北京和广州地区云闪初始击穿电场变化特征

对比分析了北京和广州地区各100例云闪初始阶段前30 ms快电场变化波形上初始击穿脉冲的特征。依据脉冲的结构特征,两地区的云闪初始击穿脉冲可分为单极性单峰型、单极性多峰型、双极性单峰型和双极性多峰型脉冲,两地区均以单极性和单峰型脉冲为主。对脉冲参量特征的统计发现,脉冲的10%-90%上升时间、半峰值宽度地区差异性小于脉冲类型差异性;双极性单峰型脉冲的半峰值宽是单极性单峰型的1.2倍。不同类型脉冲过零时间的中值、平均值在10μs左右量级,且广州地区较北京地区的大;云闪初始击穿脉冲宽度平均值显著小于相同地区正地闪的,而脉冲间隔显著大于正地闪的。初始击穿脉冲最为集中的出现在云闪最初的1~2 ms,其比例随时间以显著的负指数分布下降。研究发现,双极性脉冲的过零时间与脉冲宽度之间、起始半周期峰值幅度与过冲幅度之间均存在较好的线性关系。     

正地闪和负地闪预击穿脉冲序列的统计分析与对比

2009～2010年夏季,在大兴安岭林区利用闪电快、慢电场变化测量仪组成的网络对自然闪电进行了多站同步观测。本文选取2010年夏季3次过境雷暴过程中具有4站以上同步的资料,同时对表现出明显预击穿过程的37次正地闪和56次负地闪的预击穿脉冲序列进行了统计分析。统计的主要参数包括：脉冲序列的总持续时间（Total Duration）,脉冲序列和首次回击之间的时间间隔（PB-RS Separation）,预击穿过程到首次回击的时间间隔（Pre-RS Interval）,单个脉冲持续时间（Individual Pulse Duration）,相邻脉冲时间间隔（Interpulse Interval）等。对于负地闪,相应参数的算术平均值为4.1 ms、55.4 ms、56.0 ms、8.8 μs和111.0 μs,几何平均值为3.7 ms、35.6 ms、36.5 ms、7.4 μs和98.2 μs;对于正地闪,相应参数的算术平均值为4.5 ms、75.6 ms、77.3 ms、11.5 μs和297.3 μs,几何平均值为3.0 ms、57.8 ms、60.0 ms、10.0 μs和217.9 μs。对比发现,正地闪预击穿脉冲序列相对负地闪预击穿脉冲序列持续时间更长,和首次回击的时间间隔更大,其单个脉冲更宽,在整个序列中排列更稀疏。计算了正、负地闪最大预击穿脉冲幅值和首次回击幅值的比值（PB/RS,PB代表最大预击穿脉冲幅值,RS代表首次回击幅值）,通过和其他研究结果的对比,发现负地闪有PB/RS随纬度增大而增大的趋势,而正地闪没有。另外,检验了首次回击前地闪电场波形与BIL模型（Breakdown Intermediate Leader, BIL）的符合情况,发现只有很小比例的电场波形符合BIL模型。     

正地闪和负地闪预击穿脉冲序列的统计分析与对比

2009~2010年夏季,在大兴安岭林区利用闪电快、慢电场变化测量仪组成的网络对自然闪电进行了多站同步观测。本文选取2010年夏季3次过境雷暴过程中具有4站以上同步的资料,同时对表现出明显预击穿过程的37次正地闪和56次负地闪的预击穿脉冲序列进行了统计分析。统计的主要参数包括:脉冲序列的总持续时间(Total Duration),脉冲序列和首次回击之间的时间间隔(PB-RS Separation),预击穿过程到首次回击的时间间隔(Pre-RS Interval),单个脉冲持续时间(Individual Pulse Duration),相邻脉冲时间间隔(Interpulse Interval)等。对于负地闪,相应参数的算术平均值为4.1 ms、55.4 ms、56.0 ms、8.8μs和111.0μs,几何平均值为3.7 ms、35.6ms、36.5 ms、7.4μs和98.2μs;对于正地闪,相应参数的算术平均值为4.5 ms、75.6 ms、77.3 ms、11.5μs和297.3μs,几何平均值为3.0 ms、57.8 ms、60.0 ms、10.0μs和217.9μs。对比发现,正地闪预击穿脉冲序列相对负地闪预击穿脉冲序列持续时间更长,和首次回击的时间间隔更大,其单个脉冲更宽,在整个序列中排列更稀疏。计算了正、负地闪最大预击穿脉冲幅值和首次回击幅值的比值(PB/RS,PB代表最大预击穿脉冲幅值,RS代表首次回击幅值),通过和其他研究结果的对比,发现负地闪有PB/RS随纬度增大而增大的趋势,而正地闪没有。另外,检验了首次回击前地闪电场波形与BIL模型(Breakdown Intermediate Leader,BIL)的符合情况,发现只有很小比例的电场波形符合BIL模型。     

闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型

利用2012年青海大通地区高精度闪电三维辐射源定位结果和宽带电场脉冲波形同步数据,基于3种改进的传输线模型和粒子群优化算法,拟合发生在不同距离上不同类型闪电初始预击穿过程的双极性脉冲波形结构,反演初始流光通道内电流波形和特征参数,对比分析3种模型对初始预击穿过程和梯级先导双极性脉冲波形的拟合效果,统计分析4类闪电初始预击穿脉冲的物理特征。结果表明:3种改进的传输线模型均能较好地拟合出双极性脉冲结构,且MTLE模型更合理。负地闪的初始预击穿过程和梯级先导过程呈现出相同的传输特征,即均以梯级形式发展,且拟合物理参量也较为接近。初始流光向上的路径长度大于初始流光向下的路径长度,初始流光向上击穿进入上部正电荷区的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩远大于初始流光向下的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩。     

闪电电场变化波形时域特征分析及放电类型识别

对闪电电场变化波形进行时域特征分析,研究闪电放电类型识别方法,是闪电探测系统研制工作的重要组成部分.利用闪电快电场变化资料,研究分析闪电波形的时域特征,分别统计负地闪回击和双极性窄脉冲波形的上升时间、下降时间、脉冲宽度等多个特征参数,得出负地闪回击波形上升时间平均值为2.9μs、下降时间平均值为89μs、脉冲宽度平均值为15.4μs,而双极性窄脉冲波形的上升时间平均值为1.7μs、下降时间平均值为2.1μs、脉冲宽度平均值为2.4μs.通过对闪电波形参数的统计分析,给出了不同放电过程的识别判据,实现了对地闪回击、双极性窄脉冲的自动识别,并利用实测数据进行了验证.结果表明,制定的波形识别判据对负地闪回击的识别效率可达到90%,对正地闪回击与双极性窄脉冲事件也有较高的识别率.     

0.1~40 MHz地闪、 云闪及NBE事件的辐射场频谱特征分析

利用宽带傅立叶分析法对2008年7月30日和8月4日两次雷暴过程中, 距离观测点5~20 km范围内的55次负地闪回击过程, 33次云内闪电过程以及20次双极性窄脉冲事件（NBE）的电磁辐射信号进行了观测分析, 得到地闪回击、 云闪放电初始阶段以及双极性窄脉冲事件在0.1~40 MHz频带宽度下的电磁辐射能量谱密度。结果表明, 这三类闪电放电过程的辐射频谱波形均呈现出随频率增加、 幅值减小的趋势, 但在辐射强度和衰减速率上存在一定的差异。负地闪回击幅频波形在6~28 MHz频段上衰减速率相对缓慢; 云闪初始阶段在全频带上始终遵循f-1.2~f-1.4之间的衰减率递减, 且其频谱幅值与地闪回击的辐射能量谱幅值相差不大; NBE事件在0.1~40 MHz频带中辐射能量谱幅值基本都明显大于其他两类闪电放电过程, 特别是在10 MHz以上的HF、 VHF频带上其差异可达到20 dB。     

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。     

闪电电磁辐射中的爆发式窄脉冲序列分析

分析了发生于闪电放电过程中一类特殊放电现象\_\_爆发式窄脉冲序列。结果表明, 在30 min内测得的69例闪电放电过程中, 全部存在此类爆发式窄脉冲序列。针对6例典型闪电中包含的190例爆发式窄脉冲序列进行了详细分析, 发现窄脉冲典型宽度约为1 μs, 典型脉冲间隔4~8 μs。根据脉冲时间间隔变化和极性转换将其划分为正常型、 反向型、 对称型和反转型。负地闪和云闪产生的爆发式窄脉冲序列特征无明显差别, 而正地闪中的爆发式窄脉冲序列极性反转较为频繁。分析认为, 不同类型的RBPs可能对应流光等击穿过程在不同极性小电荷区间行进的过程。     

地闪和云闪初始击穿VHF/VLF辐射特征观测和比较

分析了合肥地区负地闪和云闪初始击穿过程产生的VLF大双极性脉冲序列及其同步的VHF爆发特征。地闪初始击穿大脉冲序列极性通常与后面的回击极性相同，相邻大脉冲之间的平均间隔为160μs，大脉冲序列持续时间平均为2．2ms。云闪初始击穿的大双极性脉冲序列由正极性大脉冲开始，相邻脉冲间隔时间平均为1．3ms，平均持续时间为11．5ms，明显区别于地闪中的情况。显著的VHF爆发几乎在大双极性脉冲序列出现的同时启动，它与VLF大脉冲一起是初始击穿过程中一种最强烈的特征性事件，在合肥地区出现频率极高。地闪初始击穿期间VHF包络(观测系统带宽100kHz)呈现淮连续特征，而云闪初始击穿期间VHF包络则呈现分立特征，显示两者VHF辐射爆发的特征有所不同。初始击穿期间VLF大脉冲辐射与VHF爆发之间是相关的，但是二者强度之间不存在唯一的大小对应关系。同时分析了合肥地区地闪初始击穿大脉冲序列活动相对于地闪回击的一些特征，序列中最大脉冲幅度与随后的首次回击幅度之比平均为0．43，有94％的初始击穿在首次回击启动前40ms内出现第一个可以辨别的VLF脉冲(105例的平均结果是21．5ms)。     

一次多回击负地闪放电过程的甚高频辐射和传输特征分析

利用短基线时间差甚高频(VHF)辐射源定位系统对一次多回击负地闪放电过程进行详细研究发现, 负地闪的预击穿、梯级先导、直窜先导及回击后云内放电过程伴随有较强烈的VHF辐射。结合同步观测的闪电快、慢电场变化资料, 分析VHF辐射源时空发展特征发现, 预击穿阶段辐射源在云中的放电通道为双向发展, 平均速度均在104 m s-1量级, 预击穿下行分支直接转化为梯级先导, 并产生多个分支通道同时向地面发展, 先导平均速度在105 m s-1量级。继后回击之前先导过程均产生多个分支通道, 直窜先导平均速度在105～106 m s-1量级, 新开辟的梯级先导速度在105 m s-1量级。闪击间及地闪后期云内放电活动较为复杂, 主要表现为辐射源从闪电起始区域发展, 进一步延伸云内闪电通道。地闪后期多次负极性K变化过程(Kitagawa and Kobayashi, 1958)主要表现为负极性流光沿之前的正极性电离通道快速发展, 平均速度在106 m s-1量级。     

华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究

利用地面地闪定位资料、多普勒天气雷达和常规气象资料, 分析了一次具有前部对流线和后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。整个MCS生命史中负地闪占主导地位, 正地闪则表现不活跃。观测得到MCS消散阶段云闪与地闪的比例为2∶1, 地闪主要分布在地面相对位温和对流不稳定能量均达到高值的区域; 负地闪主要密集地分布在大于40 dBZ的回波范围内; 正地闪则稀疏地分布在30～40 dBZ的回波范围内。在低于-40℃的温度区域内地闪分布较多, 而密集的地闪分布在温度梯度大的区域内。结合单多普勒雷达的水平风场反演, 发现地闪集中出现在气流表现为气旋性切变或水平风呈现切变的区域。该区域与MCS的强回波区相对应, 并且地闪易发生在上升气流达到最大并开始出现下沉气流的阶段。     

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...     

一次飑线过程的闪电活动特征

结合地闪定位资料和TRMM卫星LIS观测的总闪电资料对一次飑线过程闪电活动进行分析,结果如下:这次飑线过程的正地闪超过了负地闪,占地闪的54.7%.在系统发展的初始阶段全部为正地闪;在系统的快速发展阶段地闪频数明显增大,正地闪比例很高,均在75%以上.在系统成熟至减弱阶段,地闪频数开始下降,而正地闪比例下降,负地闪的比例却越来越大,并占据支配地位.正地闪发生在线对流区(即强回波区内或附近),负地闪发生在层状云区.正地闪并不对应于主上升气流区而是紧邻上升气流区的后部.该雷暴云内闪电活动非常频繁,云地闪比例高达26.1:1.降雹和地面大风区位于正地闪密集区内,地闪频数峰值对应于地面大风阶段.     

Transient currents in the global electric circuit due to cloud-to-ground and intracloud lightning

Intracloud (IC) and cloud-to-ground (CG) lightning flashes produce transient changes in the electric field (E) above a thundercloud which drive transient currents in the global electric circuit (GEC). Using in-cloud and above-cloud E data from balloons, ground-based E data, and Lightning Mapping Array data, the above-cloud charge transfers due to lightning transients are estimated for five IC and five CG flashes from four thunderstorms that occurred above the mountains in New Mexico, USA, in 1999. For the five CG flashes (which transferred − 4 to − 13 C to the ground), the transient currents moved + 1 to + 5 C of charge upward from cloudtop toward the ionosphere, with an average transient charge transfer of about 35% of the charge transferred to ground. For the five IC flashes (which neutralized 6 to 21 C inside the cloud), the transient currents moved − 0.7 to − 3 C upward, with an average transient charge transfer of about 12% of the lightning charge. Estimates for three thunderstorms indicate that the transient currents made only a small GEC contribution compared to the quasi-stationary Wilson currents because of the offsetting effects of IC and CG flashes in these storms. However, storms with extreme characteristics, such as high flash rates or predominance of one flash type, may make a significant GEC contribution via lightning transients.     

低纬高原一次飑线过程的地闪演变特征分析

利用雷电定位资料、多普勒雷达资料和FY-2E红外卫星资料,分析了滇西南一次典型飑线过程的地闪变化特征。结果表明,这是一次由切变线云带内的对流单体与台风外围对流单体合并形成的典型飑线过程。在飑线发展初期,负地闪占主导地位,地闪频数在波动中缓慢增加;在飑线成熟阶段,地闪频数较高,负地闪频数达到最大峰值前10～15min,正地闪出现最大峰值;在飑线减弱阶段,地闪频数急速下降,正地闪所占比例急剧增加,当正地闪所占比例超过地闪总数的8%以上时,地闪活动开始呈减弱特征。负地闪主要发生在强对流区(>40dBz),对应着径向速度场上的辐合区,密集的正地闪发生在飑线成熟阶段,对应着辐合区附近>40dBz的强回波区域,稀疏的正地闪发生在强回波外围的云砧或稳定性降水部位。在飑线整个发展阶段,-10℃,-20℃层高度上雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频数的跳跃发展,且-10℃和-20℃层高度上雷达回波强度总在地闪频数变化之前6～30min。负地闪集中出现在-92～-90℃和-76～-74℃的云区,而正地闪集中发生在-90～-60℃的云区。     

Lightning and Doppler radar observations of a squall line system

A typical squall line with damaging wind and hailstones occurred on 28 April 2006 in Shandong Province, middle eastern China, and caused great economic loss. The characteristics of cloud-to-ground lightning (CG) in the squall line were studied in detail by combining the data from the ground-based CG location network, two Doppler radars and the Lightning Imaging Sensor on the TRMM satellite. Results show that positive CG flashes accounted for 54.7% of the total CG flashes. During the initial developing stage, the CG flash rate was lower than 0.5fl min^{− 1} and most of the CG flashes were positive. It increased significantly, up to 4.5fl min^{− 1}, along with the rapid development of the squall line, and the percentage of positive CG was more than 75% during this period. The CG flash rate began to decrease but the percentage of negative CG flash increased gradually and exceeded that of positive CG during the mature and dissipating stages. Positive CG flashes tended to occur on the right flank and negative ones on the left flank. Strong wind at the surface occurred in or near the regions with dense positive CG flashes. Almost all positive CG flashes occurred near the strong radar echo regions, in the front parts of the squall line. However, the negative CG flashes almost exclusively occurred in the regions with weak and uniform radar echoes. The total flash rate in the storm was very high, up to 136fl min^{− 1}, and its ratio of intracloud flashes (IC) to CG flashes was 35:1. Dense positive CG flashes corresponded to updraft regions, they did not occur in the core of the updraft, but just behind and close to the main updraft instead. The rear inflow jet, between 3 and 6 km, played an important role in the formation of the bow echo and very strong wind at surface. The CG distribution features in the squall line were obviously different from that of an ordinary MCS. The charge structure could be roughly described as an inverted charge structure.     

Evaluation of LPATS data using VHF interferometric observations of lightning flashes during the Eulinox experiment

During the Eulinox (European Lightning Nitrogen Oxides Project) campaign, two lightning sensors were available: a Lightning Position and Tracking System (LPATS), and the ONERA VHF interferometric (ITF) mapper. We looked for the typical VHF signature of positive and negative cloud-to-ground flashes in ITF records in order to separate intra-cloud (IC) flashes from cloud-to-ground (CG) flashes during five periods from 2 days. Then we used this set of data to check the efficiency of the South Germany LPATS. We concluded that this LPATS detected nearly all the negative CG flashes, but one-fourth of LPATS negative strokes are in fact IC flashes. The ratio of misinterpretation is much smaller (15%) for multi-stroke negative CG flashes. The LPATS recorded 62% of the positive strokes, but only 43% with the right polarity, and only 25% of LPATS positive strokes actually belonged to a positive CG flash. This reliability ratio is 100% if we consider only high-intensity LPATS strokes.     

中国内陆高原地区典型雷暴过程的地闪特征及电荷结构反演

利用2002年夏季在青海省大通县进行的雷暴及闪电综合观测实验中所获取的6站GPS同步闪电电场变化资料,对8月4日一次下部具有大范围正电荷区的典型性雷暴过程的雷电特征进行详细研究。利用点电荷模式对16次负地闪和2次正地闪所包含的共65次回击所中和电荷源进行的非线性最小二乘法拟合研究发现,负地闪所中和的负电荷距离地面的相对高度在3~5 km,而两次正地闪所中和的雷暴云电荷在5~6 km的高度,表明该雷暴云呈三极性电荷结构。负地闪单次回击所中和电荷量平均为1.48 C,而两次正地闪都为单次回击且中和的电荷量分别为1.37 C和2.68 C。     

一次具有对流合并现象的强飑线系统的闪电活动特征及其与动力场的关系

受东北冷涡与副热带高压西北部暖湿气流影响,2015年7月27日北京地区爆发了一次具有明显对流单体合并特征的强飑线灾害性强对流天气过程。利用北京闪电定位网（BLNet）总闪定位、多普勒雷达和探空资料等,详细分析了此次飑线过程整个生命史期间不同对流区的总闪活动特征。结果表明,整个飑线过程以云闪为主,地闪活动以负地闪为主;对流单体合并时云闪数量激增,飑线过程后期正地闪比例跃增。93%的闪电主要分布在距对流线10 km范围内,层云区闪电较少;层云区的闪电电荷来源主要是由对流区的电荷经过过渡区输送而来,正地闪更易发生在过渡区和层云区。对流合并过程中有大量的水汽集中,垂直积分液态含水量（VIL）峰值超前闪电峰值24 min。利用变分多普勒雷达分析系统（VDRAS）对这次过程的三维风场进了反演,据此对单体合并期间闪电增强的动力原因进行了研究。根据VDRAS反演的动力场来看,对流云单体合并主要发生在低层辐合区内,合并后上升运动加强,上升气流范围变大,闪电活动显著增强,并主要发生在具有较强垂直风切变的区域,少部分闪电发生在对流区后部开始出现下沉气流的区域。