闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征

利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.     

云闪放电通道内的粒子密度及分布特征

依据在中国西藏高原地区得到的6幅云闪放电通道的光谱,由谱线波长、相对强度和跃迁几率等信息,结合等离子体理论,计算了云闪放电通道的温度和电子密度;进而,利用Saha方程、电荷守恒和粒子数守恒方程,得到了粒子处于各电离级上的数密度、通道质量密度、压强和平均电离度等参数,并对云闪通道内部粒子数分布特点进行了分析.结果表明,与地闪回击通道类似,云闪通道接近于完全电离,通道内部以单次电离的离子为主,且NII离子数密度最高.具有较高温度的通道位置处,中性和一次以上电离离子数密度的绝对值和相对值都较高,但是,不同温度下NII、OII、ArII粒子的相对浓度变化不大.与地闪回击通道不同,云闪同一放电通道内不同位置处粒子数密度差异较大,且沿通道没有显示规律性变化,通道压强从零点几到几兆帕.     

雷暴云底部正电荷区对闪电类型影响的数值模拟

在经典的雷暴云三极电荷结构的假定下结合已有的随机放电参数化方案,进行了二维高分辨率闪电放电的模拟实验,定量的探讨了雷暴云底部正电荷对闪电类型的影响．结果表明：（1）雷暴云底部正电荷对负地闪和反极性云闪的产生起了关键作用,随着底部正电荷区的电荷密度大小或分布范围的增大,闪电类型依次从正极性云闪向负地闪再向反极性云闪变化;（2）相对于电荷区分布范围而言,底部正电荷区的电荷密度大小对闪电类型的影响起主导作用．只有当雷暴云底部正电荷区的最大电荷密度取值在一定范围内时,才会出现负地闪,并且负地闪的发生概率相对固定;（3）在该范围内,负地闪的发生由底部正电荷区的电荷密度大小以及分布范围共同决定,且其与云闪触发条件之间存在一个线性边界;（4）底部正电荷区的电荷密度大小以及分布范围的共同效果是改变底部正位势阱的分布,当闪电启动参考电位接近0MV时生成反极性云闪,而当其远小于0MV时则更容易形成负地闪．     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

地闪先导放电三维数值模拟

为探索地闪先导放电规律以满足新型雷电防护理论与技术研究的需要,在Amoruso和Lattarulo提出的带电圆盘雷云荷电解析模型框架下,利用三维WZ模型构造了地闪先导放电数值模拟算法,第一次实现了50 m空间分辨率的地闪先导放电三维数值模拟.在解析模型框架下,求解空间大幅缩小,使高分辨率模拟成为可能.模拟过程中采用了SOR法求解七点差分格式的拉普拉斯方程,提出了双概率指数建模思想,对WZ模型进行了修正,反映了真实先导主通道的延伸性与丰富分岔的分形特征.进行了不同发展阈值下的模拟实验,得到了精细的地闪双向先导三维放电图样与先导激励下的地面电场分布,结果在一般观测范围内.     

用宽带干涉仪观测云内闪电通道双向传输的特征

利用闪电宽带干涉仪系统对闪电的观测表明，地闪和云闪的云内闪电通道都存在双向发展的特征. 闪电在云中负电荷区域初始激发以后，在通道两端发生向不同方向同时发展的击穿过程. 这两种击穿过程均产生较强的辐射，且辐射频谱特征十分相似，表明云内闪电通道两端发生的击穿过程可能均为负击穿过程. 相应电场变化表明闪电通道双向发展期间伴随着负电荷的向上转移. 这一观测事实与Kasemir早期提出的闪电通道双向发展的概念有一定的差异.     

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.     

利用无线电窄带干涉仪定位系统对地闪全过程的观测与研究

利用VHF无线电窄带干涉仪定位系统对一次包含有19次回击的地闪全过程产生的甚高频辐射源进行了定位研究,该系统基于双基线正交5天线阵列,采用直接高频放大检相,降低了采用变频电路时带来的系统误差,提高了整个系统的精度;系统采用交互式的图像分析程序来处理干涉仪本身存在的条纹模糊问题,以1μs的时间分辨率连续确定闪电辐射源发生的二维位置（仰角和方位角）,直观地再现了闪电放电随时空发生和发展的全过程．利用窄带干涉仪系统并结合同步观测的VHF辐射强度和快电场变化资料,对一次负极性地闪发生和发展的全过程研究发现,负地闪预击穿过程起始于负电荷区,先向下后向上发展;梯级先导辐射强且连续,且首次回击开始若干毫秒内辐射强度更大;直窜先导辐射相对离散且强度弱,由于通道电离程度的变化,梯级先导和直窜先导可以相互转化;初始梯级先导速度约为10^5m／s,直窜先导的平均速度约为4．1×10^6m／s,梯级一直窜先导的平均速度约为6．0×10^6m／s;M过程伴随有活跃的爆发式辐射,产生勾状电场变化,击穿发展最终沿着导电性良好的主放电通道迅速到地,其平均速度约为7×10^7m／s,大于直窜先导和梯级直窜先导平均速度;K变化和企图先导与先导本质上是一样的,只是没有到达地面而引发回击．     

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.     

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.     

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.     

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.     

绰墩农业遗址古碳化稻粒有机结构研究及与其起源的可能关系

绰墩农业遗址第六次发掘中发现大量的古碳化稻粒,经^14C定年分析证明该碳化稻粒属于马家浜文化时期（7-6kaBP）的产物．为探求古碳化稻粒的形成机制,比较了古碳化稻粒与现代稻粒FT-IR光谱和热重分析的差异;并通过实验室方法在氦气氛围下制成现代碳化稻粒,利用CP]MAS-^13C-NMR光谱对古碳化稻粒与现代碳化稻粒的碳进行结构表征．结果表明：与现代稻粒相比,古碳化稻粒中存在大量的芳香族成分;随着氧化时间和温度的增加,现代碳化稻粒中的脂肪族成分不断减少,同时伴随芳香族成分的累积;氧化的时间越长、温度越高,现代碳化稻粒的结构组成越接近古碳化稻粒．同时,现代碳化稻粒的FT-IR光谱和热重分析结果也表明,通过人为氧化可使现代稻粒达到与古碳化稻了相似的结构组成．从而说明与火相关的原始耕作方式可能是古碳化稻粒的来源．     

北京上空对流层和下平流层重力波谱统计特性

利用北京市观象台2002年1～12月气球无线电探空观测的垂直高度分辨率为50m的温度观测数据,研究1．67—8．02和13．57～19．92km高度区间归一化温度扰动垂直波数谱,并将它们和线性饱和模式比较．结果表明,单个垂直波数谱的谱斜率和谱振幅存在相当大变率,这和线性饱和理论的预期不一致．然而,在对流层的不同季节和不同地方时观测的平均垂直波数谱显示了很好的类似,即谱斜率非常接近于理论值-3．0,谱振幅和浮力频率的4次方成比例关系,认为对流层季平均谱很好地遵循线性饱和模式,并且在目前是唯一的．相反,在下平流层,平均垂直波数谱的谱斜率与理论值有较好的一致,但观测谱的谱振幅却明显偏离了线性饱和模式的理论预期值．这些观测的平均谱在目前也是唯一的．从对流层和下平流层的平均谱得到的盛行垂直波长在2．1—3．2km之间,与文献中报道的结果大致相同．