一次多分叉多接地的空中触发闪电过程

该文分析了2007年广州从化人工引雷试验中,6月30日一次空中触发负极性闪电的光学和电学观测资料,结果表明:此次空中触发闪电的上行正先导和下行负先导分别出现了多个分叉。上行正先导早于下行负先导4.93 ms始发,上行正先导初始阶段的二维平均速度为104m/s量级,后增加到105m/s量级。下行负先导经历了3次分叉后分为4个分支接地,其中有两个接地分支一直持续发光到闪电放电结束,观测到下行负先导的二维平均速度为1.69×105m/s。小回击之后上行正先导也出现了多个分支,高速摄像和宽带干涉仪对这些分支的观测结果基本一致。小回击之后,初始长连续电流过程的持续时间为178.6 ms。     

闪电起始过程时空特征的宽带干涉仪三维观测

闪电的起始位置和起始阶段发展速度是闪电研究中的重要问题。2010年夏季,使用架设在广州市从化区的两套甚高频 (VHF) 宽带干涉仪对闪电的起始阶段放电过程进行三维定位观测。对观测数据给出的地闪和云闪的起始高度分布特征以及起始阶段击穿过程的时空发展特征进行统计和对比分析,结果表明:闪电的起始高度分布呈双峰值特征,分别在5.0 km和8.8 km有两个明显的分布峰值,符合雷暴云三极性总体电荷结构的描述。对起始阶段闪电放电发展速度的计算表明,云闪和地闪在起始阶段的前15 ms内的平均发展速度均在104~105 m·s-1量级之间;多数云闪、地闪起始阶段前15 ms内的平均发展速度表现出减速趋势,但云闪个例中起始阶段前10 ms存在减速趋势的比例更高,且其中在前15 ms一直保持减速趋势个例所占比例也大于地闪。云闪和地闪的起始阶段放电过程的发展方向有向上、向下和水平发展3种情形,可用于指示闪电始发位置的环境电场方向。     

一次正地闪触发两个并发上行闪电的光电观测

广州高建筑物雷电观测站光电同步观测系统于2017年6月16日记录到一次峰值电流达+141 kA的单回击正地闪触发两个并发上行闪电过程。利用高速摄像、普通摄像和电场变化数据分析了触发型上行闪电的始发特征和机理。结果表明:正地闪回击后约0.8 ms内,在距正地闪接地点约3.9 km的广州塔（高600 m）和4.1 km的东塔（高530 m）分别有上行闪电始发。正地闪回击过程中和大量正电荷以及之后可能有云内负先导朝高塔方向快速伸展造成塔顶局部区域的电场发生突变是两个上行闪电激发的原因。两个上行闪电在353 ms内发生7次回击,其中6次在广州塔上,仅1次在东塔上,且广州塔回击峰值电流平均值（-21.4 kA）约为东塔回击峰值电流（-7.3 kA）的3倍,表明广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量（或电荷密度）更大的负电荷区。两个上行闪电先导的二维速率变化范围为9.4×104~1.8×106 m·s-1,平均值为6.9×105 m·s-1。     

东亚和西太平洋闪电时空尺度及光辐射能

利用2002—2014年的TRMM/LIS（Tropical Rainfall Measuring Mission/lightning imaging sensor,热带测雨卫星/闪电成像仪）闪电观测数据分析了18°~36°N和70°~160°E范围内闪电尺度和光辐射能空间分布特征,并选取6个区域（区域1~6）,探讨09:00—14:00（地方时,下同）和18:00—次日06:00两个时段闪电上述属性的逐月变化和参数分布特征。研究指出:闪电空间尺度和光辐射能在深海最大,次之为近海和陆地,持续时间在中国东部近海最大,次之为深海和陆地。不同闪电属性大值分布区域差异明显,小值则分布在区域1和区域2。多数区域分析时段内闪电空间尺度和光辐射能的逐月变化趋势较一致,陆地上它们与闪电活动逐月变化的反向对应关系较明显。分析时段内闪电时空尺度和光辐射能均呈对数正态分布,陆地闪电各属性值比海洋闪电更向小值方向集中。在LIS观测性能较高的18:00—次日06:00,各区域内闪电持续时间中值为0.18~0.29 s,通道延展距离中值为12~21 km,光辐射能中值为0.11~0.52 J·m-2·sr-1·μm-1。分析时段内闪电空间尺度与光辐射能的相关性明显优于它们与持续时间的相关性。     

广州高建筑物雷电回击光脉冲特征分析

为了深入认识负地闪放电过程中光辐射信号的特性, 对广州高建筑物雷电观测站所获得的回击光脉冲波形进行了分析。对观测到的88例负地闪事件中的184次回击(包括60次下行闪电首次回击、58次下行闪电继后回击、66次上行闪电继后回击)的光脉冲特征进行了统计分析, 结果表明: 下行闪电首次回击光脉冲10%~90%上升时间T₁的算术平均值/中值为32.5/31.4μs, 20%~80%上升时间T₂的算术平均值/中值为22.6/22.4μs, 半峰宽度T₃的算术平均值/中值为131.1/117.0μs。下行闪电继后回击光脉冲T₁的算术平均值/中值为30.4/27.7μs, T₂的算术平均值/中值为19.5/17.6μs, T₃的算术平均值/中值为153.6/142.6μs。在21例下行多回击负地闪事件中, 光脉冲回击间隔时间在12.6~368.6 ms范围之间, 算术平均值为78.7 ms, 有14%闪电事件存在继后回击光脉冲峰值大于首次回击的情况。上行闪电继后回击光脉冲T₁的算术平均值/中值为27.5/24.3μs, T₂的算术平均值/中值为17.0/15.7μs, T₃的算术平均值/中值为132.2/124.5μs。总体上, 下行闪电首次回击的光脉冲上升时间最长、下行闪电继后回击次之、上行闪电继后回击最小; 下行闪电继后回击脉冲半峰宽度比下行闪电首次回击及上行闪电继后回击的更大。      

建筑物高度对上行闪电触发以及传播影响的数值模拟

为了探讨建筑物高度对单个上行闪电触发以及传播的影响,设定了一个固定的背景电场,并结合自行触发的上行闪电随机放电参数化方案,进行了二维高分辨率上行闪电放电的模拟试验。结果表明:(1)上行闪电在初始阶段分支比较少;发展到离地面2 km左右后,闪电开始出现大量的分支,闪电通道开始出现明显的分叉:一部分通道继续向高电荷密度中心垂直传播,另一部分通道绕过高电荷密度中心,向外水平传播;模拟的上行闪电只能垂直传播到4 km处的负电荷中心,不能穿过0电势线向上方的正电荷区传播。(2)建筑物高度对上行闪电的触发起了关键作用,建筑物越高,越容易触发上行闪电。(3)建筑物高度对上行闪电传播具有一定的反作用,随着建筑物高度增高,模拟出的上行闪电的水平和垂直传播距离都有所减小,通道的分形维数变小,通道传播的总长度也逐渐减小。     

广州高建筑物雷电观测与研究10年进展

作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分,广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)始建于2009年,迄今已积累数百次高建筑物雷电资料。对于雷电连接过程,高建筑物会起到“放大镜”的作用:TOLOG的观测在国际上首次发现了连接过程中负-正先导之间“头部-侧面”连接的现象,给出了先导连接行为的两种基本形态;揭示了负先导梯级发展过程的精细化结构,给出了下行先导和上行先导的二维/三维发展特征;估算了不同高度建筑物上雷电的闪击距离。高建筑物对雷电电磁场具有“放大器”的作用,且建筑物越高增强效应越显著。高建筑物是下行和上行闪电的“汇集点”:对下行闪电的吸引作用可保护高建筑物附近的其他物体免遭雷击;正地闪的回击、延续电流和云内放电过程均可在高建筑物上触发负极性上行闪电。另外,高建筑物区域可作为闪电监测系统的“标校场”,TOLOG的观测资料在地闪定位系统探测效率和定位精度的评估方面也得到了应用。     

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。     

闪电放电通道的三维结构特征

通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10一20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。     

云闪K过程的三维时空特征

K过程是闪电放电过程中的一种放电事件。该文使用两套VHF宽带干涉仪2010年夏季在广州从化地区获取的3次云闪三维闪电辐射源定位数据,分析其中的K过程时空发展特征与地面电场特征。结果表明:宽带干涉仪观测到的K过程主要由快速发展的负极性放电事件组成,按定位结果的分布可划分为3个阶段:负极性反冲先导发生在云闪起始区域下方,沿正先导一端已有路径向闪电起始区域传播;部分反冲先导能进入之前负先导建立的通道并快速发展;反冲先导将原有通道激活后进一步促进负先导继续发展。同时使用辐射源三维定位数据计算了8次反冲先导的平均发展速度,反冲先导的发展速度为106~107 m·s-1量级,与负地闪中的负极性直窜先导相似,但均小于回击速度。     

Optical Observations on Propagation Characteristics of Leaders in Cloud-to-Ground Lightning Flashes

Using 2 high-speed cameras, we have recorded 14 negative cloud-to-ground (CG) lightning flashes, half of which are natural and the others are artificially triggered. The two-dimensional (2D) propagation speed of different type leaders and the luminosity of lightning channel are analyzed in detail. Bidirectional leader processes are observed during the initial processes of two altitude triggered negative lightning (ATNL)flashes. The analysis shows: the propagation speed of the upward positive leader (UPL) before the initiation of the downward negative leader (DNL) is at the order of 104-105 m s-1; the UPL can be intensified by the initiation and development of the DNL in the way that the luminosity is enhanced and the speed is sped up; after initiation, the DNL in one ATNL flash propagates downward three times intermittently with interval of about 1 ms, while that in the other ATNL flash propagates downward continuously with a speed at the order of 105 m s-1. In the five classical triggered negative lightning (CTNL) flashes, the propagation speeds of the UPLs vary between 0.35×105 and 7.71×105 m s-1, and the variations of their luminosities and speeds are quite complex during the development processes. Among the four observed natural negative lightning flashes occurred on the land, three have only one return stoke (RS) each and all of their DNLs have many branches with an average speed at the order of 105 m s-1; while the another one has 13 RSs.In the CG flash with 13 RSs, the DNL before the first RS has no obvious branch below 1.4 km above the ground, and its speed ranges from 2.2×105 to 2.3×105 m s-1 between the heights of 0.7 and 1.4 km and exceeds 3.9×106 m s-1 below 0.7 km; preceding the 4th RS, an attempted leader is observed with a speed ranging from 1.1×105 to 1.1×106 m s-1 between 0.8 and 1.5 km. As for the three observed natural negative lightning flashes occurred on the sea, each has only one RS, and each DNL preceding the RS has a few branches, two of which have an average propagation speed at the order of 105 m s-1, and the other of 106m s-1, respectively. All the DNLs contained in the observed natural negative lightning flashes, except the attempted leader, propagate with gradually increasing luminosity and increasing speed in whole.     

建筑物群中多上行先导三维模型的建立

为实现对地闪过程中多上行先导现象的模拟,在已有三维随机放电参数化方案基础上,植入多先导始发与发展模块以建立高建筑群多上行先导模型,利用电场并行计算技术提高模拟效率。将新模型应用于实际地闪模拟并就统计数据与先导形态特征同观测数据进行对比。结果表明:上行未连接先导长度为12~709 m,起始高度为360~600 m,距连接点水平距离为255~1026 m,距下行先导最近分支的距离为326~589 m,与观测统计结果具有较高的一致性;形态上再现了实际地闪个例F1215中上行未连接先导始发时间早,通道笔直的特点,也能够模拟下行先导与单上行先导头部、单上行先导侧面、多上行先导中连接先导头部、多上行先导中连接先导侧面4种已有观测记录的连接情况,为后续研究提供基础模型。分析模拟结果初步得出结论:最高的广州塔能够对附近一定范围建筑起保护作用且能吸引较远处的下行先导分支;多先导的始发与最后一跳的连接受地面高建筑物群分布、高度以及下行先导位置综合影响。     

建筑物上侧击雷电的三维数值模拟

基于三维近地面闪电先导发展随机模式,通过改变先导初始电位和建筑物几何特性,分析各种情况下的侧击雷电发生概率,探讨侧击雷电产生原因及影响因素。结果发现:建筑物尖端电场畸变值是影响侧击雷电产生的重要参量,当下行先导靠近建筑物且传播位置低于建筑物的高度时,建筑侧面电场畸变值达到触发阈值,侧击雷电易产生;下行先导的初始电位以及建筑物几何特性（高度和宽度）是影响侧击雷电发生概率的重要因素,当下行先导初始电位在-9~-3 MV范围内,侧击雷电发生概率呈先增加后降低的趋势,当初始电位为-4.5 MV时,侧击雷电的发生概率达到峰值;当建筑物高度在50~150 m范围内,侧击雷电发生概率随着高度增加呈先增加后减少的趋势;当建筑物高度为100 m时,侧击雷电发生概率达到峰值;当建筑物宽度在30~70 m范围内,侧击雷电发生概率随建筑物宽度呈递减趋势;当建筑物宽度为30 m时,侧击雷电的发生概率达到峰值。     

高矮建筑物多上行先导连接过程的数值模拟

运用改进后的三维多先导模型,允许高矮建筑物上均可以始发上行先导,对多次地闪的连接过程进行模拟.结果 表明:矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小,高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响.建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子,当建筑物间高度差较小时,高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显,下行先导通道的相对位...     

Luminosity characteristics of leaders in natural cloud-to-ground lightning flashes

Using high-speed cameras, we have recorded the leaders contained in four natural negative cloud-to-ground (CG) lightning flashes in the summers of 2006 and 2007 at Conghua, Guangdong, China. It was found that the downward negative leaders preceding the first return stroke could propagate at quite different speeds. In one flash, the average speed of the downward negative stepped leader with no branches is about 2.2 × 10⁶ m s^− 1, while that of the other 3 flashes are all of the order of 10⁵ m s^− 1 with multilevel branches. The luminosity of the leaders shows an increasing tendency in propagating downward to the ground. For the leaders preceding the subsequent strokes, although all of them exhibit high speeds as reported previously. One subsequent leader exhibits an increasing speed from 5.2 × 10⁵ m s^− 1 to 1.7 × 10⁶ m s^− 1 during its propagation from about 1.26 to 0.36 km above the ground, and its luminosity also increased. The speed and luminosity of a leader between subsequent strokes of a natural lightning appear to decrease as it developed downward. Its speed ranges from 1.1 × 10⁶ to 1.1 × 10⁵ m s^− 1, with a height between 1.15 and 0.81 km above the ground.     

NBE和IBP始发的闪电初始特征

基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据,研究了2015年8月15日14:30—16:10广州一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征及放电规律。结果表明:212例近距离云闪和地闪中,32例闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发,占15%;180例闪电由初始击穿脉冲（定义初始击穿脉冲簇的首个脉冲为FIBP）始发,占85%。作为始发的窄偶极性放电事件（INBE）,其相对孤立且具有较大的相对幅度,INBE与后续闪电的第1个脉冲的时间间隔为7 ms,幅度比为3.5,远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8,INBE后多跟随传统的IBP脉冲。多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电,而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小,快于FIBP,这与INBE具有更快的速度相关。估计的INBE速度为4.7×107 m·s-1,FIBP速度为1.5×107 m·s-1,两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面,INBE具有更快的上升沿。     

基于光学资料的广州塔附近下行地闪特征

利用2009—2014年广州高建筑物雷电观测站的光学观测资料,结合雷声和电磁场变化波形,对广州塔（高度为600 m）西北部60°扇形区域3 km范围内的119次下行地闪分布特征进行统计分析,结果表明:43.7%（52/119）的地闪发生在区域内4个最高的建筑物上;除了直接击中广州塔的20次地闪（16.8%）,距离广州塔附近0~1 km的区域未观测到地闪,观测到的距广州塔最近的地闪离广州塔约1.2 km;距广州塔1~2 km的区域共观测到35次地闪（29.4%）,其中每个高度低于300 m的建筑物被击中的次数不超过1次;距离广州塔2~3 km区域共观测到64次地闪（53.8%）,其中有些高度低于300 m的建筑物被地闪击中1次以上,最多达5次。广州塔对附近区域下行地闪的吸引作用使其附近1 km左右范围内未观测到地闪,且1~3 km范围内随距离增加下行地闪密度（扣除击中其他高度不低于300 m的建筑物的地闪）有逐渐增加趋势,说明高建筑物对下行地闪的吸引作用随着距离的增加而逐渐减弱。     

优化网格法在小面积区域雷暴特征分析中的应用

为满足小面积区域(10 000 km²左右)雷电防御工作准确化、精细化的要求, 选取人工观测半径用以优化1 km×1 km网格的雷电参数。实例分析表明:优化网格法可以修正1 km×1 km相邻网格的年平均地闪密度值的大幅波动, 避免相邻网格突变值的出现。也可以使1 km×1 km网格的雷电日更符合气象意义。并可以准确分析用于表征区域强雷暴分布的平均单位雷电日地闪密度和最大单位雷电日地闪密度等雷电参数。