近地面电晕电流组网观测与数据分析

利用强电场环境中金属尖端会产生电晕放电的原理,结合无线数据传输技术,研制开发了电晕电流测量仪及其无线组网观测系统。外场试验结果表明,该套系统能够实现一定区域范围内电晕电流的组网观测。通过对电晕电流和环境电场同步观测数据的分析,得到了正、负环境电场下产生电晕电流的电场阈值以及正、负电晕电流与正、负环境电场的关系式。分析表明,利用电晕电流的测量,能够比较真实、准确地对环境电场强度进行反演。     

雷暴下闪电所致电场变化的电晕影响

本文用一个二维时变轴对称模式,研究雷暴下一次闪电后地面孤立金属尖端的电晕放电过程,讨论电晕放电对周围电场恢复的影响。计算结果表明,闪电后实测地面电场强度的指数型恢复是尖端电晕放电形成的空间电荷层的作用。闪电只能短时间地改变尖端附近空间电荷的极性,且这种影响随距离增加而很快衰减。     

消雷器的机制研究

通过对孤立尖端系统放电过程、大气中的电流过程、闪电的先导过程以及闪电的连接过程等方面的综合分析,得出:任何现存人工尖端系统的作用,在于改变局部的电流分配,它们不可能改变原来已存在的自然泄放过程。人工尖端放电形成的空间电荷层既不足以阻止先导的继续推进,也不能防止产生上行先导。因此,现有的“消雷器”并不能消雷,相反由于它的结构造成更易产生上行先导而易遭雷击。     

雷暴云内电场探测仪及初步实验结果

雷暴云内的电场探空是了解雷暴电荷结构的重要手段之一。为了定量了解雷暴云内的电场分布以确定雷暴的电荷结构,本文根据强电场环境中尖端放电原理,制作了尖端放电电流传感器。该电流传感器包括两根长度均为1 m的同轴电缆和一个时间常数为0.1 s、量程±16μА的精密电流放大电路;两根同轴电缆悬空垂直于地面,相对放大电路对称布置,两个尖端的长度为5~6 cm。利用该电流传感器,同时配合温度、相对湿度、GPS等传感器,组成了雷暴云内电场综合探空仪,并于2007年夏天在甘肃平凉地区进行了初步实验。利用雷暴天气条件下的大气平均电场仪与尖端放电电流传感器进行的地面同步观测记录,得出了大气电场—尖端放电电流的拟合关系,发现负电晕放电(尖端为阴极)的阈值电场和正电晕放电阈值电场存在一定差异,且负电晕放电的阈值较低。本文认为这一差异源于正、负电晕放电机制的差异。利用气球携带的电场综合探空仪进行了探空实验,得到了一次空中电场的初步探测结果,在此基础上,对探空路径上可能存在的电荷区域进行了分析。     

孤立金属尖端的电晕触发阈值

为了得到金属尖端在发生电晕放电时尖端处的电场强度,该文首先采用实验室实验得到不同高度、不同形状、不同材质的金属尖端发生电晕放电时的环境电场阈值;再采用有限元法计算二维泊松方程,得到尖端处电晕触发阈值,由此得出以下结论:环境电场阈值随金属尖端高度的增大基本呈线性减小趋势,随着尖端越来越尖,环境电场阈值呈先减小后增大的变化趋势;高度、形状对金属物尖端处电晕触发阈值无影响,尖端处电晕阈值为定值;给出尖端处电晕触发阈值为158.75 kV·m-1与空间分辨率的拟合公式,可为今后电晕放电数值模拟中判断电晕放电的起始时刻提供参考。     

地面电晕离子对空中引雷始发过程的影响

利用已建立的“地面电晕离子的演化模式”对甘肃省平凉地区一次雷暴过程的空中电荷密度和环境电场的演化情况进行了模拟,发现地面尖端产生的电晕离子如果不被俘获便可在１ｍｉｎ左右内到达５００ｍ的高度上。对空中引雷火箭发射前的空中电场分析表明,引雷成功的关键除有足够长的导线以使导线两端的电场产生畸变外,另一个重要的条件是火箭－导线系统顶端能处于强的环境电场中以满足顶部流光的产生和持续传输。另外,低空较强的环境电场对火箭－导线系统下端下行流光的发展和空气间隙的击穿有重要的促进作用。一次空中引雷触发高度上的电场大于５０．０ｋＶ／ｍ,火箭－导线系统下行正流光持续传输的电场值为１９．０ｋＶ／ｍ,放电过程首先起始于火箭－导线系统下端正流光的产生。根据多年的实验资料,建议实际引雷试验时,以５００ｍ高度上的电场为参考来决定火箭的发射时刻,北方雷暴大于５０ｋＶ／ｍ,南方雷暴大于２５ｋＶ／ｍ。     

雷暴下金属尖端放电所致空间电荷层分布的数值计算

本文用一个二维时变轴对称模式,在地面金属尖端电晕放电条件下,数值计算了强雷暴下从地面至300米高度大气中电场和电荷密度的时空分布,讨论金属尖端放电对电场的抑制作用.结果指出:当初始电场为9000伏/米,气溶胶粒子浓度为10~(10)个/米~3时,电晕放电10秒后,电晕电流密度减小到初值的1/70,34秒达稳定值约为0.6×10~(-9)安/米~2,是初值的1/130.电荷密度不小于0.2×10~(-9)库/米~3的电荷层可垂直扩展到200米高度,径向扩展到80米以外.尖端高度以下有较高的电荷密度(约10~     

雷雨云下部正电荷中心产生的电场

人们对雷云下部局部的正电荷区迄今还了解得不多。本文介绍的是1985年夏季在甘肃东乡地区一次雷暴过顶时地面电场、降水、电晕电流以及闪电活动的一些特征。观测与分析表明地面上强而持续的正电场是由云下部的正电荷区所产生的,而电场由负到正及由正到负过渡时的快速变化率主要是从云底下落的带正电的雨滴群的贡献。在地面正电场控制时较强的降水及频繁的闪电表明,云中有一种强而有力的、与降水形成有关的起电机制在起作用。它使雨滴带上正电荷并维持云下部正电荷区历久不衰。本文所介绍的雷云下部的正电荷区在时间、空间的尺度上以及形成原因方面与Holden等人(1980)和Marshall等人(1982)所报导的结果颇为不同。     

上海地区雷害调查及防雷机理探讨

通过对上海地区雷害情况的调查，以实例分析了一次雷害过程的起因，特点、放电路径和破坏程度。结合现有建筑物的防雷设施，对一些“消雷器”和避雷装置“的工作机理进行了初步的研计。     

平凉地区闪电电场恢复波形的分析

主要利用甘肃平凉地区2013年5月18日—9月1日地面大气电场仪实际测量的大气电场资料,研究了平凉地区闪电放电后地面大气电场恢复波形的变化特征。研究表明:(1)平凉地区闪电放电之后地面电场恢复波形主要分为3个阶段:第1阶段,闪电发生时,地面大气电场强度迅速增大,而在闪电完成放电之后,地面电场强度显著变小;第2阶段,地面大气电场强度减小的过程较为缓慢,电场发生极性的反转,且电场强度呈现出线性的变化趋势;第3阶段,地面电场强度的波动幅度较小,电场幅值处于稳定变化趋势,电荷屏蔽层对每个阶段的影响不同,且在电场恢复阶段还会有很多的小电场突变。(2)当地面大气电场强度达不到一定值时,电荷屏蔽层的影响较小。     

Corona processes and lightning attachment: The effect of wind during thunderstorms

A simple model of a glow corona occurring near the tip of a grounded electrode in a thundercloud electric field that can be enhanced by an approaching downward leader has been studied analytically and numerically with regard to the effect of wind. We obtained an approximate expression for corona current taking into account the (i) removal of space charge from the coronating point due to ion drift and wind and (ii) image of the charge in the ground. As the wind velocity decreases to zero, the expression tends to that obtained previously in the absence of wind. It was shown analytically and numerically that, in a thundercloud electric field, even moderate wind velocities lead to hundreds of percent increase in the corona current. This current decreases with time only slightly in a steady thundercloud electric field, as opposed to the current behavior in the absence of wind. However, even strong wind is not sufficient to affect the properties of a corona intensified in the electric field of an approaching downward leader. The occurrence of wind does not affect the conditions for initiation of an upward connecting leader from grounded objects and consequently the efficiency of lightning rods of ordinary height.     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

闪电先导静电场波形理论分析

通过对地闪电先导过程静电场变化波形的理论分析指出，先导所致静电场时间变化率dE/dt是一个比静电场变化ΔE更能反映先导传播特性的物理量。利用dE/dt时变曲线可以较精确地确定先导开始位置、接地附近先导传播速度以及接地瞬时的先导电流，同时利用dE/dt极值点的特征可以揭示通道传播过程中倾斜、弯曲特征。     

雷暴下近地面电特性及其对人工引雷的影响

利用已建立的一维时变模式，对雷暴下近地面的电特性进行了计算。计算结果表明：由于地面的不规则性所产生的电晕电流密度可达２．０ｎＡ／ｍ＾２，由此而形成的空间电荷密度在１００ｍ密度以下可达１．１ｎＣ／ｍ＾３，传导电流可达３．５ｎＡ／ｍ＾２，并可延伸到１０００ｍ高度，形成０．１ｎＣ／ｍ＾３和１．０ｎＡ／ｍ＾２的电荷密度和电流密度。     

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。     

2010—2019年杭州地闪变化特征及其与海拔高度的关系

利用2010—2019年杭州闪电定位资料,通过数理统计、线性回归等方法分析了杭州市雷电活动时空变化特征及其与海拔的关系。结果表明：杭州地闪活动呈东多西少、南多北少的分布,密度高值区出现在西南部,低海拔地区的地闪频次较高海拔地区的地闪频次高。夏季地闪活动最为频繁,主要集中在7月和8月,春、秋季地闪频次差别不大,冬季地闪频次较其他三个季节少一个量级。夏季和秋季的地闪活动多发生在午后至傍晚,春季地闪活动在凌晨发生较为频繁,这可能与具有夜发性特征中尺度对流系统持续时间长有关。地闪强度绝对值主要集中在10—60 kA,正地闪均值随着海拔高度增加而增大,负地闪和总地闪的雷电流均值随海拔高度的上升呈“V”形变化。正地闪、负地闪和总地闪≤16 kA比例和≥100 kA的比例均随海拔高度增加而减小。在100—200 m的丘陵和200—500 m的小起伏山地,绕击率较高,超过1500 m的山区,≤16 kA的雷电流造成的绕击风险小;400 m及以下地区,≥100 kA的雷电流造成的反击概率大,高于1600 m的大起伏山地基本不会发生反击现象。     

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.     

中国南北方雷暴及人工触发闪电电特性对比分析

通过对我国南北方雷暴及人工触发闪电电特性的对比分析，发现南北方雷暴及人工触发闪是电特性有很大差异。北方雷暴电荷结构呈三极性，人工触发闪电是在地面电场为正的情况下成功的。主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，最大放电电流为１ｋＡ，中和电葆量只有几库仑；南方雷暴则为偶极性，触发闪电由连续电流和我次回击组成，电流峰值在于１０ｋＡ。触发闪电时地面电场均为负极性，其中在４ｋＶ／ｍ以上；触发高度在北方最低为２６     

雷暴下的电流密度测量和准稳态特性讨论

利用电场和麦克斯韦电流密度的同时测量，对雷暴下闪电间的麦克斯韦电流密度的准稳态特性进行了验证，并利用实验观测和模式计算相结合的方法，对传导电流、位移电流和电晕电流的相对重要性作了估计。     

人工触发闪电与降雨倾泻

根据人工触发阀电后雨量猛增的观测事实，利用一个简单的静电模式计算了闪道附近雨滴的重力碰并增长，结果指出，闪电后降雨猛增必须满足一定的条件，除了要求较高的离子浓度（〉１０＾１４／ｍ＾３）外，还取决于闪电所引起的电场变化和闪电被触发后闪道附近环境电场强度的特性。