2个参数融合在一起,提出了闪电强度的概念。利用加权求和法建立了闪电强度等级划分的数学模型,以99%、90%和10%三个分位数确定阈值分割点,并将闪电强度等级定性地划分为极强、强、中等和弱四个量级,其结果能够为雷电预警预报信息发布、雷电灾害调查和雷击风险评估等业务和相关决策服务提供直观参考依据。     

云贵高原和青藏高原闪电活动的对比分析

利用2014年闪电定位资料,采用数学统计方法对比分析了青藏高原与云贵高原的闪电频次、闪电强度的逐月变化特征,以及闪电活动的空间分布特征。结果表明：（1）青藏高原与云贵高原闪电频次呈单峰型变化,峰值出现在6月,早于低海拔地区,云贵高原月平均闪电频次比青藏高原多。（2）青藏高原和云贵高原平均正闪强度均大于负闪;闪电强度0～100kA的频次最多。（3）青藏高原与云贵高原闪电活动空间分布均有明显的季节变化,青藏高原闪电多发生在高原的东南部和中部,西北部较少,西南区域发生闪电极少;云贵高原全部区域均有闪电发生。     

呼和浩特地区闪电活动与海拔高度相关性分析

文章利用2013—2017年呼和浩特地区闪电定位资料和90mDEM资料采用ArcGIS空间分析法、相关性分析法、数理统计等方法,分析了呼和浩特地区闪电活动与海拔高度之间的相关性,结果表明:呼和浩特地区以负闪电活动为主,闪电活动与海拔高度有一定的相关性,正闪电频次、负闪电频次与海拔高度呈负相关性,正闪电雷电流强度平均值与海拔高度呈负相关性,负闪电雷电流强度平均值与海拔高度没有相关性。本文分析结果为今后防雷减灾工作提供一定的技术支撑、为区域性雷电灾害风险区划提供有针对性的理论参考。