闪电电磁辐射中的爆发式窄脉冲序列分析

分析了发生于闪电放电过程中一类特殊放电现象\_\_爆发式窄脉冲序列。结果表明, 在30 min内测得的69例闪电放电过程中, 全部存在此类爆发式窄脉冲序列。针对6例典型闪电中包含的190例爆发式窄脉冲序列进行了详细分析, 发现窄脉冲典型宽度约为1 μs, 典型脉冲间隔4~8 μs。根据脉冲时间间隔变化和极性转换将其划分为正常型、 反向型、 对称型和反转型。负地闪和云闪产生的爆发式窄脉冲序列特征无明显差别, 而正地闪中的爆发式窄脉冲序列极性反转较为频繁。分析认为, 不同类型的RBPs可能对应流光等击穿过程在不同极性小电荷区间行进的过程。     

负地闪不规则脉冲簇事件的宽带干涉仪三维观测

利用宽带干涉仪的三维观测数据,对发生在负地闪继后回击前的不规则脉冲簇事件CPT进行了研究.首先对CPT事件快电场时域波形特征进行了分析,然后,研究了CPT事件的辐射源时空发展特征,并对这些CPT事件、梯级先导和直窜先导在30～290 MHz频段辐射信号的功率谱密度进行了对比分析.结果表明,10次CPT事件的快电场脉冲间隔平均值和标准差分别为5.3～9.0μs和2.7～4.9 μs.CPT事件的击穿过程为负极性击穿,其发展特征与直窜先导或企图先导没有明显区别.10次CPT辐射源发展速度的统计结果表明,平均发展速度在3.23×106～1.93×107 m·s-1之间,平均值为1.02×107 m·s-1,与企图先导或直窜先导的速度统计结果相当.10次CPT事件在30～290 MHz频段的功率谱密度平均值分别比同次地闪中的梯级先导和直窜先导强1.8～11.6 dB和2.4～12 dB.     

人工触发闪电初始连续电流的中低频磁场特征

中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验是研究闪电电磁辐射效应的有效手段,利用架设在试验场地周边的多套磁场天线所获取的高灵敏度磁场数据,针对初始连续电流阶段的中低频磁场特征开展研究。得益于磁场天线带宽的拓展,首次解析出了相对平静期内的磁场脉冲,单个脉冲的平均宽度约为1 μs,平均脉冲间隔约为14 μs,对应了该阶段中上行先导的小尺度击穿发展形式;在近、远距离磁场测量中均观测到了与先导通道头部击穿放电相关的爆发式磁场脉冲,其平均脉冲间隔(约为24.5 μs)明显大于平静期脉冲的统计值,而且在爆发式脉冲期间通道底部电流逐步增大到几十至上百安培,表明此时电场条件更加有利于上行先导的发展;此外,高灵敏磁场天线能够直观地呈现出初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse,ICCP)的电荷传输过程,且ICCP期间观测到的规则磁场脉冲的脉冲间隔比其他类型的磁场脉冲小一个量级,可能体现了正极性击穿和负极性击穿的特征差异。     

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1.2μs,初始峰宽度约2—3μs、半宽约1μs,整个脉冲持续时间约15μs,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1μs,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108m/s量级。     

闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征

基于LMA三维闪电定位数据,对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究,提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法,并给出参量分布特征。结果显示:闪电初始阶段上行负先导（下行负先导）的持续时间中值为13.5 ms（7.5 ms）,三维位移中值为1.4 km（1.0 km）,三维平均位移速度中值为9.2×104 m·s-1（1.2×105 m·s-1）,上行负先导速度随时间递减,下行反之,二者与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布,在小值方向分布更为集中。闪电水平延展距离中值为6.1 km,垂直延展距离中值为4.3 km,约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离;闪电的持续时间中值为271.0 ms。分析发现,以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于8.5 km,以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于11 km。闪电初始阶段位移方向越接近水平,对应闪电垂直延展越小,说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响。     

正地闪和负地闪预击穿脉冲序列的统计分析与对比

2009～2010年夏季,在大兴安岭林区利用闪电快、慢电场变化测量仪组成的网络对自然闪电进行了多站同步观测。本文选取2010年夏季3次过境雷暴过程中具有4站以上同步的资料,同时对表现出明显预击穿过程的37次正地闪和56次负地闪的预击穿脉冲序列进行了统计分析。统计的主要参数包括：脉冲序列的总持续时间（Total Duration）,脉冲序列和首次回击之间的时间间隔（PB-RS Separation）,预击穿过程到首次回击的时间间隔（Pre-RS Interval）,单个脉冲持续时间（Individual Pulse Duration）,相邻脉冲时间间隔（Interpulse Interval）等。对于负地闪,相应参数的算术平均值为4.1 ms、55.4 ms、56.0 ms、8.8 μs和111.0 μs,几何平均值为3.7 ms、35.6 ms、36.5 ms、7.4 μs和98.2 μs;对于正地闪,相应参数的算术平均值为4.5 ms、75.6 ms、77.3 ms、11.5 μs和297.3 μs,几何平均值为3.0 ms、57.8 ms、60.0 ms、10.0 μs和217.9 μs。对比发现,正地闪预击穿脉冲序列相对负地闪预击穿脉冲序列持续时间更长,和首次回击的时间间隔更大,其单个脉冲更宽,在整个序列中排列更稀疏。计算了正、负地闪最大预击穿脉冲幅值和首次回击幅值的比值（PB/RS,PB代表最大预击穿脉冲幅值,RS代表首次回击幅值）,通过和其他研究结果的对比,发现负地闪有PB/RS随纬度增大而增大的趋势,而正地闪没有。另外,检验了首次回击前地闪电场波形与BIL模型（Breakdown Intermediate Leader, BIL）的符合情况,发现只有很小比例的电场波形符合BIL模型。     

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。     

闪电起始过程时空特征的宽带干涉仪三维观测

闪电的起始位置和起始阶段发展速度是闪电研究中的重要问题。2010年夏季,使用架设在广州市从化区的两套甚高频 (VHF) 宽带干涉仪对闪电的起始阶段放电过程进行三维定位观测。对观测数据给出的地闪和云闪的起始高度分布特征以及起始阶段击穿过程的时空发展特征进行统计和对比分析,结果表明:闪电的起始高度分布呈双峰值特征,分别在5.0 km和8.8 km有两个明显的分布峰值,符合雷暴云三极性总体电荷结构的描述。对起始阶段闪电放电发展速度的计算表明,云闪和地闪在起始阶段的前15 ms内的平均发展速度均在104~105 m·s-1量级之间;多数云闪、地闪起始阶段前15 ms内的平均发展速度表现出减速趋势,但云闪个例中起始阶段前10 ms存在减速趋势的比例更高,且其中在前15 ms一直保持减速趋势个例所占比例也大于地闪。云闪和地闪的起始阶段放电过程的发展方向有向上、向下和水平发展3种情形,可用于指示闪电始发位置的环境电场方向。     

地闪和云闪初始击穿VHF/VLF辐射特征观测和比较

分析了合肥地区负地闪和云闪初始击穿过程产生的VLF大双极性脉冲序列及其同步的VHF爆发特征。地闪初始击穿大脉冲序列极性通常与后面的回击极性相同，相邻大脉冲之间的平均间隔为160μs，大脉冲序列持续时间平均为2．2ms。云闪初始击穿的大双极性脉冲序列由正极性大脉冲开始，相邻脉冲间隔时间平均为1．3ms，平均持续时间为11．5ms，明显区别于地闪中的情况。显著的VHF爆发几乎在大双极性脉冲序列出现的同时启动，它与VLF大脉冲一起是初始击穿过程中一种最强烈的特征性事件，在合肥地区出现频率极高。地闪初始击穿期间VHF包络(观测系统带宽100kHz)呈现淮连续特征，而云闪初始击穿期间VHF包络则呈现分立特征，显示两者VHF辐射爆发的特征有所不同。初始击穿期间VLF大脉冲辐射与VHF爆发之间是相关的，但是二者强度之间不存在唯一的大小对应关系。同时分析了合肥地区地闪初始击穿大脉冲序列活动相对于地闪回击的一些特征，序列中最大脉冲幅度与随后的首次回击幅度之比平均为0．43，有94％的初始击穿在首次回击启动前40ms内出现第一个可以辨别的VLF脉冲(105例的平均结果是21．5ms)。     

用VLF/VHF信号大容量采集系统观测云地闪电放电过程

简述了一种高分辨、大容量闪电VLF/VHF信号记录系统,报道了一次包含12次对地回击、平均回击间隔70ms、持续时间超过800 ms的地闪放电过程的VLF/VHF辐射波形全景以及分析结果.这一个典型事例揭示了一些有趣的现象:(1)这次过程的头5 ms出现了强烈的VLF双极性大脉冲序列,标志着云内初始击穿过程启动;对应于一系列VLF辐射事件出现了强烈的VHF辐射爆发,总体上看,前380 ms期间VHF辐射异常强烈,呈现为间歇式准连续辐射,之后强烈VHF辐射则更多地表现为分立脉冲式爆发特征.(2)与回击主电流峰期间VHF辐射较弱不同,地闪最强的VHF辐射来自初始击穿过程和回击后云内放电通道扩展或者新通道形成过程;在初始击穿阶段和回击间歇期,出现了不止一次强烈的VHF辐射爆发并不伴随明显的VLF辐射.(3)回击间歇期间一类云中放电过程产生一系列半宽为3～4μs左右、出现频率约105Hz的VLF快脉冲串,整个脉冲串持续时间约1ms,频谱峰值区域在60～90 kHz,并伴随较强的VHF辐射,这些特征都与直窜先导特征一致.很可能这是一种云内K事件.(4)还给出了江淮地区地闪过程回击VLF/VHF辐射波形的统计特征,统计还显示当相继两次回击间隔小于40 ms时后面回击幅度倾向于比前面回击弱,当回击间隔时间大于100 ms时,后面回击比前面回击强的可能性大.     

CMA_FEBLS低频三维全闪探测技术研究及观测10年进展

三维全闪探测已经成为了深入认识闪电物理机制和雷暴电活动规律的重要手段.中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA FEBLS)自主研发了低频电场探测阵列(LFEDA),并持续开展了针对广东地区雷暴全闪电活动的综合观测试验,在精细化三维定位算法和基于三维全闪数据的闪电放电过程研究方面取得了若干研究结果.(1) LFEDA具备...     

一次正地闪触发两个并发上行闪电的光电观测

广州高建筑物雷电观测站光电同步观测系统于2017年6月16日记录到一次峰值电流达+141 kA的单回击正地闪触发两个并发上行闪电过程。利用高速摄像、普通摄像和电场变化数据分析了触发型上行闪电的始发特征和机理。结果表明:正地闪回击后约0.8 ms内,在距正地闪接地点约3.9 km的广州塔（高600 m）和4.1 km的东塔（高530 m）分别有上行闪电始发。正地闪回击过程中和大量正电荷以及之后可能有云内负先导朝高塔方向快速伸展造成塔顶局部区域的电场发生突变是两个上行闪电激发的原因。两个上行闪电在353 ms内发生7次回击,其中6次在广州塔上,仅1次在东塔上,且广州塔回击峰值电流平均值（-21.4 kA）约为东塔回击峰值电流（-7.3 kA）的3倍,表明广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量（或电荷密度）更大的负电荷区。两个上行闪电先导的二维速率变化范围为9.4×104~1.8×106 m·s-1,平均值为6.9×105 m·s-1。     

苏州城区大气边界层低空急流特征分析

利用2012年苏州城区风廓线雷达的观测资料,从低空急流个例分析入手,选取1、4、7、10月四个典型月份,分析该地区边界层低空急流的时空分布及强度变化特征。结果表明:冬春两季低空急流发生频率最高,夏季出现频率最低。在4个典型月份里低空急流均表现出日落后出现频率升高,夜间保持稳定,日出后出现频率降低的特征。全年有80%的低空急流分布在900 m以下高度上,冬、夏季平均高度最低。全年低空急流风速70%以上集中在4~12 m·s~(-1),小于4 m·s~(-1)和大于20 m·s~(-1)的低空急流出现频率较低。     

An evaluation of lightning and corona discharge on thunderstorm air and precipitation chemistry

This study synthesizes literature to provide a best estimate for the integrated effect of cloud-to-ground lightning, intracloud lightning, and corona discharge on air and precipitation chemistry for an idealized thunderstorm. The cloud volume concentration of NO (the predominant chemical species produced by lightning), assuming all flashes occurred simultaneously in an undiluted, idealized storm volume of 1.5×10³ km³, is approximately 0.8 ppbv at STP. Uncertainties are discussed, and assumptions used in this estimate are evaluated and compared to the literature for consistency. Also, NO production values (an average of field, theoretical, and laboratory observations) are used to scale theoretical estimates of other chemical species produced by lightning that can be scavenged by precipitation. The maximum concentrations of these pollutants in rain water are estimated by assuming complete removal of these select, acid rain related species and found to be insignificant.     

基于卫星观测资料的全球闪电活动特征研究

利用卫星携带的闪电探测系统所获取的11年(1995年5月至2006年4月)闪电资料,对全球闪电活 动特征进行了详细分析。结果表明:全球闪电频数约为46.2 fl s^-1(fl为flash简写,表征闪电发生的次数),在30°S～30°N闪电数占全球闪电总数的78.1%,陆地和海洋的闪电密度之比为9.64:1。近海海域面积占海洋面积的近3成,但闪电数占海洋闪电总数的近7成,远海海域闪电的密度很小。陆地和近海海域闪电活动随季节变化呈现出单峰特征,峰值出现在7月。中高纬度大陆东部近海海域闪电频数大于西部,赤道附近区域相反,大陆西部近海海域闪电频数大于东部。闪电活动随海拔高度的变化呈两峰三谷的特征,两峰分别出现在海拔100～2400 m和3300～4600 m,3个低谷分别出现在海拔100 m以下、2400～3300 m和4600 m以上,这是在地理位置和海拔高度的影响下,各种因素综合作用的结果。     

基于A-Train卫星编队资料的热带气旋强度估算

准确估算热带气旋(TC)强度,对于预测TC发展、减少财产损失具有重要的意义。前人将TC看作满足静力平衡和梯度风平衡的轴对称涡旋系统,基于云顶高度、云顶温度、海表面气压等物理量建立了TC强度估算模型,该模型未考虑环境垂直风切变对TC强度的影响。本文提出一种修正模型,通过统计拟合手段将垂直风切变加入原模型中。从2006—2015年的Cloud Sat资料中筛选出穿心个例共63个。针对云雷达(CPR)数据特点,提出根据反射率因子的垂直分布确定眼墙和外围边界位置的方法。分别用原模型与修正模型对这63个TC个例进行强度估算。与最佳路径数据相比,原模型结果总体偏大,尤其对风切变较大、强度较小的个例估算效果不佳。修正模型对于风切变大于5 m·s~(-1)的个例误差明显减小,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平均绝对误差百分比MAPE分别从5.8 m·s~(-1)、7.7 m·s~(-1)和19.5%变为3.5 m·s~(-1)、4.9 m·s~(-1)和11.5%。在一定强度范围内,修正模型估算效果随着强度的增强而提升。修正模型对于成熟阶段的个例效果更好,北半球的估算精度高于南半球,纬度越高,估算误差越小。试验结果表明,用该修正模型估算TC强度是可行的,可以对现有的技术进行辅助和补充。     

WRF/CALMET/BP预报系统对内陆山区风电场的一次滚动预报检验北大核心

利用以中尺度数值模式WRF/CALMET作为风电场预报系统的动力模块,及BP神经网络法(BP-ANN)作为风电场预报系统的统计订正方法,对重庆市齐跃山风电场进行了一次时间分辨率为5 min的24 h风速、风功率的滚动预报试验,探讨了适用于中国典型内陆山区的风电场预报系统。结果显示:以WRF/CALMET/BP组成的动力—统计预报系统能够较好地模拟出内陆山区的风场特征,系统对正午至傍晚时段的风速预报准确率较高。WRF/CALMET动力模式对于风速中心振幅的模拟能力较好,经过BP神经网络订正后,模拟结果会趋于均值。不同风速段中,模式对低风速段(3~8 m·s^(-1))的预报效果较好,BP神经网络对中风速段(8~14 m·s^(-1))预报结果的订正效果最明显。     

2007—2018年金衢盆地地闪气候特征大数据分析

本文选取2007—2018年金华地区地闪资料，研究分析金衢盆地地闪大数据的气候特征，及地闪资料与地形、海拔高度的对应关系.结果显示：1）2007—2018年金华地区地闪年均次数为45 481次，年均地闪密度为4.3次·km^-2·a^-1，地闪密度变化范围为2.64~5.92次·km^-2·a^-1；2）2007—2018年金华地区逐年地闪空间分布差异大，各年的空间分布不均匀，地闪主要分布在西南角的仙霞岭及其至会稽山沿线，以及兰溪市、婺城区及金东区交界的金华山，而东南角海拔较高的大盘山和北面的龙门山的总地闪密度高值面积较小；3）将总地闪密度分段与地形、海拔高度对比显示，80次·km^-2以上总地闪密度与高海拔山区有较好的一致性，强地闪（电流强度100 kA以上）密度为5~7次·km^-2的25个点中有23个点分布在海拔208~989 m山区；4）下垫面电阻率较低的三江流域地区地闪密度为金衢盆地内最大的"洼地"，杭长铁路及附近的地闪密度仅接近平均值，这与其他相关研究结论不一致；5）2007—2018年中有41.7％年份的地闪次数和总地闪次数随海拔高度增加，其他年份的地闪强度均值和总地闪强度均值随海拔高度增长，且均通过了显著性检验.