雷暴云内闪电双层、分枝结构的数值模拟

试验了一种逃逸启动、双向随机发展的放电参数化改进方案, 并进行了12.5 m的高分辨率、二维雷暴云数值模拟试验, 模拟再现的雷暴云内闪电特征在通道扩展范围和双层、分枝结构以及与位势阱位置的相互配合等方面与实际VHF源定位观测资料分析结果是一致的. 进一步发现: (1) 闪电在雷暴云内相邻的正、负电荷区边界附近触发后, 负先导向正电荷区发展、正先导向负电荷区发展. 存在正负两种极性的云闪, 他们的极性由云中相邻正、负电荷累积区位置的上下配置决定. (2) 电荷累积区的空间分布制约着闪电的空间范围. 云闪几乎遍及其所传播的电荷堆, 遭遇到局域性、与通道极性相同的电荷堆时, 通道将转向、绕开该电荷堆. (3) 电位的空间分布形态同样制约着闪电通道传播方向和几何结构: 先导通道进入正或负位势阱之前沿着最大电位梯度方向传播; 当先导通道穿过它们的中心之后通道更趋于电位变化缓慢的地方发展. (4) 云闪通道在穿过电荷累积区中心以前, 有较好的分形特征, 幂指数约为1.45; 而其后向低电荷浓度地区延伸时, 幂指数随着半径增加而减小. (5) 放电结束后通道感应生成的异极性电荷沉积在正、负先导通道经过的区域, 形成新的、复杂的云内电荷空间分布, 位势极值可由200下降到20 MV.     

积云模式中上行地闪的参数化方案及起始有利云内环境特征的探讨

上行地闪是一种始发于超高建筑物(高度至少在100m以上)顶端的大气放电现象,目前对其的认知主要通过地面观测,而相应的理论模式研究较为缺乏.本文在已有的双向先导随机模型的基础上,创建上行地闪随机放电参数化方案,并耦合到雷暴云起、放电模式中,进行了二维高分辨率上行地闪放电的模拟实验,得到的上行闪电与观测结果具有较好的一致性.通过分析雷暴云电荷结构给出了常规地闪起始的有利云内环境特征,并分析了正、负上行地闪一些特征的异同,结果表明:模拟得到的上行正地闪多为诱导触发的上行地闪,通常是三极电荷结构下次正电荷区与地面之间的一种放电现象,前次云闪过程对空间环境电场的影响为其起始提供了有利条件,整个放电过程延伸范围有限、分叉少、放电不充分;上行负地闪多为偶极电荷结构中主负电荷区与地面之间的放电过程,温度层结的高度低以及降水粒子的下沉使电荷区高度降低是其起始的根本原因,上行负地闪发展旺盛,分支较多;诱导触发的上行地闪主要发生于雷暴成熟期,而自行触发的上行地闪则更容易在雷暴消散期起始.     

强雷暴中正地闪发生的条件

为了进一步认识强雷暴中正地闪偏多的原因,本文利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过模拟一次强雷暴过程,讨论了正地闪频发需要的条件.结果表明,云闪的发生需要较强的上升气流,而正地闪的发生不仅需要更强的上升气流,还需要云低层存在强的下沉气流,即正地闪发生在强雷暴云成熟阶段后期,对应固态降水强度最大时段.此时,云内主上升气流区内的各电荷区被强上升气流抬升,短暂地呈现反三极性结构,非感应起电机制作用使大量的霰粒子带正电荷,形成了中部电荷密度较大、范围较深厚的正电荷区.而下沉气流区比上升气流区电荷结构更复杂,呈正、负交替的多层结构.由于雷暴云上部负电荷区中部分带负电荷的霰和雹粒子被下沉气流输送到低层,及低层区域感应起电机制的共同作用,使上升气流区外围的对流降水区中的霰和雹粒带上负电荷,在近地面形成一个较强的、范围较大的负电荷区.强雷暴云中下部存在的这个偶极性电荷结构为正地闪的发生提供了有利条件.正地闪发生阶段对应着上升气流、雹粒子体积和总闪的快速增强阶段.因此,强雷暴中正地闪的发生可作为雷暴强度及冰雹形成的一个指示因子.     

青海地区一次雷暴的地闪活动及云内的电场探空观测

2016年夏季在青海大通地区获得一次局地雷暴云内的电场探空资料,结合雷达、地闪定位资料,详细分析了该雷暴的地闪活动特征及云内的电荷结构.结果显示,该雷暴过程的负地闪在时间上呈间歇性发生,在空间分布上表现为不连续,且所有的正地闪都发生于雷暴的成熟阶段.在雷暴成熟阶段与消散阶段过渡期获得云内的垂直电场廓线表明,雷暴内的电荷结构在探空阶段呈四极性,最下部为处于暖云区内负电荷区,往上依次改变极性.最上部的正电荷区由于数据丢失无法判断其上边界外,其余3个电荷区的海拔高度分别为:5.5～5.7km(3.4～2.3℃)、5.7～6.2km(2.3～-0.4℃)和6.2～6.6km(-0.9～-1.7℃),对应的电荷密度为-1.81nC·m^-3、2.47nC·m^-3和-1.76nC·m^-3.其中,下部正电荷区的强度最大,其次为上部的负电荷区.通过分析电荷区分布与正地闪活动的关系,认为暖云区内负电荷区的形成有利于诱发下部正电荷区的对地放电.     

云闪放电对云内电荷和电位分布影响的数值模拟

我们应用改进的随机闪电参数化方案，对两次雷暴的起、放电过程进行了二维125 m和250 m分辨率云闪模拟试验，分析表明高分辨率模拟的云闪通道几何结构、延伸范围和最大垂直电场变化等特征与观测结果更为一致，并且揭示了云闪放电重新配置云内电荷分布和空间电荷中和过程的一种新的物理图像：(1) 云闪的直接物理效应是在已有的空间电荷区内沿着放电通道沉积异极性电荷、形成复杂的空间电荷分布，有效地导致云中电位和场强绝对值及静电场能量剧烈下降，使放电终止.其中：放电后在闪电通道经过主要区域，电位降到±30 MV之间，垂直电场强度也降到±20 kV·m-1之间，一次正或负云闪估计消耗掉107～1010 J静电能；(2) 云中电荷中和不是正、负空间电荷简单地直接相互抵消的瞬态过程，而是广泛分布的云中空间电荷与通道沉积的异极性电荷通过湍流交换、平流输送、重力沉降以及起电等多种因素逐渐混合并部分被中和的一个后续慢过程，其弛豫时间典型值在14～44 s之间，在此期间通道感应电荷总量下降到50%以下.并残余部分电荷参与后续放电前高空间电荷密度和强电场的重建过程.     

基于时差法三维定位系统对闪电放电过程的观测研究

系统介绍了自行研制的基于GPS同步和时差法定位技术的闪电VHF辐射源三维定位系统以及山东北部地区闪电过程同步观测分析,成功获得了雷暴中闪电通道辐射源三维时空发展物理图像.并结合地面的快电场变化资料,对典型负地闪、正地闪和云闪放电通道的三维时空演变过程进行了分析,结果表明,正、负地闪激发传输过程不同,典型负地闪的预击穿过程发展速度约为5.2×104m/s,被初始负击穿引发的向下梯级先导传输过程发展速度约为1.3×105m/s;正地闪初始阶段也是激发负流光传输,以优势水平方向在正电荷区内传输,并为始发点积累正电荷,从而触发向下正流光传输.重点分析了一次由双极性窄脉冲事件(NBP)引发的云内闪电三维放电过程,该脉冲发生在约10.5km的高度上即上部正电荷区域内,同时引发云内放电通道水平向周围扩展,产生大量击穿辐射源,双极性窄脉冲辐射峰值强度值高达16.7kW,而普通闪电辐射源功率一般在100mW～500W范围内.与经典云闪完全不同,此类新型云闪及其三维传输过程在国内第一次被发现.文章还讨论了其可能的触发机制.     

随机性与电环境特征对地闪击地点影响的数值模拟

本文利用已有的随机放电参数化方案,结合四次探空资料,进行了12.5 m的高分辨率二维雷暴云数值模拟实验,得到了各种雷暴云电荷结构下的地闪个例,并就地闪击地点与空间电荷、电位分布之间的相互关系进行了分析.结果表明:(1)由空间电荷唯一确定的电位分布决定了先导的传播最大趋势,而闪电传播的随机性所带来的地闪击地点的不确定范围被限制在3 km之内,利用动态聚类法迭代得出的三个击地点位置之间的差为1 km左右.(2)负地闪的初始点与击地点的位置差主要分布在0~6 km范围内,且93%的负地闪分布在0~4 km范围内,正地闪的分布相对较广,0~3 km范围内占48%,3~6 km范围内占34%,6~10 km范围内占18%.(3)正、负地闪主要产生于离地面最近的一对电荷堆之间,其起始高度越高,初始点与击地点位置差分布越广;另外,产生于三级性雷暴云电荷结构下的正地闪,其起始于上部的主正电荷堆与中部主负电荷堆之间,由于下行正先导会绕过底部的次正电荷堆,因此其击地点与初始点的距离基本在6 km以上.     

不同非感应起电及感应起电参数化方案对青海东部一次雷暴云电荷结构影响的数值模拟研究

本研究利用加入起电、放电参数化方案的数值模式（Weather Research and Forecasting Model（Version 3.7.1）,WRF3.7.1_ELEC）,通过设计五组不同非感应起电及感应起电参数化方案敏感性试验,对发生在青藏高原东北部青海大通地区的一次雷暴过程进行模拟研究,对比分析了不同非感应起电机制及感应起电机制对雷暴云电荷结构的影响.结果表明：在雷暴云发展旺盛阶段,Saunders（S91）、Riming Rate（RR）、和Saunders和Peck（SP98）三种非感应起电方案模拟的雷暴云最低层均为负电荷区,而混合方案（Brooks and SP98,BSP）模拟的雷暴云最低层为正电荷区,主电荷区自下而上为"+-+-"排列的四层电荷结构.与甚高频辐射源定位法推算的结果对比,BSP方案模拟的本次高原雷暴云电荷结构更接近实际情况;几种不同非感应起电方案模拟的主电荷区外围与主电荷区电荷结构不同,说明在雷暴发展的不同阶段雷暴云的电荷结构是不同的;几种非感应起电方案模拟的电荷结构不尽相同,主要是由于霰、冰和雪粒子在不同高度所带电荷的极性及电量的大小不同,霰粒子的电荷密度对低层的影响较大,冰粒子和雪粒子的电荷密度对中上层的影响较大;加入感应起电机制后,雷暴云电荷结构分布几乎没有变化,但能使雷暴云发展旺盛阶段低层和中层的正负电荷区电荷密度有所加强.     

沿海地区一次多单体雷暴电荷结构时空演变

利用闪电放电辐射源三维时空分布测量,分析了山东低海拔地区一次多单体雷暴过程的电荷结构演变以及与回波强度的关系.结果表明对流云区电荷结构是典型的上正下负电偶极结构,且随着雷暴发展正负电荷层强度增大,高度抬升.负电荷区处在40 dBz以上的强回波区域中,正电荷层处在约40 dBz区域中.层状云区也有类似结构,只是强度弱,高度低.观测到的四层电荷结构是出现在对流区消散阶段,此时,由于云体不同部位的不同消散程度,电荷结构发生断裂,云体前部正负电荷区下沉,云体中部正负电荷区高度变化不大,但负电荷区域变薄,呈现出四层电荷结构.从本例结果说明,雷暴优势起电机制通常能形成电偶极或三极性结构,多极结构可能不是起电形成.本文还分析了一次负地闪传输过程,和宏观电荷结构很好吻合,说明利用三维定位系统观测,可以较好地描述雷暴宏观电荷结构.     

不同电结构雷暴中的地闪特征

对观测资料的分析表明,甘肃地区和海南岛的地闪特征具有很大差异。海南岛负地闪（P型）首次回击前的电场变化波形与国外的报道类似,而甘肃地区仅有30％左右的负地闪属P型,约70％的负地闪首次回击前的电场变化波形具有明显的云闪特征（C型负地闪）。海南岛没有发现正地闪,甘肃地区有正地闪。该两地区存在两类电结构不同的雷暴,两类雷暴中地闪放电过程及特征的很大差异,说明我国的防雷规范及措施很可能需要考虑雷暴的地区差异性。     

基于双金属球三维电场探空仪的一次雷暴云内电荷结构观测研究

本文自主研制性能稳定的双金属球三维电场探空仪,并结合气象探空仪等构建了雷暴电场-气象综合探空系统,实现了雷暴云内三维电场及温度、湿度的同步测量.2019年夏季对华北平原地区雷暴开展穿云观测,并结合地面大气电场、雷达回波、变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)反演的动力场等资料进行综合研究,首次给出该地区雷暴云内的电场和电荷结构分布特征.对2019年8月7日发生的一次中尺度对流系统电场探空发现,在雷暴减弱阶段,其弱回波区内存在5个极性交替的电荷区:4.4~5.6 km之间的上部正电荷区(0℃附近)、3.6~4.4 km之间的中部负电荷区和1.0~3.6 km之间的下部正电荷区,此外在1 km下方有一个负极性电荷区,雷暴云顶附近5.7~6.9 km之间为一个弱负极性屏蔽电荷区.其中,中部负电荷区和下部正电荷区由多个不同强度、不同厚度的电荷层构成.此外,电场探空系统在中部负电荷区高度范围内经历的上升—下沉—再次上升的往返探空数据表明,雷暴云内动力环境复杂,电荷结构分布相似但又有所差异,反映了实际雷暴云内电荷分布的时空不均匀性和复杂性.     

青藏高原那曲地区雷电特征初步分析

通过对2002年夏季青藏高原那曲地区雷暴过程及闪电观测资料的初步分析,发现该地区雷暴电荷结构具有多样性和复杂性,地闪明显偏少. 对高原地闪的一些基本特征参量的统计分析表明,无论正地闪还是负地闪梯级先导前都具有持续时间较长的云内放电过程,地闪以单次回击为主. 与中低纬度地区相比,高原地闪中正地闪比例明显要高,为33髎;负地闪为67髎;正、负地闪回击后常常伴随短时间的连续电流.     

基于甚高频三维定位估算闪电通道产生的氮氧化物

基于闪电甚高频辐射源三维定位系统,本文采用了一种三维空间单元网格化提取闪电通道并计算其长度的方法。该方法通过对定位辐射源点进行聚集处理,继而进行通道提取后,可比较准确地得到一次闪电的三维通道总长度。为了验证该方法的可行性,本文设计并进行了模拟实验,定量给出了该方法的误差不超过10％。利用实验室得出的单位放电通道长度产生的NO量与气压的关系,将其应用到不同高度上单位闪电通道长度产生的NOx量。基于该方法对青藏高原东北部地区一次雷暴过程中11次负地闪和59次云闪的通道长度和其产生的氮氧化物量进行了计算。结果表明：地闪平均通道长度为28.9km,云闪平均通道长度为22.3km;一次地闪产生的NOx量平均为1.89×10^25分子数,一次云闪产生的NOx量平均为0.42×10^25分子数。     

正地闪发展的时空结构特征与闪电双向先导

利用闪电VHF辐射源定位系统的观测资料, 对正地闪三维时空发展特征进行了分析, 结果表明正地闪过程大致可分为三个阶段, 在回击之前有较长的云内发展过程, 平均持续时间为370 ms, 传输速度为10⁵ m/s量级, 辐射强度与负地闪梯级先导辐射强度相当, 这一期间闪电是以负极性击穿过程在云中正电荷区发展, 通道沿水平方向延伸, 较少分叉;回击之后闪电在云内快速传输, 比回击前的发展速度快约2倍, 辐射点较少且比较弥散, 但辐射强度增强, 对应于连续电流过程, 并包含有多个正极性快脉冲;在闪电的最后阶段, 传输速度与回击前的传输速度相当, 辐射点主要集中在闪电通道的顶端. 与负地闪的时空发展特征存在明显的差异. 正地闪的辐射点均发生在云内正电荷区, 没有探测到回击之前的正先导过程所产生的辐射. 正地闪持续时间平均为730 ms, 持续时间在500~600 ms的闪电占总数的43%. 90%正地闪只有一次回击, 最多有4次回击, 回击电流峰值最大为70 kA, 最小为11.5 kA, 平均为36.5 kA, 大于40 kA的约有40%.     

低频电场变化探测阵列建设及其初步运行结果

在低频(LF)和甚低频(VLF)频段探测全闪活动是近年来闪电探测技术发展的一个重要方向.中国气象科学研究院于2014~2015年在广州地区建设了由9个快电场变化测量仪构成的低频闪电电场探测阵列(Low-frequency E-field Detection Array,LFEDA).本文介绍了LFEDA构成以及针对闪电低频电场信号建立的闪电定位算法,基于蒙特卡罗法和人工触发闪电试验对LFEDA的定位精度和探测效率进行了理论模拟和客观评估.前者表明站网中,具有较长基线的定位站有助于改善垂直于该基线方向的水平定位精度和沿着该基线方向的高度定位精度.后者表明LFEDA对触发闪电事件和回击的探测效率分别为100%和95%,回击平面定位误差平均值为102m.定位结果与雷暴结构的对比分析表明,闪电脉冲放电事件与反射率柱所表征的对流特征较强区域有较好对应,脉冲放电事件在垂直方向上呈现合理的分布.此外,通过单次云闪、地闪的定位结果发现,LFEDA能够描绘闪电发展形态,基于三维定位结果获得的云闪初始阶段垂直发展速度以及地闪先导垂直发展速度变化趋势与之前观测结果类似,研究结果表明,LFEDA具备了全闪电三维定位能力,为闪电发展特征研究以及雷暴电学研究提供了新的技术手段.     

云闪放电通道的光谱及温度特性

利用无狭缝光栅摄谱仪在西藏地区进行了自然闪电的光谱观测试验,首次拍得了7幅分辨比较清晰的云闪通道的光谱,并与地闪光谱相对比,对云闪光谱的结构特征进行了分析．结果表明,这些云闪光谱显示出两种不同的结构特征：一类与地闪光谱具有相似的谱线结构,而另一类与以往得到的地闪光谱完全不同．同时,与同一地区的地闪光谱相比,在这些云闪光谱中记录到的激发能较高的OII离子谱线比较多．依据谱线波长和相对强度等信息,计算了放电通道的温度,并对通道不同位置处的温度分布进行了分析．从光谱结构和通道温度的特征推断：与地闪相比,在一次闪击过程中,云闪通道内发生的物理过程变化速度更快、变化范围更大;两类光谱对应的云闪通道放电特性有一定的差异．     

基于TRMM卫星多传感器资料揭示的亚洲季风区雷暴时空分布特征

利用16年（1998-2013）的热带降水测量任务卫星（TRMM）降水雷达和闪电成像仪等多传感器观测资料,分析了亚洲季风区内雷暴和强雷暴的空间分布、季节变化及日变化等气候特征.文中取闪电数大于1的雷达降水特征为雷暴,并将闪电频数在前10%的雷暴定义为强雷暴.结果表明：雷暴活动主要集中在陆地及近海区域,陆地与海洋上的雷暴密度之比约为4.4：1,强雷暴密度之比约为7.4：1.0-10°N纬度带内雷暴数占总雷暴的比例最大（占总数的31.7%）,而强雷暴则在20°N-30°N区间最为活跃（34.5%）.雷暴与闪电密度的空间分布在低纬度区域（0-30°N）较为一致,但在中纬度地区（30°N-36°N）呈现出不同的分布特征,即从西部的青藏高原向东部的江淮流域,雷暴密度逐渐减少但闪电密度逐渐增加;而强雷暴与闪电密度的空间分布基本一致.受亚洲夏季风活动影响,低纬度地区强雷暴更容易发生在春季,强中心位于喜马拉雅山南麓东端,次中心位于中南半岛,而中纬度地区在夏季最为活跃,强中心和次中心则分别位于喜马拉雅山南麓西端和中国江淮流域.陆地上雷暴主要集中在午后至傍晚,少数区域受局地环流和气象条件的影响夜雷暴活动频繁,而海洋上雷暴更易发生在午夜至清晨.     

时变的准三维“红闪”电场模式研究

利用数值模拟的方法，研究了雷暴放电后，由雷暴电荷、感应电荷和晴天大气的背景电荷共同产生的准静电场(Quasi electrostatic field, 简称QEF)的时变过程，以及准静电场对中性大气的加热和电离. 结果表明: 在考虑电离层电势和晴天大气背景电场的影响后，时变的准三维的准静电场（QEF）模式能较好地解释“红闪”(Red sprites)的时空特征，特别是能模拟出“红闪”中的一种——“闪晕”（sprite halo）向上弯曲的空间结构.     

青藏高原一次地闪放电过程的分析

利用成像率为1000 幅/s的高速摄像系统和快、慢电场变化仪以及宽带干涉仪系统等探测仪器在青藏高原那曲地区所观测的地闪资料，对一次地闪回击及其之前的持续时间较长的云内放电过程进行了分析.结果表明：地闪先导前的云内放电过程发生于雷暴云下部正电荷区和中部负电荷区之间；云中部负电荷区距离地面的高度为28～45 km；闪电的起始放电发生区域距离地面的高度为10～17 km；初始流光在云外发展时具有很大的水平分量和较多的分支；梯级先导的速度为1×105 m/s，在向地面发展时出现较大的弯曲；首次回击放电过程与低海拔地区没有差异，通道中的峰值电流有241 kA；继后回击相对较弱.     

基于电离层反射的袖珍云闪(CID)三维定位研究

袖珍云闪是一类区别于常规闪电放电过程的特殊放电现象,能够同时产生极强的高频和低频辐射信号,其低频辐射信号在电离层与地面之间反射后能够在电场变化波形上形成电离层反射脉冲对.电离层反射信号与原信号的时间差包含着放电三维位置和电离层高度的信息,而借助于多站闪电探测网络的同步观测就能够反演这些信息.基于这一规律,本文发展了一种对袖珍云闪实现三维定位的新方法.这种方法不仅能够对大范围内的袖珍云闪实现准确的三维定位,同时还能够反演电离层的高度,是一种潜在的研究电离层相关性质的有效手段.通过将定位结果与雷达回波比较,证明这种方法具有较高的精度.利用这种方法,计算了5489例正极性袖珍云闪和1400例负极性袖珍云闪的放电高度,发现正极性袖珍云闪主要集中在7~14 km,而负极性袖珍云闪达到了15~18 km.负极性袖珍云闪的放电高度总体上与对流层顶高度相当,其数量相比于正极性袖珍云闪明显偏少,因此很可能产生于较为罕见的极旺盛的雷暴过程中.