闪电回击通道的电子密度研究

利用无狭缝摄谱仪获得闪电回击过程的光谱,依据Hα线的Stark谱加宽计算了闪电通道的电子密度,同时由Saha方程,通过半经验的方法也获得了通道的电子密度,并对两种方法得到的结果进行了比较、分析;讨论了电子密度与闪电放电特性之间的相关性。为闪电光谱进一步的定量分析,尤其是对闪电放电通道的导电特性、辐射特性及通道结构的研究和有关的理论计算提供了参考数据。     

雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

雷暴中的闪电放电能够产生强静电场以及电磁辐射场,从而对空间电离层产生重要影响,引起电离层电子密度分布的扰动。研究表明:闪电放电引起电离层扰动的方式有两种:直接耦合和间接耦合。其中,直接耦合主要来自于闪电产生的准静电场及电磁场的作用,在甚低频 (VLF) 反射信号上表现出快VLF事件, 而间接耦合主要是闪电低频电磁波在传播过程中与磁层相互作用,在辐射带产生闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。雷暴闪电活动能够改变电离层从D层到F层的电子密度分布,影响对流层大气和电离层之间的场,导致中高层瞬态放电淘气精灵 (elves) 及红闪 (sprite) 等现象的激发。闪电VLF传输反射信号可用于反演电离层密度的变化,目前已成为一种探测电离层扰动的常用方法,而引起电离层扰动的强度不但和闪电放电参量密切相关,也和闪电放电过程、类型有关。该文重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合作用以及导致的相关现象。     

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。     

利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年（2015—2017年）的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6~12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期（6—8月）的预报临界成功指数（CSI）均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。     

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。     

闪电初始放电阶段亚微秒电场变化波形特征

本文选取2008年西藏羊八井地区与2009年东北大兴安岭地区快、 慢天线闪电电场变化仪观测资料, 对云闪起始阶段和地闪预击穿阶段亚微秒电场变化波形特征进行了统计分析, 发现, 无论是云闪还是地闪, 初始阶段快电场变化波形均表现为一系列脉冲形式, 且以归一化幅值小于0.5、 脉冲宽度小于等于10 μs的窄脉冲为主; 同低海拔地区相比, 高原地区地闪预击穿阶段脉冲总数相对较高, 窄脉冲所占比例相对较低, 幅值可与首次回击峰值相比拟的双极性大脉冲的发生比例较低。在统计的基础上, 对产生双极性脉冲的物理机制进行了分析, 发现较大的电流传输速度和电流衰减长度, 是导致双极性大脉冲波形幅值远大于其它脉冲的主要原因。     

闪电产生氮氧化物(LNOx)全球特征计算

利用(美国)国家航空和宇宙航行局(NASA)通过卫星上的光学瞬态探测器(OTD)观测到的闪电资料,从计算闪电能量入手,对闪电产生氮氧化物量(NOx)的时空分布进行了计算分析。结果表明,全球LNOx大部分集中在南北半球低纬地区,约占65％,南北基本对称,但中高纬地区南北不对称,北半球产N量远大于南半球,呈现很大的不对称性。全球有6大雷暴群,其中非洲中南部的雷暴群产N量比例最大,占全球总量的近四分之一;其次是北美和南美。中国LNOx量较大的区域主要集中在长江以南的地区,年平均LNOx量占全球的7．8％,青藏高原占中国地区的9．1％～12．2％,5年平均为10．2％。全球各季节的平均产N量分别为42．5kt(春)、67kt(夏)、51．4kt(秋)、37．4kt(冬),全年全球平均闪电产N量估计为200kt。     

雷击大地密度的计算与软件实现

雷击大地密度（Ng）是进行雷击风险评估的重要参数之一。雷击风险评估业务的传统方法中,通常采用当地气象部门提供的所在城市的年平均雷暴日（Td）来计算评估点的Ng值,而雷击分布受地理、地质、土壤、气象、环境等诸多因素的影响,因此,在一个城市甚至一个地区都取相同的Ng值的做法存在一定的局限性。从Ng的概念出发,对标定后的闪电定位系统（LLS）数据进行处理,使用C^#编程制作计算Ng的软件,以便快捷、精确地为雷击风险评估业务提供Ng的数据支持。     

一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

基于自主研发的闪电连续干涉仪,对2019年6月11日在中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工引雷试验场成功触发的一次多回击闪电放电全过程进行观测,结合通道底部电流数据和电场变化数据,共同揭示触发闪电全放电过程：连续干涉仪能够定位到最小为8 A的不连续的先驱电流脉冲辐射信号,初始先驱电流脉冲(IPCP)的平均转移电荷量约为先驱电流脉冲(PCP)的2倍;上行正先导连续发展后为初始连续电流(ICC)过程,最初正流光通道以105 m·s-1量级的速度继续发展延伸,之后出现反冲先导放电;在ICC阶段出现的经典M分量,可由向前的106 m·s-1量级速度的正流光(先导)产生,也可由已有通道头部产生的反冲先导产生,且整个M分量过程中,多个反冲先导维持了放电过程的持续;之后的回击间过程以反冲先导为主要放电形式,回击电流脉冲之前存在多次反冲先导过程,但多数未发展到接地通道,只处于企图先导阶段,直至成功的先导回击产生;而前两次回击具有超短的时间间隔,约为4.5 ms,这是由于两次回击前的先导来源于云内不同分支的反冲先导过程。