正地闪发展的时空结构特征与闪电双向先导

利用闪电VHF辐射源定位系统的观测资料, 对正地闪三维时空发展特征进行了分析, 结果表明正地闪过程大致可分为三个阶段, 在回击之前有较长的云内发展过程, 平均持续时间为370 ms, 传输速度为10⁵ m/s量级, 辐射强度与负地闪梯级先导辐射强度相当, 这一期间闪电是以负极性击穿过程在云中正电荷区发展, 通道沿水平方向延伸, 较少分叉;回击之后闪电在云内快速传输, 比回击前的发展速度快约2倍, 辐射点较少且比较弥散, 但辐射强度增强, 对应于连续电流过程, 并包含有多个正极性快脉冲;在闪电的最后阶段, 传输速度与回击前的传输速度相当, 辐射点主要集中在闪电通道的顶端. 与负地闪的时空发展特征存在明显的差异. 正地闪的辐射点均发生在云内正电荷区, 没有探测到回击之前的正先导过程所产生的辐射. 正地闪持续时间平均为730 ms, 持续时间在500~600 ms的闪电占总数的43%. 90%正地闪只有一次回击, 最多有4次回击, 回击电流峰值最大为70 kA, 最小为11.5 kA, 平均为36.5 kA, 大于40 kA的约有40%.     

东亚热带与副热带季风区对流降水和层云降水季节变化特征对比分析研究

利用10年TRMM卫星2A25资料,对东亚热带和副热带季风区对流降水和层云降水的季节变化特征进行了对比分析,研究了热带和副热带季风区降水性质的差异,并结合IPCC第4次报告中24个模式的20c3m模拟资料,对现有模式在东亚热带和副热带季风区关于对流降水及层云降水的模拟能力做了一个简单的评估,分析了模式中可能存在的问题.结果表明：夏季风爆发后,东亚热带与副热带季风区对流降水和层云降水都明显增加,但热带季风区对流降水所占比重明显减少,而副热带季风区对流降水所占比重明显增加,热带和副热带季风区存在明显不同;现有模式对东亚季风区对流降水百分比的模拟普遍偏高,而对层云降水的模拟偏少,这在热带季风区尤其明显;模式较好地模拟出了副热带季风区中对流降水百分比的季节变化特征,而对热带季风区对流降水百分比的季节变化没有正确描述;研究结果表明对流降水和层云降水在时间和空间上经常同时出现,具有很强的伴随性,而模式没有正确描述这种相关性,这可能是模式对层云降水百分比模拟不好的一个重要原因.     

西北太平洋地区强台风的闪电活动特征

利用全球闪电定位网(WWLLN)获取的闪电定位资料和中央气象台提供的台风定位资料, 分析了西北太平洋地区2005~2008年登陆我国的1个强台风和6个超强台风的闪电空间分布及其随时间的演变特征. 分析结果表明：西北太平洋地区强台风成熟时平均闪电密度呈现出明显的三圈结构：眼壁上存在一个明显的闪电弱密集带(20~80 km), 而距离台风中心80~200 km范围内闪电密度接近于零, >200 km的外雨带中闪电又逐渐增加. 外雨带中的闪电远远多于台风中心或者眼壁上发生的闪电, 台风中心发生的闪电所占比例小于总数的1%. 若把距台风中心100 km范围内的闪电定义为台风眼壁闪电, 则在台风中心最大风速急剧增大的阶段, 眼壁上的闪电爆发, 而在眼壁闪电爆发的几个小时后中心风速达到最大值, 有个别台风在台风最强期间的前半段眼壁闪电爆发, 这对台风强度的预报有一定的指示意义. 在台风减弱阶段, 中心闪电发生很少.     

基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation, LER)多点观测结果. 基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System, TEROS), 在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件, 结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料, 对3次事件的高能辐射特征进行研究. 分析发现: 3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到, 是典型的X射线暴, 且均具有MeV能量的单光子, 最大能量超过2.2 MeV; 伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs, 伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs, 主要与先导发展速度有关; 相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量, 随着接近回击时刻, 该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势, 表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素; 随到达强度降低, 高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变, 呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征, 更多乃至所有的爆发过程无法被探测到, 高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

     

青藏高原闪电活动的时空分布特征

利用卫星上携带的闪电探测仪所获取的8年闪电资料(1995～2002)对青藏高原闪电活动的时空分布以及高原季风期间闪电活动对地面热力学特征的响应进行了研究.结果表明,高原上的平均闪电密度为3fl·a-1·km-2,并在高原中部（32°N, 88°E）出现闪电密度峰值5.1fl·a-1·km-2.闪电活动主要发生在6～8月,并在6月下旬至7月中旬最为活跃.大部分地区的闪电活动日变化峰值出现在14:00～16:00 LT,在中西部的显著高山地区早于这一时刻,而在显著低海拔的塔里木和柴达木盆地晚于这一时刻.夏季季风期间高原上的闪电活动明显依赖于地表的热力学特征,并与地表鲍恩比和感热通量呈明显的线性正相关,相关系数分别为0.7和0.6,鲍恩比有可能作为调整闪电产生效率的量度.     

1997/1998ElNio期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料, 对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现, 在这一El Ni駉事件期间, 与NINO3区海表温度正距平升高的同时, 1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常, 并一直持续到次年春季结束, 各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%, 30%, 45%, 498%和55%, 其中冬季变化幅度最大; 正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区, 而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾. 与正常年份相比, 各季闪电密度正距平中心位置显著偏西, 特别是冬、春季同时偏北. 另外, 中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明, 正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关; 在三项中, 闪电密度的相对变化率最大, 闪电活动对El Ni駉事件的响应最灵敏. 但是, 黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Ni駉事件的响应情况更为复杂和多样化.     

1997/1998 El Niño期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料, 对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现, 在这一El Niño事件期间, 与NINO3区海表温度正距平升高的同时, 1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常, 并一直持续到次年春季结束, 各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%, 30%, 45%, 498%和55%, 其中冬季变化幅度最大; 正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区, 而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾. 与正常年份相比, 各季闪电密度正距平中心位置显著偏西, 特别是冬、春季同时偏北. 另外, 中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明, 正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关; 在三项中, 闪电密度的相对变化率最大, 闪电活动对El Niño事件的响应最灵敏. 但是, 黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Niño事件的响应情况更为复杂和多样化.     

北京地区闪电活动与气溶胶浓度的关系研究

基于2015—2017年北京闪电定位网（BLNET）总闪资料与35个自动空气质量监测站PM_2.5数据,分析了北京地区（39.5°N—41.0°N,115.0°E—117.5°E）夏季（6—8月）闪电活动与PM_2.5的时空分布特征,同时针对117次雷暴天气,探讨了气溶胶浓度变化对闪电活动的可能影响.结果表明：PM_2.5浓度及总闪密度均呈现自西北向东南升高的空间分布特征.闪电峰值在污染背景下出现的时间（19：00LT）晚于清洁背景下（15：00LT）约4 h,且总闪百分比（~20%）可达清洁背景下（~9%）的两倍.对雷暴前1~4 h的PM_2.5浓度与时间窗（12：00—22：00LT）内总闪数目的中位数进行相关分析,发现PM_2.5浓度低于130 μg·m^-3时,PM_2.5与总闪数存在明显正相关,此时气溶胶可能通过影响云微物理过程进而影响雷暴的对流发展,增强闪电活动;PM_2.5大于150 μg·m^-3时,总闪数随PM_2.5浓度的增加呈减少趋势,可能的原因是高气溶胶浓度下地面太阳辐射显著下降,对流活动受到抑制,导致闪电活动减少.当PM_2.5浓度在130~150 μg·m^-3时,两者关系不明显.

     

1997/1998 El Ni(n)o期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料,对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现,在这一El Nino事件期间,与NINO3区海表温度正距平升高的同时,1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常,并一直持续到次年春季结束,各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%,30%,45%,498%和55%,其中冬季变化幅度最大;正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区,而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾.与正常年份相比,各季闪电密度正距平中心位置显著偏西,特别是冬、春季同时偏北.另外,中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明,正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关;在三项中,闪电密度的相对变化率最大,闪电活动对ElNino事件的响应最灵敏.但是,黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Nino事件的响应情况更为复杂和多样化.     

基于Cloudsat探测的一次非典型东北冷涡结构及其降水

采用ERA-Interim气象分析资料、云顶亮温TBB资料、Cloudsat云雷达资料、降雨量资料等,对2009年6月10日至12日我国东北地区的一次冷涡天气过程进行研究,重现了该冷涡的精细三维结构和演变过程.分析表明冷涡发生前,东北亚地区处于南北双槽结构之间,随后北槽向赤道发展切断后形成东北冷涡.南槽背景的冷涡热力结构特殊,强冷空气集中在涡内西北象限,暖湿空气在东北象限,南部为相对中性空气,该配置导致北部暖锋强盛,西部冷锋仅在发展初期较强,冷涡过程没有经典挪威学派的气旋锢囚锋出现.冷涡发展初期,狭长冷舌快速入侵南下,冷舌前冷锋对流降水较强,冷舌后部左侧还有暖锋降水;冷涡发展后期,冷锋减弱,冷锋上的高层云停止降水,系统内主要为冷涡北部的暖锋雨层云降水;冷涡成熟后,中心辐合加强,有较强的对流性降水.     

卫星观测到的全球闪电活动及其地域差异

闪电活动在时间和空间尺度上都有很大的可变性. 本文利用热带降水测量计划（TRMM）卫星上携带的闪电探测系统获取的闪电定位资料首次对一些典型地区的闪电活动进行了对比分析. 研究发现不同地区的闪电活动无论在闪电频数或放电强度方面都有很大的差别，海洋上的闪电活动频数与陆地上的闪电活动频数可相差几十倍；不同地区闪电活动的多少不仅取决于该地雷暴日数的多少，更重要的还取决于该地每次雷暴过程闪电频数的多少；不同地区的闪电放电强度有随闪电频数增加而减小的趋势. 进一步研究还表明，不同地区闪电光辐射能的不同可以用对流最大不稳定能量（ECAPE）来解释，闪电放电强度与ECAPE之间存在非常好的线性正相关；而闪电活动频数对ECAPE的响应则与闪电光辐射能不同，二者之间没有发现明显的相关.     

地电阻率与地下水位,大气降水关系研究

用固定的地面对称四极装置进行的地电阻率观测,是测量地表以下一定深度范围内介质的电性变化。对于定点测量而言,横向不均匀性不是主要矛盾。因此,电测深资料的数值解释是以层状水平延伸介质为理论模型。在垂向不均匀的电性剖面中,任意一层真电阻率的改变,都会使视电...     

利用闪电宽带干涉仪系统对地闪先导-回击过程的观测研究

利用闪电宽带干涉仪系统1999年在广东的观测资料, 对地闪预击穿、梯级先导及回击过程进行分析研究, 结果表明: 这种新型的辐射源定位系统能够再现闪电通道结构和电磁辐射源随时间演变的二维图像(方位角和仰角). 闪电辐射主要由负击穿过程产生, 地闪预击穿阶段闪电通道比较集中, 几乎没有分杈, 辐射源主要出现在通道头部; 而梯级先导后期辐射源定位比较离散, 有较多的分叉通道, 辐射源出现在具有一定长度通道段内, 该通道段高度随着先导向地面的发展逐渐降低. 预击穿过程和梯级先导期间均有一些快速负流光过程连续地从闪电起始区域或更远的位置开始, 沿已形成的通道发展, 为闪电通道进一步向前发展补充电荷, 其速度比闪电通道发展的平均速度约快一个量级.     

利用无线电窄带干涉仪定位系统对地闪全过程的观测与研究

利用VHF无线电窄带干涉仪定位系统对一次包含有19次回击的地闪全过程产生的甚高频辐射源进行了定位研究,该系统基于双基线正交5天线阵列,采用直接高频放大检相,降低了采用变频电路时带来的系统误差,提高了整个系统的精度;系统采用交互式的图像分析程序来处理干涉仪本身存在的条纹模糊问题,以1μs的时间分辨率连续确定闪电辐射源发生的二维位置（仰角和方位角）,直观地再现了闪电放电随时空发生和发展的全过程．利用窄带干涉仪系统并结合同步观测的VHF辐射强度和快电场变化资料,对一次负极性地闪发生和发展的全过程研究发现,负地闪预击穿过程起始于负电荷区,先向下后向上发展;梯级先导辐射强且连续,且首次回击开始若干毫秒内辐射强度更大;直窜先导辐射相对离散且强度弱,由于通道电离程度的变化,梯级先导和直窜先导可以相互转化;初始梯级先导速度约为10^5m／s,直窜先导的平均速度约为4．1×10^6m／s,梯级一直窜先导的平均速度约为6．0×10^6m／s;M过程伴随有活跃的爆发式辐射,产生勾状电场变化,击穿发展最终沿着导电性良好的主放电通道迅速到地,其平均速度约为7×10^7m／s,大于直窜先导和梯级直窜先导平均速度;K变化和企图先导与先导本质上是一样的,只是没有到达地面而引发回击．     

不同电结构雷暴中的地闪特征

对观测资料的分析表明,甘肃地区和海南岛的地闪特征具有很大差异。海南岛负地闪（P型）首次回击前的电场变化波形与国外的报道类似,而甘肃地区仅有30％左右的负地闪属P型,约70％的负地闪首次回击前的电场变化波形具有明显的云闪特征（C型负地闪）。海南岛没有发现正地闪,甘肃地区有正地闪。该两地区存在两类电结构不同的雷暴,两类雷暴中地闪放电过程及特征的很大差异,说明我国的防雷规范及措施很可能需要考虑雷暴的地区差异性。     

风垂直切变对中尺度地形对流降水影响的研究

针对长江中下游中尺度地形特点以及暴雨过程发生发展期间风垂直切变的主要观测特征,设计了一系列中尺度地形的三维理想数值试验,分析了干大气地形流和重力波特征,探讨了条件不稳定湿大气地形对流降水的模态分布,在此基础上研究了圆形、直线风垂直切变和切变厚度对中尺度地形对流降水强度和模态分布的影响.结果发现:在 Fr≈1的干大气条件下,气流遇到地形后分支、绕流和爬升现象同时存在,地形激发的重力波在水平和垂直方向上传播,其在迎风坡、背风坡、地形上游和下游的振幅不同,并组织出不同强度的垂直上升运动.在Fr > 1的条件不稳定湿大气下,地形对流降水主要存在三种模态,即迎风坡和背风坡准静止对流降水以及地形下游移动性对流降水,地形对流降水的形成与重力波在低层组织的上升运动密切相关.风垂直切变对地形对流降水的强度和模态分布有重要作用,其中圆形风垂直切变(风随高度旋转)不仅影响地形下游对流降水系统的移动方向,而且影响迎风坡和背风坡山脚处对流降水中心的分布和强度;直线风垂直切变(风随高度无旋转)主要影响地形对流降水的移动速度和强度.风随高度自下而上顺(逆)时针旋转,地形对流系统向下游传播时向右(左)偏移.风垂直切变主要通过影响地形重力波的结构和传播以及对流系统的形成、移动方向和速度,来影响地形对流降水的模态分布,其中对流层中低层的风垂直切变对地形对流降水强度和模态分布有重要影响.     

区域闪电活动对地面相对湿度的响应

全球闪电活动表现出明显的地域差异,温度和湿度是造成这种差异的基本气象因素.本文利用美国全球水资源和气候中心提供的1995～2002年全球闪电资料和NCEP气象再分析资料,研究了区域闪电密度对地面相对湿度(RH)的响应.发现在平均相对湿度RH73%的经度带里,闪电密度与RH呈负相关;在RH>74%的赤道地区闪电活动与RH呈负相关, 而在RH<72%的中高纬地区闪电密度与RH呈正相关.得到结论：当地面相对湿度过大时,相对湿度的增加不利于闪电活动的发生;而当相对湿度较小时,相对湿度的增加有利于闪电活动的发生.地面相对湿度的临界值域约为72%～74%.此结论在不同经、纬度的几个典型区域均得到了验证,并探讨了过大的相对湿度抑制闪电活动发生的可能原因.     

用宽带干涉仪观测云内闪电通道双向传输的特征

利用闪电宽带干涉仪系统对闪电的观测表明，地闪和云闪的云内闪电通道都存在双向发展的特征. 闪电在云中负电荷区域初始激发以后，在通道两端发生向不同方向同时发展的击穿过程. 这两种击穿过程均产生较强的辐射，且辐射频谱特征十分相似，表明云内闪电通道两端发生的击穿过程可能均为负击穿过程. 相应电场变化表明闪电通道双向发展期间伴随着负电荷的向上转移. 这一观测事实与Kasemir早期提出的闪电通道双向发展的概念有一定的差异.     

闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征

利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.     

闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征

利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.