西南地区双极性窄脉冲事件与雷达回波的关系

利用西南地区观测的6次产生双极性窄脉冲事件(Narrow Bipolar Events,NBEs)的雷暴个例,讨论了正、负极性NBEs与常规闪电、雷达回波所表征的雷暴强度的关系。6次雷暴均产生两种极性的NBEs,其中1次雷暴产生了较多的负极性NBEs,数量超过正极性NBEs。统计分析表明,NBEs与40dBZ回波体积(V40)表征的雷暴强度之间并没有类似常规闪电的正比例线性变化关系,大部分NBEs发生于V40的较大值范围内,在V40的低值区域较少发生。相比正极性NBEs,负极性NBEs更集中产生于雷暴对流发展强烈的阶段,产生较多负极性NBEs的雷暴对流发展也更为强烈。从空间分布结构上看,正极性NBEs出现在强对流核心的外围区域,负极性NBEs集中产生于强对流核的云顶附近。负极性NBEs的产生对雷暴发展的强度具有较好地指示作用。     

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.     

伴随超强VHF辐射的闪电双极性窄脉冲初步观测

闪电过程中一类双极性脉冲辐射伴随的超过常规闪电一个数量级的VHF辐射是卫星观测的穿越电离层的脉冲对(TIPPs)的来源.文中给出了在中国上海地区观测到的该类放电事件产生的78例双极性窄脉冲.典型的双极性窄脉冲上升时间约1.2 μs,初始峰宽度约2-3 μs、半宽约1 μs,整个脉冲持续时间约15 μs,脉冲幅度与地闪首次回击幅度相当,过冲幅度约为初始峰幅度的1/3.这类脉冲波形特征与普通闪电双极性脉冲波形特征差异明显.根据空间双极性脉冲被电离层以及地面-电离层反射的时间延迟并假定电离层高度为85 km,估算了这些双极性窄脉冲发生高度.11例负极性脉冲(对应上面负电荷区对下部正电荷区之间的放电)中有10例脉冲发生高度在海拔14.0-15.0 km,一例出现在负地闪初始击穿阶段的脉冲发生高度为海拔6.4 km.67例正极性窄脉冲发生高度位于海拔7-12 km,平均海拔9.4 km.利用传输线电流模式以及偶极子辐射近似估计了电流在通道内传播时间以及放电电流参数,78例平均结果显示电流从通道底部传播到顶部经历的时间约1 μs,电流矩约为5 kA·km量级.我们推断放电通道长度约100-300 m,放电电流幅度具有20 kA量级,电流传播速度与光速可比拟、具有108 m/s量级.     

雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度

双极性窄脉冲事件（NBE）是一类特殊的大气放电现象,能产生强甚低频/低频（VLF/LF）和甚高频（VHF）辐射。为了探索NBE发生的气象环境和放电特性,选出重庆双频段闪电定位网络在一次雷暴过程中观测到的608次正极性NBE（简称正NBE）和82次负极性NBE（简称负NBE）,对比发生位置和辐射强度。结果表明:正NBE主要分布于7~15 km高度处,归一化到距离辐射源100 km处的VLF/LF电场变化峰值的平均值为13.4 V·m-1,平均VHF辐射功率为73.5 kW。负NBE主要发生在两个高度范围,72例负NBE分布于16~20 km高度,它们倾向于发生在30~35 dBZ回波顶高大于18 km的对流云顶及附近,其平均归一化VLF/LF电场变化峰值为42.7 V·m-1,平均VHF辐射功率为76.9 kW。10例负NBE分布于4~8 km高度,全部发生于对流核内部。其平均归一化的VLF/LF电场变化峰值为2.7 V·m-1,平均VHF辐射功率为18.2 kW。从统计结果看,在VLF/LF频段,上部负NBE的辐射强度普遍强于正NBE和下部负NBE;在VHF频段,上部负NBE的辐射强度与正NBE基本相当,大于下部负NBE;下部负NBE在两个频段的辐射通常弱于正NBE。     

电场计波形存贮记录器

闪电使大气电场强度发生十分剧烈的变化。研究雷暴云和闪电的电结构时,经常利用各类电场仪来观测闪电发生时各个阶段的电场变化。电场计是测量大气电场变化的仪器,它的时间常数为4s,时间分辨率小于1ms。记录这种信号常用昂贵的波形瞬态存贮器。我们利用单板机来采集数据,用小型盒式磁带机来记录数据,简单易行成本低廉。     

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。     

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。     

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

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。     

一次大暴雨过程的中尺度特征分析

利用天气图、雨量、GMS IR卫星云图、雷达回波、物理量等资料,对2003年5月16～17日福建省中部、南部地区出现的一次大暴雨过程的中尺度特征作了详细分析.结果表明,每一次暴雨过程是由几个中尺度暴雨组成,而每一个中尺度暴雨又是由一个或多个中尺度对流云团影响造成的;大尺度水汽、动力条件是暴雨产生的必要条件,中尺度暴雨常出现在水汽通量辐合中心和强上升运动中心附近或其移动方向一侧的等值线密集区;40 dBz以上的强回波预示当地将出现一次强降水过程;这次过程回波发展高度不高,特别是回波强中心高度不高,没有出现雷雨大风和冰雹天气,强对流只以打雷和强降水表现;中尺度暴雨常出现在零径向速度附近及其折角处.     

一次强飑线过程的多普勒雷达特征

利用广州新一代多普勒天气雷达产品和自动观测站资料,分析了2007年4月24日影响广东大部分地区的一次强飑线过程,揭示了飑线的发生发展过程及其在不同多普勒雷达产品中的一些特征：此次飑线过程发展迅速、持续时间长、强度大、范围广,中层有明显的MARC特征,还出现了“逆风区”;垂直液态含水量VIL值能判断其位置及发展趋势;VWP上存在的“ND”区对飑线移近和远离本站有明显的对应关系。     

暴雨的多普勒天气雷达速度辐合风场特征

多普勒天气雷达探测大范围强降水时,其多普勒速度回波特征既不同于单纯的暖(冷)平流的特征(S或反S形)也不同于纯粹的大尺度辐合(散)运动特征(弓状), 而是暖(冷)平流和辐合(散) 两种运动相结合的风场(称之为复合风场)所产生的多普勒速度特征.应用天津塘沽新一代天气雷达资料,并结合自动气象站资料和改进的EVAD 技术,分析2005年8月16日发生在海河流域的一次大范围、长时间的强降雨天气过程的多普勒天气雷达资料.结果表明:(1)当低层出现暖平流和辐合运动相结合的复合风场特征时,即多普勒天气雷达速度场产品表现为自雷达中心开始,在同一距离圈上,一侧的零速度线弯向正速度区的顺转程度明显大于另一侧的零速度线弯向负速度区的顺转程度,即负速度区面积大于正速度区的面积时,降水就增强或维持.(2)当低层出现暖平流和辐散运动相结合的复合风场特征时,对应降水减弱或停止.这种对雷达速度场的辐合辐散分析将对大范围强降水的形成、发展、维持和消散具有很好的临近预报指示作用.     

一次低能见度事件中大气颗粒物的微物理特征

利用合肥地区高时间分辨率观测资料对2013年1月13-15日一次低能见度事件中大气颗粒物变化进行分析,依据能见度、相对湿度和PM2.5浓度将过程划分为轻雾、霾、雾3个阶段,进而研究不同阶段大气颗粒物的微物理特征。结果表明：这次低能见度事件经历了“轻雾—霾—轻雾—雾—轻雾—雾—轻雾”的阶段转换过程。整个过程PM2.5/PM10和PM1/PM2.5与能见度呈负相关关系,雾阶段PM2.5/PM10大,细颗粒物积聚程度较快;而轻雾和霾阶段PM2.5/PM10小且离散程度大,粗颗粒物生成速度较快。不同阶段的颗粒物谱分布存在较大差异,轻雾和霾阶段的细颗粒物数浓度、表面积浓度和体积浓度谱形相似;雾阶段对不同粒径尺度的颗粒物数浓度、表面积浓度和体积浓度均有沉降作用,雾过程持续时间越长,对颗粒物的沉降作用越强。     

北京地区正地闪时间分布及波形特征

为了给雷电防护及机理研究提供必要的基础数据,利用闪电定位资料和电场快慢变化资料,对北京地区正地闪的时间分布规律及波形特征进行了统计分析。结果表明：北京地区正地闪分布随月份而不同,较大频次出现在5—7月,较高比例出现在春、秋季（3—5月和10—11月）;而一天内的正、负地闪分布具有反对应关系,正地闪在傍晚（15:00—21:00,北京时）具有较大的频次和较高的比例,且该比例随闪电频次增大而呈减少的趋势;正地闪多为单次回击,多回击正地闪数占正地闪总数的3.89%;正地闪波形上升沿时间分布范围为5~28 μs,平均为11.55 μs,慢前沿时间分布在2.8~23.6 μs之间,平均值为9.41 μs,慢前沿幅度与回击峰值比为53%,过零时间为43.97 μs,负反冲深度均值为20.75%,辐射场归一化到100 km的回击场强峰值为13.66 V/m;正地闪连续电流持续时间平均值为113 ms,具有连续电流的正地闪比例高达69.2%,其中48.7%具有长连续电流过程。     

Optical and Electrical Observations of an Abnormal Triggered Lightning Event with two Upward Propagations

This study investigates an abnormal artificially triggered lightning event that produced two positive upward propagations: one during the initial stage (i.e., the upward leader (UL)) and the other after a negative downward aborted leader (DAL). The triggered lightning was induced in a weak thunderstorm over the experiment site and did not produce a return stroke. All of the intra-cloud lightning around the experiment site produced positive changes in the electric field. The initial stage was a weak discharge process. A downward dart leader propagated along the channel produced by the first UL, ending at a height of approximately 453 m and forming a DAL. Under the influence of the DAL, the electric field at a point located 78 m from the rod experienced a steady reduction of about 6.8 kV m-1 over 5.24 ms prior to the initiation of a new upward channel (i.e., the second upward propagation (UP)). The second UP, which started approximately 4.1 ms after the termination of the DAL and propagated along the original channel, was triggered by the DAL and sustained for approximately 2.95 ms. Two distinct current pulses were superimposed on the current of the second UP. The first pulse, which was related to the sudden initiation of the second UP, was characterized by a more rapid increase and decrease and a larger peak value than the second pulse, which was related to the development of the second UP into the area affected by the DAL. The second UP contained both a similar-to-leader process and a following neutralization process. This study introduces a new type of triggering leader, in which a new upward discharge is triggered in an established channel by an aborted leader propagating along the same channel with opposite polarity and propagation direction.     

北京地区一次持续性大雾的宏观物理特征

通过分析北京地区2004年11月30日和12月2日出现的两场大雾生成的天气背景,大雾生成阶段和消散阶段的温度、湿度、气压和风场特征,探讨北京地区大雾的宏观物理特征。所用数据资料是通过系留气球探测所得,分析了气象要素的廓线和时间剖面图特征,从而得到了北京地区有雾生成时的天气背景特征;辐射雾与平流雾的能见度变化区别,雾生成时、持续阶段及雾消散前温度场、湿度场的变化特征;逆温层在辐射雾和平流雾中的形成原因和作用都不同;比湿值增大是判断有暖湿平流带来水汽的重要指标;气压变化平稳、缓慢,使强对流没有发生,逆温层不能被冲破,雾能长时间维持。     

一次强对流过程中的闪电特征分析

利用闪电定位系统和多普勒雷达资料,通过2007年4月24日广东省一次强对流过程,剖析了不同阶段的闪电特征和雷达回波的关系。结果表明,(1)对流云带放电整体上呈带状分布,闪电随云带的移动而移动,强对流单体发生的闪电频数大且密集。(2)强降水过程中闪电活动呈双峰型分布,负闪占绝对优势,正负闪同步增加或减少,正闪电流平均幅值大于负闪,基本上是负闪的2倍。(3)闪电频数、强度和雷达回波强度在时间序列上对应较好;发生发展阶段,闪电出现位置超前雷达回波约10~40 min;在成熟和消散阶段,闪电主要发生在雷达回波>40 dBz和VIL>20 kg/m2所对应的区域,并在其周围形成一个小范围的闪电密集区。     

一次强对流天气过程中尺度对流系统特征分析

利用NCEP／NCAR再分析资料、FY2C云图及广州新一代多普勒天气雷达产品,对2007年6月9～10日发生在广东省的一次强对流天气过程中的中尺度对流系统（MCS）进行了分析,主要结论有：1）对流层中高层辐散低层辐合,以及“上千下湿”相配置的垂直环流结构特征,和不稳定的大气层结为此次暴雨的形成提供了所需的动力条件和水汽条件;2）MCS云系生成、发展于南支槽和西南低涡东南侧的暖湿气流所形成的云系中;3）在雷达回波图上,MβCS回波的发展具有明显的右移风暴移动特点和“列车效应”,且发展成熟阶段的回波呈显著的“弓形”和“人字形”水平回波演变结构。