高建筑物上闪电普通摄像观测与分析

2009-2010年夏季,在广东省气象局对东南方向的高建筑物上的闪电进行了观测.对获得的普通摄像资料进行了处理和分析,基于对闪电事件引起普通摄像中像素亮度变化的分布特征的分析结果,编写了视频资料处理程序,实现了普通摄像资料中闪电图片的自动提取.在此基础上,统计分析了观测到的广州高建筑物上87次自然闪电的特征,结果表明:这些闪电的持续时间平均为348 ms;对于高度超过500m的建筑物,其上发生闪电的次数明显多于高度低于500 m的建筑物,且闪电的平均持续时间也更长.给出了拍摄到的几幅云下闪电通道呈现蛛状和长距离特征的闪电图片.     

闪电VLF/VHF信号大容量采集系统及其现场实验

简要描述了闪电ＶＬＦ／　ＶＨＦ信号大容量采集系统的硬件构成、　软件设计以及现场实验等情况，　并对系统观测到的一次云地闪电和一次云内闪电的过程ＶＬＦ／ＶＨＦ辐射特征进行了个例分析，　初步分析结果揭示了以下一些有趣的新现象：　（１）无论云闪还是地闪都以一个间歇性的大双极性脉冲列为启动标志，　并伴随强烈的ＶＨＦ辐射。云闪和地闪初始击穿大脉冲序列波形特征明显不同。（２）地闪的云内放电以及云闪放电都产生一类特征性的ＶＬＦ辐射，　该辐射表现为一个脉冲半宽３～４　μｓ、　出现频率１０５个·ｓ－１的快脉冲列。该过程同时伴随明显的ＶＨＦ辐射。（３）回击主峰期间ＶＨＦ辐射相当微弱。闪电过程中最强的ＶＨＦ辐射起源于以下云内放电过程：　（ａ）　云闪和地闪的初始击穿过程；　（ｂ）　云内Ｋ过程和ｃ回击主峰后１００～２５０　μｓ期间的云内放电。上述初步分析结果显示了本系统在闪电放电物理研究方面的应用潜力。     

A review of advances in lightning observations during the past decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 kA was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices (i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.     

平面标定法在闪电光学观测中的应用

针对闪电光学观测资料定量分析的需求,采用张正友平面标定法结合便携式平面靶标,实现了闪电外场试验中光学观测设备的现场标定,为消除光学系统成像畸变对闪电通道特征分析的影响提供了一种便捷的途径。使用此方法对广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)的6套闪电光学观测设备进行了标定,结果表明:光学观测设备搭载同类型镜头时,焦距越短图像的畸变越明显; 图像中视线与光轴的夹角越大,径向畸变的影响越明显,采用鱼眼镜头获得的闪电通道图像在靠近边缘的位置畸变的影响会超过25%;通过对配备焦距为8 mm鱼眼镜头的单反相机以及配备焦距为8 mm广角镜头的高速摄像机同时获取的闪电光学同步资料进行畸变校正后,发现获取的图像畸变校正前后闪电通道总体长度差异分别为12.9%和4.5%;经过畸变校正后不同设备获取的闪电通道图像比原图拥有更好的一致性。      

多功能高精度GPS探空仪系统

该项目目标是研制具有国际先进水平的无线电数字探空仪系统，为天气气候分析预报提供更加准确的高空观测资料。多功能高精度GPS探空仪系统由GPS信号接收处理模块、电子探空仪、地面跟踪接收设备和系统资料接收处理软件4部分组成。为实现研制目标，开发研制工作细化为以下内容。     

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。     

基于雷声到达时间差的单站闪电通道三维定位系统

利用麦克风阵列采集雷声信号,设计了一套由麦克风阵列和便携式数据采集存储设备组成的单站闪电通道三维定位系统,采用CCF相关函数法计算了雷声脉冲信号到达不同麦克风的时间差,通过最小二乘法获得声源的方向角和仰角信息,并结合声源与麦克风阵列的距离定位声源的三维位置。对一次包括8次回击的人工触发闪电过程进行了观测,得到多个声源点的三维定位信息。系统的定位结果与高速摄像的观测结果具有较好的一致性,定位方法合理、可行,为进一步研发便携式闪电通道三维定位系统奠定了基础。     

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。     

雷击建筑物的先导连接过程模拟

为了研究闪电先导与地物的相互作用,该文建立了一个闪电先导的二维模式以模拟雷击建筑物的先导连接过程。模拟得到梯级长度在13.8～51.5 m的范围内,下行先导的感应电荷为0.03×10~(-4)～1.2×10~(-4) C/m,梯级长度和感应电荷量均随着先导离地高度的下降而增加,模拟结果与观测值相吻合。下行先导最后一跳之前的转向并不明显,但最后一跳,下行先导向避雷针产生的上行先导偏转一定角度。模式模拟了下行先导与40 m宽度的建筑之间的相互作用和连接过程,得到建筑物拐角也具有一定的吸引半径,避雷针和拐角之间存在竞争关系。因此,在雷电防护设计中需要考虑拐角等复杂结构尖端对闪电的吸引作用,简单地采用理想情况(如地面孤立高耸尖端)下避雷针的吸引半径等参数进行复杂建筑物的防雷设计会存在问题和隐患。     

雷达资料在孤立单体雷电预警中的初步应用

利用多普勒雷达资料, 结合探空、闪电资料对2005年夏季北京地区的20个单体过程进行综合分析, 结果表明:40 dBz是比较适合该地区雷电预警的一个雷达回波特征参量; 在此基础之上, 将0 ℃层结高度作为基础特征高度, 并结合-10 ℃层结高度和强回波所占比例对孤立单体的雷电发生进行综合预警是一种较为接近实际应用的方法。根据以上分析, 该文针对孤立单体能否发生闪电、以及闪电发生的起始时间给出了一个初步的预报方法, 并利用22个孤立单体进行了检验。检验结果证明:该方法在对单体是否会发展为雷暴单体, 以及雷暴单体中初次闪电发生时段的预报方面效果较好。同时还发现, 雷暴单体中从25 dBz回波出现到单体的35 dBz回波厚度变化率达到极值的时间差, 与雷暴中最早的云闪与最早的地闪之间的时间差, 两者存在一定的线性关系。这为进一步预测地闪的发生提供了一个参考依据。