地闪和云闪初始击穿VHF/VLF辐射特征观测和比较

分析了合肥地区负地闪和云闪初始击穿过程产生的VLF大双极性脉冲序列及其同步的VHF爆发特征。地闪初始击穿大脉冲序列极性通常与后面的回击极性相同，相邻大脉冲之间的平均间隔为160μs，大脉冲序列持续时间平均为2．2ms。云闪初始击穿的大双极性脉冲序列由正极性大脉冲开始，相邻脉冲间隔时间平均为1．3ms，平均持续时间为11．5ms，明显区别于地闪中的情况。显著的VHF爆发几乎在大双极性脉冲序列出现的同时启动，它与VLF大脉冲一起是初始击穿过程中一种最强烈的特征性事件，在合肥地区出现频率极高。地闪初始击穿期间VHF包络(观测系统带宽100kHz)呈现淮连续特征，而云闪初始击穿期间VHF包络则呈现分立特征，显示两者VHF辐射爆发的特征有所不同。初始击穿期间VLF大脉冲辐射与VHF爆发之间是相关的，但是二者强度之间不存在唯一的大小对应关系。同时分析了合肥地区地闪初始击穿大脉冲序列活动相对于地闪回击的一些特征，序列中最大脉冲幅度与随后的首次回击幅度之比平均为0．43，有94％的初始击穿在首次回击启动前40ms内出现第一个可以辨别的VLF脉冲(105例的平均结果是21．5ms)。     

卫星观测的中国及周边地区闪电密度的气候分布

雷暴和闪电活动的气候分布是一个地区气候的基本特征之一, 迄今对中国及周边地区闪电密度分布的实际情况尚缺乏详尽的了解. 基于星载 OTD (1995.4~2000.3)和 LIS (1997.12~2003.3)共8 a观测的闪电资料分析, 给出了这一地区0.5°×0.5°网格点的闪电密度分布, 仔细分析发现: (ⅰ) 喜马拉雅山系南北两侧平均闪电密度的比值达到10倍, 而中国陆地东部和西部平均闪电密度的比值为3.5倍, 闪电密度平均值随海陆距离和纬度呈现规律性的变化, 与年平均降水量的相应变化趋势一致, 说明青藏高原和由西向东的三级阶梯状的大尺度地形以及纬度是形成这个地区雷电活动气候分布总体特征的基本因素. (ⅱ) 中国陆地闪电密度分布的区域性差异是显著的, 在不同的地理环境下闪电密度高值带(中心)与中尺度地形有不同的对应关系: 中国东部湿润地区高闪电密度带经常出现在南北或东北-西南走向、海拔500~1500 m的中尺度山脉和丘陵地区附近, 两者水平尺度和走向大体一致, 而闪电低密度带则经常出现在山间盆(谷)地和平原地区; 中国西部寒旱地区闪电相对密度高值区主要分布在祁连山南麓青海湖地区、天山向西的伊犁河谷以及唐古拉山与念青唐古拉山两山之间的盆地; 滨海100 km以内的海陆过渡带上, 在一系列有山体和丘陵地形隆起及大城市等地区出现闪电密度高值中心. (ⅲ) 中国近海的平均闪电密度是全球海洋相应值的5倍; 而在黑潮主干海域有闪电高密度带, 密度值比邻近海域高2~5倍, 这是黑潮主干海域的高温、高盐特征显著影响该海域强对流发展的一个新的事实. 另外, 还给出了安徽省的云闪/云地闪比Z值约为3.0.     

云闪放电对云内电荷和电位分布影响的数值模拟

我们应用改进的随机闪电参数化方案，对两次雷暴的起、放电过程进行了二维125 m和250 m分辨率云闪模拟试验，分析表明高分辨率模拟的云闪通道几何结构、延伸范围和最大垂直电场变化等特征与观测结果更为一致，并且揭示了云闪放电重新配置云内电荷分布和空间电荷中和过程的一种新的物理图像：(1) 云闪的直接物理效应是在已有的空间电荷区内沿着放电通道沉积异极性电荷、形成复杂的空间电荷分布，有效地导致云中电位和场强绝对值及静电场能量剧烈下降，使放电终止.其中：放电后在闪电通道经过主要区域，电位降到±30 MV之间，垂直电场强度也降到±20 kV·m-1之间，一次正或负云闪估计消耗掉107～1010 J静电能；(2) 云中电荷中和不是正、负空间电荷简单地直接相互抵消的瞬态过程，而是广泛分布的云中空间电荷与通道沉积的异极性电荷通过湍流交换、平流输送、重力沉降以及起电等多种因素逐渐混合并部分被中和的一个后续慢过程，其弛豫时间典型值在14～44 s之间，在此期间通道感应电荷总量下降到50%以下.并残余部分电荷参与后续放电前高空间电荷密度和强电场的重建过程.     

基于闪电双极性窄脉冲事件波形观测日出日落电离层D层变化

利用闪电作为辐射源来探测电离层D层是近年来国外学者研究的热点.本文基于江淮流域六站同步闪电观测站网,实现了一种利用闪电双极性窄脉冲事件（Narrow Bipolar Events,NBE）来探测电离层D层等效高度的方法.基于此方法,对两次分别发生在日出和日落阶段的雷暴分析结果显示,上述两个阶段D层反射高度变化特征呈现显著的不对称性：日出期间D层反射高度随时间线性降低速率为5.9 km/h;而日落期间D层反射高度随时间线性递增速率为8.6 km/h.综合日间太阳耀斑期间D层反射高度剧烈波动的观测事实,与日出、日落期间D层特征变化,结果表明太阳辐射电离中性大气分子的电子生成机制在日间D层电子密度变化中占主导地位.本文结果展现了利用NBE事件监测电离层D层变化特征的可行性,这一方法与基于地闪回击波形的D层探测方法结合在一起,有望把现有具有闪电事件定位和电磁波波形记录能力的闪电观测站网扩展为实时对电离层D层时空变化监测的网络.     

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。     

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。      

伴随超强VHF辐射的闪电双极性窄脉冲初步观测

闪电过程中一类双极性脉冲辐射伴随的超过常规闪电一个数量级的VHF辐射是卫星观测的穿越电离层的脉冲对(TIPPs)的来源。文中给出了在中国上海地区观测到的该类放电事件产生的78例双极性窄脉冲。典型的双极性窄脉冲上升时间约1.2μs,初始峰宽度约2—3μs、半宽约1μs,整个脉冲持续时间约15μs,脉冲幅度与地闪首次回击幅度相当,过冲幅度约为初始峰幅度的1/3。这类脉冲波形特征与普通闪电双极性脉冲波形特征差异明显。根据空间双极性脉冲被电离层以及地面-电离层反射的时间延迟并假定电离层高度为85 km,估算了这些双极性窄脉冲发生高度。11例负极性脉冲(对应上面负电荷区对下部正电荷区之间的放电)中有10例脉冲发生高度在海拔14.0—15.0 km,一例出现在负地闪初始击穿阶段的脉冲发生高度为海拔6.4 km。67例正极性窄脉冲发生高度位于海拔7—12 km,平均海拔9.4 km。利用传输线电流模式以及偶极子辐射近似估计了电流在通道内传播时间以及放电电流参数,78例平均结果显示电流从通道底部传播到顶部经历的时间约1μs,电流矩约为5 kA.km量级。我们推断放电通道长度约100—300 m,放电电流幅度具有20 kA量级,电流传播速度与光速可比拟、具有108m/s量级。     

中国东北地区红色精灵的母体雷暴分析

红色精灵是发生在雷暴云上空的一种瞬态发光事件（Transient Luminous Events,TLEs）,它们由地闪回击或与连续电流共同作用产生,这表明了对流层和低电离层之间的直接耦合关系。中国大陆的红色精灵观测研究主要在华北地区开展,为了进一步研究中国中高纬度地区的红色精灵现象,并揭示其与母体雷暴之间的相关性,故2017年夏季在吉林辽源开展了观测实验。本文介绍了利用低光度相机在东北地区捕捉到的26例红色精灵事件,并结合闪电定位、天气雷达等同步观测数据,对红色精灵及其母体雷暴特征进行了分析。结果表明,在26例红色精灵事件中,有17次（约2/3）产生于一次尺度较大的中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,MCS）,其余（约1/3）的红色精灵事件分别由三次尺度相对较小的中尺度对流系统诱发产生。红色精灵母体闪电均位于对流核心边缘区域,中尺度对流系统对流区后无大面积层状云降水区。此外,吉林辽源及安徽合肥同步记录的电磁场脉冲信号表明上述红色精灵事件均由正地闪回击产生。     

雷暴云顶之上的大气放电研究进展

1989年美国Minnesota大学的一个研究组用低光度电视摄像机捕捉到了首张中高层大气放电的图像,这一偶然发现激发了随后的中高层大气放电现象的观测研究高潮,并导致了一个全新且充满活力的大气电学新分支领域的诞生。在世界上的许多地区从雷暴云顶部(大约20 km)直到电离层底层(大约100 km高度)经常观测到中高层大气放电产生的瞬变光学事件,其持续时间从<1 ms到>100ms不等,分别被命名为ELVES,Red Sprites,Blue Jets。本文是对近年来中高层大气放电研究的一个综述,主要介绍这一领域的试验观测研究和理论研究进展。     

合肥地区地闪特征

根据观测资料 ,分析了利用闪电辐射场信号大容量采集系统观测到的合肥地区地闪回击特征。结果表明 ,每次地闪回击数频率分布并不表现为简单的指数衰减特征 ,回击数在 5次以下的各回击数出现频率几乎相当 ,单次回击地闪的比重只有约 1 5 %。平均地闪回击数为 4 .2次 ,观测到的最大回击数为 1 6次。地闪回击归一化电场强度近似服从对数正态分布。 1 69例首次回击平均电场强度为 9.3V·m- 1 (归一化到 1 0 0km ,下同 ) ,485例继后回击的平均电场强度只有 4 .5V·m- 1 。 480例继后回击与首次回击场强之比平均为 0 .6 ,有 1 8%地闪过程至少有一次比首次回击强的继后回击。相邻两次回击间隔时间呈现对数正态分布特征。观测到的最短回击间隔为 1 .6ms ,约 30 %的回击间隔 >1 0 0ms,在40～ 1 0 0ms之间的回击间隔比重约为 50 %。回击间隔时间与间隔前后回击相对强弱之间存在系统性的变化趋势 ,当两次回击间隔在 40ms以下时总是以‘前强后弱’的回击组合占主导地位 ,相反 ,当回击间隔时间增加到 >1 0 0ms时 ,约 55 %的回击间隔表现为‘前弱后强’的回击组合。