地形地表的不规则起伏对雷电电磁场传输的影响

为了研究地形地表的不规则起伏(简称粗糙地表)对雷电电磁场传播的影响,首先利用二维分形方法模拟了粗糙地表,然后利用Barrick表面阻抗理论和Wait近似算法研究了粗糙地表对雷电电磁场传播的影响。结果表明,粗糙地表对地闪首次回击垂直电场的影响较小,但对继后回击存在明显的影响。随着粗糙度的增加,继后回击垂直电场峰值的衰减程度明显增加,且时域脉冲波形上升沿时间增大。如继后回击电磁场传播100 km,均方高为30 m的粗糙地表(电导率σ=0.1 S/m)引起时域电磁场波形上升沿时间额外增约1.5μs,电场峰值额外减小约12%,且其影响随着地面电导率的减小而增大。因此,在实际工作中应考虑复杂地形地表对闪电定位系统探测精度和效率的可能影响。     

基于FDTD的不同土壤类型及湿度对雷电电磁场传播影响的研究

为深入研究土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播效应的影响, 首次将工程勘察领域研究得出的土壤湿度和电导率计算关系应用到雷电电磁场模拟计算中。基于Heidler雷电通道基电流函数模型和MTLL回击模型, 在Mur一阶边界条件下, 利用2D-FDTD计算粘土、粉土和砂土这三种具有代表性土壤在不同土壤湿度和观测距离下的雷电电磁场。研究结果表明: 相比于粉土和砂土, 雷电电磁场沿粘土地表传播过程中产生的水平电场更容易受土壤湿度的影响, 特别是土壤湿度较低时, 即土壤湿度从5%到6%变化过程中, 水平电场峰值的波动幅度达39.86%;当土壤类型为粘土时, 水平电场E_r、垂直电场E_z和磁场H_φ受土壤湿度影响等级为E_z > H_φ; 随着闪电电磁辐射传播距离和土壤湿度的增大, 场幅值减小, 波形的波头上升沿时间变慢。研究结果为准确评估和量化不同土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播的影响以及优化闪电站网定位提供了重要的科学依据。      

粗糙地表对雷电电磁场传输影响的模拟研究

利用二维分形布朗运动（fBm）模式来分析分形粗糙地表对雷电产生的电磁场传输的影响。结果表明：（1）粗糙地表对雷电首次回击产生的垂直电场基本没有影响。对后续回击产生的垂直电场的幅值影响很小,但是随着粗糙度的增加波头的上升时间增大;（2）粗糙地表对首次回击产生的水平电场基本没有影响。对于后续回击,当观测距离较远,地表相对粗糙时,粗糙度引起的额外衰减对水平电场的影响很大;（3）无论是首次回击还是后续回击,地表粗糙引起的额外衰减对水平磁场基本没有影响;（4）粗糙度引起的额外衰减对电导率小的地表影响很小。     

雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

雷暴中的闪电放电能够产生强静电场以及电磁辐射场,从而对空间电离层产生重要影响,引起电离层电子密度分布的扰动。研究表明:闪电放电引起电离层扰动的方式有两种:直接耦合和间接耦合。其中,直接耦合主要来自于闪电产生的准静电场及电磁场的作用,在甚低频 (VLF) 反射信号上表现出快VLF事件, 而间接耦合主要是闪电低频电磁波在传播过程中与磁层相互作用,在辐射带产生闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。雷暴闪电活动能够改变电离层从D层到F层的电子密度分布,影响对流层大气和电离层之间的场,导致中高层瞬态放电淘气精灵 (elves) 及红闪 (sprite) 等现象的激发。闪电VLF传输反射信号可用于反演电离层密度的变化,目前已成为一种探测电离层扰动的常用方法,而引起电离层扰动的强度不但和闪电放电参量密切相关,也和闪电放电过程、类型有关。该文重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合作用以及导致的相关现象。     

闪电通道垂直假定引起回击辐射场峰值计算误差分析

利用高速摄像系统观测的闪电通道和利用分形方法模拟的闪电通道,分析了通道的垂直假定对回击辐射场峰值计算的影响。结果表明,回击电磁场随方位角的变化非常明显,在距闪电通道几百米距离,误差可达2倍;在1km处,闪电通道的垂直假定对时域回击辐射场峰值计算的相对误差最大为50%左右,平均小于10%。随距离的增加,误差逐渐减小。     

不同地表情况下Cooray-Rubinstein算法的应用及其精度检验

将雷电水平电场Cooray-Rubinstein(C-R)算法推广应用于地表电导率垂直分层的情况,并利用时域有限差分(FDTD)方法对不同地表情况下C-R算法的精度进行检验。结果表明,C-R算法的适用条件为:距离回击通道为100~1 000 m、地表电导率介于0.001~0.01 S/m,最大误差小于10%。当土壤电导率均匀分布时,C-R算法的精度最好;对电导率水平分层的情况,当上层电导率小于下层电导率时,C-R算法的精度较优;当电导率垂直分层时,若观测点处的土壤电导率小于闪击点处的电导率时,C-R算法的计算精度较高,反之,精度较低;对任何光滑有耗地表而言,利用C-R算法计算的首次回击水平电场的精度优于继后回击。     

土壤水平分层条件下的闪电电磁场计算

研究了土壤水平分层条件下雷电电磁场的传播和衰减,分别利用Wait算法和Cooray算法对上下层土壤电导率存在差异的不同情况进行了计算,并利用FDTD精确算法对二者的计算结果进行了检验。结果表明:当下层土壤电导率小于上层土壤电导率时,Wait算法和Cooray算法的计算结果基本一致,均与FDTD精确算法结果较为吻合。而当下层土壤电导率大于上层时,相应的,其土壤复折射指数亦大于上层土壤,由于干涉效应的影响致使部分较高频段雷电电磁波发生选择性增大,衰减因子的幅值大于1,从而出现振荡现象。对比表明,Wait算法较好地反应了该现象,而Cooray算法则出现一定误差。     

地表湿度导致土壤电参数变化对雷电电磁场传播的影响

基于Scott提出的土壤电参数等效模型和二维分形布朗运动粗糙地表模型,利用Cooray和Wait近似算法,研究了地表湿度引起的土壤电参数变化对雷电回击电磁场传播的影响.结果表明:土壤湿度的增加引起垂直电场和水平磁场的上升随时间减小,对峰值影响不太明显;土壤湿度对水平电场的影响很大,水平电场的峰值与湿度成反比.实际上,雷暴天气往往伴随降水,因此对雷电电磁辐射环境的研究应该考虑土壤湿度的影响.     

地闪回击电磁场对架空线路耦合过电压的数值模拟

为了研究地闪回击通道周围的电磁场对架空线路的耦合过电压,首先采用指数衰减传输线型工程回击模式(MTLE)模拟分析了回击通道周围电磁场的分布特征,然后运用以Agrawal模型为基础的场—线耦合程序对架空线路感应过电压进行了数值计算,并将模拟计算结果与人工引雷实验结果进行比较,所得线路过电压的计算结果与实验数据基本相符。模拟结果表明,地闪回击电场的垂直分量和水平分量都应考虑到场—线耦合机制中;回击通道基电流波形的陡度同时影响到架空线路感应过电压的幅值和陡度,而电流幅值只影响感应过电压的幅值;当观测距离较近(50 m)时,架空线路上感应过电压幅值与电流回击速度呈反相关;随着观测距离的增加,架空线路上感应过电压波形上升沿时间增加、幅值减小;此外,架空线路感应过电压幅值随线路高度和接地电阻的增加而增大,与线路长度和直径的变化无关。     

深圳市闪电定位资料误差分析及其优化

利用场地误差优化模式对深圳地区的地闪定位资料进行优化处理。首先对深圳市闪电定位系统进行简单介绍,然后利用改进的传输线模式对真实地表环境下的闪电辐射电磁场进行计算,以分析深圳市闪电定位系统的场地误差,最后基于定位误差和场地误差模式对闪电定位数据进行定位误差订正。结果表明不同方位角上的不规则地形对继后回击电磁场波形具有不同影响,随着表征地形粗糙程度的高度均方根的增加,电场的峰值下降,波形的上升沿时间增加。同时,电场波形上升沿时间也会随着方位角的变化而变化,这可能会给时间到达法的定位带来一定误差。为了验证该算法的合理性,对该系统覆盖的区域进行了闪电定位数据优化精度的时空分布分析和评估。结果表明这种优化方案是可行的、可靠的,优化后的闪电定位精度明显提高。     

电源电缆雷电感应电压特征分析

通过开展自动气象站雷电防护试验,测量并量化分析了自然闪电条件下电源电缆的感应电压,探讨和分析了闪电事件中不同埋设条件下电源电缆感应电压的特点和规律。结果表明：土壤对闪电事件回击阶段的雷电电磁脉冲具有明显的屏蔽作用。对同一次自然闪电,相对于埋设在地面的电源电缆,埋设在地下05 m处的电源电缆上感应电压脉冲波形峰峰值为522%。在选取的起始脉冲时间段内,感应电压均呈衰减振荡波形。通过频谱分析,相对于地面电源电缆,埋地电源电缆感应电压频谱在50 kHz～5 MHz的频段范围内频率分量的幅值始终较低,且保持了适当的比例,其中在9055 kHz～1535 MHz的频段幅值降低得尤为明显。     

复杂地形对雷电云地闪观测电磁场传输影响的实例分析

考虑探测原理和地形因素,基于Barrick表面阻抗理论和Wait近似算法等理论,利用不规则起伏地表的雷电电磁场传播模式,结合四川省真实的复杂地形地表数据,以半径r=60km的二维地表为模型,分析复杂地形对雷电电磁波传输的影响。以温江和白玉典型地势为例,分析得出:温江东部平原低海拔区域,雷电电磁波传输路径延长增量的最小值仅为182m,对应的时间延迟增量为0.61μs,温江西部多山高海拔区域,路径延长增量达到最大值,为2290m,对应的时间延迟增量为7.63μs;西部高原的白玉站,此区域地表的路径延长增量都在3000m以上,路径延长增量的最小值也达到3025m,对应的时间延迟增量为10.1μs,路径延长增量达到最大值,为8283m,对应的时间延迟增量为27.6μs。由此可见,在实际雷电探测定位中,必须考虑复杂地形引起的雷电电磁波传输路径增量和相应传输时间增量的影响,才能提高雷电定位精度和效率。      

闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征

基于LMA三维闪电定位数据,对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究,提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法,并给出参量分布特征。结果显示:闪电初始阶段上行负先导（下行负先导）的持续时间中值为13.5 ms（7.5 ms）,三维位移中值为1.4 km（1.0 km）,三维平均位移速度中值为9.2×104 m·s-1（1.2×105 m·s-1）,上行负先导速度随时间递减,下行反之,二者与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布,在小值方向分布更为集中。闪电水平延展距离中值为6.1 km,垂直延展距离中值为4.3 km,约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离;闪电的持续时间中值为271.0 ms。分析发现,以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于8.5 km,以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于11 km。闪电初始阶段位移方向越接近水平,对应闪电垂直延展越小,说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响。     

天津地区雷电流幅值及累积概率分布特征

为研究天津地区雷电流幅值特征,选取2008—2018年ADTD闪电定位数据,研究分析了雷电流幅值时间分布特征和累积概率分布特征。结果表明:天津地区11 a间共计发生闪电106474次,负闪占比89.26%,远高于正闪;雷电流幅值主要集中在2—100 kA,占闪电总数的97.76%,160—200 kA范围内的闪电次数较少,平均正闪电流强度明显大于负闪电流强度;雷电流强度季节特征较为显著,正闪雷电流强度呈双峰分布,负闪雷电流强度分布较为平均,春季正闪活动频繁,秋季次之,夏季负闪频发,冬季雷电活动发生较少,以正闪居多;雷电流高于25 kA时,正闪电流幅值累积概率显著高于负闪,低于25 kA时,负闪电流幅值累积概率高于正闪。负闪电流幅值的累积概率分布与总闪更为接近,与正闪分布差异显著,闪电总数电流累计概率分布主要受负闪影响。通过对比分析发现IEEE工作组(电气与电子工程师协会)推荐的累积概率分布函数更适合于天津地区,特别是雷电流幅值在25—55 kA范围内时,累积概率与推荐公式基本相同。将天津地区雷电流幅值累积概率公式尝试应用于雷电灾害风险评估中,可为精准确定雷电灾害风险评估参数P_(B)取值,精确计算雷击建筑物损失风险提供参考。     

地面建筑物对地闪回击通道附近电磁辐射环境的影响

采用有限电导率下的时域有限差分（FDTD）方法,分析了建筑物对地闪回击电磁环境的影响.结果发现建筑物对回击电场的影响较为明显,对磁场影响较小,建筑物高度h_b=50 m时对磁场的影响不大于10%.建筑物顶部电场受自身高度的影响较大,屋顶中部的垂直电场随建筑物高度的增加而增大,水平电场随建筑物高度的增加而减小.建筑物高度为20、50和100 m时,屋顶中部的垂直电场分别约为地面处的1.3、1.7和2倍,水平电场约为地面处的0.9、0.8和0.7.电导率分别取0.001和0.1 s/m时对比发现,地表处的水平电场受电导率的影响较大,电导率越大,地表处水平电场的幅值越小,此时建筑物的存在对其影响不明显.地表以上一定高度处的水平电场则受观测点位置和建筑物的影响更加明显.     

云闪K过程的三维时空特征

K过程是闪电放电过程中的一种放电事件。该文使用两套VHF宽带干涉仪2010年夏季在广州从化地区获取的3次云闪三维闪电辐射源定位数据,分析其中的K过程时空发展特征与地面电场特征。结果表明:宽带干涉仪观测到的K过程主要由快速发展的负极性放电事件组成,按定位结果的分布可划分为3个阶段:负极性反冲先导发生在云闪起始区域下方,沿正先导一端已有路径向闪电起始区域传播;部分反冲先导能进入之前负先导建立的通道并快速发展;反冲先导将原有通道激活后进一步促进负先导继续发展。同时使用辐射源三维定位数据计算了8次反冲先导的平均发展速度,反冲先导的发展速度为106~107 m·s-1量级,与负地闪中的负极性直窜先导相似,但均小于回击速度。     

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(Z_H)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的Z_H中值随高度增加而减小, 但差分反射率(Z_DR)、差分传播相移率(K_DP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应Z_DR和K_DP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均Z_H比闪电通道位置处的平均Z_H大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应Z_H分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。      

建筑物高度对地闪回击电磁场影响的模拟

基于三维时域有限差分数值算法（3D-FDTD）建立了雷击高建筑物电磁场传播模型,研究了负地闪击中不同高度建筑物时回击垂直电场、角向磁场以及水平电场沿地表的传播规律。模拟结果表明:建筑物的高度对雷电电场峰值的影响显著,如当建筑物高度从100 m增加至600 m时,在距离d=100 m位置的垂直电场峰值减小了63%,水平电场正极性峰值的增加比例为84%、负极性峰值的绝对值增加比例高达130%;观测位置不变时,角向磁场峰值和水平电场正极性峰值均会随着建筑物高度的增加而增大;对于距离d=100 m,300 m时,垂直电场的峰值随着建筑物高度的增加而减小,而d=500 m时,垂直电场峰值随着建筑物高度的增加呈现出先增大后减小的趋势;此外,建筑物高度会影响垂直电场峰值对距离的敏感程度,建筑物越低（高）,相应的垂直电场峰值随着观测距离增大衰减越快（慢）。该文研究结果能够为现代化城市中高建筑物附近线缆、室外设备等的雷电防护方案设计提供参考。     

上海浦东X波段双线偏振雷达衰减订正效果分析北大核心CSCD

降水对X波段雷达电磁波的显著衰减,造成了回波弱化现象,带来了定量应用不准确的问题。为了减轻降水衰减对雷达数据的影响,用Z-K_(DP)(反射率因子-差分传播相位常数)方法对上海浦东气象局的X波段雷达反射率因子进行订正试验,具体方案为:当K_(DP)≥0.3°·km^(-1)时,用K_(DP)的值进行订正;当K_(DP)<0.3°·km^(-1)时,使用雨滴谱拟合A(衰减系数)和Z间的经验公式做衰减订正。选取对流性降水个例(2020年9月17日)和稳定性降水个例(2021年2月26日)进行衰减订正试验,经过衰减订正和系统偏差订正后,X波段雷达反射率因子与S波段雷达的反射率因子大小相当,回波形态相似,验证了该订正方法适用于对流性降水和稳定性降水的X波段雷达反射率因子的衰减订正。     

复杂地形下太阳总辐射空间订正方法——以四川省为例

利用四川省158个气象站2016—2019年逐小时2 m气温、相对湿度、地面气压、能见度等观测数据,通过SMARTS模式计算并积分得到逐月晴天太阳总辐射,建立晴天太阳总辐射随海拔高度的变化关系,将该关系应用到1990—2019年太阳总辐射空间插值订正中,并对订正效果进行验证,结果表明:晴天太阳总辐射随海拔高度呈对数增加,海拔越高晴天太阳总辐射随高度增幅越小;辐射订正方面,海拔较低、地势平坦的四川盆地地区订正幅度最小,高海拔的川西高原订正幅度居中,高低海拔过渡地带订正幅度最大;交叉验证结果表明,用来验证的7个辐射站年平均绝对误差由182.77 kW·h·m~(-2)减少到145.48 kW·h·m~(-2),相对误差由13.41%减少到10.24%,冬半年订正效果好于夏半年。通过订正可有效提高复杂地形下太阳总辐射插值效果,减小插值误差。