北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.     

新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果

成功研制了一种新型的人工引雷专用火箭, 火箭箭体结构采用了新型复合材料, 质量轻, 并具有空中抛伞和放线功能。利用新型火箭和全新的雷电流及同步电磁场测量技术, 在2009年的山东人工引雷实验 (SHATLE2009) 中成功引发负极性云对地放电过程3次, 共包括6次大电流回击过程, 采用0.5 mΩ的大功率同轴分流器和宽带光纤传输技术测量到了0.1 μs时间分辨率的雷电流波形、以及距雷电通道30 m、60 m和480 m处的电磁场和6000 f/s的高速摄像观测资料。6次回击的电流峰值分布范围为11.2～16.3 kA, 几何平均值12.8 kA; 半峰值宽度为7.4～34.9 μs, 几何平均值21.6 μs; 10%～90%峰值的上升时间为0.5～1.4 μs, 几何平均值1.0 μs。成功的人工引发雷电实验证明新型引雷火箭安全性能好、可靠性高, 其成功研制为雷电物理过程和效应的研究, 以及雷电流波形资料的积累提供了重要的技术手段, 对制定具有我国自主知识产权的雷电防护标准等具有重要的应用价值。     

基于时差法三维定位系统对闪电放电过程的观测研究

系统介绍了自行研制的基于GPS同步和时差法定位技术的闪电VHF辐射源三维定位系统以及山东北部地区闪电过程同步观测分析,成功获得了雷暴中闪电通道辐射源三维时空发展物理图像.并结合地面的快电场变化资料,对典型负地闪、正地闪和云闪放电通道的三维时空演变过程进行了分析,结果表明,正、负地闪激发传输过程不同,典型负地闪的预击穿过程发展速度约为5.2×104m/s,被初始负击穿引发的向下梯级先导传输过程发展速度约为1.3×105m/s;正地闪初始阶段也是激发负流光传输,以优势水平方向在正电荷区内传输,并为始发点积累正电荷,从而触发向下正流光传输.重点分析了一次由双极性窄脉冲事件(NBP)引发的云内闪电三维放电过程,该脉冲发生在约10.5km的高度上即上部正电荷区域内,同时引发云内放电通道水平向周围扩展,产生大量击穿辐射源,双极性窄脉冲辐射峰值强度值高达16.7kW,而普通闪电辐射源功率一般在100mW～500W范围内.与经典云闪完全不同,此类新型云闪及其三维传输过程在国内第一次被发现.文章还讨论了其可能的触发机制.     

利用无线电窄带干涉仪定位系统对地闪全过程的观测与研究

利用VHF无线电窄带干涉仪定位系统对一次包含有19次回击的地闪全过程产生的甚高频辐射源进行了定位研究,该系统基于双基线正交5天线阵列,采用直接高频放大检相,降低了采用变频电路时带来的系统误差,提高了整个系统的精度;系统采用交互式的图像分析程序来处理干涉仪本身存在的条纹模糊问题,以1μs的时间分辨率连续确定闪电辐射源发生的二维位置（仰角和方位角）,直观地再现了闪电放电随时空发生和发展的全过程．利用窄带干涉仪系统并结合同步观测的VHF辐射强度和快电场变化资料,对一次负极性地闪发生和发展的全过程研究发现,负地闪预击穿过程起始于负电荷区,先向下后向上发展;梯级先导辐射强且连续,且首次回击开始若干毫秒内辐射强度更大;直窜先导辐射相对离散且强度弱,由于通道电离程度的变化,梯级先导和直窜先导可以相互转化;初始梯级先导速度约为10^5m／s,直窜先导的平均速度约为4．1×10^6m／s,梯级一直窜先导的平均速度约为6．0×10^6m／s;M过程伴随有活跃的爆发式辐射,产生勾状电场变化,击穿发展最终沿着导电性良好的主放电通道迅速到地,其平均速度约为7×10^7m／s,大于直窜先导和梯级直窜先导平均速度;K变化和企图先导与先导本质上是一样的,只是没有到达地面而引发回击．     

基于双金属球三维电场探空仪的一次雷暴云内电荷结构观测研究

本文自主研制性能稳定的双金属球三维电场探空仪,并结合气象探空仪等构建了雷暴电场-气象综合探空系统,实现了雷暴云内三维电场及温度、湿度的同步测量.2019年夏季对华北平原地区雷暴开展穿云观测,并结合地面大气电场、雷达回波、变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)反演的动力场等资料进行综合研究,首次给出该地区雷暴云内的电场和电荷结构分布特征.对2019年8月7日发生的一次中尺度对流系统电场探空发现,在雷暴减弱阶段,其弱回波区内存在5个极性交替的电荷区:4.4~5.6 km之间的上部正电荷区(0℃附近)、3.6~4.4 km之间的中部负电荷区和1.0~3.6 km之间的下部正电荷区,此外在1 km下方有一个负极性电荷区,雷暴云顶附近5.7~6.9 km之间为一个弱负极性屏蔽电荷区.其中,中部负电荷区和下部正电荷区由多个不同强度、不同厚度的电荷层构成.此外,电场探空系统在中部负电荷区高度范围内经历的上升—下沉—再次上升的往返探空数据表明,雷暴云内动力环境复杂,电荷结构分布相似但又有所差异,反映了实际雷暴云内电荷分布的时空不均匀性和复杂性.     

北京地区的闪电时空分布特征及不同强度雷暴的贡献

利用北京闪电定位网(BLNET,Beijing Lightning Network)和SAFIR3000(Surveillance et Alerte Foudre par Interometrie Radioelectrique)定位网7年共423次雷暴的闪电资料,并按照雷暴产生闪电多少,同时参考雷达回波和雷暴持续时间,将雷暴划分为弱雷暴(≤1000次)、强雷暴(>1000次且≤10000次)和超强雷暴(>10000次),分析了北京地区的闪电时空分布特征及不同强度等级雷暴对闪电分布的贡献。北京总闪电密度最大值约为15.4 flashes km-2a(^-1),平均值约为1.9 flashes km^-2a(^-1),大于8 flashes km^-2a(^-1)的闪电密度高值区基本分布在海拔高度200 m等高线以下的平原地带。不同强度雷暴对总雷暴闪电总量贡献不同,弱雷暴(超强雷暴)次数多(少),产生的闪电少(多),超强雷暴和强雷暴产生的闪电分别占总雷暴闪电的37%和56%。不同强度雷暴对总雷暴的闪电密度高值中心分布和闪电日变化特征影响显著,昌平区东部、顺义区中东部和北京主城区是总雷暴闪电密度大于12 flashes km-2a(-1)的三个主要高值区中心,前两个高值中心受强雷暴影响大,而主城区高值中心主要受超强雷暴影响。总雷暴晚上频繁的闪电活动主要受超强雷暴和强雷暴影响,这两类雷暴晚上闪电活动活跃,分别占各自总闪电的69%和65%,而弱雷暴闪电活动白天陡增很快,对总雷暴午后的闪电活动影响大。另外,不同下垫面条件闪电日变化差异大,山区最强的闪电活动出现在白天,午后闪电活动增强很快,主峰值出现在北京时间18:00,而平原最强的闪电活动发生在晚上,平原(山麓)的主峰值比山区推迟了约1.5小时(1小时)。     

雷暴电活动对冰雹增长影响的数值模拟研究

利用三维强风暴动力-电耦合模式,数值模拟了风暴演变过程 中电活动对冰雹增长及地面降雹的影响. 结果指出,带电冰雹与云内强电场作用使地面降雹 量增加约50[HTK]髎[HTSS],雹块直径增大0.7mm,降雹时间滞后约3min. 文中还讨论了强电 场通过对水成物降落速度的调制来影响冰雹微观增长过程,即主要是影响碰并过程和冰雹融 化过程. 电活动使冰雹源、汇总量都减少,但汇总量减少更多,总体效果使冰雹总量增加, 数目减少,冰雹长得更大,更易降落到地面.     

闪电气象学研究进展

闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾：在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,不同类型强对流天气系统的闪电活动特征,闪电活动与雷暴的动力、微物理结构的关系,雷暴电荷结构探测和数值模拟,以及闪电资料同化方法及其在强对流天气中的预警预报作用和闪电的预报等,并指出了中国闪电气象学今后的努力方向。     

一次多回击闪电过程的物理特性分析

利用西藏那曲无狭缝光栅摄谱仪获得的一次多回击云对地闪电光谱,研究了各放电通道的温度及其变化。结果表明,一次闪电不同回击过程的通道温度有明显差异,闪电前期的温度通常较高,之后呈逐渐降低趋势。将闪电光谱与同步电学观测资料相结合,讨论了光谱特征、通道温度与闪电放电特性、电流热效应的相关性。数据分析显示,光谱总强度与辐射电场的变化幅度成正比;光谱总强度与放电电流的大小成正比;通道温度与回击过程传输的能量为正相关。