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。     

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。     

河南省强雷暴地闪活动与雷达回波的关系探析

利用ADTD雷电定位显示监测系统资料和郑州714CD多普勒雷达回波资料,对河南省2004--2006年8次雷雨大风伴局地冰雹和强暴雨两类强雷暴天气的地闪和雷达回波的特征及关系进行了分析,从观测事实出发,分析了河南8次强雷暴地闪活动与雷达回波的关系。结果表明:大风冰雹类回波强度为50～60 dBz,暴雨回波强度一般为40～55 dBz。暴雨地闪频数明显多于大风冰雹类;大风冰雹类天气以正闪为主,正闪比例在50%以上,暴雨正闪比例在6%以下;最大正、负闪强度可以出现在强雷暴过程的开始、持续、结束时段。块状单体回波出现或出现前,地闪已经出现,移动过程中的强回波带,少量地闪出现在强回波移动方向的前方20～30 km内,此地闪能很好地预示强回波未来移动方向;对于暴雨类天气,地闪不能很好预示降水的开始,地闪频数的增加预示强暴雨进入持续阶段,地闪减弱比暴雨回波减弱有明显的提前量。雷雨大风冰雹和暴雨持续阶段其正闪密集区和负闪密集区都同40 dBz的强回波区有很好的对应关系。雷雨大风持续阶段地闪数频数突增,整个时段地闪频次具有单峰特征;暴雨整个时段地闪频次具有双峰或多峰值特点以及高频数地闪持续性特点;1小时地闪频数强暴雨远大于雷雨大风冰雹类。暴雨类0℃、-10℃、-20℃层高度及云顶高度一般高于大风冰雹类,△H_(-10～0℃),△H_(-20～0℃),△H_((?)～0℃)三层高度差也大于大风冰雹类。     

雷暴天气过程中地闪分布的诊断分析

尝试将地闪的具体位置与一些气象参数的分布结合起来,分析了地闪位置与200 hPa高空急流、850 hPa水汽通量散度和总温度、通气管指数、K指数、风暴相对螺旋度分布的关系.发现除风暴相对螺旋度外,其它参数与地闪分布关系密切.进一步分析了一次雷暴个例,讨论了系统发展不同时期,地闪与各参数的分布特点.发现地闪集中区域向东南方向的迁移与一些参数大值中心的东南进或东移有很好的对应关系.这些结论对地闪闪区的预报和监测有非常好的指导意义.     

一次全省性强雷暴天气的地闪特征

2009年6月26日浙江出现全省范围的雷暴天气,此次过程中出现的地闪频数是自2006年闪电定位系统建立以来出现最多的一次。利用闪电定位实测资料、加密雨量站雨量实况以及多普勒天气雷达产品,对这一过程的地闪特征进行了分析。结果表明:此次地闪以负地闪为主,负地闪广泛分布于25～55dBz雷电回波区域内,而正闪多出现在25～35dBz回波中;地闪多出现在回波发展和前进的一侧,且密集分布在回波的梯度最大处,强回波中心处地闪较少出现;在回波开始减弱到中心强度为35dBz左右的区域没有地闪发生。地闪频数与全省过程累积降水量有很好的相关性,地闪的出现及其频数的增加意味着影响某地的强对流风暴正在发展或正向本地移来,对于单站来说雨强峰值滞后于地闪频数峰值半个小时以上,对于全省累积降水量则提前1～2h。因此地闪资料可以作为强对流天气的短时强降水预报的预警依据。     

襄阳一次强雷暴过程的雷达回波与地闪特征分析

利用湖北省闪电定位仪、新一代天气雷达资料并结合常规气象观测等资料,对2011年7月24日下午出现在湖北襄阳的一次强雷暴天气过程进行了分析。该过程的两个强风暴分别产生了冰雹和雷雨大风（后期强降水）,重点分析了两个强风暴系统生命期雷达回波和闪电（地闪）特征。结果表明：产生冰雹的强风暴是一个孤立的超级单体,降雹发生在超级单体成熟阶段;产生雷雨大风和强降水的强风暴是一个弓状回波,雷雨大风发生在弓状回波顶部,强降水回波成片状且移速较慢;两个风暴的地闪演变特征及闪电在风暴生命史各阶段分布的位置不同。     

甘肃中川地区雷暴的地闪特征

利用在甘肃中川地区一次雷暴过程的５站电场变化同步观测资料,对１９９６年８月１２日的４次地闪过程分析发现甘肃中川地区负地闪回击所中和的负电荷离地高度为２．７４～５．４１ｋｍ（对应环境温度为－２．０～－１５．０℃）,而正地闪回击所中和的正电荷离地高度低于２．０ｋｍ（对应环境温度为±５．０℃）。正地闪放电过程较负地闪中和的电荷量要大７倍左右。在雷暴初期及活跃期前期,地闪回击发生之前有持续１７０～３００ｍｓ的云内放电过程,它发生在云下部正电荷区和主负电荷区。与雷达回波的对比发现,负地闪发生在雷暴大于２０ｄＢｚ的强回波区或４０ｄＢｚ强回波边缘而正地闪却发生在相对较弱的回波区域。     

2001年成都双流机场“7.15”强雷暴的物理量诊断分析

本文采用距离平均法,用中国气象局的Micaps环境下网格点上的物理量,求得成都双流机场所在纬度的东西向的垂直剖面图,用它对2001年7月15日的强雷暴天气过程进行诊断分析.结果表明:散度场、涡度场、垂直速度场和水汽通量散度场的垂直剖面图对雷暴的发生有很好的指示意义.作者建议在Micaps环境下,增加本地的垂直剖面图的物理量分析图.     

雷暴持续时间与地闪活动的预报方法研究

根据2007—2008年6—8月湖南地区地闪定位、天气背景及探空资料,利用天气学分型及数理统计等方法,对湖南夏季雷暴的天气背景、持续时间以及雷暴过程中地闪的活动进行分析,定义的地闪频数指数(Icgf)可以较好地区分地闪活动等级;利用逐步回归方法分别得到了雷暴持续时间及地闪频数指数的预报方程,且均通过的信度检验,并进一步提出了各地闪活动等级预报的诊断指标。     

大兴安岭林区地闪放电特征的观测与分析

利用2009年夏季在大兴安岭林区开展的雷暴及闪电的多站GPS同步观测资料,详细分析了该地区的地闪放电特征.通过对464次地闪资料的分析,发现具有单次回击的地闪所占的比例高达69,且正地闪比例较高,达到了22%.对连续电流的统计表明,约有27%的地闪伴随有连续电流过程且长连续电流过程主要出现在具有单次回击的负地闪中,其平...     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。     

近140年中国、北半球和全球气温的标度律

运用非趋势波动分析方法,有效地消除数据中噪声和非平稳性质的影响,研究全球、北半球和中国近140年气温变化的长程幂律相关性。结果表明：全球气温、北半球气温和中国气温都有由交叉点划分的两个标度不变区域,可能对应两个不同的物理机制。其一,都可以表现出正长程相关的性质,而且全球气温的持续性最强,北半球次之,中国气温最弱;其二,全球气温和北半球气温还可以有几乎是1／f噪声性质的变化,中国气温则可表现出介于1／f和布朗噪声之间的行为。     

北京逐日气温和降水量的长程变化特征

无标度性广泛存在于自然界系统包括气候系统中,其特征之一是可观测量存在幂函数关系,它揭示了气候系统的复杂性.为探索气候可预测性的客观基础,介绍了去趋势涨落分析(DFA)方法,并应用其对北京2003年逐日观测资料序列进行了分析.结果表明,北京日平均气温和降水量均可划分为多个标度不变区域.在特定的标度域内,它们都表现出正长程相关的性质,为制作这些量的短期气候预测提供了理论基础.     

北京城区相继多次降雹的一次强雷暴的闪电特征

受东北冷涡和低层暖湿气流影响,2016年6月10日北京午后爆发了相继5次降冰雹的一次强雷暴天气过程。利用国家“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（雷暴973）”2016年夏季协同观测期间获得的闪电全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了此次雹暴的闪电活动和雷达回波特征。此次雹暴过程包括三个孤立的单体相继发展、并合,所分析的4次降雹过程中,总闪电频数在降雹期间都有明显增多,最高可达179 flashes min?1。云闪占全部闪电的80%以上,其中3次降雹前出现正地闪突增,其比例升高,占全部地闪的比例最高达58%。降雹时雷达回波>45 dBZ的面积增大,顶高超过13 km。整个雹暴过程,闪电辐射源主要分布在6～10 km的高度区域,与强回波具有一致性。所分析的4次降雹过程均出现明显的总闪频数跃增,并通过2σ阈值检验,其中3次提前时间为8～18 min,说明总闪频数对于降雹过程有一定的预警能力。     

Teleconnections of inter-annual streamflow fluctuation in Slovakia with Arctic Oscillation,North Atlantic Oscillation,Southern Oscillation,and Quasi-Biennial Oscillation phenomena

The aim of the paper is to analyze a possible teleconnection of Quasi-Biennial Oscillation （QBO）, Southern Oscillation （SO）, North Atlantic Oscillation （NAO）, and Arctic Oscillation （AO） phenomena with longterm streamflow fluctuation of the Bela River （1895-2004） and Cierny Hron River （1931-2004） （central Slovakia）. Homogeneity, long-term trends, as well as inter-annual dry and wet cycles were analyzed for the entire 1895-2004 time series of the Bela River and for the 1931-2004 time series of the Cierny Hron River. Inter-annual fluctuation of the wet and dry periods was identified using spectral analysis. The most significant period is that of 3.6 years. Other significant periods are those of 2.35 years, 13.5 years, and 21 years. Since these periods were found in other rivers of the world, as well as in SO, NAO, and AO phenomena, they can be considered as relating to the general regularity of the Earth.     

温泉雷暴天气统计分析

通过对1980—2005年温泉气象站雷暴天气现象的统计分析,指出了当地雷暴的时空分布特征及其主要移动路径,为夏季人工防雹工作提供参考资料。     

2011—2019年中国长江三角洲区域闪电时空分布特征

利用2011—2019年江苏、浙江和安徽27个探测站ADTD闪电监测定位系统获取的资料,对中国长江三角洲三省一市(上海、江苏、浙江、安徽)一体化协同发展区域云地闪的发生频次、强度进行统计,运用EOF方法分析闪电频次的空间分布特征.结果表明:中国长江三角洲区域负闪数均占总闪数的95％以上,正闪平均强度均大于负闪平均强度绝...     

Climatic trends in the Amazonian area of Ecuador: Classical and multifractal analyses

The climate evolution and change in the Amazonian area is very important at least at a continental scale involving Latin America where more than 550 million people live. The objective of the present study was to investigate, from an environmental perspective, the climatic trends in the Amazonian area of continental Ecuador. We performed both classical and multifractal analyses of these trends on four climatic variables (maximum and minimum temperature, evaporation and evaporation/precipitation ratio). Data were collected from Puyo meteorological station, Pastaza Province, Ecuador. Data sets covered 31 years (from January 1974 to September 2005). Each time series consisted of 380 months.Piecewise regression analyses with breaking point showed two regimes with a cutoff ranging from t = 80 months (maximum and minimum temperature) to t = 133 months for the evaporation pattern (determination coefficient ≥ 0.979) while the multifractal analyses showed an increasing complexity within each climatic variable. All the considered climatic variables showed an increase since 1974 to approximately 1985. After that some type of smoother increase was observed.     

基于X波段双偏振雷达对雷暴单体中水成物粒子演变特征的研究

为了解雷暴单体内部水成物粒子分布结构及演变过程,综合X波段双线偏振天气雷达的参量及环境温度参数,结合小波去噪和自适应约束算法进行资料预处理后,基于模糊逻辑算法对北京一个结构演变相对完整的典型雷暴单体内水成物粒子分布随时间演变特征进行系统的分析,得到如下结果:（1）按雷暴单体的宏观特征将其演变过程分为发展、成熟和消散阶段。三个阶段中单体平均高度分别为11、12、10 km;回波强度最大可达40~45 dBZ、大于50 dBZ和40~45 dBZ;霰粒子占各自阶段单体内所有粒子百分比分别为2%、12%和1%。（2）各阶段主要微物理过程及演变特征是:发展阶段,单体0℃层以下由暖云过程主导,毛毛雨占5%,雨滴占24%;少量液态粒子上升至0℃层以上与冰晶反应生成1%干霰,冷云过程较弱。成熟阶段,相较发展阶段0℃层以下毛毛雨减少约2个百分点,雨滴增多约2个百分点,粒子碰并加强,暖云过程增强;较多液态粒子上升至0℃层以上,约有4%的雨滴与5%的冰晶通过凇附作用生成7%的霰,冷云过程增强。消散阶段,下层液态粒子难以上升至0℃层以上形成初始冰晶,使暖云及冷云过程都减弱,0℃层以下毛毛雨相较成熟阶段平均增多约1个百分点,粒子碰并减弱;0℃层以上冰晶消耗减少2个百分点,霰生成减少5个百分点。（3）基于雷暴单体内各类水成物粒子分布、演变及其动力场背景特征建立了雷暴单体演变过程微物理模型。本文研究有助于加深对典型雷暴单体内部水成物粒子分布和微物理过程的认识,可以为雷暴天气的预警和预报提供必要的指导。     

Analysis of thunderstorm and lightning activity associated with sprites observed during the EuroSprite campaigns: Two case studies

During the summers of 2003 to 2006 sprites were observed over thunderstorms in France by cameras on mountain tops in Southern France. The observations were part of a larger coordinated effort, the EuroSprite campaigns, with data collected simultaneously from other sources including the French radar network for precipitation structure, Meteosat with images of cloud top temperature and the Météorage network for detection of cloud-to-ground (CG) flash activity. In this paper two storms are analyzed, each producing 27 sprite events. Both storms were identified as Mesoscale Convective Systems (MCS) with a trailing stratiform configuration (ST) and reaching a maximum cloud area of ~ 120,000 km². Most of the sprites were produced while the stratiform area was clearly developed and during periods of substantial increase of rainfall in regions with radar reflectivity between 30 and 40 dBZ. The sprite-producing periods followed a maximum in the CG lightning activity and were characterized by a low CG flash rate with a high proportion of + CG flashes, typically around 50%. All sprites were associated with + CGs except one which was observed after a − CG as detected by the Météorage network. This − CG was estimated to have − 800 C km charge moment change. The peak current of sprite-producing + CG (SP + CG) flashes was twice the average value of + CGs and close to 60 kA with little variation between the periods of sprite activity. The SP + CG flashes were further characterized by short time intervals before a subsequent CG flash (median value < 0.5 s) and with clusters of several CG flashes which suggest that SP + CG flashes often are part of multi-CG flash processes. One case of a lightning process associated with a sprite consisted of 7 CG flashes.