云闪测向定位算法

基于多站测向交叉算法,提出云闪侧向定位算法。根据各站仰角、方位角信息求解出各组闪电位置,由最大值和最小值约束条件剔除粗差较大的解后,引入加权运算得到较为准确的定位信息,再利用高斯牛顿迭代算法得到精准的云闪位置信息,从而实现云闪的三维定位。通过蒙特卡罗模拟方法,对算法进行评估,详细分析了站网多种因素对定位结果的影响。研究表明:该算法提高了定位精度,测向误差为1°时,4站站网误差低于500 m,站点越多定位精度越高,但综合考虑4站、5站站网为优,测向精度提高时,定位精度也随之提高;站网呈均匀布站方式优于T型等布站方式,均匀布站在实际中更具实用性。     

北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

北京闪电综合探测网(Beijing Lightning NETwork, 简称BLNET)由10个观测站组成, 每个子站主要由闪电快、慢电场变化测量仪(也称快、慢天线)和闪电甚高频(VHF)辐射探测仪构成, 实现了对闪电的多频段的综合观测。本文首先详细介绍了BLNET的网络构成, 然后利用蒙特卡罗法对网络的定位误差进行了理论分析, 模拟结果表明网络内部水平定位误差小于200 m, 网络外部100 km处水平定位误差小于3 km, 最后利用Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相结合的方法, 对发生在2013年7月7日的一次雷暴过程分别进行了地闪和云闪定位, 将定位结果和对应时次的雷达回波进行比较, 发现地闪和云闪都出现在大于30 dBZ的雷达回波区, 表明了探测网络和定位方法的可靠性。     

短基线时间差闪电辐射源探测系统和初步定位结果

介绍了一种新型的闪电探测设备———短基线时间差法辐射源定位系统,并选取2002年夏季野外观测实验中的辐射源定位结果,结合电场变化特征分别对两次地闪和云闪进行了分析。结果表明,该系统对地闪先导过程和云闪产生的辐射源能够较好地定位。定位结果的个例分析证实,观测地区的两次云闪放电过程都由起始于云下部负电荷区的负极性击穿引发,然后向上发展到上部正电荷区,通道的发展速度约为1.29×105m·s-1,地闪梯级先导的传播速度约为1.73×105m·s-1。     

云闪放电通道发展及其辐射特征

利用闪电宽带干涉仪系统,对中国南方(广东)地区云闪时空演变特征、辐射及其相应电场变化特征进行分析研究。根据云闪电场变化波形,云闪放电过程可划分成活跃阶段和最后阶段,辐射源定位结果表明,云闪放电起始于向上发展的负击穿过程,通道向上发展的速度约为3～3.3×105m·s-1。云闪放电的主通道在活跃阶段形成,该期间辐射源随时间演变和相应电场变化表明,云内电荷结构具有上正下负的偶极性电荷结构。云闪的最后阶段辐射源主要在早期形成的通道内出现,其辐射源活动特征与地闪的回击过程比较相似;云闪辐射能量主要集中在2～3MHz以下的低频段,且辐射强度随频率增加迅速减弱。     

福建省前汛期暴雨天气雷电特征的个例分析

利用福建省中尺度灾害性天气预警系统（简称福建二级基地）的闪电定位站网、雷达和常规天气观测资料,对１９９７年５月５日至７日晨发生在闽东南沿海各县市一场特大暴雨天气过程的闪电特征及其与降雨的相互关系进行分析。结果表明：这次暴雨过程地闪和云闪总数超过５０００次,闪电密度极值超过１次／ｋｍ＾２,地闪次数超过云闪次数,负地闪占绝对优势,正云闪占２／３以上。暴雨区的闪电频数－时间曲线很好地反映了暴雨过程降水高     

基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析

2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在5—9月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为13—18时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在1~5 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。     

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

云南西双版纳地区闪电活动特征

应用2017—2018年云南省VLF/LF三维闪电定位数据和1987—2006年云南省人工雷暴日观测数据,运用数理统计、空间插值等方法分析"雷都"西双版纳闪电活动的时空分布特征,运用网格法将闪电定位数据转化为网格雷电活动日,研究人工观测雷暴日与闪电定位监测资料的相关性。结果表明:西双版纳地区雷电活动从3月就开始逐渐增多,峰值出现在7—8月。就闪电频次而言,云闪少于地闪、正闪少于负闪,正地闪明显多于云南省其他地区。11月闪电强度较大,但频次较少;7月闪电频次较多,但强度较小。云闪多发生在8 km以下,平均高度为4.914 km。地闪和云闪密度分布一致,北部高而南部和东西部低;云闪的强度明显高于地闪,但在空间分布上均是北部弱而南部和东西部强。人工观测雷暴日与网格雷电活动日的逐月分布特征较一致。研究还表明:西双版纳在云南省范围内是人工观测雷暴日最多区域,也是网格雷电活动日最多区域。     

闪电辐射场的宽带频谱测量及地闪首次回击放电参数的估算

我们用一台自制宽带电场接收机和四台窄带电场接收机对同一闪电的辐射场进行了测量,得到了从2kHz到80MHz频段内云闪和地闪的绝对振幅谱。云闪和地闪的谱峰值分别出现在4kHz到10kHz和20kHz到80kHz频段内。在10kHz到2.8MHz内,地闪的平均谱按1/f衰减,2.8MHz到80MHz内,按1/f~(1·4)衰减。在40kHz以上,云闪的平均谱按1/f~(1·4)衰减。40kHz以下,地闪是主要的辐射源,40kHz以上,云闪和地闪有几乎相等的辐射强度。50km距离上,地闪首次回击辐射电场峰值的平均值为15.16V/m,标准差为8.38V/m。1MHz以下,地闪首次回击辐射总能量为0.84×10~5J,标准差为1.57×10~5J。峰值功率为0.85×10~(10)W,标准差为0.98×10~(10)W。峰值电流为27.80kA,标准差为17.12kA。电流时间变化率峰值为109.30kA/μs,标准差为91.53 kA/μs。我们对观测到的一些特殊的闪电现象也做了初步解释。     

闪电起始过程时空特征的宽带干涉仪三维观测

闪电的起始位置和起始阶段发展速度是闪电研究中的重要问题。2010年夏季,使用架设在广州市从化区的两套甚高频 (VHF) 宽带干涉仪对闪电的起始阶段放电过程进行三维定位观测。对观测数据给出的地闪和云闪的起始高度分布特征以及起始阶段击穿过程的时空发展特征进行统计和对比分析,结果表明:闪电的起始高度分布呈双峰值特征,分别在5.0 km和8.8 km有两个明显的分布峰值,符合雷暴云三极性总体电荷结构的描述。对起始阶段闪电放电发展速度的计算表明,云闪和地闪在起始阶段的前15 ms内的平均发展速度均在104~105 m·s-1量级之间;多数云闪、地闪起始阶段前15 ms内的平均发展速度表现出减速趋势,但云闪个例中起始阶段前10 ms存在减速趋势的比例更高,且其中在前15 ms一直保持减速趋势个例所占比例也大于地闪。云闪和地闪的起始阶段放电过程的发展方向有向上、向下和水平发展3种情形,可用于指示闪电始发位置的环境电场方向。     

青藏高原云闪起始阶段放电特征分析

2003年夏季在青藏高原那曲地区进行了雷电综合观测试验,利用宽带干涉仪系统获取的闪电资料,根据辐射源定位结果和相应的电场变化对云闪放电起始阶段进行了分析,初步分析结果表明:雷暴过境时地面电场为正值的情况下,云闪放电多发生在中部负电荷区和下部正电荷区之间,上部正电荷区一般不参与放电。虽然不同的云闪会有不同的放电发展过程,但放电起始阶段具有相似的特征。云闪放电起始于中部负电荷区,在初始几十毫秒内,辐射源垂直向下发展,云内负流光向下发展速度约为1.14~1.72×105m/s。在下部正电荷区内,闪电通道可以垂直发展,也可以水平发展。且发生在正电荷区的放电过程比较复杂,正电荷区辐射点比负电荷区要多。     

云闪K过程的三维时空特征

K过程是闪电放电过程中的一种放电事件。该文使用两套VHF宽带干涉仪2010年夏季在广州从化地区获取的3次云闪三维闪电辐射源定位数据,分析其中的K过程时空发展特征与地面电场特征。结果表明:宽带干涉仪观测到的K过程主要由快速发展的负极性放电事件组成,按定位结果的分布可划分为3个阶段:负极性反冲先导发生在云闪起始区域下方,沿正先导一端已有路径向闪电起始区域传播;部分反冲先导能进入之前负先导建立的通道并快速发展;反冲先导将原有通道激活后进一步促进负先导继续发展。同时使用辐射源三维定位数据计算了8次反冲先导的平均发展速度,反冲先导的发展速度为106~107 m·s-1量级,与负地闪中的负极性直窜先导相似,但均小于回击速度。     

闪电的20MHz辐射与放电过程

利用一台窄带高频接收机对20MHz的闪电辐射场进行了测量，并利用一慢天线电场变化仪配合观测以区分对地放电中的各放电过程，得到了地闪各闪击过程及云闪的辐射强度和辐射时间。我们认为云闪的K变化、地闪中的第一次闪击是20MHz的最强辐射源，以后的闪击次之，并逐步减弱。     

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。     

一次特大暴雨过程三维和二维系统闪电特征对比分析

利用三维(ADTD-2C)和二维(ADTD)闪电定位系统资料, 对比分析了湖北省一次特大暴雨过程中两套系统闪电活动特征, 得出以下结论: (1)本次过程中地闪多于云闪, 二者均以负极性为主。(2)三维系统正地闪在地闪中的占比低于正云闪在云闪中的占比, 高于二维系统正地闪在地闪中的占比。(3)三维系统雷电流幅值集中分布在0~30 kA, 较二维系统(10~50 kA)更集中, 三维系统的雷电流累积概率较湖北省多年统计结果明显偏小, 二维系统的雷电流累积概率略高于统计值。(4)两套系统总地闪和负地闪活跃时段基本一致。(5)两套闪电定位系统地闪密集区基本一致, 且和云闪密集区基本重合, 闪电分布集中程度高, 主要分布在槽前正涡度平流区。三维系统地闪密度大于二维系统, 最大值分别为5.78 fl/(km2·d)和2.39 fl/(km2·d)。三维系统中正、负闪电交错分布, 二维系统中正、负地闪局部存在空间分离现象。(6)云闪密度大小与二维地闪相当、水平分布特征与三维地闪一致。垂直方向上, 云闪主要发生在10 km以下, 其中2~4 km云闪分布密集, 占总云闪的47.24%。      

北京及其周边地区闪电活动的时空特征

利用具有总闪观测能力的SAFIR3000在2005-2007年对北京及周边地区(天津、唐山、廊坊等)的观测资料,分析了该地区云闪和地闪时空分布特征.结果表明:云闪高发时段在15:00-次日00:00,峰值在19:00,高发月份在6-8月,峰值在7月;云闪空间分布高值区在北京东北部、天津北部、承德西南部一带,约为30次/(km2·a);云闪平均高度(海拔高度)日变化差异不大,季节变化夏季最高,冬季最低;高度在9～10 km的云闪最多,占云闪总次数的10.97％.地闪高发时段、月份、地闪高值区(密度约为5次/(km2·a))与云闪基本相似,不同之处在于云闪日分布多为单峰,而地闪为双峰,云闪高值时段开始与结束时间均比地闪早;云闪空间分布高值区密度约为地闪的6倍.3 a平均正闪占地闪总数百分比为16.44％,夏季该百分比较低,春秋季较高,其月际变化与正闪次数月际变化相反.总闪时空分布特征和云闪更为相似,总闪高值区分布和卫星探测得到的基本一致.     

三维闪电探测系统研制

"三维闪电探测系统研制"是国家科技部科研院所技术开发专项,其目标是开发完整的三维全闪(云闪、地闪、云内特殊放电事件)探测和定位系统.采用闪电VLF/LF和VHF辐射信号同步联合分析的方式,采用时差定位技术,利用闪电波形匹配、脉冲匹配、时域相关和频谱分析等方法,实现对闪电辐射事件的三维探测.2007年主要开展了以下3个方面的工作:     

北京一次大雹天气过程的闪电活动特征分析

由于受闪电监测系统限制,已有研究多局限于强对流天气的地闪(cloud-to-ground lightning,CG)活动特征。本文利用VLF/LF三维闪电监测定位资料,结合雷达观测等资料对北京地区一次典型大雹天气过程的全闪活动特征进行了分析。结果表明:降雹发生前,闪电活动主要分布在对流系统的后部,闪电数较少,且以负地闪活动为主;降雹期间,闪电频数显著增加,云闪(intracloud lightning,IC)及正地闪活动明显加强,该阶段闪电活动主要集中在对流系统强回波中心及其前部雷达反射率因子梯度较大的区域;降雹结束之后,强回波中心基本移出北京,北京范围内的闪电频数明显减少。正闪比例在降雹发生前逐渐增大,在降雹期间稳定维持在较大值,降雹结束后迅速减小;云闪比(云闪频数/总闪频数)表现为降雹发生前和降雹结束后逐渐增大趋势,在降雹期间基本维持稳定少变。闪电的电流强度主要集中在5—50 kA之间,20 kA以下的低雷电流强度的云闪和地闪多发生在降雹期间及降雹结束后,而20 kA以上的高雷电流强度的云闪和地闪在降雹发生前占有很大比例,小于5 kA的云闪在大雹发生期间所占比例明显高于地闪。降雹发生前及降雹结束后云闪发生高度在2-6 km,降雹期间有所抬升,约为2-8km。闪电频数峰值超前于降水峰值5-20 min。     

空间电荷分布特征对云闪传播行为的影响

在已有的随机放电参数化方案的基础上,建立了雷暴云电荷分布,并进行二维高分辨率闪电放电的模拟试验,定量探讨了雷暴云的空间电荷分布特征对云闪传播行为的影响,结果表明:(1)雷暴云顶部的屏蔽层电荷以及底部正电荷区会限制触发于雷暴云主正、负电荷区的云闪正、负先导的垂直传播范围,使云闪通道在一定垂直范围内传播,并最终趋向于沿水平方向传播;(2)电荷区的电荷密度或分布范围的增大都会导致云闪通道长度增大,但增大方式不同,电荷密度主要是通过增加高密度中心附近的通道分枝数,并且通道长度随电荷密度的增加呈非线性增大,分布范围则是通过扩展通道的水平传播范围,并且通道长度随分布范围的扩大呈线性增大;(3)电荷区电荷密度的增大会增加云闪通道的分枝数,尤其在高密度中心附近,最终使云闪通道的分形维数呈增大趋势,但基本上不会改变云闪通道的双层分枝结构,电荷区分布范围的扩大则不影响云闪通道的分形维数。     

雷暴电荷分布对正极性云闪放电特征影响的数值模拟

本研究将云闪随机放电参数化方案植入到偶极电荷结构中,固定主负电荷区的参数和位置,通过不断调整上部正电荷区的参数（电荷浓度和水平范围）和位置以此来模拟不同高度处起始的正极性云闪,进而探讨正云闪放电特征与雷暴电荷分布之间的关系。模拟结果表明在偶极电荷结构中,抬升上部正电荷区的高度,能够产生如观测所示的高海拔正云闪,不同于普通正云闪起始于向上传播的负先导及水平或稍向下延伸的正先导,高海拔处起始的正云闪以大范围向下传播的正先导及水平或轻微向上延伸的负先导为主要特征。随着上部正电荷区位置的抬升,正云闪起始高度也随之升高,当上部正电荷区抬升到一定高度后（本研究中当上部正电荷区下边界超过12 km）,云闪通常起始于主正电荷区内,且上部正电荷区的浓度以及水平半径对于云闪的起始高度没有显著影响。此外,云闪正、负先导通道的长度与电荷区的浓度、水平半径以及起始点和负、正电荷区之间的距离存在显著的正相关关系。