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.     

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.     

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.

     

雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

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.     

中国不同排放情景下人为气溶胶的气候效应

本文利用区域气候模式RIEMS2.0(Regional Integrated Environmental Model System)和2006年以及2020年三种排放情景下的排放资料,研究了2006年气候背景下的人为气溶胶的浓度分布特征及辐射效应,估算了未来不同排放情景下人为气溶胶的主要成分硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳(含二次有机碳)的综合气候效应.结果表明:(1)2006年中国地区人为气溶胶浓度硫酸盐>有机碳>硝酸盐>黑碳,其区域柱浓度平均值分别为6.0、4.0、1.3和0.3 mg/m2.(2)2006年硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳的平均辐射强迫分别为-1.32、-0.60、-0.40和0.28 W/m2.硫酸盐、硝酸盐和有机碳的负辐射强迫超过黑碳的正辐射强迫,人为气溶胶总辐射强迫为-1.96 W/m2.(3)人为气溶胶的辐射效应及引起的地面气温变化对排放源非常敏感,未来采取不同排放政策导致的人为气溶胶的含量及辐射效应有较大差异.在未来排放增加的情景下,各区域的气溶胶浓度、辐射强迫、气温下降幅度和降水减少幅度也相应加大.     

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.     

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.     

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.     

气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文在已有的三维雷暴云起、放电模式中加入了一种经典的气溶胶活化参数化方案,结合一次长春雷暴个例,进行了雷暴云起放电数值模拟试验.研究显示气溶胶浓度改变对雷暴云微物理、起电及放电过程都有重要影响.结果表明：（1）污染型雷暴云中气溶胶浓度增加时,云滴数目增多,上升风速加强;云中冰晶与霰粒子数浓度增加但尺度减小;（2）相对于清洁型雷暴云,污染型雷暴云非感应起电过程弱,感应起电过程强,起电持续时间长;（3）污染型雷暴云中首次放电时间延迟,闪电持续发生的时间长,总闪电频次增加,正地闪频次增加明显.

     

静止卫星闪电探测中云影响研究

相对已经在轨运行的极轨卫星,搭载在静止卫星上的闪电成像仪能够提供全天候、无间断的闪电探测,是目前全球卫星闪电探测的方向.本文分析云不同特性对云顶闪电信号的影响,以及云高对静止卫星闪电定位的订正分析,将对静止卫星闪电成像仪的研发及其业务化运行提供技术支撑.研究中,通过建立云中闪电传输模型,模拟云中闪电传输.由于云粒子散射,云的体积、光学厚度和形状,以及闪电在云中发生的深度,都影响云中或云间闪电信号传输到云顶的能量衰减和持续时间,其持续时间可能超过已知静止卫星闪电成像仪假设的2 ms成像积分时间间隔,这样不能保证所有的闪电信号在一帧图像内探测到.但是,云粒子散射对云顶闪电的水平位置影响不大,闪电成像仪定位的云顶闪电可代表云中或云间的闪电位置.同时,在传统静止卫星图像定位模型的基础上,建立了闪电定位的云高订正模型.根据该模型,当云顶高度为10 km,云高所引起的闪电定位最大误差达到经向0.5379°、纬向0.2273°,超过已知静止卫星闪电成像仪假设的地面探测单元大小,有必要进行订正.     

北京及周边气溶胶区域影响与大雾相关特征的研究进展

针对2011年12月初北京及华北持续近一周的严重大雾天气这一热点事件,从城市群大雾过程气溶胶区域影响的视角,基于"973"项目"北京及周边地区大气-水-土环境污染机理与调控原理"的研究工作,就北京及周边地区大雾天气与大气气溶胶区域影响的关系等方面进行了讨论.研究表明,北京城市大雾前低空SO2和NO2浓度存在"积聚"与"突增"现象.北京及周边地区冬季雾日数和气溶胶光学厚度则呈正相关,并具有"同位相"的年际变化趋势.研究同时发现北京及其南部周边的冬季气溶胶高值区呈南北向带状分布,其与北京周边居民户数高值区有所吻合,反映了冬季北京城市气溶胶颗粒物的远距离影响源区及大尺度输送效应.统计分析指出,冬季北京气溶胶颗粒物PM10、PM2.5主要影响成分是SO2和NOX,且有关研究也表明,电厂、采暖和工业面源是SO2的三大本地排放源,而机动车、电厂、工业为NOX的三大本地排放源,上述大气PM10、PM2.5主成分污染源亦与雾水样本化学分析结果相吻合,即冬季由于燃煤在生活能源中的比例较大,北京雾水中硫元素和碳元素的含量都较高.因此,北京冬季大雾不仅与北京城区气溶胶及其污染排放影响存在相关关系,而且与北京周边天津、河北、山东等地气溶胶及大气污染物的远距离输送和气溶胶区域影响效应有着重要的联系.因此,北京雾霾天气及相关大气污染的治理工作首先要着眼于局地污染物的减排,但同时如何做好区域大气污染的协同治理也是不容忽视的问题.     

Humidity effects on gravitational settling and Brownian diffusion of atmospheric aerosol particles

The dependency on relative humidity of the settling velocity of aerosol particles in stagnant air and of the diffusion coefficient due to Brownian motion of aerosol particles was computed for six aerosol types and different particles sizes in dry state. The computations are based (1) on mean bulk densities of dry aerosol particles obtained from measurements or from the knowledge of the chemical composition of the particles, (2) on micro-balance measurements of the water uptake per unit mass of dry aerosol substance versus water activity at thermodynamic equilibrium, and (3) on measurements of the equilibrium water activity of aqueous sea salt solutions. The results show a significant dependence of the settling velocity and Brownian diffusion of aerosol particles on relative humidity and on the particle's chemical composition.Nomenclature A surface parameter of a particle - B surface parameter of a particle - c _L velocity of sound in moist air - C 1+Kn[A+Qexp(–B/Kn]=slip correction - D diffusion coefficient of a particle - D ₁ D(=1)=diffusion coefficient of a spherical particle - f P _w /P _we (T,P)=relative humidity (f=0 dry air,f=1 saturated air) - g acceleration due to gravity - g |g| - k 1.3804×10^–16 erg/°K=Boltzmann constant - Kn _L /r=Knudsen number of a particle - Kn _{0 0L} /r ₀=Knudsen number of a dry particle - m 4r ³/3=mass of a particle - m _L 4r ³ _L /3=mass of the moist air displaced by a particle - M mobility of a particle - M ₀ molar mass of dry air - M _w molar mass of water - Ma |u–u _L |/c _L =Mach number of the particles motion relative to the ambient air - n particle number per unit volume of air - P P ₀+P _w =pressure of the moist air - P ₀ partial pressure of the dry air - P _w partial pressure of the water vapour - P _we P _we (T,P)=equilibrium partial water vapour pressure over a plane surface of water saturated with air - Q surface parameter of a particle - r equivalent radius of a particle (radius of a sphere with the particles volume) - r ₀ equivalent radius of a particle in dry state - R 1+0.13Re ^0.85=inertia correction - R ₀ specific gas constant of dry air - R _w specific gas constant of water - Re 2r _L u–u _L / _L =Reynolds number of the particles motion relative to the ambient air - t time - T absolute temperature - u velocity of a particle - u (amount of the) settling velocity of a particle in stagnant air - u ₁ u(=1)=(amount of the) settling velocity of a spherical particle in stagnant air - u _L velocity of the ambient moist air (far enough from the particle where the flow pattern remains undistorted) - W drag coefficient of a particles equivalent sphere - empirical parameter in equation (3.1) - dynamic viscosity of a particles liquid cover - _L dynamic viscosity of moist air - _0L dynamic viscosity of dry air (at the same pressure and temperature like the moist air) - celsius temperature - dynamic shape factor of a particle (=1 for a sphere) - ₀ dynamic shape factor of a dry particle - _L mean free path of the molecules in moist air - _0L mean free path of the molecules in dry air (at the same pressure and temperature like the moist air) - _Po mean free path of the molecules in dry air at the pressureP ₀ of the dry air and the temperature given - factor of solid to liquid change-over (=1 for a solid particle) - mean bulk density of a particle - _L density of the moist air - _0L density of the dry air at the same pressure and temperature like the moist air - ₀ mean bulk density of a dry particle - ₀ mean diameter of the molecules of dry air - _w diameter of water molecules - relaxation time of a particle - gradient operation - 3.141593     

高原地区云对地闪电首次回击的光谱研究

用无狭缝光栅摄谱仪,获得了青海西宁地区云对地闪电首次回击过程400～700nm波 长范围的光谱,并首次在闪电的单次回击光谱中记录到了波长为604.6nm和619.4nm的谱线. 将原子结构的理论应用于闪电光谱的研究,用多组态Dirac Fock方法,计算了有关光谱线 的 波长、振子强度以及相应的激发态能量等参数,理论与试验观测资料进行比较分析后发现, 高原地区闪电首次回击光谱的结构及跃迁特性与其他地区有明显的区别,除NII离子n=3 的低 激发态产生的跃迁谱线外,激发能量为13～14eV左右的中性NI和OI的跃迁增多,但很难观测 到OII离子的跃迁谱线.     

Analysis to significant climate change in aerosol influence domain of Beijing and its peripheral areas by EOF mode

Using the total ozone mapping spectrometer (TOMS) aerosol optical depth (AOD)data and the sunshine duration, fog days, Iow cloud cover (LCC), etc. meteorological data in 1979-2000 in North China, as well as empirical orthogonal function (EOF) mode statistical analyses method, the winter aerosol distributive character of Beijing and peripheral city agglomeration and its influence effect on regional climate are investigated in this paper, especially the relation between aerosol influence effect and distinct change regions of eigenvectors of EOF mode. It is found from analyzing the regional distribution of the long-term averaged winter TOMS AOD that there is a large-scale relatively stable high value zone of aerosol concentration in the valley of the Beijing and peripheral U-shape megarelief. A high correlation area of AOD between Beijing and its southern peripheral exists in winter, and in this significant region of aerosol interaction, there is "in-phase" character of the interannual variations of winter AOD, fog days, and LCCs. It indicates that the variations of aerosol in Beijing and its peripheral areas have impacts on interannual changes of fog days and LCCs in this area. The EOF analyses of the meteorological data further reveal the climate change regions and long-term trends of winter sunshine duration-reducing, and LCC- and fog days-increasing in North China. The areas of significant changes of the first EOF eigenvectors (FEE) of sunshine duration, fog days, LCCs almost superpose on corresponding marked regions of interdecadal differences between the 1990s and 1980s, and all accord with the S-N zonal high value pattern and high correlation region of winter AOD in Beijing and its peripheral areas. Interannual variations of their associated time coefficients (ATC) are in phase with that of regional mean AOD, and both of them have a secular rising trend. Results by EOF mode analyses depict the regional climatic change principal character of winter sunshine duration-reducing, and LCC- and fog days-increasing in peripheral areas to the south of Beijing, and reveal the regional influence effect of aerosol, i.e. the high value zone of long-term averaged winter AOD, significant change regions of FEE of sunshine duration, fog days, and LCC all lie in peripheral city agglomeration to the south of Beijing. These distributive features above suggest that there exists a regional strengthening trend of aerosol climatic effect within influence domain in peripheral city agglomeration to the south of Beijing.     

The equation of motion for a small aerosol in a continuum

Summary The motion of an aerosol can be described by a general force balance equation, independent of the detailed structure of the flow, provided that the interaction between the external flow field and the local flow induced by the aerosol is weak. A necessary and sufficient condition for the interaction to be weak is that the length scale of the aerosol is much less than that of the external flow. High and low Reynolds number regimes can be distinguished for the motion of an aerosol relative to the external flow. In some extreme conditions the equation of motion reduces to an algebraic equation for the aerosol velocity.After submission of this article the author was made aware of a similar treatment published inTopics of Appl. Phys., 12 (Turbulence, Chapter 7), Springer Verlag, Berlin, which at the time of the article's submission had not yet appeared in Australia. (Ed.)     

Effects of organic aerosol constituents on extinction and absorption coefficients and liquid water contents of fogs and clouds

We have speculated on the influence of organic material on extinction and absorption coefficients and liquid water content of fogs and of clouds immediately after their condensational stage. It results therefore, that the reduction of the speed of growth from fog to cloud droplets due to the presence of organic films largely reduces the properties mentioned. Compared to that their increase coming from the surface tension reduction due to organic material being dissolved or building up films is expected to be less effective.     

1980 年以来青海地区震群活动与前震序列特征分析

采用青海地震台网资料,系统整理分析了青海地区的震群活动及前震序列,总结了震群活动与中强以上地震的时空关系,检验了前兆震群类型的判断指标。研究认为,青海地区ML≥2 震群活动增强对区内6. 5 级以上地震有一定的中长期时间预测意义,对7 级以上地震有一定的时空预测意义。利用MAPSIS 软件6 项震群参数,以满足4 项前兆指标的全组合模式判断前兆震群,对研究区总频次大于40 的34 个震群进行参数计算,判断出前兆震群24 个,占总数的71% 。100% 前兆震群后发生相应的中强震,部分非前兆震群后也发生相应的中强震;震群对应的中强震80% 发生在本地震构造带,对中强震孕育区域有一定的指示意义。青海地区有前震序列的震例较少,仅有的3 例,参数计算均不符合前震序列判断指标,对强震无预测意义。