山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征

山东人工引发雷电实验 （SHATLE) 自2005年开始, 六年来共成功引发负极性雷电22次, 包含大电流回击过程88次, 实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、 高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明, 回击峰值电流的几何平均值为12.1 kA, 最大值为41.6 kA, 最小值为4.4 kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1～68 μs之间, 电流10%～90%峰值的上升时间几何平均值为1.9 μs, 中和电荷量为0.86 C, 作用积分（action integral, 或称比能量) 为2.6 ×103A2?s。人工触发闪电峰值电流约16.5 kA的回击在30 m处产生的电场变化可达56.0 kV/m, 60 m处的磁场几何平均值为52 μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105 m/s。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

一次多分叉多接地的空中触发闪电过程

该文分析了2007年广州从化人工引雷试验中,6月30日一次空中触发负极性闪电的光学和电学观测资料,结果表明:此次空中触发闪电的上行正先导和下行负先导分别出现了多个分叉。上行正先导早于下行负先导4.93 ms始发,上行正先导初始阶段的二维平均速度为104m/s量级,后增加到105m/s量级。下行负先导经历了3次分叉后分为4个分支接地,其中有两个接地分支一直持续发光到闪电放电结束,观测到下行负先导的二维平均速度为1.69×105m/s。小回击之后上行正先导也出现了多个分支,高速摄像和宽带干涉仪对这些分支的观测结果基本一致。小回击之后,初始长连续电流过程的持续时间为178.6 ms。     

双向先导正端突然延展现象的高速摄像观测

基于广州高建筑物雷电观测站的观测设备,于2016年6月4日在广州塔上发生的一次上行闪电过程中观测到双向发展的直窜先导正端在回击前、后突然延展的现象。利用高时间分辨率的光学和电场变化同步数据,分析双向先导正端突然延展现象的细节特征。结果表明:回击前直窜先导双向发展时正端可能会出现多次突然延展的现象;突然延展现象有时由双向先导的正端与已有的悬空先导序列相连而引发,并促使双向先导正端传输至未击穿空气中;在一次继后回击后,通道正端头部也观测到两次突然延展现象,但未沿回击前正端伸展通道传输,而是通过开辟新通道进入了未击穿空气;回击前直窜先导正端三次突然伸展的二维平均速率约为2.3×106 m·s-1,伸展长度平均值约为115 m;回击后通道头部两次突然延展的二维平均速率约为4.3×106 m·s-1,伸展长度平均值约为212 m。     

地闪回击辐射场波形的重构及地闪放电参量的估算

根据地闪回击传输线电流模式重新确立了地闪回击辐射场与电流之间的关系式,并在观测实验的基础上,重构了不同距离范围内(15～50km,50～100km,100～150km)的地闪回击辐射场波形,重构波形与实测波形之间有很好的一致性。同时在合理的假定下,将回击辐射电场与电流之间的关系进一步推广到先导过程,并估算了地闪先导放电过程中的三个参量。发现首次回击前最后一个先导脉冲电流为2.7kA,通道的电荷密度为(0.135～1.35)×10-3C·m-1,负地闪回击过程中和电荷量为2.06C。     

基于高时间分辨率快电场变化资料的北京地区地闪回击统计特征

利用2014年北京闪电网观测到的4站及以上同步高时间分辨率闪电快电场变化资料,对北京地区5次雷暴过程中304次正地闪和1467次负地闪的回击特征进行了统计分析,主要包括:回击次数、10%~90%上升时间、下降时间、半峰值宽度、回击间隔、回击峰值电场强度、回击间隔和回击序数的关系等。结果表明,正、负地闪中单回击地闪所占比例分别为91.1%和24.2%,单次负地闪的平均回击次数为3.8次,观测到的最大回击数可达20次。304次正地闪首次回击的10%~90%上升时间、下降时间和半峰值宽度的算术平均值分别为4.2μs、14.5μs和6.2μs;29次正地闪继后回击对应值分别为3.6μs、12.6μs和5.7μs;1467次负首次回击的对应值分别为2.4μs、23.9μs和5.3μs;4109次负继后回击的对应值分别为1.7μs、19.5μs和3.4μs。正、负地闪回击间隔的几何平均值分别为106 ms和59 ms。负地闪回击间隔呈对数正态分布,平均回击间隔随着回击序数的增加有逐渐减小的趋势。最后,还对70次正回击、421次负首次回击和789次负继后回击峰值电场进行了统计,将其归一化到100 km的平均值分别为11.2 V/m、7.2 V/m和5.0 V/m。平均来看,负地闪首次回击峰值电场比继后回击峰值电场大1.4倍,但是有23.5%的继后回击峰值电场大于其对应的首次回击。     

大兴安岭林区负地闪电荷源的反演

在中国东北大兴安岭林区进行了基于全球定位系统(GPS)时间同步的闪电地面电场变化多站观测.利用2010年7月14日一次过境雷暴多站同步的闪电电场变化资料,采用非线性最小二乘拟合法对雷暴成熟阶段的15次负地闪(包含57次回击和8次连续电流过程)中和的电荷源进行了拟合.大兴安岭林区负地闪单次回击中和的电荷量平均为1.0C(范围为0.1-5.0C),20%的继后回击中和电荷量大于首次回击,继后回击与首次回击中和电荷量的比为0.1-6.1,平均为0.8±1.0.单次连续电流中和的电荷量平均为3.8C(范围为0.4-7.3C),连续电流期间通道中的平均电流估计为25.3A(范围4.9-50.8A),一次负地闪中和的总电荷量平均为6.4C(范围为1.4-12.4C).负地闪回击和连续电流中和电荷源的高度分布与雷暴云的发展有关,对应的环境温度为-10--25℃.在雷暴成熟阶段前期,负地闪回击和连续电流中和电荷源距地面的高度从5.0km缓慢上升至10.5km;在雷暴成熟阶段后期,负地闪回击和连续电流中和电荷源距地面的平均高度从9.0km下降到6.0km,单次回击中和的电荷量也较前期减小约一个量级.与雷达回波的叠加显示,负地闪回击和连续电流中和的电荷源主要位于大于40dBz的强对流中心区,部分位于30-40dBz的强回波区边缘或较弱的回波区.     

一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

基于自主研发的闪电连续干涉仪,对2019年6月11日在中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工引雷试验场成功触发的一次多回击闪电放电全过程进行观测,结合通道底部电流数据和电场变化数据,共同揭示触发闪电全放电过程:连续干涉仪能够定位到最小为8 A的不连续的先驱电流脉冲辐射信号,初始先驱电流脉冲(IPCP)的平均转移电荷量约为先驱电流脉冲(PCP)的2倍;上行正先导连续发展后为初始连续电流(ICC)过程,最初正流光通道以105 m·s-1量级的速度继续发展延伸,之后出现反冲先导放电;在ICC阶段出现的经典M分量,可由向前的106 m·s-1量级速度的正流光(先导)产生,也可由已有通道头部产生的反冲先导产生,且整个M分量过程中,多个反冲先导维持了放电过程的持续;之后的回击间过程以反冲先导为主要放电形式,回击电流脉冲之前存在多次反冲先导过程,但多数未发展到接地通道,只处于企图先导阶段,直至成功的先导回击产生;而前两次回击具有超短的时间间隔,约为4.5 ms,这是由于两次回击前的先导来源于云内不同分支的反冲先导过程。     

一次“晴天霹雳”致死事件分析

对2017年广州从化地区一次"晴朗"天气下的闪电致死事件进行调查分析发现,这次事件是闪电首先击中一棵大树,然后击中附近人员头顶致死。根据目击者描述的时间和位置,利用闪电低频电场变化探测阵列的定位数据和广东电力等系统的雷电定位数据,结合广州番禺雷达观测资料,确定此事件是由一次含有7次回击的地闪过程的首次回击造成,其电流峰值强度为-30.9 kA。闪电起始于13.0 km高度的云内,经约600 ms云内发展过程后闪电通道从云体延伸出来,云砧区边缘（0 dBz）到回击点水平距离约300 m,降水区边缘（18 dBz）到回击点水平距离约1.8 km。使用雷击现场等效电路模型,计算旁络闪击空气击穿场强可击穿空气与人头部连接为通路,根据电路分流原理,如果雷电流击中13 m高的大树后流经到"跳点"（树干上方1/4）处后,则有13.2 kA雷电流直接闪击到受害者身上,同时还承受了78.3 kV跨步电压伤害,而距离雷击点10 m远的目击者仅承受1.3 kV跨步电压。      

基于ADTD资料的浙江地区多回击地闪特征分析

利用2007—2018年浙江省ADTD闪电定位资料,分析了该地区多回击地闪分布及相关参数特征。结果表明:浙江省多回击地闪占总地闪的26.74%,其中正闪以单回击地闪为主;正、负闪平均回击数分别为1.04次和1.65次,最大回击数分别为5次和21次。回击数和地闪数存在较为一致的年际变化,正、负多回击地闪日变化分别呈多峰和单峰分布。正、负多回击地闪电流强度算术平均值分别为72.06kA和-36.89kA,回击平均强度随回击数的增加而下降,约40%的地闪过程中至少有1次继后回击强度比首次回击强;首次回击和继后回击的强度分布呈对数正态分布,集中在15～45kA之间。正、负地闪回击间隔时间算术平均值分别为125.47ms和138.14ms,几何平均值分别为56.73ms和98.95ms,回击间隔时间呈对数正态分布,平均回击间隔时间随回击数的增大而减小。多回击地闪继后回击与首次回击之间距离与回击数呈准正态分布,集中在距离为1km范围内。     

基于光学资料的广州塔附近下行地闪特征

利用2009—2014年广州高建筑物雷电观测站的光学观测资料,结合雷声和电磁场变化波形,对广州塔（高度为600 m）西北部60°扇形区域3 km范围内的119次下行地闪分布特征进行统计分析,结果表明:43.7%（52/119）的地闪发生在区域内4个最高的建筑物上;除了直接击中广州塔的20次地闪（16.8%）,距离广州塔附近0~1 km的区域未观测到地闪,观测到的距广州塔最近的地闪离广州塔约1.2 km;距广州塔1~2 km的区域共观测到35次地闪（29.4%）,其中每个高度低于300 m的建筑物被击中的次数不超过1次;距离广州塔2~3 km区域共观测到64次地闪（53.8%）,其中有些高度低于300 m的建筑物被地闪击中1次以上,最多达5次。广州塔对附近区域下行地闪的吸引作用使其附近1 km左右范围内未观测到地闪,且1~3 km范围内随距离增加下行地闪密度（扣除击中其他高度不低于300 m的建筑物的地闪）有逐渐增加趋势,说明高建筑物对下行地闪的吸引作用随着距离的增加而逐渐减弱。     

Characteristics of cloud-to-ground lightning in warm-season thunderstorms in the Central Great Plains

In July 2005, a field campaign was conducted in the Central Great Plains to obtain 60-field/s video imagery of lightning in correlation with reports from the U.S. National Lightning Detection Network (NLDN) and broadband electric field waveforms from the Los Alamos Sferic Array (LASA). A total of 342 GPS time-stamped cloud-to-ground (CG) flashes were recorded in 17 different sessions, and 311 (91%) of these were correlated with reports from the NLDN. Only 6 of the 17 recording sessions were dominated by flashes that lowered negative charge to ground, and 11 were dominated by positive CG flashes. A total of 103 flashes recorded on video were correlated with at least one NLDN report of negative CG strokes, 204 video flashes were correlated with one or two positive stroke reports, and 4 had bipolar reports. In this paper, we will give distributions of the estimated peak current, I_p, as reported by the NLDN, of negative and positive first strokes that were recorded on video, the multiplicity of strokes that were recorded on video, and the number of ground contacts per flash that were resolved on video. 41 (40%) of the negative flashes produced just a single-stroke on video, and 62 (60%) showed two or more strokes. The observed multiplicity of negative flashes averaged 2.83, which becomes about 3.14 after correcting for the finite time-resolution of the video camera. 195 (96%) of the positive flashes produced just a single-stroke on video, and 9 (4%) showed two strokes; therefore, the observed multiplicity of positive flashes averaged 1.04. Five out of 9 (56%) of the positive subsequent strokes re-illuminated a previous channel, and 4 out of 9 (44%) created a new ground contact. Simultaneous video, LASA, and NLDN measurements also allowed us to examine the classification of NLDN reports during 3 single-cell storms (one negative and two positive). Based on the LASA waveforms, a total of 204 out of 376 (54%) NLDN reports of CG strokes were determined to be for cloud pulses. The misclassified negative reports had |I_p| values ranging from 3.8 kA to 29.7 kA, but only 58 (24%) of these had |I_p| > 10 kA, and only one misclassified positive report had I_p > 20 kA. Radar analyses showed that most of the negative and positive CG strokes that were recorded on video were produced within or near the convective cores of storms. The radar imagery also showed that single-cell storms tended to produce one polarity of CG flashes at a time, and that such storms could switch rapidly from negative to positive CG flashes when the reflectivity was near maximum. Multiple-cell storms produced both negative and positive flashes over a broad region, but each polarity tended to cluster near regions of high-reflectivity.     

中国内陆高原地闪特征的统计分析

利用微秒级时间分辨率的宽带慢天线电场变化仪首次在中国内陆高原地区对雷暴过程中的正、负地闪特征进行了测量和系统分析 ,发现每次雷暴过程中正闪的比例有随总闪频数增大而减少的趋势 ,弱雷暴过程更有利于正地闪的产生。平均来讲 ,正地闪占闪电总数的 16 % ,介于美国夏季雷暴和日本冬季雷暴之间。负地闪闪击间隔的算术平均值和几何平均值分别为 6 4.3ms和 46 .6ms。 5 4%的负地闪有至少一次继后回击强度大于首次回击 ,而且有 2 0 %的继后回击其强度大于首次回击强度。继后回击强度与首次回击强度的比例几何平均值为 0 .46 ,算术平均值为 0 .70 ,平均回击数为 3.76 ,39.8%为单次回击地闪。正地闪的多次回击只占 13.0 % ,且闪击之间的时间间隔也较大 ,算术平均值为 91.7ms。     

基于LLS的多回击地闪及其雷电流幅值分布特征

为进一步研究多回击地闪参数分布特征, 以便为雷电防护工程设计和雷电物理研究提供参考, 根据湖北省雷电定位系统(LLS)2007年1月—2018年12月监测资料, 采用计算机编程处理和数理统计方法, 对多回击地闪次数、多重回击次数和不同类型多回击地闪雷电流幅值等参数进行了统计分析。结果表明: 多回击正地闪、负地闪和总地闪次数占其地闪总数的百分比分别为2.06%、34.76%和32.64%, 多重回击次数分别占其回击总数的0.01%、0.42%和0.40%, 多回击负地闪回击次数占多回击总地闪回击总数的99.69%。首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪分别占多回击地闪总数的82.52%和57.87%;在多回击地闪后续回击中, 正地闪约有9%的后续回击强度大于首次回击强度, 负地闪约有20%的后续回击强度大于首次回击强度。多回击正地闪和负地闪中值电流分别为59.30 kA和35.10 kA, 首次回击分别为90.90 kA和40.00 kA, 后续回击中分别为43.90 kA和33.00 kA。首次回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率分别为44.06%和4.64%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率最大分别为52.21%和7.94%;后续回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率分别为41.80%和69.92%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击负地闪, 雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率最大为77.71%。多回击正地闪和负地闪后续回击与首次回击中值电流的比值分别为0.48和0.83。拟合得出的不同类型的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值累积概率公式, 拟合效果显著; 拟合公式中a值附近的雷电流幅值累积概率与b值呈显著正相关关系。      

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。     

Analysis of thunderstorm and lightning activity associated with sprites observed during the EuroSprite campaigns: Two case studies

During the summers of 2003 to 2006 sprites were observed over thunderstorms in France by cameras on mountain tops in Southern France. The observations were part of a larger coordinated effort, the EuroSprite campaigns, with data collected simultaneously from other sources including the French radar network for precipitation structure, Meteosat with images of cloud top temperature and the Météorage network for detection of cloud-to-ground (CG) flash activity. In this paper two storms are analyzed, each producing 27 sprite events. Both storms were identified as Mesoscale Convective Systems (MCS) with a trailing stratiform configuration (ST) and reaching a maximum cloud area of ~ 120,000 km². Most of the sprites were produced while the stratiform area was clearly developed and during periods of substantial increase of rainfall in regions with radar reflectivity between 30 and 40 dBZ. The sprite-producing periods followed a maximum in the CG lightning activity and were characterized by a low CG flash rate with a high proportion of + CG flashes, typically around 50%. All sprites were associated with + CGs except one which was observed after a − CG as detected by the Météorage network. This − CG was estimated to have − 800 C km charge moment change. The peak current of sprite-producing + CG (SP + CG) flashes was twice the average value of + CGs and close to 60 kA with little variation between the periods of sprite activity. The SP + CG flashes were further characterized by short time intervals before a subsequent CG flash (median value < 0.5 s) and with clusters of several CG flashes which suggest that SP + CG flashes often are part of multi-CG flash processes. One case of a lightning process associated with a sprite consisted of 7 CG flashes.     

粤港澳闪电定位系统对高建筑物雷电的探测

基于2016—2017年广州高建筑物雷电观测站获取的资料对粤港澳闪电定位系统(简称定位系统)的性能进行评估,并根据2014—2018年定位系统历史资料对广州高建筑物区域的雷电活动特征进行初步分析,结果表明:定位系统对闪电的探测效率为93%(214/229),对回击的探测效率为93%(449/481),对下行闪电首次回击、继后回击及上行闪电回击的定位误差的平均值(中值)分别为361 m(188 m)、252 m(167 m)和294 m(173 m);当接地点高度低于200 m(不低于200 m)时,定位系统对下行负极性闪电首次和继后回击的云闪/地闪识别正确率分别为99%(80%)和93%(35%),有83%的上行负地闪回击被定位系统误判为云闪,广州高建筑物区域内绝大部分负云闪定位记录实际是高建筑物地闪;对定位系统得到的孤立高建筑物闪电密度中心进行分析后发现,广州塔(600 m)闪电密度中心200 m半径范围内年均回击次数约为中信广场(390 m)和广发证券大厦(308 m)的5倍,推测广州塔闪电的主要类型为上行闪电,而中信广场和广发证券大厦则为下行闪电。     

闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征

基于LMA三维闪电定位数据,对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究,提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法,并给出参量分布特征。结果显示:闪电初始阶段上行负先导（下行负先导）的持续时间中值为13.5 ms（7.5 ms）,三维位移中值为1.4 km（1.0 km）,三维平均位移速度中值为9.2×104 m·s-1（1.2×105 m·s-1）,上行负先导速度随时间递减,下行反之,二者与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布,在小值方向分布更为集中。闪电水平延展距离中值为6.1 km,垂直延展距离中值为4.3 km,约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离;闪电的持续时间中值为271.0 ms。分析发现,以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于8.5 km,以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于11 km。闪电初始阶段位移方向越接近水平,对应闪电垂直延展越小,说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响。