一维气温时间序列的多重分形研究

采用武汉１９５１－１９７０年日平均气温序列作多重分形分析，从计算ｑ阶分数维Ｄｑ着和，得到了多重分形谱ｆ（ａ）曲线，反映了大气运动确定是一个层次分明的过程，具有多标度结构。     

涡旋边缘线的分形特征

非线性作用可以使初始时刻等值线光滑的圆形和椭圆形涡旋演化为边缘不光滑、面积大小不等的多个涡旋和涡块共存的复杂流型。这些涡旋和涡块的边缘线具有分形特征,其数值与Ｌｏｖｅｊｏｙ根据卫星云图和雷达探测资料求得的热带云块边缘线的分形结果较为接近     

基于Weierstrass-Mandelbrot函数的分形风速脉动仿真

实际风速脉动普遍具有自相似分形特征,而传统的谐波合成法和线性滤波法仿真的风速脉动均不具有自相似分形特征.因此,基于随机型Weierstrass-Mandelbrot函数,设计了一种能够仿真自相似风速脉动的方案.其中,表征风速脉动自相似特征的重要参数分形维度可与湍流惯性区能谱的幂指数建立联系.将该方案仿真的风速脉动与实际风速脉动一些重要的统计特征,如功率谱和概率密度函数等,进行了比较,结果表明提出的新方案能有效仿真风速脉动的中高频变化及其概率分布特征.     

自然灾害时间分布序列的分形特征探索

通过采用分形理论中的Ｓｍａｌｌｅｙ法对中国历史上的旱、涝、飓风和地震４种自然灾害时间分布序列的分数维进行了计算，初步证实了自然灾害的时间分布在一定范围内的无标茺性。无标度区的跨度及相应的分形维数可作为自然灾害自组织程度的量度。     

大气酸沉降的自组织临界性

运用概率分布函数、矩分析、功率谱分析和无趋势波动分析(DFA)方法，分析了美国1978～2001年期间酸沉降数据， 发现大气酸沉降事件类似于沙堆模型中的崩塌事件，具有自组织临界性(SOC)。降水中氢离子沉降量(WHD)的频率分布符合双幂律分布，即在由临界WHD所区分的两个区间内，WHD的频率分布分别呈幂律分布；双幂律分布及临界WHD刻画了酸沉降事件的宏观特征。WHD时间序列具有1/fβ噪声特征，在时域上具有长程相关性(LRC)。降水中硝酸根离子和硫酸根离子沉降量与WHD表现为类似行为。此外，将正常降水的酸度值或环境容量作为大气酸沉降的临界状态，并以此类比为沙堆模型的临界稳态角度。因此，酸沉降的演化符合具有自组织临界性的复杂系统的三个基本特征。据此，作者认为酸沉降在频域上的幂律分布及在时域上的长程相关性是污染胁迫下大气自组织临界行为的标志，自组织临界行为是控制酸沉降演化趋势的内在机制之一。     

大气气溶胶尺度分布分形特征研究

气溶胶作为大气环境中的重要组成部分,具有复杂的尺度分布结构。为研究其尺度分布特征,采用分形理论首先论述了常用的气溶胶谱分布函数具有分形不变性,然后在分形理论的指导下分别建立了气溶胶粒子和体积分形统计模型,而且以AERONET相关数据验证了分形模型的有效性和实用性,并采用分段分形的方法改进了气溶胶体积分形模型。最后分析研究了分维数的实用意义和分布情况,讨论了气溶胶分维数变化和粒度分布的关系。结果表明：气溶胶粒子数和体积分维数之间存在线性关系,上半年的大气溶胶粒子数分维数的变化幅度明显小于下半年的变化幅度;研究区域大气气溶胶中细粒子分布比较密集,大粒子分布比较分散。分形理论为研究大气气溶胶的尺度分布特征提供了新的方法与手段,具有广阔的研究与应用前景。     

粗糙地表对雷电电磁场传输影响的模拟研究

利用二维分形布朗运动（fBm）模式来分析分形粗糙地表对雷电产生的电磁场传输的影响。结果表明：（1）粗糙地表对雷电首次回击产生的垂直电场基本没有影响。对后续回击产生的垂直电场的幅值影响很小,但是随着粗糙度的增加波头的上升时间增大;（2）粗糙地表对首次回击产生的水平电场基本没有影响。对于后续回击,当观测距离较远,地表相对粗糙时,粗糙度引起的额外衰减对水平电场的影响很大;（3）无论是首次回击还是后续回击,地表粗糙引起的额外衰减对水平磁场基本没有影响;（4）粗糙度引起的额外衰减对电导率小的地表影响很小。     

分形闪电通道模型的建立及其电磁辐射特征

基于高速摄像系统获取的自然闪电通道形状,利用分形方法构建了分形闪电通道模型,分析计算了闪电通道的弯曲对地面附近不同方位、不同距离处回击电磁场的影响。结果表明,在100m到10km的近距离范围,不同方位的回击垂直电场峰值之比为0．8～2．3;而当距离增加时,这种差别逐渐消失。但无论距离远近,地面水平磁场随方位角都存在较明显的差异,不同方位的回击磁场峰值差异达到2～4倍。与假定通道笔直的回击模型相比,分形闪电通道模型能很好地再现回击过程电磁辐射的高频分量和次峰等细微现象。     

人工触发闪电放电过程分析：I.先导放电过程

利用人工触发闪电电场,电流和闪电通道亮度高速摄像观测资料,分析了第一次回击前衔导过程的放电特性,结果指出,对于空中触发,先导传输具有“双向”特征,由于下行先导发展,先导通道电流分布具有不均匀性,连接导线汽化都发生在上行先导阶段。人工闪电第一次回击虽然与自然闪电继后回击特性十分相似,但两者放电特征仍有差别,前者具有曾长的连续电流过程。     

土壤湿度对不规则起伏地表雷电垂直电场传播影响的研究

本文采用二维fractional Brown motion(f Bm)随机分形界面模拟不规则起伏地表,基于Longmire-Scott提出的土壤电参数等效模型(L-S模型),分析研究不规则起伏地表的土壤湿度对地闪回击垂直电场传播的影响。结果表明:(1)地表的不规则起伏程度主要会引起垂直电场峰值的衰减和上升沿时间的滞后。随着地表不规则起伏程度的增大,垂直电场峰值衰减越明显,且波形上升沿时间增长。(2)无论地表不规则程度如何,随着土壤湿度的增大,垂直电场的衰减反而减小。(3)总的来说,地表的不规则程度越大,土壤湿度越小,垂直电场的峰值衰减越大,波头上升沿时间越长。     

闪电宽带电场三维定位及其回波特征

利用自制闪电宽带电场三维定位系统, 分析了山东地区一次雷暴过程闪电三维时空结构。结果表明, 在云内击穿放电整个时间序列中, 辐射源空间分布（对应强电场区分布）呈现明显的三极性分层电荷结构, 并分布在3个高度层次： 6~8 km为上部正电荷区, 4~6 km为中部负电荷, 2.5~4 km为下部次正电荷区。云内放电首先出现在中部负电荷区, 然后产生向上发展的负流光进入上部正电荷区传输, 形成向上发展的云闪; 随着雷暴发展, 产生向下发展的负流光进入下部次正电荷区, 形成向下发展的云闪, 且能维持到雷暴发展后期。结合雷达回波分析表明, 雷达回波的强度影响着闪电活动, 强回波区的增加会使得强电场区域增加, 但是强电场区域并不与最强回波区域对应, 除下部正电荷区的底部会有部分辐射源出现在回波强度为40~50 dBz的区域中以外, 大多数的辐射源出现在25~35 dBz的中等回波区范围内, 强回波区域中通常较少出现击穿放电。     

基于DFA的雷暴日时间序列分形特征分析

运用最小二乘法、非趋势波动分析(DFA)与小波变换三种方法对比分析许昌市1961—2012年52 a雷暴日时间序列的变化特性,揭示雷暴日的长程相关性及其内在规律。研究结果表明:许昌市52 a月雷暴日时间序列属于分形时间序列,存在内在的长程相关性,其雷暴日数每10 a减少1.6689天,雷暴日时间序列长程幂律相关的标度指数为0.8940,该幂律关系至少可持续17个月,并将2011年和2012年观测数据作为验证数据加以验证,结果与DFA分析结果一致;雷暴日时间序列具有2个显著的标度不变区域,存在一个突变点,反映了雷暴日系统具有复杂的物理作用机制;三种分析方法均得出许昌市雷暴日呈减少趋势的结论,最小二乘法虽然能定量计算出雷暴日每10 a的减少量,但年度尺度较大,精确度变低,而DFA和小波分析法的分析结果更加细致;但在定量描述雷暴日变化趋势上DFA法优于小波分析结果,而在分析雷暴日时序的细节分量和周期特性时小波分析更加清晰;DFA法可作为预测未来雷暴日发展趋势时长的有效方法之一。     

Characteristics of storm cells from observations in Yakutia

Considered are the methods of thunderstorm cells clustering using the data of one-point and multipoint lightning detectors and their characteristic features based on the observations in Yakutia. As the thunderstorm activity intensifies, i.e., the lightning discharge density in the region increases, the number of storm centers and the number of cells in the center grow up. The sizes and the lifetime of thunderstorm cells in Yakutia correspond to the similar data for North America and the European part of Russia. The maximum area and intensity of both center and thunderstorm cell are observed at the stage of development, in the middle of their lifetime. As the cell area increases, the intensity of lightning discharges decreases inversely to the area. It is revealed that as the cell oblongness increases, the intensity of lightning discharges in these cells becomes higher as well.     

雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

雷暴中的闪电放电能够产生强静电场以及电磁辐射场,从而对空间电离层产生重要影响,引起电离层电子密度分布的扰动。研究表明:闪电放电引起电离层扰动的方式有两种:直接耦合和间接耦合。其中,直接耦合主要来自于闪电产生的准静电场及电磁场的作用,在甚低频 (VLF) 反射信号上表现出快VLF事件, 而间接耦合主要是闪电低频电磁波在传播过程中与磁层相互作用,在辐射带产生闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。雷暴闪电活动能够改变电离层从D层到F层的电子密度分布,影响对流层大气和电离层之间的场,导致中高层瞬态放电淘气精灵 (elves) 及红闪 (sprite) 等现象的激发。闪电VLF传输反射信号可用于反演电离层密度的变化,目前已成为一种探测电离层扰动的常用方法,而引起电离层扰动的强度不但和闪电放电参量密切相关,也和闪电放电过程、类型有关。该文重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合作用以及导致的相关现象。     

春季与夏季两次雷暴大气结构及地闪特征对比

利用NCEP再分析资料、探空资料、闪电定位资料和南京、常州多普勒雷达资料,通过对比分析南京2012年2月22日春季雷暴和2011年8月10日夏季雷暴两次过程,研究不同季节影响雷暴发生的大气结构以及强弱雷暴地闪特征的差异。结果表明:风矢位温(V-3θ)图揭示的大气动力热力水汽特征能够为雷暴的潜势预报提供先兆信息。两者相较而言,春季雷暴的动力抬升作用明显;夏季雷暴主要由热对流引起,对流层上层的动力抽吸作用不明显。春季弱雷暴正地闪在总地闪中所占比例较高。无论春季弱雷暴还是夏季强雷暴,地闪落点与辐合区对应关系明显,且地闪的落点也与雷达反射率因子有较好的对应关系:地闪主要分布在强回波区(大于40 d Bz)及其外围区域。但在较强雷暴云的发展阶段,地闪多发生在风暴体伸展方向的一侧,具有引导雷达回波移动的作用,夏季强雷暴地闪簇集在垂直风切变区域。     

Wavelet multiresolution based multifractal analysis of electric fields by lightning return strokes

Lightning can be seen as a large-scale cooperative phenomenon, which may evolve in a self-similar cascaded way. Using the electric field waveforms recorded by the slow antenna system, the mono- and multifractal behaviors of 115 first return strokes in negative cloud-to-ground discharges have been investigated with a wavelet multiresolution based multifractal method. The results show that the return stroke process, in term of its electric field waveform, has apparent fractality and strong degree of multifractality. The multifractal spectra obtained for the 115 cases are all well fitted to a modified version of the binomial cascade multifractal model. The width of the multifractal spectra, which measure the strength of multifractality, is 1.6 on average. The fractal dimension of the electric field waveforms ranges from 1.2 to 1.5 with an average of 1.3, a similar value to the fractal dimension of the lightning channel obtained by others. This suggests that the lightning-produced electric fields may have the same fractal dimension as its channel. The relationship between the peak current of a return stroke and the charge deposition in its channel is also discussed. The results suggest that the wavelet and scaling analysis may be a powerful tool in interpretation of the lightning-produced electric fields and therefore in understanding lightning.     

强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析

利用粤港澳闪电定位系统、广州多普勒天气雷达和自动气象站等资料, 分析了2017年6月2日发生在广州市中北部的一次强雷暴天气过程的地闪变化特征及闪电与雷达回波特征的关系。(1)本次强雷暴天气是华南一起典型的以西南急流和切变线为环流背景的强对流天气过程。在整个雷暴生命史中以负地闪为主, 占69.3%;正闪在雷暴发展的初始和结束阶段占比较大。(2)闪电频数分布与强雷达回波区域存在着较好的对应关系, 闪电活动位置稍有提前, 地闪频数峰值的时间比雷达回波峰值时间平均提前了11.1 min。(3)回波顶高是产生闪电的先决条件, 闪电较多分布在回波顶高9~15 km范围内, 地闪频数峰值落后于回波顶高峰值12~18 min。      

“2007.08.13”汕头强雷暴天气雷达回波特征分析

根据2007年8月13日汕头强雷暴天气的雷达资料和闪电定位资料,利用统计和对比分析的方法,分析闪电活动与雷达回波之间存在的关系。结果表明:强回波面积与闪电次数具有显著相关关系,闪电活动相对于强回波面积的变化有10 min的提前量;闪电发生的位置变化与强回波的移动密切相关,而速度回波更清晰地反映和预示雷达回波的移动趋势。基本速度图中的辐合区也是闪电活动频繁的区域,雷暴发生前40 min,风廓线图中出现断裂的双干区,随后该双干区自上而下迅速遭到破坏。双干区的出现和破坏是雷暴天气产生的先兆特征。     

江苏高速公路收费站一次雷击事故分析

本文对2010年8月3日19时30分沿江高速公路张家港收费站一次严重雷击事故的雷暴过程进行诊断分析,并对其防雷工程存在问题进行综合探讨。分析得出:这次雷暴发生在副热带高压边缘环流形势下,虽副热带高压强大,但大幅度东退,面积明显减小,脊线位置和流场也出现调整。江苏上空由西南气流转为西北气流影响,北方有弱冷空气沿西北气流南下,引发江苏降温,为大气不稳定的增强和触发不稳定能量的释放提供重要条件;本文还分析了雷暴与对流参数关系及演变特征,并探究不稳定参数在雷暴发生中的作用。根据现场调查,分析出这次收费站雷击事故在防雷工程方面存在设备接地、等电位、线路屏蔽、电涌保护器设置、安装和接地电阻等问题,最后针对这些问题提出6点防雷工程整改建议。     

2019年呼和浩特一次强雷暴天气过程综合分析

利用NCEP再分析资料、雷达、卫星资料以及闪电定位资料对2019年7月27日呼和浩特市一次强雷暴天气过程进行了综合分析。结果表明：此次雷暴过程主要受贝加尔湖低压中心和蒙古高原高空槽东移影响；雷暴发生前，K指数和CAPE等不稳定参数均超过阈值，大气层结呈现上干冷下暖湿的不稳定形势，并且垂直方向上低空辐合、高空辐散的结构与强烈的上升气流相配合，为雷暴天气的发生提供了有利条件；在整个雷暴过程中负地闪占主导地位，但雷暴的不同发展阶段地闪分布不同，在雷暴发展及成熟阶段，负地闪数明显多于正地闪数，而在雷暴消散阶段，正地闪数大幅增加，甚至超过负地闪；闪电多分布于强回波区域，但闪电频数最高的地方不一定与强回波中心相对应；地闪的落区主要位于云顶温度低于240 K的区域，对应的云顶相态为冰相和混合相。