利用闪电宽带干涉仪系统对地闪先导-回击过程的观测研究

利用闪电宽带干涉仪系统1999年在广东的观测资料, 对地闪预击穿、梯级先导及回击过程进行分析研究, 结果表明: 这种新型的辐射源定位系统能够再现闪电通道结构和电磁辐射源随时间演变的二维图像(方位角和仰角). 闪电辐射主要由负击穿过程产生, 地闪预击穿阶段闪电通道比较集中, 几乎没有分杈, 辐射源主要出现在通道头部; 而梯级先导后期辐射源定位比较离散, 有较多的分叉通道, 辐射源出现在具有一定长度通道段内, 该通道段高度随着先导向地面的发展逐渐降低. 预击穿过程和梯级先导期间均有一些快速负流光过程连续地从闪电起始区域或更远的位置开始, 沿已形成的通道发展, 为闪电通道进一步向前发展补充电荷, 其速度比闪电通道发展的平均速度约快一个量级.     

多接地闪电的发展特征

依据高速摄像系统记录的一次多接地点云对地闪电过程的光学图像和同步的辐射电场变化资料,分析了其先导的传输和电场变化特征、接地行为,估算了先导发展的速度,并探讨了它与相应的回击间隔时间、峰值电流之间的关系.结果表明:该多接地闪电首次回击3个明显接地点间的平均距离约为512.7m,相应电场快变化脉冲的平均间隔为3.8μs.梯级先导脉冲间的平均间隔比普通单接地闪电的相应值小.从光学图片上看,该闪电有左右两个主通道,左通道在首次回击强放电之后有明显的直窜先导到达地面附近,但没有形成回击;而右通道出现了更为少见的现象,继后回击R2与相应直窜先导的时间间隔很长,在先导到达地面约2.1ms后才发生回击.这一现象应该与首次回击放电较强,接地点附近的电荷没能及时补充有关.左右通道梯级先导的发展速度分别约为1.23×10~5和1.16×10~5m s~(-1).左通道梯级先导一个次分支未能接地、发展为企图先导,这与连接它的主通道分支太多有关;另外,该次分支的发展方向与大气电场方向接近垂直,不利于电荷的传输.5次继后回击均发生在右通道,其直窜先导的二维速度均在常见的数值范围内.直窜先导发展速度与相应继后回击的峰值电流正相关.     

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.     

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%.     

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.     

空中人工引发雷电先导过程的特征分析

利用闪电电场变化仪对空中人工引发雷电引起的电场变化进行了两站同步观测，并结合高时间分辨率的光学观测资料的分析研究，揭示了一次空中引发雷电先导物理过程的特征. 当携带金属导线的火箭上升到几百米高度时，在金属导线的上端和下端激发产生了一个双向传输的先导，当向下的负先导接近地面时，一个向上的正连接先导由地面激发，正负先导的平均传播速度为0.86×105m/s，随着向下负先导的接地，将产生一个小回击过程，而由金属导线上端激发的向上正先导的传播速度为1.1×105m/s.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

两次强雷暴系统中雷电的人工引发及其特征放电参量的测量与估算

中纬度地区的雷电灾害常由过境的强雷暴系统引起, 但是自然雷电放电电流的直接测量十分困难. 2005年夏季在两次强雷暴系统过境期间, 利用火箭拖带金属导线的人工引发雷电技术, 成功引发雷电5次, 并在放电通道底部测量到了完整的1 μs时间分辨率的雷电电流波形以及距雷电通道水平距离为60和550 m处的同步地面电场变化资料. 研究表明, 5次人工引发雷电都包含有1~10次不等的大电流回击放电过程, 电流峰值平均为11.9 kA, 变化范围为6.6~21.0 kA, 与自然雷电继后回击电流峰值基本一致. 回击电流波形的半峰值宽度为39 μs, 较通常结果要大. 回击电流峰值I_P(单位: kA)和中和的电荷量Q(单位: C)之间满足关系式: I_P=18.5 Q^0.65. 在60和550 m处, 回击引起的微秒量级辐射场变化分别为5.9和0.39 kV/m, 随水平距离r(m)的增加回击辐射场以r^−1.119的规律衰减. 根据传输线电流模式, 估算的回击速度为1.4×10⁸ m/s, 变化范围为(1.1~1.6)×10⁸ m/s. 由于人工引发雷电放电过程与自然雷电的相似性, 所得到的结果可应用于自然雷电灾害的防护设计中.     

四川龙门山断裂带高精度地壳/岩石圈黏度结构及其动力学意义

岩石圈黏度是大陆动力学研究中一个重要参数,但是岩石圈黏度,尤其是横向小尺度(<100 km)黏度结构的确定是一个挑战.本文根据电阻率和黏度与它们控制因素的相似关系,直接把一条跨过青藏高原东缘和四川龙门山断裂带的大地电磁(MT)探测的电阻率剖面转换成黏度结构作为输入,在GPS速度和地表地形数据的约束下,利用地球动力学数值模拟获得了该剖面的二维地壳/岩石圈黏度结构.本文推断的黏度与前人获得的区域尺度的黏度值一致,但揭示出了更多的细节.本文的黏度结构揭示出研究区域内的地壳/岩石圈黏度存在较大的空间变化范围(约5量级),黏度值分布在1.48×10^17~8.44×10^22 Pa·s之间;龙门山断裂带下的黏度存在强烈的小尺度横向变化,其中、下地壳的黏度分别为1.99×10^18~8.21×10^20 Pa·s(平均1.17×10^20 Pa·s)和4.09×10^19~7.08×10^20 Pa·s(平均1.77×10^20 Pa·s).基于该黏度结构的地球动力学模型表明驱动青藏高原中-下地壳物质流动的可能是热-化学浮力,以及上地壳和中-下地壳可能处于解耦状态.本文获得的黏度结构可以为龙门山断裂带地震成因和机制、岩石圈小尺度变形和构造应力状态的深入研究提供重要的帮助.     

雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

利用井下摆近震记录研究华北盆地沉积层速度结构

收集了2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形数据,选取近场井下地震计观测记录,通过拾取直达P、S波及相应地表反射波的到时并测量其到时差,获得了台站下方地壳浅部300 m的P波、S波平均速度,并分析了波速的水平分布特征,结果表明,华北盆地近地表P波平均速度约为1.98 km/s,S波平均速度约为0.46 km/s,平均波速比约4.3;利用不同速度模型对27个地震事件进行定位,结果显示:沉积层模型可有效改善华北盆地地震定位精度。     

利用阿拉斯加台阵资料分析2008年汶川大地震的破裂过程

2008年5月12日,四川省汶川县发生M_S8.0地震.我们利用美国阿拉斯加区域台网的部分宽频带地震台构成广义台阵, 应用非平面波台阵技术——迁移叠加方法,获得了这次地震的高频（>0.1 Hz）能量辐射源随时间和空间变化的图像.图像表明,这次地震破裂从震中开始向北东方向扩展约300 km,震源过程至少长达90 s,平均破裂速度为3.4 km/s;整个过程可分为两大阶段,前段持续时间50 s,破裂长度约110 km,破裂传播的平均速度为2.2 km/s,后段持续时间约40 s,长度约190 km,平均破裂速度为4.8 km/s.这意味着地震过程的后期似乎发生了超S波破裂,而且后段很可能为前段动态触发所致.     

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.     

体波波形反演对青藏高原上地幔速度结构的研究

采用波形反演方法对青藏高原地区震中距8°-38°范围内的宽频带炸波波形进行拟合,研究该地区上地幔平均速度结构以及上地幔纵、横波速度的横向不均匀性结果表明青藏高原地区的平均地壳厚度约为68km,上地幔盖层平均厚度约为30－40km,速度约为8.10km／s雅鲁藏布江附近地壳厚度最大,约80km,相应的上地幔Pn速度为8．15km／s左右,青藏高原中部地区的地壳平均厚度约68-70km．位于拉萨地块北部的羌塘地块S波速度相对较低,其地壳和上地慢的平均S波速度分别比拉萨地块低1％和2％以上34°N以北,90°E附近的区域存在明显的上地幔P波低速异常区,P波的平均速度小于7．8km／s据此结果及前人工作,推断印度板块的俯冲可能以雅鲁藏布江缝合带附近为界,青藏高原巨大的地壳厚度是由于欧亚板块碰撞造成地壳缩短与增厚引起.