DDW1闪电定位系统及性能评估

北京华云东方探测技术有限公司于2016—2018年在广东组网建设了DDW1闪电定位系统, 对一次雷暴过程的观测表明，DDW1定位数据与雷达回波强回波区之间在空间分布上具有较好的一致性。进一步利用2018年中国气象科学研究院在广州从化地区获得的触发闪电试验数据和全闪定位数据对DDW1闪电定位系统性能进行了评估，验证了其探测效率、定位精度等指标。结果表明：对于6次包含有回击过程的人工触发闪电事件，DDW1闪电定位系统全部探测到，地闪探测效率为100%；对于这6次触发闪电中的所包含的27次回击过程，该闪电定位系统共探测到17次，回击探测效率约为63%，对这些回击过程的平均定位误差约为464 m，电流反演误差为1149%；对比高精度全闪探测数据，DDW1的全闪探测效率为50%。     

三维闪电探测系统研制

"三维闪电探测系统研制"是国家科技部科研院所技术开发专项,其目标是开发完整的三维全闪(云闪、地闪、云内特殊放电事件)探测和定位系统.采用闪电VLF/LF和VHF辐射信号同步联合分析的方式,采用时差定位技术,利用闪电波形匹配、脉冲匹配、时域相关和频谱分析等方法,实现对闪电辐射事件的三维探测.2007年主要开展了以下3个方面的工作:     

基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析

2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在5—9月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为13—18时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在1~5 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。     

NBE和IBP始发的闪电初始特征

基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据,研究了2015年8月15日14:30—16:10广州一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征及放电规律。结果表明:212例近距离云闪和地闪中,32例闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发,占15%;180例闪电由初始击穿脉冲（定义初始击穿脉冲簇的首个脉冲为FIBP）始发,占85%。作为始发的窄偶极性放电事件（INBE）,其相对孤立且具有较大的相对幅度,INBE与后续闪电的第1个脉冲的时间间隔为7 ms,幅度比为3.5,远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8,INBE后多跟随传统的IBP脉冲。多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电,而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小,快于FIBP,这与INBE具有更快的速度相关。估计的INBE速度为4.7×107 m·s-1,FIBP速度为1.5×107 m·s-1,两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面,INBE具有更快的上升沿。     

一次强对流活动中雷电与降水廓线特征研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(PR)和闪电成像传感器(LIS)的逐轨探测结果,通过资料匹配处理方法,并配合常规气象资料,分析了2006年6月29日黄淮地区一次强对流活动中不同类型雷暴单体(Area,LIS探测资料认为近似于雷暴单体)的降水廓线,并分析了降水廓线与雷暴闪电频数的关系。结果表明:该强对流系统的雷暴单体可分为对流降水、层云降水、对流与层云混合降水3种雷暴单体,其中,混合降水雷暴单体数量最多,对流降水雷暴单体数和层云降水雷暴单体数量较少;并且雷暴单体中的闪电大多发生在对流降水区。结果还表明,不同闪电频数的雷暴单体相应的降水廓线差别明显:雷暴中闪电频数越大,5km以上高度廓线给出的雨强越大(对流降水廓线尤其如此),说明雷暴单体中闪电越多时,降水云冻结层以上存在的冰相粒子越多。     

北京地区的闪电时空分布特征及不同强度雷暴的贡献

利用北京闪电定位网(BLNET,Beijing Lightning Network)和SAFIR3000(Surveillance et Alerte Foudre par Interometrie Radioelectrique)定位网7年共423次雷暴的闪电资料,并按照雷暴产生闪电多少,同时参考雷达回波和雷暴持续时间,将雷暴划分为弱雷暴(≤1000次)、强雷暴(>1000次且≤10000次)和超强雷暴(>10000次),分析了北京地区的闪电时空分布特征及不同强度等级雷暴对闪电分布的贡献。北京总闪电密度最大值约为15.4 flashes km-2a(^-1),平均值约为1.9 flashes km^-2a(^-1),大于8 flashes km^-2a(^-1)的闪电密度高值区基本分布在海拔高度200 m等高线以下的平原地带。不同强度雷暴对总雷暴闪电总量贡献不同,弱雷暴(超强雷暴)次数多(少),产生的闪电少(多),超强雷暴和强雷暴产生的闪电分别占总雷暴闪电的37%和56%。不同强度雷暴对总雷暴的闪电密度高值中心分布和闪电日变化特征影响显著,昌平区东部、顺义区中东部和北京主城区是总雷暴闪电密度大于12 flashes km-2a(-1)的三个主要高值区中心,前两个高值中心受强雷暴影响大,而主城区高值中心主要受超强雷暴影响。总雷暴晚上频繁的闪电活动主要受超强雷暴和强雷暴影响,这两类雷暴晚上闪电活动活跃,分别占各自总闪电的69%和65%,而弱雷暴闪电活动白天陡增很快,对总雷暴午后的闪电活动影响大。另外,不同下垫面条件闪电日变化差异大,山区最强的闪电活动出现在白天,午后闪电活动增强很快,主峰值出现在北京时间18:00,而平原最强的闪电活动发生在晚上,平原(山麓)的主峰值比山区推迟了约1.5小时(1小时)。     

雷暴云特征数据集及我国雷暴活动特征

基于FY-2E气象卫星相当黑体亮度温度(TBB)和云分类数据(CLC)及全球闪电探测网(WWLLN)闪电数据,通过对TBB不超过-32℃的云区进行椭圆拟合,定义1h内上述云区或椭圆区域有WWLLN闪电发生的个例为雷暴云,获得雷暴云时间、位置、形态、结构、闪电活动等特征参量,构建雷暴云特征数据集,并基于该数据集初步分析了...     

闪电气象学研究进展

闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾：在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,不同类型强对流天气系统的闪电活动特征,闪电活动与雷暴的动力、微物理结构的关系,雷暴电荷结构探测和数值模拟,以及闪电资料同化方法及其在强对流天气中的预警预报作用和闪电的预报等,并指出了中国闪电气象学今后的努力方向。     

FY-4A白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用

我国第二代静止气象卫星FY-4A观测能力较之前有明显提升,在天气特别是对流性天气监测和预测中具有较强的应用潜力。利用FY-4A气象卫星多通道扫描辐射成像仪(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)和闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)数据开展研究,分析了反演产品在强雷暴天气中的应用。研究表明,扫描辐射成像仪多通道组合白天对流风暴红-绿-蓝（red-green-blue,RGB）合成产品可以突出具有强上升气流的对流性雷暴云,较单通道及多通道可见光合成产品具有监测优势;闪电成像仪产品较地面闪电探测闪电产品能够探测到更多的闪电,对新生对流和较弱对流产生的闪电监测具有优势;在华北和黄淮一次强雷暴天气过程中,白天对流风暴RGB合成产品能够监测云系发展的过程,卫星监测闪电活动频数和冰雹活动一致性较好。     

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。     

通道感应电荷对放电活动特征的影响

为探究闪电放电后电荷重置方案中异极性电荷植入法对雷暴云放电效应的影响,利用已有的三维雷暴云起放电模式,结合2011年8月12日发生在南京地区一次典型的雷暴个例,通过控制倍数改变闪电通道感应电荷量进行大量敏感性试验。模拟结果表明:闪电通道感应电荷量对空间电荷结构分布和云闪通道长度有明显影响。通道感应电荷量增加,即空间异极性电荷堆增多,加大空间电荷结构复杂程度;云闪通道在发展过程中难以穿越与自身极性相同的电荷堆,导致短通道云闪频次增加。通道感应电荷累积总量相同,不同闪电通道感应电荷量下云闪频次与通道电荷平均累积量呈负相关,即通道感应电荷平均累积量增大,云闪频次减少。而地闪频次、类型与通道感应电荷量相关性不明显。     

The characteristics of ground flashes in Beijing and Lanzhou regions

Over twenty thousand lightning location data obtained by using Lightning Location System (LLS) from Lanzhou and Beijing regions have been analysed to ascertain the characteristics of ground flashes in both regions. The strength of positive flashes is 5 times higher in Lanzhou than in Beijing. The strength of positive flashes is 3 times and 2.2 times as large as negative flashes in Beijing and in Lanzhou respectively. It has been found that the strength of positive and negative flashes is submitted to the normal distribution, and is independent of the characteristics of thunderstorm. So the lightning, strength obtained by DF may be used to forecast the coming of thunderstorm. Although the stroke number in both regions decreases as exponent regulation, the maximum number of return stroke for one lightning in Beijing is more than that in Lanzhou. The peak flash rate occurs in late afternoon for both regions, but the maximum and minimum flash rate appeared an hour earlier in Beijing than in Lanzhou.The relationship between DF display and lightning radiation electric field, discharge current is obtained.     

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。     

Statistical analysis of lightning electric field measured under Malaysian condition

Lightning is an electrical discharge during thunderstorms that can be either within clouds (Inter-Cloud), or between clouds and ground (Cloud-Ground). The Lightning characteristics and their statistical information are the foundation for the design of lightning protection system as well as for the calculation of lightning radiated fields. Nowadays, there are various techniques to detect lightning signals and to determine various parameters produced by a lightning flash. Each technique provides its own claimed performances. In this paper, the characteristics of captured broadband electric fields generated by cloud-to-ground lightning discharges in South of Malaysia are analyzed. A total of 130 cloud-to-ground lightning flashes from 3 separate thunderstorm events (each event lasts for about 4–5 hours) were examined. Statistical analyses of the following signal parameters were presented: preliminary breakdown pulse train time duration, time interval between preliminary breakdowns and return stroke, multiplicity of stroke, and percentages of single stroke only. The BIL model is also introduced to characterize the lightning signature patterns. Observations on the statistical analyses show that about 79% of lightning signals fit well with the BIL model. The maximum and minimum of preliminary breakdown time duration of the observed lightning signals are 84 ms and 560 us, respectively. The findings of the statistical results show that 7.6% of the flashes were single stroke flashes, and the maximum number of strokes recorded was 14 multiple strokes per flash. A preliminary breakdown signature in more than 95% of the flashes can be identified.     

Comparative analysis of the initial stage in two artificially-triggered lightning flashes

The initial discharge stages of two flashes during the Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment (SHATLE) are analyzed based on the synchronous data of the current and close electromagnetic field. For a lightning flash, named 0503, the wire was connected, not electrically, but via a 5 m length of nylon, with the lightning rod; while for another, named 0602, the wire was connected with the rod directly. Results show that the discharge processes of the initial stage (IS) in flash 0503 are quite different from that of the usual classical-triggered flash 0602 and altitude-triggered flashes. A large pulse with a current of about 720 A resulted from the breakdown of the 5 m air gap during flash 0503, and the corresponding electric field at 60 m from the lightning rod was 0.38 kV/m. The upward positive leaders (UPLs) propagated continuously from the tip of the rocket after this breakdown. The geometric mean (GM) of the UPL peak current was 23.0 A. Vaporization of the wire occurred during the initial continuous current (ICC) stage and the largest current pulse was about 400 A. Compared with triggered flash 0503, the discharge processes of IS in flash 0602 were simple, only two large pulses similar to each other occurred before dart leader/return stroke sequences. The peak current of the first pulse was 2.1 kA and its corresponding electric field and magnetic field at a distance of 60 m from the lightning rod were 0.98 kV/m and 7.03 μT, respectively. During the second pulse, the wire disintegrated. The current decreased to the background level at the moment of the wire disintegration. The current of the second pulse in triggered flash 0602 was 2.8 kA, and the corresponding electric field and magnetic field at 60 m from the lightning rod were 1.22 kV/m and 9.01 μT, respectively.     

强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析

利用粤港澳闪电定位系统、广州多普勒天气雷达和自动气象站等资料,分析了2017年6月2日发生在广州市中北部的一次强雷暴天气过程的地闪变化特征及闪电与雷达回波特征的关系.(1)本次强雷暴天气是华南一起典型的以西南急流和切变线为环流背景的强对流天气过程.在整个雷暴生命史中以负地闪为主,占69.3％;正闪在雷暴发展的初始和结束...