近地面大气电场数据EMD方法分析

将经验模态分解(EMD)方法应用于2009年夏季近地面大气电场资料的分析,分解出雷暴和晴天天气大气电场的不同时间尺度变化分量,并提取两类天气状态下的大气电场振荡特征进行对比.结果表明:EMD方法适合应用于近地面大气电场资料的分析,雷暴天气大气电场以晴天天气大气电场作为背景场,包含了周期振荡平稳的晴天天气成分;晴天天气大气电场能量集中于长周期振荡分量,而雷暴电场能量主要是集中于短周期振荡分量.发生雷暴前,IMF(本征模态函数)1分量的中心频率会出现明显跳跃或其对应幅度明显增大的现象.利用这些特征对随机选出的38次过程进行预报效果检验,得到预警的探测概率为84.2％.     

长沙地区春、夏季大气电场特征

该文统计了2009—2010年长沙地区4套大气电场仪数据,通过对雷暴天气、稳定性降水天气、雾、霾天气下电场场强值变化的分析,可得到：①电场场强跳变极值的变化能很好反映雷暴活动,春、夏季大气电场雷电临近预警阈值设定不同;②长沙地区晴天大气平均电场夏季明显高于春季;③稳定性降水天气对大气电场有较明显的影响;④大雾或霾等其它气象条件下夏季平均电场也高于春季,气溶胶对场强值影响不大。     

三维雷暴云电耦合数值模式中空间电位的求解

将电路分析方法引入三维雷暴云动力—电耦合数值模式中,考虑了带电水成物粒子对电导率的影响,直接用模式计算求解与雷暴云中流动的带电粒子有关的电流密度。比较分析了雷暴云内首次放电出现之前电路分析法和泊松方程得到的电位和电场。结果表明,雷暴云内电导率普遍大于晴天大气,峰值位于各极性电荷区中心。与雷暴云中流动的带电粒子有关的电流密度的正、负最大值分别对应正、负电荷区中心,当电荷密度的绝对值不超过0.7nC.m-3时,其最大值的量级为10-9A.m-2,传导电流和位移电流最大值的量级均为10-8A.m-2,都为负,均在中部负电荷区中心。电路分析法得到的电位的垂直廓线与电荷结构的相互关系更明显,垂直电场的正、负最大值分别处于电荷密度最大的中部负电荷中心的上边缘和下边缘,与以往的观测结果更接近。     

基于X波段双线偏振天气雷达的雷暴云粒子识别

为了进一步认识雷暴云中影响起电的主要水成物类型,联合714XDP 天气雷达观测到的偏振参量（Z H 、Z DR 、K DP 和ρHV ）,在利用模糊逻辑方法的基础上引入温度（T）,对中国西北地区夏季雷暴云中的水成物类型进行识别,将水成物分为11种。参考 S 和 C 波段及少量的 X 波段偏振雷达的粒子识别研究,得到11种粒子对应的各偏振参量阈值。分析了2007年7月24日的一次观测过程几个时刻的偏振参量、地面电场、放电频数及识别结果,并与利用三维雷暴云动力电耦合数值模式模拟出来的粒子分布结果做了对比。结果表明,选取的偏振参量阈值基本合理,采用的模糊逻辑方法能有效、合理地识别出雷暴云内水成物的相态和分布,而且利用 K DP 可以大致判断云内电荷区。     

气溶胶对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟

将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。     

S波段双偏振多普勒天气雷达对一次局地强雷暴过程的探测分析

为提高双偏振天气雷达雷暴监测预警能力,探究雷暴活动过程雷达偏振信息特征及雷暴内部微物理过程,利用S波段双偏振多普勒天气雷达,结合地面大气电场仪和闪电定位系统资料对2015年8月31日发生在南京地区一次局地强雷暴过程进行了分析。主要利用体扫数据获得雷暴单体内部垂直剖面(Vertical Cross Section,VCS),同时结合模糊逻辑算法进行粒子类型识别,得到多个偏振参量和雷暴云内部粒子类型的垂直分布情况,进一步分析得到各偏振参量和粒子分布随闪电活动的演变规律。结果表明:在-15℃高度层以上冰晶区域出现K_(DP)的负值区与闪电活动具有很好的相关性;雷暴云中霰粒子的分布变化同闪电活动演变同步很好,在一定高度霰粒子的出现可以用来对雷暴进行预警;雷暴云中低层存在强烈的辐合上升区,利于霰和冰晶碰撞非感应起电和闪电的发生。     

中国内陆高原不同海拔地区雷暴电学特征成因的初步分析

通过分析中国内陆高原西藏那曲、 青海大通、 甘肃中川和平凉4个不同海拔高度地区雷暴的电学特征发现, 不同地区间雷暴电学特征有其共性, 但也存在一定的差异。根据过顶雷暴的地面电场演变特征, 内陆高原地区雷暴可以分为特殊型和常规型两类\.特殊型雷暴在当顶阶段地面电场呈正极性, 即雷暴下部存在范围较大的正电荷区（LPCC）, 且特殊型雷暴所占比例随海拔高度的增加有所增加; 常规型雷暴在当顶阶段地面电场为负极性, 与低海拔地区常规雷暴引起的地面电场类似。结合4个地区的地面气象要素以及探空资料的分析, 发现不同地区对应的部分热动力参量以及大气层结参数存在显著差异\.分析表明, 地气温差和暖云区厚度对雷暴云LPCC的强弱有显著的指示意义, 当地气温差越大、 暖云区厚度越薄时, 雷暴云LPCC的强度相对较大; 反之, 雷暴云LPCC的强度及范围都较小。数值模拟结果表明, 特殊型雷暴云内最大上升气流区存在的范围以及总比含水量大于常规型雷暴, 上升气流的强弱以及WCD的大小在很大程度上决定了云内水成物粒子的浓度。     

浅论大气电过程与天气气候

该文论述了大气电学在天气气候学研究中的渗透，并根据实测资料的对比分析、讨论了晴天大气电过程、雷暴和闪电与天气气候过程之间的相关性和可能的耦合机制。结果表明，区域和全球性雷暴活动是耦合机制的一个关键参量，闪电是直观量，能以参数化形式引入大气环流模式定量地讨论耦合机制；发展的全球电路概念有可能把太阳、大气和地层联结在一起进行整体研究。     

雷暴下金属尖端放电所致空间电荷层分布的数值计算

本文用一个二维时变轴对称模式,在地面金属尖端电晕放电条件下,数值计算了强雷暴下从地面至300米高度大气中电场和电荷密度的时空分布,讨论金属尖端放电对电场的抑制作用.结果指出:当初始电场为9000伏/米,气溶胶粒子浓度为10~(10)个/米~3时,电晕放电10秒后,电晕电流密度减小到初值的1/70,34秒达稳定值约为0.6×10~(-9)安/米~2,是初值的1/130.电荷密度不小于0.2×10~(-9)库/米~3的电荷层可垂直扩展到200米高度,径向扩展到80米以外.尖端高度以下有较高的电荷密度(约10~     

2009年石家庄地区大气气溶胶的飞机探测研究

利用2009年石家庄地区不同季节的3次机载粒子探测系统PMS(Particle Measurement System)的探测资料,结合地面天气形势、风场和探空资料对石家庄地区,晴空背景下大气气溶胶的统计特征、数浓度、平均粒径的垂直分布特征以及谱分布特征进行了分析。结果表明:晴天条件下气溶胶的数浓度随高度递减,粒径随高度变化不大;在数值上,4月16日气溶胶数浓度和粒径最大,其次是10月15日,最小的是6月10日,3次粒径变化幅度都不大;逆温层底层气溶胶明显积累,气溶胶浓度在1.5 km以下大气边界层内明显高于其他层次,逆温层的高度和厚度影响气溶胶的分布;3次不同季节晴天背景下石家庄地区气溶胶谱型基本一致呈单峰分布,小于0.3μm的细粒子对气溶胶的数浓度贡献最大。     

北京地区不同天气条件下近地面大气电场特征

利用2004年8月—2005年11月近地面大气电场仪的观测资料, 对北京地区不同天气条件下近地面大气电场特征进行分析。结果表明:北京地区晴天近地面大气电场日变化呈双峰双谷, 谷值分别出现在北京时05:00和12:00, 峰值分别出现在07:00和23:00, 并且表现出一定的季节变化; 晴天大气电场的变化与气溶胶含量的变化有密切关系, 两者呈正相关; 晴天大气电场与绝对湿度之间也表现出很强的相关性, 在一定程度上反应了水汽对大气电场的作用; 沙尘天气下风速均达到一定强度, 近地面大气电场为负值, 并且变化剧烈, 电场强度与PM₁₀之间呈现较强的负相关, 而电场强度与风速之间没有表现出明显的相关性。     

An Experimental Study on the Variation of Atmospheric Magnetic-Field Intensity Related to Dust,Haze, Rain,Snow, and Thunderstorms

Simultaneous measurements of the vertical magnetic field (VMF), three-dimensional electric field, ambient temperature, ambient relative humidity, particle mass concentration, and three-dimensional velocity are conducted during dust, haze, rain, snow, and thunderstorms. The hourly VMF variation (the rate of VMF increment and time increment with a 1-h time interval) is used to evaluate the disturbance level of the atmospheric magnetic field during the abovementioned weather conditions. There is no significant difference in the hourly VMF variations between hazy days and fair weather. However, the hourly VMF variations on dusty, rainy, snowy, and thunderstorm days differ from those in fair weather, implying that these weather conditions significantly affect the atmospheric magnetic field. On hazy days, although the haze particles are charged, the VMF does not change compared with in fair weather, which suggests that the horizontal electric field generated by haze particles is an irrotational field. On dusty and snowy days, the heterogeneity of the charge distribution forms a rotational horizontal electric field, which can induce the VMF to disturb the atmospheric magnetic field. During rain and thunderstorms, the hourly variation in the VMF is larger than in dust and snow, which can be attributed to the rotational horizontal electric field generated by raindrops and clouds. In addition, the hourly variation in the VMF in thunderstorms is one order of magnitude larger than that during days without thunderstorms, indicating that the VMF induced by the cumulonimbus cloud electric field is more significant than that in other weather conditions.

     

电场时序差分在雷电预警中的有效性分析

目前国内应用地面大气电场仪进行雷电预警一般使用阈值法,这一方法直接使用电场观测值的多重阈值来进行预警,在实际应用中容易出现误报和漏报的现象.本文通过对晴天大气电场和雷暴天气大气电场分析了大气电场时序差分的基本特征,并结合SAFIR3000闪电定位观测数据,对典型雷暴过程下的电场时序差分进行了深入分析.本文还选取了有雷暴发生和无雷暴发生的预警应用个例进行了分析,分析结果表明电场时序差分的应用能在一定程度上提高雷电预警的效率.     

Possible solar influence on atmospheric electric field

A physical hypothesis for the electrical coupling of the troposphere, ionosphere and magnetosphere has been proposed. It is shown that the vertical mass exchange takes place in the troposphere, ionosphere and magnetosphere by the gravity wave feedback mechanism through a chain of eddy systems. The vertical mass exchange gives rise to a vertical aerosol current which is responsible for the generation and mainte-nance of atmospheric electric field and also the variations in the H-component of the geomagnetic field. Any per-turbation in the troposphere would be transmitted to ionosphere and vice versa. A global perturbation in ionosphere, as the one caused by solar variability, is transmitted to troposphere influencing weather systems/geomagnetic/atmospheric electrification processes.The theory relating to the above physical mechanism is discussed. Also, results of analysis of at-mospheric electrical field data for Colaba, Bombay (8°53’ 56”N, 72° 48’ 54”E, 9.8 m ASL) and solar activity indices (Ap index, DST index and MSB crossing dates) for the 31 year period from 1936-1966 which provide statistical evidence for solar influence on atmospheric electrification processes are presented.     

A review of the relevance of the ‘CLOUD’ results and other recent observations to the possible effect of cosmic rays on the terrestrial climate

The problem of the contribution of cosmic rays to climate change is a continuing one and one of importance. In principle, at least, the recent results from the CLOUD project at CERN provide information about the role of ionizing particles in ’sensitizing’ atmospheric aerosols which might, later, give rise to cloud droplets. Our analysis shows that, although important in cloud physics the results do not lead to the conclusion that cosmic rays affect atmospheric clouds significantly, at least if H₂SO₄ is the dominant source of aerosols in the atmosphere. An analysis of the very recent studies of stratospheric aerosol changes following a giant solar energetic particles event shows a similar negligible effect. Recent measurements of the cosmic ray intensity show that a former decrease with time has been reversed. Thus, even if cosmic rays enhanced cloud production, there would be a small global cooling, not warming.     

On Eastern Asian Dust Storm

In this paper, the characteristics of eastern Asian dust storm are examined with emphasis on the satellite measurements of aerosol optical thickness. The reflectivity of solar radiation from the earth’s atmosphere depends on the optical thickness. The satellite measurement of radiance of sunlight, scattered by the earth and its atmosphere, is used to derive the properties of aerosol on oceanic surfaces. This paper involves the following: (1) investigation of the measurement of dust storm over the oceanic surface by GMS satellite; (2) investigation of the measurement of dust storm over the land surface by ground-based instruments such as actinometer, lidar, etc.; (3) for comparison, de-riving an atmospheric aerosol size distribution over the oceanic surface of calm weather through measurements of NOAA satellite; and (4) the weather process and its mass load of eastern Asian dust storm.     

晴天地表总辐射和净辐射瞬时值计算方法

以较为精确的大气辐射传输模式为基础,研制出晴天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方案。与以往的经验计算方法不同,该方案将辐射传输带模式的思路引入地面太阳辐射计算,并尽可能将大气中吸收和散射物质对太阳辐射的影响考虑进去,从而使该方法具有较好的精确性和普适性。在此基础上采用了Kokhanovsky等人提出的大气气溶胶反射率和透过率参数化方案,使得气溶胶对地面总辐射和净辐射的影响得到较好的处理。采用的自变量都是数值预报模式或卫星观测能提供的气象要素,因此该方案即可用于数值预报模式或陆面过程模式计算地表辐射平衡,又可以利用卫星观测或再分析资料估算地面太阳能资源分布。利用美国能源部三个大气辐射观测站点2005年全年的观测资料及欧洲宇航局提供的卫星反演气溶胶资料对计算方案进行了检验。结果表明,该方法十分精确,所有点的平均相对误差都小于6%,误差的均方差都小于0.3 W•m^-2。     

雷电过程中大气电场信号处理方法探究

基于天津市蓟州区大气电场探测数据和闪电定位数据，利用功率谱分析、小波降噪和快速傅里叶变换等信号处理方法，分析了雷电天气过程中地面大气电场变化特征。结果表明，雷电过程中大气电场能量主要集中在低频部分，利用sym5小波函数进行7层或8层分解，提取的低频信号能够反映大气电场的主要变化特征。在首次闪电发生前1小时，大气电场的频谱幅值起伏变化明显，且远高于非雷电天气电场频谱幅值。通过欧氏距离判别法，判断大气电场频谱特征更接近雷电天气还是非雷电天气，可为雷电预报预警提供参考。     

基于地面电场资料的雷暴临近预报研究

利用总体平均经验模态分解算法(EEMD),对南京地区2010—2011年6—8月近地面大气电场资料进行分析,研究了晴天、弱雷暴和强雷暴天气条件下大气电场的振荡特征。在单站电场仪观测范围内,以晴天大气为背景场,根据固有模态函数(IMF)方差最大值对应层数的动态特性,建立并验证了两种强度的雷暴临近预报模型。结果表明:弱雷暴发生前IMF方差最大值对应层数跳变幅度较平稳,而强雷暴跳变幅度逐渐加剧。对IMF方差最大值对应层数进行三次样条插值,可直观地表征雷暴发生发展过程,延长预报时间至1 h。利用这些特征对92个独立样本进行预报效果检验,预报的准确率为73.3%,虚警率为14.5%。