地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

台风莫拉菲(2009)登陆前后电荷结构演变的模拟研究

利用中尺度起电放电模式以及卫星和闪电定位等观测资料,对比分析了台风莫拉菲（2009）在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。结果表明：莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁区对流在近海加强阶段呈现正的三极性电荷结构,主负电荷区位于-25℃——10℃层,其上下各有一个正电荷区。而在台风达到最大强度后呈现负的偶极性电荷结构,仅存在云中部的负电荷区和下部的正电荷区。眼壁区对流的电荷结构同台风强度变化密切相关而不受登陆直接影响。在台风发展的不同阶段,外螺旋雨带对流主要表现为正的三极性或正的偶极性电荷结构,之前的研究一般认为外雨带对流只能呈现正的偶极性电结构。外雨带三极性电结构的形成可以类似于眼壁区三极性结构的形成,也存在其他形成机制,即在霰粒子与冰晶组成的正偶极性电荷结构下存在一个由雹粒子组成的正电荷区,从而形成正的三极性电荷结构。台风衰亡阶段对流主要表现负的偶极性电荷结构,对流活动较弱,类似于陆地雷暴消散阶段的特性。不同类型的电荷结构所对应对流的相对强度也在文内进行了讨论。     

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。     

青藏高原闪电和降水气候特征及时空对应关系

基于1998—2013年的TRMM (tropical rainfall measuring mission) 数据,分析青藏高原闪电活动与降水气候特征及时空对应关系,结果表明:青藏高原 (简称高原) 的闪电活动中心在高原中部和东北部,中部最大闪电密度达到6.2 fl·km-2·a-1;但高原降水最活跃的区域是东南部,年降水量超过800 mm。闪电活动和降水随月份均呈现出先西进再东退的特征,但高原东北部强闪电活动区位置几乎不变化。在固定区域闪电和降水月变化具有一致性,活跃期出现在5—9月,呈单峰结构,除西部和东南部外,闪电与降水峰值月份吻合。结合TRMM降水特征 (简称PFs) 资料研究单个闪电表征降水量 (rainyield per flash,RPF) 的空间分布特征表明,闪电活动可以作为高原深对流的指示因子,而RPF可以有效表征深对流系统在整个降水系统中的比例。高原中西部和东北部深对流系统在整个降水系统中的比例最大,而在高原东南部最小,高原东南部的降水更多由暖云降水系统贡献。     

北京和广州地区云闪初始击穿电场变化特征

对比分析了北京和广州地区各100例云闪初始阶段前30 ms快电场变化波形上初始击穿脉冲的特征。依据脉冲的结构特征,两地区的云闪初始击穿脉冲可分为单极性单峰型、单极性多峰型、双极性单峰型和双极性多峰型脉冲,两地区均以单极性和单峰型脉冲为主。对脉冲参量特征的统计发现,脉冲的10%-90%上升时间、半峰值宽度地区差异性小于脉冲类型差异性;双极性单峰型脉冲的半峰值宽是单极性单峰型的1.2倍。不同类型脉冲过零时间的中值、平均值在10μs左右量级,且广州地区较北京地区的大;云闪初始击穿脉冲宽度平均值显著小于相同地区正地闪的,而脉冲间隔显著大于正地闪的。初始击穿脉冲最为集中的出现在云闪最初的1~2 ms,其比例随时间以显著的负指数分布下降。研究发现,双极性脉冲的过零时间与脉冲宽度之间、起始半周期峰值幅度与过冲幅度之间均存在较好的线性关系。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

雪崩、分形与雷暴放电中强闪的自组织演化

强调了雪崩、分形与远离平衡系统自组织演化的联系。利用2003年夏季青藏高原中部地区雷暴放电的地面电场野外观测资料,基于近年来发展的分形及多重分形分析中的去势涨落分析(detrend-ed fluctuation analysis,DFA)方法,对强闪前电场信号的关联及多重分形特征进行了分析,发现强放电前过程具有明显的分形和多重分形特征,多重分形谱与推广的二项倍增串级模式符合。分析在一定程度上表明了雷暴强放电发生的可能的自组织演化性。     

闪电产生氮氧化物(LNOX)及其输送过程的模式计算

利用三维强风暴动力电耦合模式,模拟分析了一次雷暴过程中放电活动特征及平流和湍流对LNOX的输送特征。结果表明,在中部负电荷区域的上边缘,对应上升气流区外围、水平流场中心部位的区域,因为放电传输距离较长,所以强放电区主要落在这些部位,且向上传输。在负电荷中心区也有少数放电点,但传输距离较短。闪电产生的氮氧化物逸出闪道后,被云中平流和湍流输送,最后在弱流场区域内形成LNOX浓度中心,峰值达9×10-9。LNOX的输送主要以平流为主,但在云底层及雷暴消散阶段,湍流输送也起重要作用。在雷暴云消亡期,LNOX的峰值为2.7×10-9,比晴天值大1个量级。     

青藏高原雷暴云降水与地面电场的观测和数值模拟

在2003年青藏高原那曲地区夏季雷暴云的观测试验中,三次伴有降水的过程中都出现了地面电场(Egnd)随降水的漂移现象,而且固态和液态降水对Egnd的极性改变并不相同。为了模拟再现高原雷暴云降水和Egnd之间的关系,选取了8月13日这次具有高原雷暴代表性特征的过程,模拟了雷暴云移经观测点上空期间,测站固、液态降水与Egnd的变化以及雷暴云下部正电荷区的空间分布。模拟的Egnd及固、液态降水与其的对应关系与观测事实较一致。分析结果表明,固态降水主要携带正电荷,液态降水主要携带负电荷,各类带不同极性和数量电荷的降水粒子常共存在雷暴云中,Egnd主要受携带电荷量占主导地位的降水粒子的影响,地面出现强正电场时正好是云在当顶并且地面出现强固态降水的时间。     

大气环境层结对闪电活动影响的模拟研究

利用一个二维面对称雷暴云起电、放电模式,选取了北京地区3次雷暴过程的环境层结,计算并讨论了不同层结条件下雷暴中动力、微物理过程及其对起电、放电活动的影响。结果表明,上升速度和水汽条件是影响雷暴动力、微物理过程和闪电活动的最重要因子。上升速度的大小决定了雷暴发展到成熟的时间和雷暴的强弱,较强的上升气流有利于雷暴云在较短时间内达到较大的高度。而持续的上升气流和充足的水汽有利于雷暴的成熟期延长从而增强闪电活动。较强的上升速度和充足的水汽可以产生更多的对闪电起电、放电有直接影响的冰相物并能使其持续生成,从而形成较大的电荷浓度。较强的上升速度和不利的水汽条件也可以在某时形成较大的冰相物浓度,但冰相物难以持续生成。而较弱的上升速度和充足的水汽则容易形成暖云过程,对冰相物的生成也有不利影响。上升速度和水汽相互影响,又共同受到环境层结的支配。大气低层潮湿、中层湿度适中,较大的不稳定能量和一定量的对流抑制能量将有利于强闪电活动的发生。表现在大气不稳定参数的取值上,对流性稳定度指数的值小于-10℃(负值表示不稳定),对流有效位能值在1000 J/kg以上,对流抑制能量大于40 J/kg,700 hPa相当位温在340 K以上,700—400 hPa中层平均湿度在35%—85%,有利于强闪电活动的发生。