云闪测向定位算法

基于多站测向交叉算法,提出云闪侧向定位算法。根据各站仰角、方位角信息求解出各组闪电位置,由最大值和最小值约束条件剔除粗差较大的解后,引入加权运算得到较为准确的定位信息,再利用高斯牛顿迭代算法得到精准的云闪位置信息,从而实现云闪的三维定位。通过蒙特卡罗模拟方法,对算法进行评估,详细分析了站网多种因素对定位结果的影响。研究表明:该算法提高了定位精度,测向误差为1°时,4站站网误差低于500 m,站点越多定位精度越高,但综合考虑4站、5站站网为优,测向精度提高时,定位精度也随之提高;站网呈均匀布站方式优于T型等布站方式,均匀布站在实际中更具实用性。     

大气折射对甚高频闪电定位的影响分析

利用GPS探空仪实测数据计算大气折射率的高度廓线,建立大气折射误差模型。并分析大气折射效应对方向交汇、到达时间差以及综合法3种甚高频闪电定位方法测量精度的影响。结果表明,对于定位距离,大气折射对方向交汇法的影响最大,误差最大值可达到116.52m,平均误差为30.18m;大气折射对时间差法的影响最小,误差最大值约为44.70m,平均值为12.32m;对综合法的影响介于二者之间,误差最大值约为58.90m,平均值为16.74m。在综合法中,选取离闪电源较远测站进行方向交汇的定位误差是选取较近站点的定位误差的1.6倍,因此应当选取近站点。考虑到GPS授时误差,要保证大气折射对闪电定位造成定位误差小于GPS时间同步带来的误差,3种闪电定位方法的站间距应分别不大于28km、60km、45km。     

大气电场资料在雷电预警中应用

通过分析浙江省嵊县地区2007年6-10月12次强雷暴过程的电场观测资料,并结合该省闪电定位资料,发现当雷暴云移近电场仪测站时,在测站的防护区内（距测站10 km半径范围内）,闪电发生前的电场会出现快变抖动现象,并且快变抖动和闪电的发生具有0-1化对应关系,即当有电场的快变抖动出现并且在一定时间内电场值数次达到一定阈值时,电场值会随着时间增加而达到防护区内闪电出现的强度,很少有出现电场快变抖动而没有产生闪电的情况,利用多元回归技术提出雷电预警方法,将12次雷暴过程数据作为预报资料,得出预报方程及电场最佳预警参数。分析结果表明,当闪电集中发生在距电场仪10-15 km范围内,并达到电场仪预警条件时,为最佳预警时间,预警准确率达到73%。     

基于大气电场资料的雷电临近预警研究

通过分析深圳地区2012年6—9月17次雷暴过程的电场观测资料,并结合广东省闪电定位资料,发现当雷暴云移近电场仪测站时,在测站的防护区内(距测站10 km半径范围内),闪电发生前的电场幅值快速增加且伴随有快变抖动的现象,并且快变抖动和闪电的发生具有0-1化对应关系,即当有电场的快变抖动出现的情况下,电场达到一定阈值并维持一段时间后,防护区内发生闪电的可能性很大.因此根据大气电场的波形特征,提取出与闪电相关性较高的因子,利用多元回归技术建立一套预报方程,根据该预报方程得出最佳预警参数.结果表明:当大气电场阈值达到0.86 kV/m,且在10.73 min内电场能维持在阈值上,并伴随有电场的抖动时,在防护区内发生闪电的可能性很大,预警准确率达53%.     

闪电定位密度数据泰森多边形优化方法

从识别、修订闪电定位监测数据异常值、提高闪电定位监测产品准确度的目的出发,以闪电定位栅格密度图为研究对象,结合人工观测雷电日数据及国内外对小电流幅值闪电数据剔除的研究成果,引入泰森多边形、数据分布假设检验、异常值(五数概括)处理算法等模型,建立了可用于判别和优化闪电定位监测数据栅格密度异常值的方法,以福建省为例,对该方法进行了实例应用。结果表明,在福建省西、北部区域,闪电定位监测数据存在一定探测误差或数据丢失的情况,并使用人工观测雷电日数据对这些异常值所在的区域进行了修订,该方法适用于闪电定位仪覆盖数量较少区域的闪电定位监测数据异常值识别与优化应用。     

闪电定位误差评估与实例分析

为了对闪电定位的误差进行定量评估,从时差法闪电定位原理出发,分析了闪电定位原理存在的问题及其定位的误差来源。采用计算机模拟的方法,实现了对闪电的定位误差的评估,可以为已有的闪电定位网络作出有效的定位误差评估,为将要布设的站点提供选址依据。最后以兰州区域气象中心闪电定位网为例,验证了"5站布点"的优越性,为将来甘肃省闪电定位网的后续布设提供了选址依据。     

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

一种提高闪电定位资料精度的计算方案

为了进一步提高闪电定位资料的精确度,提出一种通过增加约束方程从而增强闪电定位计算稳定性的改进方案,并通过蒙特卡罗模拟计算以及强对流天气闪电定位结果校正个例分析的方法进行了对比检验,发现该方法可以有效改善原定位结果中存在的"飞点"异常误差。该方法可为控制闪电定位误差,提高闪电定位资料的准确性等基础工作提供参考。     

WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统数据的对比分析

利用WWLLN(World-Wide Lightning Location Network,全球闪电定位网)与江苏省ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活动目录拓扑图)闪电定位系统数据,对2006—2009年江苏省闪电活动年际变化、月际变化、日变化和空间分布、以及探测效率和探测精度等展开研究讨论。结果表明,WWLLN探测的闪电时空分布趋势与ADTD保持较好的一致性:江苏省白天发生的闪电次数略高于晚上;闪电主要集中发生在6—8月,仲夏闪电最为活跃;一天中闪电频次峰值时间段出现在16时(北京时间)左右;江苏省闪电分布呈现明显的地域性,闪电密度高值区位于省内偏西和偏南地区,大致与江苏省经济发达地区的地域分布相吻合。总体上,WWLLN探测到的闪电频次和闪电密度值比ADTD小一个数量级。随着WWLLN全球测站数目的逐年增加以及WWLLN定位技术的升级完善,WWLLN探测效率和探测精度逐步提高。WWLLN探测效率与回击电流极性和强度大小有关联。     

闪电定位系统布网方案设计的技术探讨

以闪电定位系统的定位原理和误差分析方法的基础，利用系统布设客观分析软件的自动选站和误差计算功能，比较了以不同方式组成的闪电监测网在一定范围内的定位误差。结果显示，除了系统本身存在的方位和时间误差外，布设子站的数目、几何形状、站距的大小对定位精度的影响均非常明显，与系统采取的定位算法也有很大关系。同时，提出并采取“一子多主，多叉组合”的技术策略，以湖北省为例，对闪电定位系统布网方案设计进行技术探讨。     

深圳市闪电定位资料误差分析及其优化

利用场地误差优化模式对深圳地区的地闪定位资料进行优化处理。首先对深圳市闪电定位系统进行简单介绍,然后利用改进的传输线模式对真实地表环境下的闪电辐射电磁场进行计算,以分析深圳市闪电定位系统的场地误差,最后基于定位误差和场地误差模式对闪电定位数据进行定位误差订正。结果表明不同方位角上的不规则地形对继后回击电磁场波形具有不同影响,随着表征地形粗糙程度的高度均方根的增加,电场的峰值下降,波形的上升沿时间增加。同时,电场波形上升沿时间也会随着方位角的变化而变化,这可能会给时间到达法的定位带来一定误差。为了验证该算法的合理性,对该系统覆盖的区域进行了闪电定位数据优化精度的时空分布分析和评估。结果表明这种优化方案是可行的、可靠的,优化后的闪电定位精度明显提高。     

基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法

定位精度是评价雷电定位网络的重要指标之一,定位算法直接影响雷电探测结果的精度。雷电监测系统探测数据误差不可避免,传统定位算法不具备抗误差干扰能力,迭代计算易发散,定位结果精度不高。为了满足实际应用需求,提出一种新的雷电定位算法DG-LLA（DBSCAN and grid-search lighting location algorithm）,在定位计算中引入DBSCAN（density-based spatial clustering of applications with noise）方法与网格搜索方法。通过仿真与国家雷电监测网实际定位结果对比分析定位算法性能。结果表明:到达时间差（time difference of arrival,TDOA）法和Taylor级数展开法定位误差较大,仿真区域的均方根误差分别为982 m和668 m;定位中引入DBSCAN方法后,均方根误差明显减小为406 m,引入DBSCAN方法和网格搜索方法后,均方根误差减小为349 m;在相同回击数据条件下,算法DG-LLA与国家雷电监测网相比定位数量更多,回击数据的利用率从43.4%提升到51.5%,新增定位结果周围雷达回波特征较强,定位精度更高。     

北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

北京闪电综合探测网(Beijing Lightning NETwork, 简称BLNET)由10个观测站组成, 每个子站主要由闪电快、慢电场变化测量仪(也称快、慢天线)和闪电甚高频(VHF)辐射探测仪构成, 实现了对闪电的多频段的综合观测。本文首先详细介绍了BLNET的网络构成, 然后利用蒙特卡罗法对网络的定位误差进行了理论分析, 模拟结果表明网络内部水平定位误差小于200 m, 网络外部100 km处水平定位误差小于3 km, 最后利用Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相结合的方法, 对发生在2013年7月7日的一次雷暴过程分别进行了地闪和云闪定位, 将定位结果和对应时次的雷达回波进行比较, 发现地闪和云闪都出现在大于30 dBZ的雷达回波区, 表明了探测网络和定位方法的可靠性。     

基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料,评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System,GHMLLS)性能,结果表明:GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265),回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m,193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程,GHMLLS探测的回击电流峰值(I_LLS)全部偏低,与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(I_DM)相比,I_LLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%),但I_LLS和I_DM相关系数为0.93,存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平);截距为0的线性拟合结果表明I_LLS与I_DM存在65%的比例关系,利用该系数校正I_LLS,结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中,16次定位结果为云闪,判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的I_DM更低,可用于定位的站点数量更少,定位误差更大,I_LLS的精度更低。     

Positive Charge Region in Lower Part of Thunderstorm and Preliminary Breakdown Process of Negative Cloud-to-Ground Lightning

A new lightning locating technology, called Lightning Mapping Array （LMA）, has been developed. The system takes advantage of GPS technology to measure the times of arrival （TOA） of lightning impulsive very high frequency （VHF） radiation events at each remote location. The spatiotemporal development processes of lightning are described in three-dimension by measurement of the system with high time resolution （50 ns） and space precision （50-100 m）. The charge structures in thunderstorm and their relationship with lightning discharge processes are revealed. The temporal and spatial characteristics of preliminary breakdown process involved in negative cloud-to-ground （CG） lightning discharges are analyzed based on the data of lightning VHF radiation events. The effect of positive charge region in lower part of thunderstorm on the occurrence of negative CG lightning discharge is discussed. The results indicate that the preliminary breakdown process with longer duration in negative CG lightning discharges is an intracloud discharge process. It occurs between negative and positive charge regions located in middle and lower parts of thunderstorm respectively. It initiates from the negative charge region and propagates downward. After propagating into the positive charge region, the lightning channel develops horizontally. The characteristics of the preliminary breakdown process are consistent with that of intracloud lightning discharges. The stepped leaders are initiated by the K type breakdown which occurs in the last stage of the preliminary breakdown process and develops downward through the positive charge region. The existence of positive charge region in lower part of thunderstorm results in the occurrence of preliminary breakdown process with longer duration before the return stroke of negative CG lightning discharges.     

闪电定位仪远程维修测试系统设计与实现

结合闪电定位仪维修方法,设计闪电定位仪远程维修测试系统,实现了对闪电定位仪运行状态的实时监控,设备状态数据的实时检测、设备故障的自动判断和自动报警等功能。系统采用Web页面显示,界面友好,可实现与设备间的实时互动,有效避免了台站维护不及时、反馈问题不准确等问题,提高了闪电定位仪诊断、维修效率。