低频电场变化探测阵列建设及其初步运行结果

在低频(LF)和甚低频(VLF)频段探测全闪活动是近年来闪电探测技术发展的一个重要方向.中国气象科学研究院于2014~2015年在广州地区建设了由9个快电场变化测量仪构成的低频闪电电场探测阵列(Low-frequency E-field Detection Array,LFEDA).本文介绍了LFEDA构成以及针对闪电低频电场信号建立的闪电定位算法,基于蒙特卡罗法和人工触发闪电试验对LFEDA的定位精度和探测效率进行了理论模拟和客观评估.前者表明站网中,具有较长基线的定位站有助于改善垂直于该基线方向的水平定位精度和沿着该基线方向的高度定位精度.后者表明LFEDA对触发闪电事件和回击的探测效率分别为100%和95%,回击平面定位误差平均值为102m.定位结果与雷暴结构的对比分析表明,闪电脉冲放电事件与反射率柱所表征的对流特征较强区域有较好对应,脉冲放电事件在垂直方向上呈现合理的分布.此外,通过单次云闪、地闪的定位结果发现,LFEDA能够描绘闪电发展形态,基于三维定位结果获得的云闪初始阶段垂直发展速度以及地闪先导垂直发展速度变化趋势与之前观测结果类似,研究结果表明,LFEDA具备了全闪电三维定位能力,为闪电发展特征研究以及雷暴电学研究提供了新的技术手段.     

基于线支持区域的闪电通道识别算法

提出了一种基于线支持区域的闪电通道识别算法 (LLSR),该算法首先应用对比度拉伸和高斯匹配滤波方法对闪电通道图像进行预处理,以增强闪电通道的对比度;然后自动检测出包含闪电通道的线支持区域,并用最小外接矩形包含这些区域;最后在各个矩形区域内分别使用最大类间方差Otsu阈值法进行分割,得到闪电通道识别结果。试验结果表明:LLSR具有良好的局部特性和自适应性,它不仅能自动提取低对比度闪电图像的通道,还能自动提取具有复杂背景闪电图像的通道,自动提取结果在视觉上与人眼观测结果一致。且定量评估结果表明:LLSR相比传统算法具有更好的分割精度。     

不同高度建筑物上的下行地闪回击特征

为了研究不同高度建筑物上发生的下行地闪回击特征差异,对2009—2012年广州高建筑物雷电观测试验中获取的能确认接地点高度的58次下行负极性地闪的综合同步观测资料进行对比分析。结果表明:接地点高度小于等于200m和接地点高度大于200m两类地闪的回击次数和回击间隔时间的差异不明显,但接地点高度大于200m的地闪的首次回击电流幅值、继后回击电流幅值、首次回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间、继后回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间的算术平均值 (几何平均值) 分别为接地点高度小于等于200 m地闪的1.8(2.1),1.5(1.4),7.4(7.4),3.1(3.4),4.6(4.3) 和2.4(3.6) 倍。     

雷电临近预警方法和系统研发

为满足高速发展的现代社会对雷电预警预报气象服务日益增加的需求,中国气象科学研究院研发了雷电临近预警系统(CAMS_LNWS).CAMS_LNWS采用了多资料、多参数和多算法集成的雷电临近预警方法,能够综合利用雷达、卫星、闪电监测系统、地面电场仪和探空仪等的观测资料,参考天气形势预报产品和雷暴云起电、放电模式运行的结果,结合区域识别、跟踪和外推算法与决策树算法,自动生成雷电活动潜势预报结果和雷电临近预警结果,并提供多种形式的雷电临近预警产品,以满足不同的应用需求.该系统人机界面友好,参数接口丰富,简单易用,有利于在各地区的推广应用.同时该系统采用了模块化的结构设计,具有灵活的扩充性,便于今后对预警方法的不断升级和改进.     

雷电临近预警系统的运行试验

介绍了中国气象科学研究院研发的雷电临近预警系统(CAMSLNWS)在北京地区开展的业务运行试验.通过运行测试以及预警结果与闪电监测结果的对比评估,表明:CAMS.LNWS能够稳定运行,定时读取多种探测资料、自动生成并循环显示雷电发生概率、雷电活动区域移动趋势和重点区域雷电危险度等级三种雷电临近预警产品;CAMS.LNWS的雷电发生概率预警产品具有较高的命中率,能够较好地对0～30min内可能发生闪电的区域进行有效预警;随着预警时间的延长,CAMS.LNWS的预警效果会有所降低.     

一次雹暴的闪电特征和电荷结构演变研究

综合利用SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪定位资料与雷达结合对2005年5月31日发生于北京的一次冰雹过程的闪电活动和电荷结构演变特征进行了综合分析.结果表明:该雷暴的闪电活动有两次活跃期,第一个活跃期产生了降雹,降雹结束后,闪电活动突然减少,之后的活跃期产生了更多的闪电,其中一部分处于云砧区.闪电活动峰值超前降雹5 min左右,闪电活动中的地闪仅占6.16%,但正地闪占总地闪的比例达20%,且降雹前的正地闪比例较降雹后要高·降雹发生后,正地闪很少发生.降雹阶段,参与放电的主要电荷区表现为反极性结构,-40℃左右区域为参与放电的主负电荷区,-15℃左右区域为参与放电的主正电荷区,在正电荷区之下,短暂存在一个较弱的负电荷区.降雹结束后,电荷结构经历了持续的快速调整过程,在第2次闪电活跃期,参与放电的主要区域表现为正常的三极性结构,即上正-中负-下正,受西风气流的影响,此三极性结构出现倾斜.动力和微物理过程的分析表明,闪电活动和电荷结构的特征与雷暴云内的动力、微物理过程紧密相关.文中对反极性电荷结构形成的可能机理进行了讨论,并且认为,具有强烈上升气流的灾害性天气可能更易形成反三极性的电荷结构,并在下部两个电衙区的作用下产生较多的正地闪.     

基于局部阈值插值的地基云自动检测方法

地基云自动化观测是当前气象业务发展的迫切需求.目前的地基云检测算法仍主要是以阈值为基础,针对固定阈值和全局阈值算法在云检测精度方面存在的不足,利用晴朗天空下天空呈蓝色、云呈白色的属件,提出了一种基于局部阈值插值的地基云自动检测方法.该方法在对云图进行重采样后,对云图蓝、红波段进行归一化差值处理,再将处理后的结果图像按空间像素位置自动分成互不重叠、大小相等的均匀子块,对每一子区域采用一定的规则并结合改进的最大类间方差自适应阈值算法计算局部阈值,然后对每一子区域形成的阈值矩阵采用双线性插值算法进行插值处理,形成与原始云图大小相等的阈值曲面,利用此阈值曲面与云图蓝、红波段归一化差值处理结果进行比较,即可完成地基云的自动检测.与固定阈值和全局阈值算法相比,局部阈值插值算法对一些细碎的云和与背景反差不大的云获得了更好的检测效果.定量的评估结果表明,固定阈值方法在正确率和精确度上都要远远低于全局阈值和局部阈值方法,而文中提出的局部阈值算法在正确率和精确度上相比全局阈值算法又有较大提高.     

0.1~40 MHz地闪、 云闪及NBE事件的辐射场频谱特征分析

利用宽带傅立叶分析法对2008年7月30日和8月4日两次雷暴过程中, 距离观测点5~20 km范围内的55次负地闪回击过程, 33次云内闪电过程以及20次双极性窄脉冲事件（NBE）的电磁辐射信号进行了观测分析, 得到地闪回击、 云闪放电初始阶段以及双极性窄脉冲事件在0.1~40 MHz频带宽度下的电磁辐射能量谱密度。结果表明, 这三类闪电放电过程的辐射频谱波形均呈现出随频率增加、 幅值减小的趋势, 但在辐射强度和衰减速率上存在一定的差异。负地闪回击幅频波形在6~28 MHz频段上衰减速率相对缓慢; 云闪初始阶段在全频带上始终遵循f-1.2~f-1.4之间的衰减率递减, 且其频谱幅值与地闪回击的辐射能量谱幅值相差不大; NBE事件在0.1~40 MHz频带中辐射能量谱幅值基本都明显大于其他两类闪电放电过程, 特别是在10 MHz以上的HF、 VHF频带上其差异可达到20 dB。     

北京地区雷暴过程闪电与地面降水的相关关系

该文选取北京地区2006年夏季的18次雷暴过程,利用SAFIR3000三维闪电定位系统观测到的总闪数据,分析了闪电与雷达反演的对流活动区降水量和对流活动区面积的相关关系,结果表明:北京地区的雷暴活动中,单个闪电所表征的降水量的范围在0.86×10~7～6.57×10~7kg/fl之间,平均值为2.65×10~7kg/fl;闪电活动与对流活动区降水量的线性相关关系显著,相关系数达到0.826;闪电活动与对流活动区面积也具有显著的线性关系,相关性系数达到0.846。文中给出了基于6 min闪电频次估算6 min对流降水量以及对流活动区面积的拟合方程。分析还发现,总闪活动与降水的关系要明显好于地闪,总闪信息的应用极大提高了分析结果的质量和可信性,分析结果对于利用闪电信息估测降水具有参考意义。     

雷暴云内闪电双层、分枝结构的数值模拟

试验了一种逃逸启动、双向随机发展的放电参数化改进方案, 并进行了12.5 m的高分辨率、二维雷暴云数值模拟试验, 模拟再现的雷暴云内闪电特征在通道扩展范围和双层、分枝结构以及与位势阱位置的相互配合等方面与实际VHF源定位观测资料分析结果是一致的. 进一步发现: (1) 闪电在雷暴云内相邻的正、负电荷区边界附近触发后, 负先导向正电荷区发展、正先导向负电荷区发展. 存在正负两种极性的云闪, 他们的极性由云中相邻正、负电荷累积区位置的上下配置决定. (2) 电荷累积区的空间分布制约着闪电的空间范围. 云闪几乎遍及其所传播的电荷堆, 遭遇到局域性、与通道极性相同的电荷堆时, 通道将转向、绕开该电荷堆. (3) 电位的空间分布形态同样制约着闪电通道传播方向和几何结构: 先导通道进入正或负位势阱之前沿着最大电位梯度方向传播; 当先导通道穿过它们的中心之后通道更趋于电位变化缓慢的地方发展. (4) 云闪通道在穿过电荷累积区中心以前, 有较好的分形特征, 幂指数约为1.45; 而其后向低电荷浓度地区延伸时, 幂指数随着半径增加而减小. (5) 放电结束后通道感应生成的异极性电荷沉积在正、负先导通道经过的区域, 形成新的、复杂的云内电荷空间分布, 位势极值可由200下降到20 MV.