地形地表的不规则起伏对雷电电磁场传输的影响

为了研究地形地表的不规则起伏(简称粗糙地表)对雷电电磁场传播的影响,首先利用二维分形方法模拟了粗糙地表,然后利用Barrick表面阻抗理论和Wait近似算法研究了粗糙地表对雷电电磁场传播的影响。结果表明,粗糙地表对地闪首次回击垂直电场的影响较小,但对继后回击存在明显的影响。随着粗糙度的增加,继后回击垂直电场峰值的衰减程度明显增加,且时域脉冲波形上升沿时间增大。如继后回击电磁场传播100 km,均方高为30 m的粗糙地表(电导率σ=0.1 S/m)引起时域电磁场波形上升沿时间额外增约1.5μs,电场峰值额外减小约12%,且其影响随着地面电导率的减小而增大。因此,在实际工作中应考虑复杂地形地表对闪电定位系统探测精度和效率的可能影响。     

甘肃平凉闪电定位资料误差分析及其优化

利用陈明理等提出的场地误差优化模式,对2001年甘肃省地形起伏较大的平凉地区地闪定位资料进行了优化处理,并选取雷达回波强度大于35 dBz、回波顶高超过7 km的区域作为优化效果验证参考。结果表明,未经场地误差优化的闪电位置远离对应雷达回波数十公里,而优化后对应的闪电位置进入或接近雷达的强回波区,显然更接近于真实情况,优化以后的方位探测器测向角平均偏差可达05°左右。场地误差优化模式能有效地优化闪电定位资料,这对进一步提高雷电临近预警具有积极的意义。     

基于FDTD的不同土壤类型及湿度对雷电电磁场传播影响的研究

为深入研究土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播效应的影响, 首次将工程勘察领域研究得出的土壤湿度和电导率计算关系应用到雷电电磁场模拟计算中。基于Heidler雷电通道基电流函数模型和MTLL回击模型, 在Mur一阶边界条件下, 利用2D-FDTD计算粘土、粉土和砂土这三种具有代表性土壤在不同土壤湿度和观测距离下的雷电电磁场。研究结果表明: 相比于粉土和砂土, 雷电电磁场沿粘土地表传播过程中产生的水平电场更容易受土壤湿度的影响, 特别是土壤湿度较低时, 即土壤湿度从5%到6%变化过程中, 水平电场峰值的波动幅度达39.86%;当土壤类型为粘土时, 水平电场E_r、垂直电场E_z和磁场H_φ受土壤湿度影响等级为E_z > H_φ; 随着闪电电磁辐射传播距离和土壤湿度的增大, 场幅值减小, 波形的波头上升沿时间变慢。研究结果为准确评估和量化不同土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播的影响以及优化闪电站网定位提供了重要的科学依据。      

闪电VHF辐射源三维定位系统仪器误差处理

为了提高闪电VHF辐射源三维定位系统的探测效率和定位精度,根据其运行原理对其定位误差的可能来源进行了分析,特别是针对GPS时钟的授时原理和高速采集卡工作原理以及观测站位置等可能造成误差的系统原因进行了分析。结果表明,三者误差是造成闪电三维定位结果不准确的主要设备误差。利用闪电VHF辐射源三维定位系统得到的定位结果信息,计算出了其到达观测站的时间,并与实测的到达时间进行了差值分析,拟合出一条偏差直线,得到其误差演变规律,并对该误差进行分析和纠正,得到了较好的结果,使闪电VHF辐射源三维定位系统的探测效率有较大提高,其定位结果更加可靠。     

闪电通道垂直假定引起回击辐射场峰值计算误差分析

利用高速摄像系统观测的闪电通道和利用分形方法模拟的闪电通道,分析了通道的垂直假定对回击辐射场峰值计算的影响。结果表明,回击电磁场随方位角的变化非常明显,在距闪电通道几百米距离,误差可达2倍;在1km处,闪电通道的垂直假定对时域回击辐射场峰值计算的相对误差最大为50%左右,平均小于10%。随距离的增加,误差逐渐减小。     

海南闪电监测定位系统资料检验和分析

利用2007～2008年海南省闪电监测定位资料和同期海南雷电灾害个例及人工观测雷电的数据进行对比,分析总结海南闪电监测定位系统的定位误差、漏测率和误测率;并在此基础上,指出闪电监测定位资料应用中存在的若干问题及其应用前景。结果表明:海南省发生闪电绝大多数为负地闪;与雷击灾害事故对比来看,海南省闪电定位仪探测漏测率和闪击落地的定位精度平均误差偏大,但与人工观测雷暴日对比结果表明平均探测漏测率在技术标准允许范围内;晴空闪电日误测率属于技术标准允许范围;闪电定位系统的探测时间精度基本可信;闪电定位仪探测数据与降水分布的同步监测结果基本吻合,可反映出雷暴移动方向、路径及发生、发展趋势。总体来看海南省闪电定位系统数据可信度基本达到应用标准。     

新型闪电电场变化测量仪的研究与初步应用

闪电电场变化测量系统是目前用于闪电物理研究以及闪电定位的重要手段之一, 提高测量系统的探测性能, 对于推动闪电物理以及闪电定位的研究具有重要作用。根据电磁感应原理, 研制出探测带宽为10 Hz~5 MHz的新型闪电电场变化测量仪。并进行了实验, 标定了测量仪输出信号与电场变化信号在频域上的数值关系。利用三套测量仪系统对南京多个强雷暴过程展开同步探测, 利用获取的数据反演了负地闪电场波形。对探测到的58次负地闪波形特征进行统计, 与国内外统计结果进行对比分析, 发现各个地区的负地闪预击穿过程和首次回击电场波形特征存在较大差异。      

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.     

DDW1闪电定位系统及性能评估

北京华云东方探测技术有限公司于2016—2018年在广东组网建设了DDW1闪电定位系统, 对一次雷暴过程的观测表明，DDW1定位数据与雷达回波强回波区之间在空间分布上具有较好的一致性。进一步利用2018年中国气象科学研究院在广州从化地区获得的触发闪电试验数据和全闪定位数据对DDW1闪电定位系统性能进行了评估，验证了其探测效率、定位精度等指标。结果表明：对于6次包含有回击过程的人工触发闪电事件，DDW1闪电定位系统全部探测到，地闪探测效率为100%；对于这6次触发闪电中的所包含的27次回击过程，该闪电定位系统共探测到17次，回击探测效率约为63%，对这些回击过程的平均定位误差约为464 m，电流反演误差为1149%；对比高精度全闪探测数据，DDW1的全闪探测效率为50%。     

宽带干涉仪闪电辐射源三维定位系统

宽带干涉仪闪电辐射源三维定位系统,是一种全闪电宽频带三维定位系统.它能够以微秒级的时间分辨率对闪电击穿过程产生的辐射源实现三维定位,描绘云闪和地闪通道发展的详细三维结构,可用于区域闪电监测和预警;同时,系统能够同步得到闪电通道发展的宽带频谱以及电场变化信息,结合三维定位结果,可以为闪电放电过程物理机制的探讨、雷电物理研究提供丰富的资料.     

人工触发闪电M分量的电流与电磁场特征

利用2008—2010年在广州从化人工触发闪电试验中观测到的闪电通道底部电流、近距离电场以及近距离磁场数据资料,对人工触发闪电M过程的电流和电磁场特征及相关性进行了分析。统计分析结果显示:M分量电场波形持续时间和10%~90%上升时间几何平均值分别为0.49 ms和0.12 ms;电流波形持续时间、10%~90%上升时间和电流变化的几何平均值分别为0.53 ms, 0.11 ms和0.34 kA;磁场波形持续时间、10%~90%上升时间和磁场变化的几何平均值分别为0.65 ms, 0.16 ms和2.76×10-5T。此外,M分量的电流、电场及磁场波形间存在一定的相互关系。相关分析结果表明:M分量的电磁场与电流资料在峰值幅度上具有较显著相关性,几何形状也较为一致,利用电磁场资料反演M分量的电流波形具有可行性。     

A PARAMETRIC METHOD OF SITE ERROR ESTIMATION FOR A LIGHTNING LOCATION SYSTEM

In this paper,a parametric method of site error estimation is developed for a lightning location system (LLS)which consists of three or more direction finders (DFs) and one position analyzer (PA). The site error for eachDF is a function of bearings measured by the DF, and is assumed to be limited-term harmonics. The problemof site error estimation is reduced to a non-linear unconstrained minimization problem by employing the eigentechnique (Orville Jr., 1987). The site error can be found directly by minimizing the objective function. By using the data set obtained with the LLS of three DFs in Beijing area during the summer of 1988, thesite error correction curves for all DFs were found. About 4900 lightning flashes detected by the three DFswere used. The results showed that about 95% of the flash residuals of the sample were within ± 1 degree aftercorrections. The lightning locations with site error corrections were more consistent with the corresponding radarechoes than those without corrections.     

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。     

时间差闪电监测网的误差分析和布局优化

在时间差闪电定位算法的基础上, 采用蒙特卡罗模拟方法, 实现了对闪电定位误差的定量评估。详细分析了闪电定位系统中测站数目、布站方式和站址基线长度3个因素对定位结果的影响。研究表明:定位误差与测站数目、布站方式和基线长度有密切关系。当测站数目一定时, 矩形加中心站的布站方式定位结果较好; 当布站方式一定时, 测站数目越多定位误差越小; 在仪器允许的探测范围内, 基线越长, 覆盖区域越大, 定位误差越小。闪电定位误差的定量分析研究, 为闪电监测网的站址选择、子站布设等实际工作提供了重要参考依据。     

闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型

利用2012年青海大通地区高精度闪电三维辐射源定位结果和宽带电场脉冲波形同步数据,基于3种改进的传输线模型和粒子群优化算法,拟合发生在不同距离上不同类型闪电初始预击穿过程的双极性脉冲波形结构,反演初始流光通道内电流波形和特征参数,对比分析3种模型对初始预击穿过程和梯级先导双极性脉冲波形的拟合效果,统计分析4类闪电初始预击穿脉冲的物理特征。结果表明:3种改进的传输线模型均能较好地拟合出双极性脉冲结构,且MTLE模型更合理。负地闪的初始预击穿过程和梯级先导过程呈现出相同的传输特征,即均以梯级形式发展,且拟合物理参量也较为接近。初始流光向上的路径长度大于初始流光向下的路径长度,初始流光向上击穿进入上部正电荷区的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩远大于初始流光向下的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩。     

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。