正地闪发展的时空结构特征与闪电双向先导

利用闪电VHF辐射源定位系统的观测资料, 对正地闪三维时空发展特征进行了分析, 结果表明正地闪过程大致可分为三个阶段, 在回击之前有较长的云内发展过程, 平均持续时间为370 ms, 传输速度为10⁵ m/s量级, 辐射强度与负地闪梯级先导辐射强度相当, 这一期间闪电是以负极性击穿过程在云中正电荷区发展, 通道沿水平方向延伸, 较少分叉;回击之后闪电在云内快速传输, 比回击前的发展速度快约2倍, 辐射点较少且比较弥散, 但辐射强度增强, 对应于连续电流过程, 并包含有多个正极性快脉冲;在闪电的最后阶段, 传输速度与回击前的传输速度相当, 辐射点主要集中在闪电通道的顶端. 与负地闪的时空发展特征存在明显的差异. 正地闪的辐射点均发生在云内正电荷区, 没有探测到回击之前的正先导过程所产生的辐射. 正地闪持续时间平均为730 ms, 持续时间在500~600 ms的闪电占总数的43%. 90%正地闪只有一次回击, 最多有4次回击, 回击电流峰值最大为70 kA, 最小为11.5 kA, 平均为36.5 kA, 大于40 kA的约有40%.     

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.     

利用闪电宽带干涉仪系统对地闪先导-回击过程的观测研究

利用闪电宽带干涉仪系统1999年在广东的观测资料, 对地闪预击穿、梯级先导及回击过程进行分析研究, 结果表明: 这种新型的辐射源定位系统能够再现闪电通道结构和电磁辐射源随时间演变的二维图像(方位角和仰角). 闪电辐射主要由负击穿过程产生, 地闪预击穿阶段闪电通道比较集中, 几乎没有分杈, 辐射源主要出现在通道头部; 而梯级先导后期辐射源定位比较离散, 有较多的分叉通道, 辐射源出现在具有一定长度通道段内, 该通道段高度随着先导向地面的发展逐渐降低. 预击穿过程和梯级先导期间均有一些快速负流光过程连续地从闪电起始区域或更远的位置开始, 沿已形成的通道发展, 为闪电通道进一步向前发展补充电荷, 其速度比闪电通道发展的平均速度约快一个量级.     

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.     

青藏高原一次地闪放电过程的分析

利用成像率为1000 幅/s的高速摄像系统和快、慢电场变化仪以及宽带干涉仪系统等探测仪器在青藏高原那曲地区所观测的地闪资料,对一次地闪回击及其之前的持续时间较长的云内放电过程进行了分析.结果表明：地闪先导前的云内放电过程发生于雷暴云下部正电荷区和中部负电荷区之间;云中部负电荷区距离地面的高度为28～45 km;闪电的起始放电发生区域距离地面的高度为10～17 km;初始流光在云外发展时具有很大的水平分量和较多的分支;梯级先导的速度为1×105 m/s,在向地面发展时出现较大的弯曲;首次回击放电过程与低海拔地区没有差异,通道中的峰值电流有241 kA;继后回击相对较弱.     

雷暴地球伽马射线闪探测研究进展及若干问题探讨

地球伽马射线闪(Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGFs)是近来相关研究比较活跃的一类发生在雷暴中的高能辐射现象,可在地面和近地轨道卫星平台上观测到光子能量高达几十兆电子伏特的伽马射线爆发.观测表明TGF是伴随雷暴闪电发生的一种自然界比较常见的高能大气物理现象,但其产生过程、物理机理及效应等尚不清晰, TGF研究也已成为大气电学与高能物理这一前沿交叉领域的热点研究问题.文章阐述了近十年来关于TGF探测、TGF与闪电放电过程及雷暴活动相互关系等方面的研究进展,并对一些尚存的问题进行了讨论.卫星观测发现上行TGF与云内初始先导过程关系紧密,一般发生在云内先导起始之后几毫秒时间内,并可能由于其发生过程伴随的瞬时大量电子转移产生特殊的低频电磁辐射.相比之下,目前报道的下行TGF的发生环境比较复杂,可能伴随着不同类型的闪电放电过程,如上行正先导/下行负先导、连续电流过程、回击过程等.由于地面观测资料较少,与上行TGF相比,下行TGF产生过程的研究更加缺乏.随着精细时空探测系统的发展,基于地面与卫星观测平台的精细协同观测将对TGF产生过程及其机制的研究带来更多新的认识...     

积云模式中上行地闪的参数化方案及起始有利云内环境特征的探讨

上行地闪是一种始发于超高建筑物(高度至少在100m以上)顶端的大气放电现象,目前对其的认知主要通过地面观测,而相应的理论模式研究较为缺乏.本文在已有的双向先导随机模型的基础上,创建上行地闪随机放电参数化方案,并耦合到雷暴云起、放电模式中,进行了二维高分辨率上行地闪放电的模拟实验,得到的上行闪电与观测结果具有较好的一致性.通过分析雷暴云电荷结构给出了常规地闪起始的有利云内环境特征,并分析了正、负上行地闪一些特征的异同,结果表明:模拟得到的上行正地闪多为诱导触发的上行地闪,通常是三极电荷结构下次正电荷区与地面之间的一种放电现象,前次云闪过程对空间环境电场的影响为其起始提供了有利条件,整个放电过程延伸范围有限、分叉少、放电不充分;上行负地闪多为偶极电荷结构中主负电荷区与地面之间的放电过程,温度层结的高度低以及降水粒子的下沉使电荷区高度降低是其起始的根本原因,上行负地闪发展旺盛,分支较多;诱导触发的上行地闪主要发生于雷暴成熟期,而自行触发的上行地闪则更容易在雷暴消散期起始.     

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．     

沿海地区一次多单体雷暴电荷结构时空演变

利用闪电放电辐射源三维时空分布测量,分析了山东低海拔地区一次多单体雷暴过程的电荷结构演变以及与回波强度的关系.结果表明对流云区电荷结构是典型的上正下负电偶极结构,且随着雷暴发展正负电荷层强度增大,高度抬升.负电荷区处在40 dBz以上的强回波区域中,正电荷层处在约40 dBz区域中.层状云区也有类似结构,只是强度弱,高度低.观测到的四层电荷结构是出现在对流区消散阶段,此时,由于云体不同部位的不同消散程度,电荷结构发生断裂,云体前部正负电荷区下沉,云体中部正负电荷区高度变化不大,但负电荷区域变薄,呈现出四层电荷结构.从本例结果说明,雷暴优势起电机制通常能形成电偶极或三极性结构,多极结构可能不是起电形成.本文还分析了一次负地闪传输过程,和宏观电荷结构很好吻合,说明利用三维定位系统观测,可以较好地描述雷暴宏观电荷结构.     

青海地区一次雷暴的地闪活动及云内的电场探空观测

2016年夏季在青海大通地区获得一次局地雷暴云内的电场探空资料,结合雷达、地闪定位资料,详细分析了该雷暴的地闪活动特征及云内的电荷结构.结果显示,该雷暴过程的负地闪在时间上呈间歇性发生,在空间分布上表现为不连续,且所有的正地闪都发生于雷暴的成熟阶段.在雷暴成熟阶段与消散阶段过渡期获得云内的垂直电场廓线表明,雷暴内的电荷结构在探空阶段呈四极性,最下部为处于暖云区内负电荷区,往上依次改变极性.最上部的正电荷区由于数据丢失无法判断其上边界外,其余3个电荷区的海拔高度分别为:5.5～5.7km(3.4～2.3℃)、5.7～6.2km(2.3～-0.4℃)和6.2～6.6km(-0.9～-1.7℃),对应的电荷密度为-1.81nC·m^-3、2.47nC·m^-3和-1.76nC·m^-3.其中,下部正电荷区的强度最大,其次为上部的负电荷区.通过分析电荷区分布与正地闪活动的关系,认为暖云区内负电荷区的形成有利于诱发下部正电荷区的对地放电.     

Observations on the leader-return stroke of cloud-to-ground lightning with the broadband interferometer

Radio frequency observations of cloud-to-ground lightning (CG) were made in 1999 in Guangdong Province with the broadband lightning interferometer. In this paper, radiation source locations and electric field waveforms are analyzed for different types of breakdown events, including the preliminary breakdown of in-cloud activities, the stepped leaders of initial strokes to ground and activities during and following return strokes. It is shown that the structure and development of lightning discharges and associated breakdown processes can be reconstructed by using this new type of lightning radiation source location system. The detectable radiation of lightning was primarily produced by the negative breakdown process. The channel was concentrated with few branches during the preliminary breakdown stage of CG lightning flashes. The radiation sources appeared generally at the tip of the channel. During the late period of the stepped leader, the radiation sources were dispersed with branches extended away from the main channel. The radiation sources were in a certain length segment of the channel and the altitude of the segment descended along with the propagation of the leader to the ground. During the preliminary breakdown and the stepped leader of initial strokes to the ground, a sequence of fast negative streamers were observed to start continually from or farther away the lightning-initiated region and propagate along the developed leader channel, which may supply negative charge that assisted the leader’s development. The progression speed of fast negative streamers was about ten times faster than the average speed of lightning channel.     

静止卫星闪电探测中云影响研究

相对已经在轨运行的极轨卫星,搭载在静止卫星上的闪电成像仪能够提供全天候、无间断的闪电探测,是目前全球卫星闪电探测的方向.本文分析云不同特性对云顶闪电信号的影响,以及云高对静止卫星闪电定位的订正分析,将对静止卫星闪电成像仪的研发及其业务化运行提供技术支撑.研究中,通过建立云中闪电传输模型,模拟云中闪电传输.由于云粒子散射,云的体积、光学厚度和形状,以及闪电在云中发生的深度,都影响云中或云间闪电信号传输到云顶的能量衰减和持续时间,其持续时间可能超过已知静止卫星闪电成像仪假设的2 ms成像积分时间间隔,这样不能保证所有的闪电信号在一帧图像内探测到.但是,云粒子散射对云顶闪电的水平位置影响不大,闪电成像仪定位的云顶闪电可代表云中或云间的闪电位置.同时,在传统静止卫星图像定位模型的基础上,建立了闪电定位的云高订正模型.根据该模型,当云顶高度为10 km,云高所引起的闪电定位最大误差达到经向0.5379°、纬向0.2273°,超过已知静止卫星闪电成像仪假设的地面探测单元大小,有必要进行订正.     

穿云飞机电磁噪声的实验分析

利用高灵敏度和高时空精度的三维雷电观测系统LMA(Lightning Mapping Array)分析穿云飞机的观测资料,发现这一系统在地面可探测到穿云飞机产生的60～66MHz带宽内的电磁辐射,其强度在1W～10kW之间,甚至更高,且与所探测到的辐射源数成线性反比,辐射是由飞机上的尖端放电产生的. 穿云飞机在10～12km高度上产生的辐射最强,且在靠近发生闪电的对流区比远离这一区域强. 飞机穿过不同云系时,辐射强度不同,其中穿过层状云系时,辐射最弱.     

闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征

利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.     

New model simulations of the global atmospheric electric circuit driven by thunderstorms and electrified shower clouds: The roles of lightning and sprites

Several processes acting below, in and above thunderstorms and in electrified shower clouds drive upward currents which close through the global atmospheric electric circuit. These are all simulated in a novel way using the software package PSpice. A moderate negative cloud-to-ground lightning discharge from the base of a thunderstorm increases the ionospheric potential above the thundercloud by 0.0013%. Assuming the ionosphere to be an equipotential surface, this discharge increases the current flowing in the global circuit and the fair-weather electric field also by 0.0013%. A moderate positive cloud-to-ground lightning discharge from the bottom of a thunderstorm decreases the ionospheric potential by 0.014%. Such a discharge may trigger a sprite, causing the ionospheric potential to decrease by . The time scales for the recovery of the ionospheric potential are shown to be , which is of the same order as the CR time constant for the global circuit. Knowing the global average rate of lightning discharges, it is found that negative cloud-to-ground discharges increase the ionospheric potential by only 4%, and that positive cloud-to-ground discharges reduce it by 3%. Thus, overall, lightning contributes only 1%—an almost insignificant proportion—to maintaining the high potential of the ionosphere. It is concluded that the net upward current to the ionosphere due to lightning is only . Further, it is concluded that conduction and convection currents associated with “batteries” within thunderclouds and electrified shower clouds contribute essentially equally ( each) to maintaining the ionospheric potential.     

Numerical simulations of the bi-level and branched structure of intracloud lightning flashes

Intracloud (IC) lightning is used to mean those lightning flashes which channels do not strike the ground. It is an important scientific problem to inves-tigate the IC flash features and the discharge physics.Measurements from the electric field change arrange-ment[1,2] and VHF radiation events[3,4] have provided ample evidence that IC flashes have branches with substantial horizontal extents. The VHF interferomet-662 Science in China: Series D Earth Sciences ric observations[5] also s…     

不同电结构雷暴中的地闪特征

对观测资料的分析表明,甘肃地区和海南岛的地闪特征具有很大差异。海南岛负地闪（P型）首次回击前的电场变化波形与国外的报道类似,而甘肃地区仅有30％左右的负地闪属P型,约70％的负地闪首次回击前的电场变化波形具有明显的云闪特征（C型负地闪）。海南岛没有发现正地闪,甘肃地区有正地闪。该两地区存在两类电结构不同的雷暴,两类雷暴中地闪放电过程及特征的很大差异,说明我国的防雷规范及措施很可能需要考虑雷暴的地区差异性。     

不同发展阶段雷暴云中电荷的静电力散度分布及其动力作用

太阳活动与地球天气气候间关系的相关及其机理研究是当前日-地关系研究中的一个活跃领域。目前认为太阳活动影响天气最可能的途径之一是通过调制大气电状态来实现的。太阳活动可以影响大气电状态不仅已被大量观测结果的统计分析所证实,而且通过高空气球对气-地电流密度的实地观测表明,太阳耀斑暴发前后的气-地电流     

Spatiotemporal characteristics of positive cloud-to-ground lightning discharges and bidirectional leader of the lightning

The negative CG lightning discharges neutralizing negative charges in cloud usually dominate for most of thunderstorms. However, a lot of positive CG light-ning discharges often occur in the disappearing stage of thunderstorms, in the stratiform region of mesoscale convective systems and some supercells producing hail and tornado. Because the positive CG lightning discharges produce larger current of the return stroke and neutralize more charges due to the continuing currents with longer las…     

基于小波的地闪首次回击辐射场的多重分形分析

利用2002年夏季青海野外观测慢天线电场变化仪资料,应用小波变换模极大方法对地闪首次回击辐射场的检测及多重分形谱特征进行了分析.发现小波分解在小尺度上的时间变异系数在回击主脉冲峰处（回击点）呈现明显的尖峰,据此可对回击点进行快速可靠的检测;地闪回击辐射场多重分形谱可用推广的多重分形二项倍增串级公式比较精确地拟合,最小标度指数及谱宽度平均分别为-011和15,是重要的回击特征参数,而小波及多重分形应是闪电信号处理的重要工具.