全相闪电磁场测量系统实现与试验

根据电磁感应法原理,研制了一套全相闪电磁场测量系统。该系统磁场测量天线由3个正交的半径为15 cm的环状天线构成,由高速大容量示波记录仪完成数据采集,采用基于全电路表达式的脉冲磁场数字重构法对数据进行还原处理。利用该系统,结合电场变化观测系统和高速摄像系统,在广东省从化地区开展了闪电的光、电、磁场同步观测试验。试验资料分析表明,该套全相磁场测量系统观测的闪电磁场变化基本真实可靠。     

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

基于雷声到达时间差的单站闪电通道三维定位系统

利用麦克风阵列采集雷声信号,设计了一套由麦克风阵列和便携式数据采集存储设备组成的单站闪电通道三维定位系统,采用CCF相关函数法计算了雷声脉冲信号到达不同麦克风的时间差,通过最小二乘法获得声源的方向角和仰角信息,并结合声源与麦克风阵列的距离定位声源的三维位置。对一次包括8次回击的人工触发闪电过程进行了观测,得到多个声源点的三维定位信息。系统的定位结果与高速摄像的观测结果具有较好的一致性,定位方法合理、可行,为进一步研发便携式闪电通道三维定位系统奠定了基础。     

闪电辐射频谱的观测与分析

1984年8月，利用我们研制的闪电数字信号接收设备，在合肥地区进行了观测。并使用微机对信号进行数字滤波、Fourier变换等处理。所接收的信号一类具有明显的回击脉冲，而另一类则无。从前者中挑选出21个典型信号作为个例进行分析，得出了这类信号及其振幅频谱的主要特点，并与理论结果和其他的模拟观测结果作了比较。     

闪电引起的地面电场变化特征及雷暴云下部的正电荷层

1985年夏季我们在东乡地区进行了雷暴和闪电的雷达及电学特征的综合观测研究。观测点在兰州西南方向60km,海拔2408m,地处青藏高原边缘。观测设备除一3cm气象雷达外还有平均电场仪、电场变化仪,超高频场强计等电学测量仪器。资料初步分析表明,闪电进行过程中一般伴随有VHF电     

人工触发闪电初始连续电流的中低频磁场特征

中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验是研究闪电电磁辐射效应的有效手段,利用架设在试验场地周边的多套磁场天线所获取的高灵敏度磁场数据,针对初始连续电流阶段的中低频磁场特征开展研究。得益于磁场天线带宽的拓展,首次解析出了相对平静期内的磁场脉冲,单个脉冲的平均宽度约为1 μs,平均脉冲间隔约为14 μs,对应了该阶段中上行先导的小尺度击穿发展形式;在近、远距离磁场测量中均观测到了与先导通道头部击穿放电相关的爆发式磁场脉冲,其平均脉冲间隔(约为24.5 μs)明显大于平静期脉冲的统计值,而且在爆发式脉冲期间通道底部电流逐步增大到几十至上百安培,表明此时电场条件更加有利于上行先导的发展;此外,高灵敏磁场天线能够直观地呈现出初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse,ICCP)的电荷传输过程,且ICCP期间观测到的规则磁场脉冲的脉冲间隔比其他类型的磁场脉冲小一个量级,可能体现了正极性击穿和负极性击穿的特征差异。     

基于干涉仪原理的甚高频雷电单站预警

针对目前闪电单站探测与预警装置的局限性,设计了一套基于闪电宽带干涉仪原理的甚高频单站雷电预警装置.该装置通过测量雷电(包括云闪与地闪)起始时刻的辐射信号到达竖直天线阵列的相位差,计算得到该信号的仰角,根据仰角估算雷电的距离,进而根据雷电的距离和活动特征进行雷电报警.单站测距误差分析结果表明,单站系统对半径50 km范围内闪电测距误差在25％以内,半径100 km范围内的闪电测距误差在30％以内.雷电单站预警装置对一次雷暴过程进行了观测,观测结果表明,该装置能有效探测半径100 km范围内的闪电活动状况,探测到的闪电频次分布、闪电距离与多站闪电定位结果保持较好一致性,证明其能有效探测周围闪电活动状况,起到提前预警雷暴的作用.     

大气折射对甚高频闪电定位的影响分析

利用GPS探空仪实测数据计算大气折射率的高度廓线,建立大气折射误差模型。并分析大气折射效应对方向交汇、到达时间差以及综合法3种甚高频闪电定位方法测量精度的影响。结果表明,对于定位距离,大气折射对方向交汇法的影响最大,误差最大值可达到116.52m,平均误差为30.18m;大气折射对时间差法的影响最小,误差最大值约为44.70m,平均值为12.32m;对综合法的影响介于二者之间,误差最大值约为58.90m,平均值为16.74m。在综合法中,选取离闪电源较远测站进行方向交汇的定位误差是选取较近站点的定位误差的1.6倍,因此应当选取近站点。考虑到GPS授时误差,要保证大气折射对闪电定位造成定位误差小于GPS时间同步带来的误差,3种闪电定位方法的站间距应分别不大于28km、60km、45km。     

广东地区野外雷电观测和人工引发雷电试验获得成功

为促进雷电科研和业务的发展，中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室与广东气象局联合于2006年7月3日至8月31日在广东从化地区进行了野外雷电观测和人工引雷试验。试验在3个场地同时进行，其中两个场地以人工引雷及其观测为主，另一个场地以自然闪电观测为主，同时在远距离对人工引雷试验进行辅助观测。试验中利用了大量先进的观测及采集设备，对自然闪电和人工触发闪电的电场、磁场、电流、辐射场、频谱和光学等特征进行了同步测量，     

71型卫星云图接收设备的扴修技术讨论

71型卫星云图接收设备分室外室内两部分。室外部分包括螺旋形接收天线和前置放大器。室内部分包括天线控制器、超高频接收机和118传真收片机。 对于71型卫星云图接收设备的检修,应根据整套设备的设置,单机的结构特点,电路原理和工作原理。     

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。     

Positive Charge Region in Lower Part of Thunderstorm and Preliminary Breakdown Process of Negative Cloud-to-Ground Lightning

A new lightning locating technology, called Lightning Mapping Array （LMA）, has been developed. The system takes advantage of GPS technology to measure the times of arrival （TOA） of lightning impulsive very high frequency （VHF） radiation events at each remote location. The spatiotemporal development processes of lightning are described in three-dimension by measurement of the system with high time resolution （50 ns） and space precision （50-100 m）. The charge structures in thunderstorm and their relationship with lightning discharge processes are revealed. The temporal and spatial characteristics of preliminary breakdown process involved in negative cloud-to-ground （CG） lightning discharges are analyzed based on the data of lightning VHF radiation events. The effect of positive charge region in lower part of thunderstorm on the occurrence of negative CG lightning discharge is discussed. The results indicate that the preliminary breakdown process with longer duration in negative CG lightning discharges is an intracloud discharge process. It occurs between negative and positive charge regions located in middle and lower parts of thunderstorm respectively. It initiates from the negative charge region and propagates downward. After propagating into the positive charge region, the lightning channel develops horizontally. The characteristics of the preliminary breakdown process are consistent with that of intracloud lightning discharges. The stepped leaders are initiated by the K type breakdown which occurs in the last stage of the preliminary breakdown process and develops downward through the positive charge region. The existence of positive charge region in lower part of thunderstorm results in the occurrence of preliminary breakdown process with longer duration before the return stroke of negative CG lightning discharges.     

Lightning evolution related to radar-derived microphysics in the 21 July 1998 EULINOX supercell storm

Results of a combined analysis of data from a C-band polarimetric Doppler radar and a 3D VHF interferometric lightning mapping system, as obtained during the European Lightning Nitrogen Oxides project (EULINOX) field campaign, are presented. For 21 July 1998, the lightning data from a supercell thunderstorm weakly indicate a tendency for a bi-level vertical distribution of lightning VHF emissions around the −15°C and −30°C temperature levels. Also, in some parts of the clouds, evidence is found for the presence of a lower positive charge center near the freezing level. However, where strong vertical motions prevail, VHF emissions are not organized in horizontal layers but in oblique or vertical regions. Correlation of VHF signals with radar quantities shows that in the growing storm, peak VHF activity is low and related to reflectivity factors around 30 dBZ, while after the mature stage, the peak VHF activity is about three times larger. The highest density of VHF signals is now found near reflectivity factors of 45 dBZ. A polarimetric hydrometeor classification indicates that during storm development, most lightning activity occurs where graupel and, secondarily, snow and small dry hail are present. In the decaying phase of the supercell hailstorm, however, most lightning VHF emissions stem from the region with hail and heavy rain. Furthermore, while the VHF signal frequency per cubic kilometer in the graupel and rain regions remains nearly constant throughout the supercell life cycle, the signal frequency in the hail region rises during storm decay.     

云下部正电荷区与负地闪预击穿过程

三维雷电观测系统LMA(Lightning Mapping Array)是最近发展起来的基于GPS时钟同步的闪电VHF辐射源到达时间差(TOA)定位技术,能以很高的时间分辨率(50 ns)和空间定位精度(50-100 m)展现闪电放电发展过程的三维时空分布,揭示雷暴中电荷结构及其与放电过程的关系.文中利用三维雷电VHF辐射源观测资料分析了负地闪预击穿过程的时空分布特征,讨论了云下部正电荷区对负地闪发生的影响,其结果表明在首次回击之前存在长时间预击穿过程的负地闪中,预击穿过程是云中部负电荷区与下部正电荷区之间的一种云内放电过程,闪电起始于云中部负电荷区,然后向下发展传输,进入正电荷区后闪电通道在云下部正电荷区水平发展,其放电特征与反极性云闪放电一致,云内放电过程最后阶段的K型击穿激发了地闪的梯级先导,梯级先导穿过云下部正电荷区向下发展传输.云下部正电荷的存在是导致负地闪首次回击之前存在长时间云内预击穿过程的主要原因.     

北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

北京闪电综合探测网(Beijing Lightning NETwork, 简称BLNET)由10个观测站组成, 每个子站主要由闪电快、慢电场变化测量仪(也称快、慢天线)和闪电甚高频(VHF)辐射探测仪构成, 实现了对闪电的多频段的综合观测。本文首先详细介绍了BLNET的网络构成, 然后利用蒙特卡罗法对网络的定位误差进行了理论分析, 模拟结果表明网络内部水平定位误差小于200 m, 网络外部100 km处水平定位误差小于3 km, 最后利用Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相结合的方法, 对发生在2013年7月7日的一次雷暴过程分别进行了地闪和云闪定位, 将定位结果和对应时次的雷达回波进行比较, 发现地闪和云闪都出现在大于30 dBZ的雷达回波区, 表明了探测网络和定位方法的可靠性。     

雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度

双极性窄脉冲事件（NBE）是一类特殊的大气放电现象,能产生强甚低频/低频（VLF/LF）和甚高频（VHF）辐射。为了探索NBE发生的气象环境和放电特性,选出重庆双频段闪电定位网络在一次雷暴过程中观测到的608次正极性NBE（简称正NBE）和82次负极性NBE（简称负NBE）,对比发生位置和辐射强度。结果表明:正NBE主要分布于7~15 km高度处,归一化到距离辐射源100 km处的VLF/LF电场变化峰值的平均值为13.4 V·m-1,平均VHF辐射功率为73.5 kW。负NBE主要发生在两个高度范围,72例负NBE分布于16~20 km高度,它们倾向于发生在30~35 dBZ回波顶高大于18 km的对流云顶及附近,其平均归一化VLF/LF电场变化峰值为42.7 V·m-1,平均VHF辐射功率为76.9 kW。10例负NBE分布于4~8 km高度,全部发生于对流核内部。其平均归一化的VLF/LF电场变化峰值为2.7 V·m-1,平均VHF辐射功率为18.2 kW。从统计结果看,在VLF/LF频段,上部负NBE的辐射强度普遍强于正NBE和下部负NBE;在VHF频段,上部负NBE的辐射强度与正NBE基本相当,大于下部负NBE;下部负NBE在两个频段的辐射通常弱于正NBE。     

自动气象站运行效能统计

利用中国气象局气象探测中心综合气象观测系统运行监控平台中对自动气象站的监控情况, 将监控平台上2100余套国家级自动气象站的运行效能分华北、东北、华东、中南、西南、西北6个区域从数据到报率、可用性和可靠性3方面进行统计, 并从数据报文格式错误和数据要素错误两方面对影响自动站效能的因素进行分析。结果表明:2007年9-10月全国国家级自动站的数据到报率、可用性和可靠性保持在80%以上, 且三者的变化趋势基本一致; 东北区域自动站的运行效能最高, 而西南区域的运行效能最低; 数据到报率是数据可用性和可靠性的前提条件, 在数据到报率一定的情况下, 数据报文格式错误较数据要素质量错误更多地影响数据可用性和可靠性; 第1行格式错误较第2行格式错误对自动站效能的影响程度更大, 相对于其他观测要素, 地温要素是影响自动站效能高低的主要因子; 在地温要素中, 不同层次地温对自动站效能影响也存在一定差异, 320 cm地温影响程度最大, 而5 cm地温影响程度最小, 基本呈现出越往地下深处地温要素对效能影响程度越大的趋势。     

Evaluation of LPATS data using VHF interferometric observations of lightning flashes during the Eulinox experiment

During the Eulinox (European Lightning Nitrogen Oxides Project) campaign, two lightning sensors were available: a Lightning Position and Tracking System (LPATS), and the ONERA VHF interferometric (ITF) mapper. We looked for the typical VHF signature of positive and negative cloud-to-ground flashes in ITF records in order to separate intra-cloud (IC) flashes from cloud-to-ground (CG) flashes during five periods from 2 days. Then we used this set of data to check the efficiency of the South Germany LPATS. We concluded that this LPATS detected nearly all the negative CG flashes, but one-fourth of LPATS negative strokes are in fact IC flashes. The ratio of misinterpretation is much smaller (15%) for multi-stroke negative CG flashes. The LPATS recorded 62% of the positive strokes, but only 43% with the right polarity, and only 25% of LPATS positive strokes actually belonged to a positive CG flash. This reliability ratio is 100% if we consider only high-intensity LPATS strokes.     

支持突发接入模式EPON下行传输方案

分析了支持突发接入模式的EPON在下行传输中业务流特性的变化问题,提出了在下行传输时OLT向ONU分解转发帧的传输方案.通过对下行带宽资源实行基于优先级的调度,减少因数据帧到达的突发性对某些高优先级的数据帧的影响;利用滑动窗控制每个ONU的数据帧到达速率,解决大量数据帧到达造成ONU处理负荷过重的问题.利用OPNET Modeler仿真平台建立网络模型并进行仿真,验证了方案的可行性.