闪电先导三维自持发展模式的建立

为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用,该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时,进行自持发展模拟,计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中,其速度呈逐渐增加趋势,临近最后一跳发生前,上行正先导速度增加明显,整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级,电流强度随时间也具有逐渐增加趋势,该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。     

Analysis of lightning-induced forest fires in Austria

Besides human-caused fires, lightning is the major reason for forest fire ignition in Austria. In order to analyse the causes of ignition and to characterise lightning-induced forest fires, fire records were compared with the real appearance of lightning events by using the Austrian Lightning Detection and Information System for the period from 1993 to 2010. A probability was estimated for each forest fire being caused by lightning by using a decision tree and decision matrices based on flash characteristics (e.g. amplitude, time, location). It could be shown that 15 % of documented forest fires were lightning-caused. Nearly all lightning-caused fires were found during the summer months, whereas almost 40 % of all fires occurring from June to August were naturally caused. Most lightning-caused fires took place in the south and east of Austria. Lightning fires were more frequent at higher altitudes and primarily affected conifer forests. The median burned area was lower than that for anthropogenic forest fires.     

中高层（60-120km）大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。     

人工触发闪电与降雨倾泻

根据人工触发阀电后雨量猛增的观测事实，利用一个简单的静电模式计算了闪道附近雨滴的重力碰并增长，结果指出，闪电后降雨猛增必须满足一定的条件，除了要求较高的离子浓度（〉１０＾１４／ｍ＾３）外，还取决于闪电所引起的电场变化和闪电被触发后闪道附近环境电场强度的特性。     

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。     

基于大气电场的雷电监测预警方法

利用大气电场强度数据设计了一种雷电监测预警方法,并对江西省南昌县2020年8月的一次雷电过程进行预测。首先对大气电场仪采集的电场数据进行去噪处理和缺失填补,然后利用经验模态分解法分解大气电场数据,得到大气电场数据的幅值和频率的分布特征,运用多元回归模型构建雷电预警模型,预测未来一段时间内的大气电场强度值。参考大气电场强度等级划分表,开展雷电监测预警。结果表明,运用模型预测的大气电场强度结果与实况之间的可决系数均在0.9以上,即大气电场强度预测结果与实况较为接近,该监测预警方法具有一定的可行性。     

独立接闪杆闪击次生的负面效应及减负方法

由于设置在建筑物天面或者建筑物附近的独立接闪杆在引雷入地过程中将产生瞬态高电位,电磁感应经传导、耦合可能致损电气或电子设备,造成跨步电压可能危害路经行人。根据电磁场理论、借鉴建筑物引下线分流技术等,给出跨步电压的计算公式和安全门限、为了降低独立接闪杆负面效应,提出了在独立接闪杆空心钢管内使用多股阻燃铜缆的多路分流技术,并在文物防雷工程中实施应用。     

Continuing current in multiple channel cloud-to-ground lightning

In this study we analyze the effects of continuing current initiated by strokes following a new channel to ground in multiple stroke flashes using high-speed video records, electric field measurements from a fast antenna and lightning detection network data. We observed that the long continuing current initiated by a stroke that follows a new channel also obeys the pattern in the initiation of long continuing current suggested by Rakov and Uman [Rakov, V.A., Uman, M.A., 2003. Lightning: Physics and Effects, 687pp., Cambridge Univ. Press, New York.]. We also verify that the statement of Rakov and Uman [Rakov, V.A. and Uman, M.A., 1990. Some properties of negative cloud-to-ground lightning flashes versus stroke order, Journal of Geophysical Research. 95, 5447–5453.] reporting that: “...strokes initiating long continuing currents tend to have lower initial electric field peak than regular strokes” is valid for strokes that create a new channel to ground and are followed by long continuing current (CC). Apparently the reduction of peak current value (I_p) when the stroke is followed by a long CC is stronger than the I_p increase that is commonly observed when strokes follow a new channel. We also find that the “exclusion zone” proposed by Saba et al. [Saba, M.M.F., Pinto, O. Jr., Ballarotti, M.G., 2006a. Relation between lightning return stroke peak current and following continuing current, Geophysical Research Letters 33, L23807, doi:10.1029/2006GL027455.] is valid for new channels initiating CC, and finally we verify that a number of strokes in the same channel larger than four or the existence of a long CC current do not always consolidate the channel in a multiple stroke flash.     

利于上行负地闪始发的电荷区参数数值模拟

在经典偶极性电荷结构下,结合已有的闪电放电参数化方案及中国气象局雷电野外科学试验基地的广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)观测分析结果,不断调整主负电荷区参数进行二维高分辨率闪电模拟试验,讨论自持型上行负地闪与云中闪电之间的相互竞争关系以及有利于自持型上行负地闪始发的云中电荷结构。数值模拟结果表明:自持型上行负地闪始发与电荷结构存在一定关系,在主负电荷区越高的情况下,始发自持型上行负地闪需要的主负区电荷密度与电荷分布范围越大。对于不同类型的闪电始发条件,推测存在自持型上行负地闪始发的主负电荷区高度阈值,当主负电荷区高度高于该值时,随着主负区电荷量的不断累积,会始发起始于云中的闪电而不是自持型上行负地闪,当主负电荷区高度低于该值时,电荷的不断积累会导致自持型上行负地闪始发。     

空中触发闪电的下行先导及其接地行为

１９９６年夏季在江西南昌附进行的人工触发闪电野外实验中,用新开发的不接地的火箭－导线技术成功地在雷暴云下的负环境电场中触发了云对地产偿电。我们用一套成像率为１０００幅／秒的高速数字化摄像系统对下行负先导进行了观测。     

传输线模式与地闪回击电流速度

本文通过分析闪电通道中电离气体的宏观特性，提出闪电回击通道中电流的传输速度近似地等于光速的观点。认为回击锋面只是电流通过后被加速离子间的碰撞所引起的发光及电子雪崩区域的前沿，用光学方法测量的回击速度是其前沿的推进速度。由此出发，并考虑到镜像法的局限性，对闪电回击模式进行了某些改进。由新模型所计算的电场波形及峰值更接近于实际测量结果；其高频段的近似公式可以很好说明Fieux（1978），Djebari（1981）在法国及Weidman（1986）在美国所进行的人工触发闪电实验中测到的电场峰值与电流峰值的关系。     

CMA_FEBLS低频三维全闪探测技术研究及观测10年进展

三维全闪探测已经成为了深入认识闪电物理机制和雷暴电活动规律的重要手段.中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA FEBLS)自主研发了低频电场探测阵列(LFEDA),并持续开展了针对广东地区雷暴全闪电活动的综合观测试验,在精细化三维定位算法和基于三维全闪数据的闪电放电过程研究方面取得了若干研究结果.(1) LFEDA具备...     

Analysis of Channel Luminosity Characteristics in Rocket-Triggered Lightning

A comparison is made of the high-speed （2000 fps） lightning between two techniques. The analysis shows （UPL） in altitude-triggered negative lightning （ATNL） photographic records in rocket-triggered negative that： the initial speed of upward positive leader is about one order of magnitude less than that in classically triggered negative lightning （CTNL）, while the triggering height of ATNL is higher than that of CTNL; the afterglow time of metal-vaporized part of the lightning channel can endure for about 160-170 ms, thus the luminosity of the air-ionized part can reflect the characteristics of the current in the lightning channel better than that of the metal-vaporized part. According to the different characteristics of the luminosity change of the lightning channel, together with the observation of the electric field changes, three kinds of processes after return-stroke （RS） can be distinguished： the continuous decaying type without M component, the isolated type and the continuing type with M component, corresponding to different wave shapes of the continuous current. The geometric mean of the interval of RS with M component is 77 ms, longer than that （37 ms） of RS without M component. And the initial continuous current （ICC） with M component also has a longer duration compared to the ICC without M component. The distinction in the relative luminosity between the lightning channel before RS and that before M component is obvious： the former is very weak or even cannot be observed, while the latter is still considerably luminous.     

平面标定法在闪电光学观测中的应用

针对闪电光学观测资料定量分析的需求,采用张正友平面标定法结合便携式平面靶标,实现了闪电外场试验中光学观测设备的现场标定,为消除光学系统成像畸变对闪电通道特征分析的影响提供了一种便捷的途径。使用此方法对广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)的6套闪电光学观测设备进行了标定,结果表明:光学观测设备搭载同类型镜头时,焦距越短图像的畸变越明显; 图像中视线与光轴的夹角越大,径向畸变的影响越明显,采用鱼眼镜头获得的闪电通道图像在靠近边缘的位置畸变的影响会超过25%;通过对配备焦距为8 mm鱼眼镜头的单反相机以及配备焦距为8 mm广角镜头的高速摄像机同时获取的闪电光学同步资料进行畸变校正后,发现获取的图像畸变校正前后闪电通道总体长度差异分别为12.9%和4.5%;经过畸变校正后不同设备获取的闪电通道图像比原图拥有更好的一致性。      

火箭触发闪电通道的亮度特征分析

利用成像速率为2000幅/s的高速摄像资料,对采用不同触发方式的两次负极性闪电进行了对比分析,结果表明:空中触发方式的上行正先导的起始速度比经典触发方式的低一个量级左右,而前者的触发高度要比后者的高;闪电通道中金属导线汽化部分的余晖时间可达160—170 ms,相对来说,空气离化部分的亮度信息更能真实体现闪电通道中的电流特性。依据闪电通道亮度变化特性的差异,并结合电场变化的观测,可以将回击之后的过程分为3种类型,没有M分量的为连续衰减型,有M分量的可分为独立型和延续型两种,能够与不同类型的延续电流波形相对应。总体上看,有M分量的回击间隔比没有M分量的要长,几何平均值分别为77 ms和37 ms,有M分量的初始连续电流也会比没有M分量的持续更长的时间。回击和M分量发生前闪电通道的相对亮度存在明显的差异,回击前闪电通道的相对亮度很弱,甚至观测不到任何发光现象,而M分量发生前闪电通道仍有较强的发光。     

分形闪电通道模型的建立及其电磁辐射特征

基于高速摄像系统获取的自然闪电通道形状,利用分形方法构建了分形闪电通道模型,分析计算了闪电通道的弯曲对地面附近不同方位、不同距离处回击电磁场的影响。结果表明,在100m到10km的近距离范围,不同方位的回击垂直电场峰值之比为0．8～2．3;而当距离增加时,这种差别逐渐消失。但无论距离远近,地面水平磁场随方位角都存在较明显的差异,不同方位的回击磁场峰值差异达到2～4倍。与假定通道笔直的回击模型相比,分形闪电通道模型能很好地再现回击过程电磁辐射的高频分量和次峰等细微现象。     

放电后电荷重置对雷暴云电荷结构及闪电行为的影响

为探究放电后电荷重置对雷暴云电过程的影响,在已有的三维雷暴云起、放电模式中分别加入两种不同的电荷重置方案:一种是植入法即放电后闪电通道上的感应电荷与原空间电荷叠加(简称ZR方案);另一种是中和法即放电后直接按一定比例降低闪电通道处的空间电荷浓度(简称ZH方案)。利用长春一次探空个例进行敏感性试验,发现放电后重置方式的不同会导致闪电特征存在明显差异:1)ZR方案下的云闪发生率比ZH方案下的云闪发生率少。闪电放电后ZR方案在云中植入异极性电荷,对雷暴云中电荷的中和量比ZH方案多,摧毁云中电场的能力更强;2)ZR方案下的正、负地闪发生率均比ZH方案多。相对于ZH方案,ZR方案中主正电荷区的分布范围大于主负电荷区,导致其出现了更多的正地闪;ZR方案中的云顶屏蔽层与主正电荷区的混合程度高,混合时间长,导致ZR方案在主正电荷区与主负电荷区之间触发了更多的负地闪;3)ZR方案下的闪电通道长度比ZH方案下的闪电通道长度短。ZR方案在云中植入异极性电荷,导致云中难以形成大范围同极性电荷堆,闪电通道传播局限在一对较小的异极性电荷堆内,而ZH方案不改变云中电荷分布,存在大范围同极性电荷堆,闪电通道传播范围较大。     

成都地区一次雷暴过程地面电场演变特征

本文根据2010年9月17日成都地区一次强雷暴过程中大气电场仪和闪电定位资料,分析雷暴起始、发展、消亡阶段地面电场演变特征,通过对比地闪监测网资料发现地面电场仪能够准确反映闪电活动规律。将地面电场仪与闪电定位资料相结合,可大大提高雷电预警的准确性,同时实现面向重点区域的雷电短临预警,该预警模式具有时效性高、准确率高等特点,同时也能够有效弥补现有雷电预警方法的不足。同时为四川省强对流天气系统的演变和分类检测和临近预报提供参考。      

Interaction between adjacent lightning discharges in clouds

Using a 3D lightning radiation source locating system (LLS), three pairs of associated lightning discharges (two or more adjacent lightning discharges following an arbitrary rule that their space-gap was less than 10 km and their time-gap was less than 800 ms) were observed, and the interaction between associated lightning discharges was analyzed. All these three pairs of associated lightning discharges were found to involve three or more charge regions (the ground was considered as a special charge region). Moreover, at least one charge region involved two lightning discharges per pair of associated lightning discharges. Identified from electric field changes, the subsequent lightning discharges were suppressed by the prior lightning discharges. However, it is possible that the prior lightning discharge provided a remaining discharge channel to facilitate the subsequent lightning discharge. The third case provided evidence of this possibility. Together, the results suggested that, if the charges in the main negative charge region can be consumed using artificial lightning above the main negative charge regions, lightning accidents on the ground could be greatly reduced, on the condition that the height of the main negative charge region and the charge intensity of the lower positive charge region are suitable.     

一次中尺度对流系统的电场演变特征

综合雷达、卫星、电场、闪电定位仪等资料,分析了2009年6月5日经过南京地区的中尺度对流系统(MCS)的地闪、电场演变过程及特征。本次过程中,MCS的发展阶段正地闪占主导地位,成熟阶段负地闪占主要地位,消亡阶段层状云区的正地闪相对较频繁。将该过程电场划分为4个阶段,重点对MCS对流区的电场进行了演变过程和特征分析,并用准正态分布模式模拟了MCS的对流区电场。结果表明,准正态分布模式能够更细微地反映电场变化,模拟得到的电场和实际观测相符。