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。     

闪电宽带电场三维定位及其回波特征

利用自制闪电宽带电场三维定位系统, 分析了山东地区一次雷暴过程闪电三维时空结构。结果表明, 在云内击穿放电整个时间序列中, 辐射源空间分布（对应强电场区分布）呈现明显的三极性分层电荷结构, 并分布在3个高度层次： 6~8 km为上部正电荷区, 4~6 km为中部负电荷, 2.5~4 km为下部次正电荷区。云内放电首先出现在中部负电荷区, 然后产生向上发展的负流光进入上部正电荷区传输, 形成向上发展的云闪; 随着雷暴发展, 产生向下发展的负流光进入下部次正电荷区, 形成向下发展的云闪, 且能维持到雷暴发展后期。结合雷达回波分析表明, 雷达回波的强度影响着闪电活动, 强回波区的增加会使得强电场区域增加, 但是强电场区域并不与最强回波区域对应, 除下部正电荷区的底部会有部分辐射源出现在回波强度为40~50 dBz的区域中以外, 大多数的辐射源出现在25~35 dBz的中等回波区范围内, 强回波区域中通常较少出现击穿放电。     

基于卫星资料的大连地区强对流天气闪电活动特征

利用FY-4卫星云顶亮温（Cloud Top Temperature,CTT）资料和雷达回波资料,分析了2019年6-9月大连地区的闪电活动特征,重点分析了该地区2019年9月4日的一次强对流天气闪电活动特征与雷达回波及CTT之间的相关性。结果表明：此次过程雷暴起始于大连东南方向。在雷暴初始阶段,以云闪为主,云闪高度主要集中在7-12 km。闪电活动主要集中在雷达回波强度>30 dBz的区域,对应的云顶高度超过了8 km。闪电活动与FY-4卫星CTT之间存在较好的相关性,闪电主要发生在CTT为240-250 K左右区域。对2019年5-8月大连地区雷达与闪电活动进行量化分析,发现闪电活动主要集中于雷达组合反射率39.38 dBz附近区域,对应的云顶高度为8.21 km。     

甘肃平凉闪电定位资料误差分析及其优化

利用陈明理等提出的场地误差优化模式,对2001年甘肃省地形起伏较大的平凉地区地闪定位资料进行了优化处理,并选取雷达回波强度大于35 dBz、回波顶高超过7 km的区域作为优化效果验证参考。结果表明,未经场地误差优化的闪电位置远离对应雷达回波数十公里,而优化后对应的闪电位置进入或接近雷达的强回波区,显然更接近于真实情况,优化以后的方位探测器测向角平均偏差可达05°左右。场地误差优化模式能有效地优化闪电定位资料,这对进一步提高雷电临近预警具有积极的意义。     

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.     

武汉地区雷电预警阈值研究

利用湖北新一代多普勒雷达、闪电定位仪、电场仪等探测设备获取的大气探测资料,采取概率统计方法,就武汉市2012年1月至2014年7月184次雷暴过程中的1067次闪电和预警指标的相关性进行统计分析,初步确定武汉地区雷电预警指标阈值。结果表明：雷电发生与大气电场强度、雷达回波反射率因子、回波顶高、垂直累积液态水含量等指标关系密切;大气电场强度阈值为2 kV/m左右;-10 ℃高度上回波强度大于等于40 dBz且回波顶高为6 km左右、垂直累积液态水含量大于等于10 kg/m2可以作为武汉地区雷电预警阈值,且不同的月份阈值有所变化。     

不同下垫面雷暴雷达回波特征与地闪的关系

利用闪电定位资料和雷达资料,研究了宁波市城区、山区和海陆三种地区增强型雷暴的闪电活动特征,结果表明：城区增强型雷暴的≥50 dBz组合反射率面积和≥9 km、≥10 km回波顶高的回波面积,以及山区增强型雷暴的≥45 dBz组合反射率面积和≥12 km的回波顶高的回波面积,这些指标与每6 min地闪次数都有很好的相关性;而海陆增强型雷暴的≥10 km回波顶高的回波面积与每6 min地闪次数的线性关系明显,相关系数高达0.916;3种增强型雷暴对地闪密度分布的影响各有不同,城区增强型雷暴会产生更多的地闪。     

基于雷达资料的雷电特征分析及预警

利用2009年6-8月南京Doppler雷达资料和江苏闪电定位资料,通过对雷电活动过程与雷达回波强度、回波顶高及垂直累积液态水含量的特征关系的分析,得出适合于江苏地区夏季（6-8月）雷暴预警的因子：40dBz回波强度发展到7 km高度及以上,垂直液态水含量（VIL）值达到25 kg/m2,风场在雷电发生前多表现为强烈的...     

一次强雷暴天气与大气环境场的关系分析

雷电是电荷聚集到一定程度的放电现象,当雷暴云中电荷累积,在地面附近大气就会有相应的感应电场,因此通过大气电场脉冲波形变化,结合雷达回波资料,可以判断雷暴云的发展阶段。本文分析了2010年8月11~12日陕西省有闪电定位监测网络以来最强的一次雷电天气过程。该过程全省范围内共发生闪电23 570次,8月11日单日闪电14 470次,整个过程以负闪为主,闪电频数高,同时伴随强降水发生。分析发现,此次强雷电天气过程与大气环境场具有以下对应关系:强雷电的发生与西太平洋副热带高压强盛控制陕西大部分地区且呈东西带状分布、西风槽东移南压关系密切;另外还与潜在对流性稳定度指数、抬升指数、能量场和位势稳定度具有较好的相关性;高雷电密度区域与区域性暴雨的强降水落区有一定的对应关系,但强雷电往往先于强降水出现,雨量最大区域与雷电强度最大区域并不对应。     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。     

大兴安岭林区地闪放电特征的观测与分析

利用2009年夏季在大兴安岭林区开展的雷暴及闪电的多站GPS同步观测资料,详细分析了该地区的地闪放电特征.通过对464次地闪资料的分析,发现具有单次回击的地闪所占的比例高达69,且正地闪比例较高,达到了22%.对连续电流的统计表明,约有27%的地闪伴随有连续电流过程且长连续电流过程主要出现在具有单次回击的负地闪中,其平...     

基于小波技术的地面大气电场数据处理

使用安装在南京信息工程大学实验场的法国电场仪AMEO340于2009年观测试验期间的观测资料,将大气电场仪采样序列数据经快速傅里叶变换,得到序列的功率谱。对晴天和伴有闪电天气的地面大气电场数据进行了小波函数为sym5的7层分解,大大降低了地面大气电场数据波形的重叠度。通过对伴有闪电天气的地面大气电场数据进行小波7层分解,地面大气电场信号的低频部分不仅突出显示了地面大气电场值的主要变化趋势,而且能清晰的分辨出闪电过程中较强的正负地闪次数。为利用地面大气电场强度值的变化特征进行闪电预警提供了更有效的信息。     

基于小波分析的地面大气电场观测数据处理技术研究

使用南京信息工程大学实验场的AMEO340电场仪一年观测试验资料,将大气电场仪采样序列数据经快速傅里叶变换,得到序列的功率谱,对晴天和伴有闪电天气的地面大气电场数据进行小波函数为sym5的7层分解,某种程度上降低了地面大气电场数据波形的重叠度。通过对伴有闪电天气的地面大气电场数据进行小波7层分解,地面大气电场信号的低频部分不仅突出显示出地面大气电场值的主要变化趋势,而且能清晰地分辨出闪电过程中较强的正负地闪次数,为利用地面大气电场强度值的变化特征进行闪电预警提供了更有效的信息。     

中国内陆高原地区典型雷暴过程的地闪特征及电荷结构反演

利用2002年夏季在青海省大通县进行的雷暴及闪电综合观测实验中所获取的6站GPS同步闪电电场变化资料,对8月4日一次下部具有大范围正电荷区的典型性雷暴过程的雷电特征进行详细研究。利用点电荷模式对16次负地闪和2次正地闪所包含的共65次回击所中和电荷源进行的非线性最小二乘法拟合研究发现,负地闪所中和的负电荷距离地面的相对高度在3~5 km,而两次正地闪所中和的雷暴云电荷在5~6 km的高度,表明该雷暴云呈三极性电荷结构。负地闪单次回击所中和电荷量平均为1.48 C,而两次正地闪都为单次回击且中和的电荷量分别为1.37 C和2.68 C。     

The characteristics of ground flashes in Beijing and Lanzhou regions

Over twenty thousand lightning location data obtained by using Lightning Location System (LLS) from Lanzhou and Beijing regions have been analysed to ascertain the characteristics of ground flashes in both regions. The strength of positive flashes is 5 times higher in Lanzhou than in Beijing. The strength of positive flashes is 3 times and 2.2 times as large as negative flashes in Beijing and in Lanzhou respectively. It has been found that the strength of positive and negative flashes is submitted to the normal distribution, and is independent of the characteristics of thunderstorm. So the lightning, strength obtained by DF may be used to forecast the coming of thunderstorm. Although the stroke number in both regions decreases as exponent regulation, the maximum number of return stroke for one lightning in Beijing is more than that in Lanzhou. The peak flash rate occurs in late afternoon for both regions, but the maximum and minimum flash rate appeared an hour earlier in Beijing than in Lanzhou.The relationship between DF display and lightning radiation electric field, discharge current is obtained.     

Inverted-polarity electrical structures in thunderstorms in the Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study (STEPS)

Balloon-borne electric field soundings and lightning mapping data have been analyzed for three of the storms that occurred in the Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study field program in 2000 to determine if the storms had inverted-polarity electrical structures. The polarities of all or some of the vertically stacked charge regions in such storms are opposite to the polarities observed at comparable heights in normal storms. Analyses compared the charge structures inferred from electric field soundings in the storms with charges inferred from three-dimensional lightning mapping data. Charge structures were inferred from electric field profiles by combining the one-dimensional approximation of Gauss's law with additional information from three-dimensional patterns in the electric field vectors. The three different ways of inferring the charge structure in the storms were found to complement each other and to be consistent overall. Charge deposition by lightning possibly occurred and increased the charge complexity of one of the storms.Many of the cloud flashes in each case were inverted-polarity flashes. Two storms produced ground flash activity comprised predominantly of positive ground flashes. One storm, which was an isolated thunderstorm, produced inverted-polarity cloud flashes, but no flashes to ground. The positive and negative thunderstorm charge regions were found at altitudes where, respectively, negative and positive charge would be found in normal-polarity storms. Thus, we conclude that these storms had anomalous and inverted-polarity electrical structures. Collectively, these three cases (along with the limited cases in the refereed literature) provide additional evidence that thunderstorms can have inverted-polarity electrical structures.     

华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究

利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料, 分析了一次具有前部对流线和后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。整个MCS生命史中负地闪占主导地位, 正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1, 地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域; 负地闪主要密集地分布在大于40 dBZ的回波范围内; 正地闪则稀疏地分布在30～40 dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多, 而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演, 发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应, 并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。     

用TRMM/LIS资料分析长江三角洲地区的闪电活动

统计分析了1998~2004年长江三角洲(长三角)地区由星载闪电成像传感器(LIS)观测的闪电资料，发现了该地区LIS闪电活动的一些时空分布特征:闪电次数的年差异较大，最多年份是最少年份的3倍；7~8月盛夏季节是闪电高发期，闪电次数和日数分别占全年的70%和60%；闪电高发期间的抬升指数(IL)小于-2℃；7~8月闪电主要集中于午后，3~6月则集中在上半夜；上海地区单日LIS闪电次数超过8次时，多伴有强对流天气和短时强降水；长三角地区的闪电活动区主要分布在上海的东部，部分沿江、沿湖地区和浙江的龙门山等山区；水域闪电少于陆地，大城市城区下风方向闪电活动较多，部分雷暴刚入海时有加强的趋势。分析表明:太阳辐射的季节变化和日变化等是造成闪电时间分布的主要原因；地形的动力作用和下垫面的物理特性及其差异是造成气候意义上中小尺度闪电空间分布差异的主要原因。文章对LIS闪电定位资料进行了探测效率订正，根据LIS注视时间计算了闪电密度，并与地基闪电定位资料和多普勒天气雷达资料进行了对比。LIS闪电活动特征的分析，对雷暴预警和防灾减灾有指导意义。     

一次中尺度对流系统的电场演变特征

综合雷达、卫星、电场、闪电定位仪等资料,分析了2009年6月5日经过南京地区的中尺度对流系统(MCS)的地闪、电场演变过程及特征。本次过程中,MCS的发展阶段正地闪占主导地位,成熟阶段负地闪占主要地位,消亡阶段层状云区的正地闪相对较频繁。将该过程电场划分为4个阶段,重点对MCS对流区的电场进行了演变过程和特征分析,并用准正态分布模式模拟了MCS的对流区电场。结果表明,准正态分布模式能够更细微地反映电场变化,模拟得到的电场和实际观测相符。     

Analysis of the Initial Stage Intracloud Lightning Using the Pulse Location Technique Based on the Fast Electric Field Change

Academy of Sciences,Beijing 100029 2 Lanzhou University,Lanzhou 730000 3 Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000 4 Nanjing University of Information Science＆Technology,Nanjing 210044
Using both fast and slow electric field change sensors and field mill,multi-station observations on lightning flashes over China inland plateau areas were conducted during the summer of 2004.All of the stations were synchronized by GPS with a time-resolution of±50 ns.Using the different time of arrival（DTOA）and based on the fast electric field change sensor,a lightning radiation location technique was developed.Radiation pulses in the initial stages of five intracloud（IC）lightning discharges which occurred on 20 August were analyzed.The results indicate that the technique developed could effectively locate the lightning radiation sources.Furthermore,the lightning discharges were compared with the Doppler radar data.The results show that the radiation sources were well associated with the storm development.When the storm was at the mature stage with an echo top of about 10.9 km,the radiation sources ranged from 5.2 to 8.3 km above mean sea level;when the storm gradually became weaker,with echo top of about 7.9 km,the radiation sources ranged from 3.0 to 5.9 km.In particular,one of the IC lightning discharges ranged from 3.0 to 4.9 km during the dissipation stage of the storm.The results also indicate that the radiation sources were closely associated with the high reflectivity region（25–50 dBZ）of the storm,which,to some extent,demonstrates the reliability of the location results,thereby showing that multi-station observations of fast electric field change sensors could be a useful tool for monitoring the storm development.Location errors from radiation sources were also compared with the radar data and the results of a simple simulation.It was found that the errors were getting smaller when the radiation sources approached the center of the detection network, and vice versa.Compared with the limited experimental observations,the simulation results were found capable of effectively reflecting the location errors.