闪电放电特征和雷暴电荷结构研究

文章综述了近10年来对闪电物理过程和雷暴电荷结构等方面的主要研究进展。利用自行研制的高时间分辨率新型闪电探测和定位技术,获得中国不同地区的闪电特征及放电参数,组织首次青藏高原综合闪电观测实验,揭示高原雷暴及其闪电活动的特殊性,并利用数值模式探讨其成因;将原子结构理论应用于闪电光谱研究,并进行闪电光谱的实验观测和理论研究,获得可见光频段的闪电光谱记录;完善空中人工引发闪电技术,解决近距离严酷电磁环境条件下闪电的光、电信号测量技术,寻找闪电双向先导传输的光学和甚高频辐射证据,并利用人工引发闪电技术对防雷设施进行试验研究;另外,在闪电与天气、气候关系的研究方面也进行了初步探讨。     

青藏高原雷暴天气层结特征分析

青藏高原那曲地区夏季雷暴活动相当频繁,这种雷暴主要是受地形的影响,在地形的热力和动力作用下形成雷暴,但强度不大,最大反射率一般不超过4 0 dBz,相对云顶高度可伸展到1 0.0~13.0 km,强弱雷暴差别不大。雷暴持续时间大约为30 min左右,主要发生在13:00~19:00(北京时,下同)之间,峰值出现在16:00左右。此外,在晚上也有弱对流,最大反射率约为20 dBz。高原雷暴天气层结具有与平原雷暴完全不同的特征,一般为整层弱不稳定,高度可以伸展到100 hPa,整层不稳定能量不大,强雷暴CAPE值平均为782 J.kg-1,弱雷暴约为406 J.kg-1,分布较均匀,不出现能量特别大的不稳定层次。近地层相对湿度有“逆湿”现象,厚度约1~2 km,平均为60%~80%(雨季后)。无论是强雷暴天气还是弱雷暴天气都具有上述相似层结。这种层结可触发对流,发展高度很高,但强度不大,能量较小。这种特殊层结揭示了高原雷暴的特殊结构。雷暴的闪电频数可以表征雷暴发展强度,通常可以建立闪电频数与雷暴单一参量(云顶高度)之间的统计关系式,从而可以利用测量闪电频数来预报雷暴的强弱,但上述关系对于高原雷暴并不适用,必须建立闪电频数与多参量之间的综合关系。     

闪电放电通道的三维结构特征

通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10一20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。     

雷暴闪电活动特征研究进展

从一般雷暴、灾害性雷暴和台风的闪电活动特征以及雷暴闪电尺度特征四个方面对相关研究进行梳理.一般雷暴通常具有正常极性电荷结构,云/地闪比例在3左右(中纬度地区),地闪中正地闪占比为10％左右,负地闪位置往往更集中于对流区.灾害性雷暴倾向具有活跃的云闪,低比例的地闪,易出现反极性电荷结构,正地闪比例偏高.闪电活动与灾害性天...     

西天山地区雷暴和闪电特征

利用西天山地区14个气象站1960-2010年雷暴资料和新疆雷电监测网2008年观测资料,分析了西天山地区雷暴和闪电变化特征。结果表明：西天山地区年平均雷暴日数分布呈东西多,南北少的形势。该区域年平均雷暴日数在17.3～85.5 d之间,并以2.7 d/10 a的速率减少。西天山地区雷暴日数的年变化呈单峰型,并在6-7月达到最大值。整个区域以正闪为主,正闪占总闪的比例达66%。该区域闪电电流强度在-130~+63 kA之间,负闪强度大于正闪强度。     

冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征

利用京津冀中尺度试验基地三站闪电定位资料,对1989-1992年20个冰雹大风实例进行了分析。发现云对地闪电(简称地闪)活动表现为一次冰雹大风天气过程。且正的云对地闪电(简称正闪)占绝对优势,而负的云对地闪电(简称负闪)则与强降水相关。其开始发生时间与雷雨同步,比冰雹平均提前25min左右,出现在雹云前进方向右侧(下风方)10-50km.当正闪发生在雹云后部时是冰雹发生与加强阶段,而闪电密集区与云体重叠时是冰雹过程强盛阶段,当位于云体的前方且散开时是冰雹减弱消亡阶段。这个特征对超短期预报具有指示意义。     

浅谈雷暴与闪电的观测记录

浅谈雷暴与闪电的观测记录姜庆芝（兴安盟气象处）雷暴和闪电都是积雨云中，云间或云地之间产生的放电现象。雷暴出现时有时闪电兼雷暴，有时只闻雷声而不见闪电。雷暴与闪电的观测记录方法《规范》中己有明确规定，但从报表审核发现，在雷电多发季节，疑误记录时有发生，...     

影响首都机场的一次雷暴过程的红外云图和闪电分析

利用卫星云图和闪电资料对１９９４年８月２日影响首都机场的一次雷暴过程进行了详细的分析。结果表明,这次雷暴过程中有３个中尺度对流系统的发生和发展,因而对首都机场的影响持续了约５ｈ。闪电资料的分析表明,闪电活动的位置、频率和极性与对流系统的发展阶段有关。因此,除了每小时一次的卫星云图外,即时的闪电观测资料也是预报中尺度对流系统很有用的工具。     

一次强雷暴过程的闪电特征分析

对2006年6月25日焦作地区强雷暴天气分析表明，东北低涡后部西北急流出口区与地面冷锋的耦合是造成本次过程的直接影响系统。针对该过程伴随的强烈闪电现象，通过研究卫星云图和雷达回波特征，结合XDD03A型闪电定位仪对闪电过程的重现，探索强雷暴天气形势下对流云不同部位的闪电分布以及雷暴不同生命期所对应天气现象的闪电分布特征。     

夏季青藏高原雷暴天气及其天气学特征的统计分析

利用常规探空和地面观测资料,分析了2000-2009年夏季(6-8月)青藏高原(下称高原)地区雷暴的时空分布特征以及雷暴天气各要素的垂直廓线特征,在此基础上,修正了K指数,并对修正后的K指数(KM)进行了检验。结果表明,高原雷暴中心主要发生在高原西南侧的日喀则、高原中部腹地那曲、拉萨一带以及高原东部地区,夏季高原中部雷暴中心区随月份向西南转移,其东侧的雷暴中心区随月份向南偏移,雷暴中心位置向南偏移且雷暴的月平均频数减少,高原上由南向北雷暴发生的时段不同,高原中部和北部的那曲、沱沱河雷暴峰值的出现时段比南部的拉萨早3～6h;高原南部的定日和拉萨雷暴日大气低层存在逆湿现象。高原地区雷暴日500～400hPa之间为不稳定层,400hPa以上为稳定层,400hPa处假相当位温为最小值,雷暴日平均风向为西南风;对KM指数检验表明,大多数雷暴日KM>10℃,占总雷暴日的92.7%;当KM<0℃时几乎无雷暴发生,KM指数对雷暴具有一定的指示意义。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

雷暴微物理过程对电活动影响的数值模拟研究

在一维时变雷暴云起电放电模式的基础上,分别利用对流降水试验合作计划(CCOPE)和夏季雷暴放电与降水研究(STEPS)一次雷暴的实测探空资料进行了初步模拟,并通过敏感性试验研究了软雹垂直通量、地面温度和反转温度对雷暴云起电放电过程的影响.模式考虑的冰晶生成机制为Fletcher 和H-M冰晶生成机制.对比CCOPE和STEPS雷暴个例的模拟与观测结果,发现垂直电场正负极大值出现的位置与实测结果较接近,但电场极值差异较大,模拟结果明显大于实测结果.敏感性试验表明,当软雹垂直通量增加时,雷暴云首次放电时间降低,而单位时间内发生闪电的次数(闪频)随之增大.当地面温度较高时,雷暴云中负电荷的垂直厚度较小,雷暴云的正、负电荷最大密度较大.当反转温度较低时,冰晶所带负电荷的垂直范围较大.在敏感性试验中,当模式中地面温度为32℃,反转温度＜-26℃时,雷暴云出现反极性电荷结构.该模式能较直观地模拟雷暴发展过程中的电荷结构和电场时空分布等.     

西藏高原闪电特性时空分布特征

利用2009年6月至2011年5月西藏高原闪电监测系统的闪电监测资料,分析了高原闪电分布的时空特征,结果表明:高原的闪电平均强度为61.89 kA,负闪占闪电总数的78.2％,平均强度55.97 kA,正闪占21.8％,平均强度83.14 kA;雨季前的闪电中主要为正闪,正闪占73％;而雨季期间的闪电中,正闪仅占闪电总数的9％;闪电频次的日变化特征呈单峰型分布,主要集中在15:00-21:00这段午后至夜间的时段内,且在17:00达到峰值,与午后至夜间这段时间为强对流发生条件较好的时段相一致,03:00至12:00左右是高原闪电低发时段;闪电的高发地区为那曲地区中东部、昌都地区西部、日喀则地区东部及山南地区,其中负闪有两个强中心,分别位于那曲地区的嘉黎县和山南地区的朗卡子县,而在南部的错那县也为正闪强中心;闪电强度表现为冬季高、夏季低,各月的闪电平均强度均在50 kA以上;拟合出高原地区的总闪、正闪和负闪的雷电流强度累积概率方程,拟合率均达0.99以上.     

雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究

利用一个三维时变双参数动力电耦合模式对决定雷暴云空间电荷结构的三个初始场：反转温度、中心最大扰动位温和扰动区域进行模拟对比研究。结果表明,选取不同的参数值,雷暴云电结构有很大差异,从而解释了在不同地区、季节、强度的雷暴云中所观测到得不同的空间电荷结构的原因。     

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。     

平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。     

高原地区雷暴过程地面电场变化特征分析

高原地区是我国雷暴天气多发区之一。通过对大气电场仪所测得雷电过程地面电场变化特征的分析有助于了解这一地区的雷暴特征,对认识该地区雷暴过程特征有一定的参考价值。对雷暴过程初期的地面电场波形变化的曲线拟合,总结出了共同的特征,为地面电场资料在雷电预警预报中的应用提供了参考价值。对雷暴过程地面电场资料的特征分析以及预报方面的研究都是很有现实意义的。