A Review of Atmospheric Electricity Research in China from 2011 to 2018

Atmospheric electricity research has been conducted actively in China, having profited from the development and application of high temporal and spatial resolution lightning detection and location technologies. This paper reviews the scientific advances made in the field of atmospheric electricity in China from 2011 to 2018, covering the following five aspects:(1)lightning detection and location techniques;(2) discharge processes and parameters associated with rocket-triggered lightning;(3) physical processes in natural lightning and attachment to the ground;(4) lightning activities and charge structure in different thunderstorms; and(5) effects of thunderstorms on the upper atmosphere. In addition, some outstanding questions for future research are outlined.     

A review of atmospheric electricity research in China

The importance of atmospheric electricity research has been increasingly recognized in recent decades. Research on atmospheric electricity has been actively conducted since the 1980 s in China. Lightning physics and its effects, as important branches of atmospheric electricity, have received more attention because of their significance both in scientific research and lightning protection applications. This paper reviews atmospheric electricity research based primarily on ground-based field experiments at different regions in China in the last decade. The results described in this review include physics and effects of lightning, rocket-triggered lightning and its physical processes of discharge, thunderstorm electricity on the Tibetan Plateau and its surrounding areas, lightning activity associated with severe convective storms, the effect and response of lightning to climate change, numerical simulation of thunderstorm electrification and lightning discharge, lightning detection and location techniques, and transient luminous events above thunderstorms.     

Recent Advances in Research of Lightning Meteorology

Lightning meteorology focuses on investigating the lightning activities in different types of convective weather systems and the relationship of lightning to the dynamic and microphysical processes in thunder- storms. With the development and application of advanced lightning detection and location technologies, lightning meteorology has been developed into an important interdiscipline between atmospheric electricity and meteorology. This paper mainly reviews the advances of lightning meteorology research in recent years in China from the following five aspects： 1） development of advanced lightning location technology, 2） char- acteristics of lightning activity in different convective systems, 3） relationship of lightning to the dynamic and microphysical processes in thunderstorms, 4） charge structure of thunderstorms, and 5） lightning data assimilation techniques and application to severe weather forecasting. In addition, some important aspects on future research of the lightning meteorology are proposed.     

闪电气象学研究进展

闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾：在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,不同类型强对流天气系统的闪电活动特征,闪电活动与雷暴的动力、微物理结构的关系,雷暴电荷结构探测和数值模拟,以及闪电资料同化方法及其在强对流天气中的预警预报作用和闪电的预报等,并指出了中国闪电气象学今后的努力方向。     

闪电探测技术发展和资料应用

文中综述了闪电探测技术和方法的发展状况, 阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用, 探讨了我国闪电探测站网建设的技术和方法, 以及利用闪电探测资料开展雷电预警预报的方法与途径.闪电探测技术对雷电研究和雷电防护技术的发展非常重要, 特别是随着科学技术的发展, 闪电探测技术得到了快速发展, 这为雷电监测和预警提供了重要手段, 对减少雷电灾害具有重要作用.     

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.     

浙江省两套闪电定位系统地闪数据对比

针对2009—2013年浙江省气象部门和电力部门闪电定位系统 (lightning location system, LLS) 监测的地闪 (cloud-to-ground lightning, CG lightning) 数据,从时空分布及探测效率等方面对两者进行对比。结果表明:电力部门LLS监测的年平均地闪频次稳定大于气象部门LLS监测的年平均地闪频次。从空间分布看,沿海平原和金衢盆地等平原地带,两者的地闪密度相近;在杭州和衢州交界地区,气象部门LLS监测的地闪密度稳定大于电力的地闪密度;在其他地区 (如浙西北、浙中南部和浙南等大部分地区),电力部门LLS监测的地闪密度稳定大于气象部门LLS监测的地闪密度。利用雷暴日数对两者的探测能力对比可知,气象部门LLS对一些较弱雷暴天气过程中的地闪有漏测可能。利用雷击跳闸记录对比分析,电力部门LLS逐年探测效率稳定高于气象部门LLS的探测效率,两者相差约6%。     

一次人工触发闪电事件的定位误差分析

利用一次包含8次回击过程的人工触发闪电事件的近距离光电观测数据,分析了广东省气象闪电定位系统对其回击过程的定位结果。结果表明,回击过程探测效率约为75%(6/8),回击平均定位误差约为3768m。为了分析定位误差来源,通过对比分析的方法,逐次引入各探测子站原始记录重新进行定位计算,发现剔除误差较大的探测子站后,平均定位误差为2192m,比原来降低42%。     

新型闪电电场变化测量仪的研究与初步应用

闪电电场变化测量系统是目前用于闪电物理研究以及闪电定位的重要手段之一, 提高测量系统的探测性能, 对于推动闪电物理以及闪电定位的研究具有重要作用。根据电磁感应原理, 研制出探测带宽为10 Hz~5 MHz的新型闪电电场变化测量仪。并进行了实验, 标定了测量仪输出信号与电场变化信号在频域上的数值关系。利用三套测量仪系统对南京多个强雷暴过程展开同步探测, 利用获取的数据反演了负地闪电场波形。对探测到的58次负地闪波形特征进行统计, 与国内外统计结果进行对比分析, 发现各个地区的负地闪预击穿过程和首次回击电场波形特征存在较大差异。      

基于闪电聚类方法的西北太平洋区域雷暴活动特征

利用2010—2018年全球闪电定位网(WWLLN)观测资料, 采用基于闪电密度的空间聚类算法(DBSCAN)建立了西北太平洋地区雷暴数据集, 研究了该区域雷暴的时空分布特征, 并进行海陆差异对比。研究结果表明, 在合理设定DBSCAN参数阈值的条件下, 基于WWLLN闪电聚类的雷暴与天气雷达观测在时空分布和过程演变上具有一致性。西北太平洋区域的日均雷暴数为3 869, 雷暴的闪电密集区平均面积为557.91km2, 平均延展尺度为31.99 km, 平均闪电频次为33 str/(h·thu)。在空间分布上, 东南亚沿海地区与热带岛屿的雷暴活动最强, 南海的雷暴活动强于深海。距离海岸线越近的海域其雷暴面积越大。在季节分布上, 整个区域雷暴活动在夏季(6—8月)达到全年最强, 南海雷暴活动6月达到峰值, 而日本东部近海海域的雷暴活动则在冬季达到最强。我国内陆南方地区雷暴3月开始显著增多, 雷暴平均面积达到最大, 但雷暴平均闪电频次5月才达到峰值。在日变化方面, 陆地雷暴活动呈现典型的单峰型特征, 大部分雷暴发生在午后及傍晚。海洋雷暴日变化则较为平缓, 南海具有其独特的雷暴日变化特征。      

北京地区雷暴过程闪电与地面降水的相关关系

该文选取北京地区2006年夏季的18次雷暴过程,利用SAFIR3000三维闪电定位系统观测到的总闪数据,分析了闪电与雷达反演的对流活动区降水量和对流活动区面积的相关关系,结果表明:北京地区的雷暴活动中,单个闪电所表征的降水量的范围在0.86×10~7～6.57×10~7kg/fl之间,平均值为2.65×10~7kg/fl;闪电活动与对流活动区降水量的线性相关关系显著,相关系数达到0.826;闪电活动与对流活动区面积也具有显著的线性关系,相关性系数达到0.846。文中给出了基于6 min闪电频次估算6 min对流降水量以及对流活动区面积的拟合方程。分析还发现,总闪活动与降水的关系要明显好于地闪,总闪信息的应用极大提高了分析结果的质量和可信性,分析结果对于利用闪电信息估测降水具有参考意义。     

2007—2017年浙江省雷暴路径时空特征分析

基于浙江省ADTD二维闪电定位系统监测的近11 a（2007—2017）地闪数据,采用密度极大值快速搜索聚类算法和Kalman滤波算法实现对雷暴的识别及其路径的追踪,并探讨大范围雷暴过程的时空分布特征。结果表明：该方法能够有效对浙江省各类雷暴的识别追踪,共筛选出261条雷暴过程的路径,其存在明显的年变化和年际变化,年路径数与年地闪频次存在较好的对应关系,月分布上路径数呈双峰分布,峰值分别在初春和夏季,其中春季雷暴路径移动时长高于其他季节。88.51%的雷暴自西向东移动,且偏北方向多于偏南方向,各移动方向上雷暴路径数的月分布存在差异性,春季雷暴移动的方向相比夏季较为集中,夏季雷暴各月最为主导的移动方向各不相同;雷暴的移动速度主要集中在50 km/h左右,自西-东和西南-东北方向移动的雷暴速度快于其他方向;空间分布上,主要存在两个移动通道,一是沿金衢盆地、绍兴和宁波方向的区域,其次是天目山脉以北的湖州嘉兴平原一带;从地形特征来看,路径主要发生在丘陵地带,平原及山地相对偏少,且地势越高路径越少。     

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。      

北京及其周边地区夏季地闪活动时空特征分析

利用M-LDARS闪电定位系统对北京及其周边地区1995～1997年6～9月的闪电观测数据, 分析闪电活动的时空分布特征。结果表明:闪电活动在时间分布上存在两个峰值时段, 13 :00～21:00和23:00～次日05 :00。通过对总地闪、分时段及峰值时段的地闪密度分析, 发现北京及周边地区闪电活动有几个明显的集中区域, 地闪高密度区主要出现在下垫面为山脉和水体的地方, 闪电活动与下垫面的水汽条件关系密切, 且正、负地闪的空间分布也呈现较大差异, 表明雷暴云的电荷结构存在一定差异。     

Analysis of Channel Luminosity Characteristics in Rocket-Triggered Lightning

A comparison is made of the high-speed （2000 fps） lightning between two techniques. The analysis shows （UPL） in altitude-triggered negative lightning （ATNL） photographic records in rocket-triggered negative that： the initial speed of upward positive leader is about one order of magnitude less than that in classically triggered negative lightning （CTNL）, while the triggering height of ATNL is higher than that of CTNL; the afterglow time of metal-vaporized part of the lightning channel can endure for about 160-170 ms, thus the luminosity of the air-ionized part can reflect the characteristics of the current in the lightning channel better than that of the metal-vaporized part. According to the different characteristics of the luminosity change of the lightning channel, together with the observation of the electric field changes, three kinds of processes after return-stroke （RS） can be distinguished： the continuous decaying type without M component, the isolated type and the continuing type with M component, corresponding to different wave shapes of the continuous current. The geometric mean of the interval of RS with M component is 77 ms, longer than that （37 ms） of RS without M component. And the initial continuous current （ICC） with M component also has a longer duration compared to the ICC without M component. The distinction in the relative luminosity between the lightning channel before RS and that before M component is obvious： the former is very weak or even cannot be observed, while the latter is still considerably luminous.     

青藏高原那曲地区地闪与雷达参量关系

基于2014—2015年5—9月西藏那曲地区多普勒天气雷达数据,结合地闪观测数据,识别雷暴单体样本,统计分析了地闪位置附近的雷达回波分布特征,并研究了高原雷暴的雷达参量与地闪频次的相关关系。结果表明:那曲地区地闪发生位置附近的雷达最大反射率因子呈正态分布,峰值分布区间集中于34~41 dBZ。发生地闪位置附近的20 dBZ回波顶主要集中于11~15 km高度,30 dBZ回波顶高分布的峰值区间则为8.5~12 km。分析表明:表征局地雷暴对流发展强度的雷达参量与地闪频次之间一对一的相关关系较差,但相关性随地闪频次增加而增强。基于雷达参量分段统计得到的对应分段平均地闪频次与雷达参量之间表现出较强相关关系,体现了宏观上闪电活动强度与雷暴发展强度之间的正向关系。其中,基于原始数值进行区间划分的强回波（组合反射率因子不小于30 dBZ）面积与平均地闪频次的线性相关系数达0.75,基于对数数值区间划分的7~11 km累积可降冰含量的对数值和地闪频次的线性相关系数达0.95。文中对比了多个雷达参量和地闪频次线性拟合与幂函数拟合结果,整体上幂函数拟合略好于线性拟合。     

Lightning Nowcasting with an Algorithm of Thunderstorm Tracking Based on Lightning Location Data over the Beijing Area

A thunderstorm tracking algorithm is proposed to nowcast the possibility of lightning activity over an area of concern by using the total lightning data and neighborhood technique.The lightning radiation sources observed from the Beijing Lightning Network(BLNET)were used to obtain information about the thunderstorm cells,which are significantly valuable in real-time.The boundaries of thunderstorm cells were obtained through the neighborhood technique.After smoothing,these boundaries were used to track the movement of thunderstorms and then extrapolated to nowcast the lightning approaching in an area of concern.The algorithm can deliver creditable results prior to a thunderstorm arriving at the area of concern,with accuracies of 63%,80%,and 91%for lead times of 30,15,and 5 minutes,respectively.The real-time observations of total lightning appear to be significant for thunderstorm tracking and lightning nowcasting,as total lightning tracking could help to fill the observational gaps in radar reflectivity due to the attenuation by hills or other obstacles.The lightning data used in the algorithm performs well in tracking the active thunderstorm cells associated with lightning activities.     

塔克拉玛干沙漠腹地雷电活动特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地的塔中气象站1996-2010年地面观测资料对该地区的雷暴和闪电特征进行了分析。结果表明:塔中地区年平均雷暴日数为9.3d,年平均闪电日数为2.7d。塔中地区4月开始出现雷暴和闪电,7月达到最高值,10月至翌年3月之间无雷暴和闪电发生,塔中地区雷暴平均初日为6月1日,平均终日为8月5日。塔中地区雷暴多出现在午后至凌晨,并以30min以内的短时雷暴为主,雷暴出现的最多方位是W和N。     

地面电场资料在雷电预警技术中的应用

论述利用地面电场仪的探测资料对雷电预警预报的技术方法，以大气电场测量为基础，利用地面电场仪的组网，实现自动、连续、实时监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等，提供监测范围内雷暴强电荷活动中心的发生发展演变特征和整个雷暴过程中雷电活动位置和发展信息。同时结合闪电定位系统的观测，为雷电的监测和预报提供更充分的信息。     

A PRELIMINARY STUDY ON THUNDERSTORM FORECAST WITH LS-SVM METHOD

The LS-SVM(Least squares support vector machine) method is presented to set up a model to forecast the occurrence of thunderstorms in the Nanjing area by combining NCEP FNL Operational Global Analysis data on 1.0°×1.0° grids and cloud-to-ground lightning data observed with a lightning location system in Jiangsu province during 2007-2008.A dataset with 642 samples,including 195 thunderstorm samples and 447 non-thunderstorm samples,are randomly divided into two groups,one(having 386 samples) for modeling and the rest for independent verification.The predictors are atmospheric instability parameters which can be obtained from the NCEP data and the predictand is the occurrence of thunderstorms observed by the lightning location system.Preliminary applications to the independent samples for a 6-hour forecast of thunderstorm events show that the prediction correction rate of this model is 78.26%,false alarm rate is 21.74%,and forecasting technical score is 0.61,all better than those from either linear regression or artificial neural network.