近距离地闪电场变化及对通道电荷密度分布的响应

一般认为,如果回击过程将先导通道的电荷完全中和,则几十米到几百米范围内的近距离先导电场与回击电场的大小相同,否则,二者之间则存在一定的差异。为了对上述观点进行分析,将源电荷先导模式和MTLL回击模式组合建立了先导-回击模式(这两个模式的组合意味着先导通道的电荷被回击完全中和),对近距离先导-回击电场变化的"V"形结构进行了模拟分析。结果表明,即使假定先导电场被回击完全中和,在近距离30—550m范围回击电场与先导电场强弱关系并不确定。另外,根据进一步的讨论,上述模拟结果几乎不受其他因素,如土壤湿度(该因素直接决定土壤电参数)和地形起伏的影响。因此,在回击开始几十微秒内,基于地面测量的先导-回击电场之差来判断先导通道电荷是否被回击完全中和可能存在一定的不确定。     

地形地表的不规则起伏对雷电电磁场传输的影响

为了研究地形地表的不规则起伏(简称粗糙地表)对雷电电磁场传播的影响,首先利用二维分形方法模拟了粗糙地表,然后利用Barrick表面阻抗理论和Wait近似算法研究了粗糙地表对雷电电磁场传播的影响。结果表明,粗糙地表对地闪首次回击垂直电场的影响较小,但对继后回击存在明显的影响。随着粗糙度的增加,继后回击垂直电场峰值的衰减程度明显增加,且时域脉冲波形上升沿时间增大。如继后回击电磁场传播100 km,均方高为30 m的粗糙地表(电导率σ=0.1 S/m)引起时域电磁场波形上升沿时间额外增约1.5μs,电场峰值额外减小约12%,且其影响随着地面电导率的减小而增大。因此,在实际工作中应考虑复杂地形地表对闪电定位系统探测精度和效率的可能影响。     

Multiple pulses in dE/dt and the fine-structure of E during the onset of first return strokes in cloud-to-ocean lightning

We have analyzed the fine-structure of 131 electric field (E) waveforms that were radiated during the onset of first return strokes in cloud-to-ocean lightning. The dE/dt waveforms were recorded using an 8-bit waveform digitizer sampling at 100 MHz, and the E waveforms were sampled at 10 MHz using a 10-bit digitizer. 49 (or 37%) of the dE/dt waveforms contain one or more large pulses within ± 1 μs of the largest (or dominant) peak in dE/dt, i.e. within an interval from − 1 μs to + 1 μs, where t = 0 μs is the time of the dominant peak, and 37 (or 28%) have one or more large pulses in the interval from 4 μs before to 1 μs before the dominant peak, i.e. − 4 μs to − 1 μs, and only the dominant peak within ± 1 μs . We give statistics on the amplitude and timing of dE/dt pulses that are near the dominant peak, and we show how the presence of these pulses adds considerable fine-structure to the shape of E_int, the integrated dE/dt waveform, on a time-scale of tens to hundreds of nanoseconds. This fine-structure includes fast pulses near the beginning of the slow front, large pulses and shoulders within the slow front and during the fast-transition, and very narrow peaks in E_int. Our overall conclusion is that the electromagnetic environment near the point(s) where lightning leaders attach to the surface is often more complicated than what would be produced by a single current pulse propagating up a single channel at the time of onset.     

地面建筑物对地闪回击通道附近电磁辐射环境的影响

采用有限电导率下的时域有限差分（FDTD）方法,分析了建筑物对地闪回击电磁环境的影响.结果发现建筑物对回击电场的影响较为明显,对磁场影响较小,建筑物高度h_b=50 m时对磁场的影响不大于10%.建筑物顶部电场受自身高度的影响较大,屋顶中部的垂直电场随建筑物高度的增加而增大,水平电场随建筑物高度的增加而减小.建筑物高度为20、50和100 m时,屋顶中部的垂直电场分别约为地面处的1.3、1.7和2倍,水平电场约为地面处的0.9、0.8和0.7.电导率分别取0.001和0.1 s/m时对比发现,地表处的水平电场受电导率的影响较大,电导率越大,地表处水平电场的幅值越小,此时建筑物的存在对其影响不明显.地表以上一定高度处的水平电场则受观测点位置和建筑物的影响更加明显.     

中高层（60-120km）大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。     

雷击地闪密度与雷暴日数的关系分析

根据美国卫星观测得到的我国各省区年平均总闪电资料并计算出各省区的年平均地闪密度(以下简称地闪密度);根据全国各省区220个站点的年平均雷暴日资料,按照<建筑物防雷设计规范>GB50057-94(2000年版)(以下简称<规范>)公式计算出全国各省区的地闪密度.比较两种方法得出的地闪密度,发现存在较大的差异,且不同区域差异变化很大.用单位雷暴日地闪密度概念,分析了我国各地单位雷暴日地闪密度的差异及其原因,指出单位雷暴日地闪密度能粗略反映与我国气候特征相适应的地闪密度的分布状况.进一步分析湖州市2007年人工观测和闪电定位仪观测的闪电资料,得到相同的结论.从而提出<规范>规定的地闪密度计算公式存在较大误差,应对其进行进一步的修订和完善.     

基于声光信号的单站式闪电三维通道定位系统

目前基于雷声的三维定位系统多停留在实验阶段,从业务化运行的角度考虑,改进了单站式闪电三维定位系统的麦克风阵列,设计了定位算法,利用该系统采集了2014年夏季南京地区的部分闪电数据,并从计算耗时的角度对三维通道实时定位的可行性进行了研究。结果表明,基于声光信号的单站式闪电三维通道定位系统可重构闪电的三维通道;对连续的雷声信号进行分帧,帧长取0.03 s时,声源定位点可描绘出清晰的闪电主通道;采用分组保存和处理闪电声光信号的方法,可实现实时定位,当一组数据的保存时间为50 s时,计算耗时为46.507 s。     

0.1~40 MHz地闪、 云闪及NBE事件的辐射场频谱特征分析

利用宽带傅立叶分析法对2008年7月30日和8月4日两次雷暴过程中, 距离观测点5~20 km范围内的55次负地闪回击过程, 33次云内闪电过程以及20次双极性窄脉冲事件（NBE）的电磁辐射信号进行了观测分析, 得到地闪回击、 云闪放电初始阶段以及双极性窄脉冲事件在0.1~40 MHz频带宽度下的电磁辐射能量谱密度。结果表明, 这三类闪电放电过程的辐射频谱波形均呈现出随频率增加、 幅值减小的趋势, 但在辐射强度和衰减速率上存在一定的差异。负地闪回击幅频波形在6~28 MHz频段上衰减速率相对缓慢; 云闪初始阶段在全频带上始终遵循f-1.2~f-1.4之间的衰减率递减, 且其频谱幅值与地闪回击的辐射能量谱幅值相差不大; NBE事件在0.1~40 MHz频带中辐射能量谱幅值基本都明显大于其他两类闪电放电过程, 特别是在10 MHz以上的HF、 VHF频带上其差异可达到20 dB。     

湖北黄冈地区2006～2011年闪电时空分布特征分析

利用湖北省2006—2011年13个ADTD站的闪电定位资料,对黄冈地区的闪电频次、电流强度与极性等方面的时空分布特征进行分析。结果表明,黄冈地区以负闪电为主,负闪电占总闪数的97.4%,平均闪电强度为37.59 kA;正闪电仅占总数的2.6%,平均闪电强度47.36 kA。正、负闪电的发生频次有明显的日变化和季节变化特征。闪电频次的日变化呈双峰值型,高峰值出现在16时与19时。季节变化呈明显单峰值特征,4—9月闪电次数占总闪数的94.6%,其中6—8月占83.6%。闪电高密度区主要集中于黄冈中部的黄州、团风、浠水及罗田南部地区,密度值普遍在80次(/25 km2.a)以上。雷电流强度值主要集中在10～60 kV之间,占总次数的89.1%。     

安徽闪电分布特征和不稳定条件分析

利用安徽2008—2011年LD-Ⅱ型闪电定位系统资料,以统计方法分析安徽闪电分布特征,发现安徽闪电的发生较为集中在7—8月,闪电极性以负闪为主(约占总闪的93%以上),同时存在南北差异。南部的闪电数和平均电流强度比北部大,但北部正闪比例略高于南部。进一步结合2008—2011年阜阳、安庆两站探空资料,选取了抬升指数、对流有效位能、700~400 hPa平均相对湿度、700 hPa假相当位温、850~500 hPa温差、沙氏指数与K指数7个大气不稳定参数,以两站为中心的0.5个纬距范围内,分析了探空放球时间后6 h内,大气不稳定参数与闪电活动的关系,确定了闪电活动的不稳定参数阀值,为闪电活动预报奠定基础。     

The influence of topography on the cloud-to-ground lightning density in South Brazil

A comparative analysis between cloud-to-ground (CG) lightning density and terrain parameters (altitude and terrain slope) in South Brazil is presented. This region is characterized by a contrasting topography, where a mountain chain separates lower (depression) and higher (plateau) landscapes. The altitude and terrain slope data were obtained from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) digital elevation model (DEM). Two years of CG lightning data (from June 2005 to May 2007) obtained by the Brazilian Lightning Detection Network (BrasilDAT) were used in the study. To avoid intracloud contamination, positive CG flashes with peak currents less than 20 kA were removed from the data set. A relative detection efficiency model was used to correct the lightning data. The results indicate that, for localized areas (following the mountain shape) within this region of Brazil, the CG lightning density is correlated with the terrain slope and not the altitude. This suggests that terrain slope has more influence than altitude on the thunderstorm occurrence and lightning activity. In addition, a temporal analysis shows that over high altitude regions the diurnal variation (amplitude) of lightning activity is stronger and the peak occurs 1 h earlier than over low altitude regions.     

粗糙表面对雷电水平电场影响的模拟研究

利用分形方法模拟了粗糙陆地表面和海陆交接复杂表面,并通过Barrick提出的等效表面阻抗法和Cooray-Rubinstein（C-R）近似算法,计算了不同粗糙表面情况下的雷电水平电场。进而分析了粗糙陆地表面和海陆交接复杂表面对水平电场产生的影响。结果表明：当雷电水平电场沿粗糙陆地表面传播时,陆地表面的粗糙程度对电场影响很大,且随着粗糙度的增加,雷电水平电场的初始峰值会逐渐减小;当水平电场沿海陆交接复杂表面传播时,陆地的粗糙度对水平电场影响较大,而海浪起伏程度对电场影响较小。     

雷电过程中大气电场信号处理方法探究

基于天津市蓟州区大气电场探测数据和闪电定位数据,利用功率谱分析、小波降噪和快速傅里叶变换等信号处理方法,分析了雷电天气过程中地面大气电场变化特征。结果表明,雷电过程中大气电场能量主要集中在低频部分,利用sym5小波函数进行7层或8层分解,提取的低频信号能够反映大气电场的主要变化特征。在首次闪电发生前1小时,大气电场的频谱幅值起伏变化明显,且远高于非雷电天气电场频谱幅值。通过欧氏距离判别法,判断大气电场频谱特征更接近雷电天气还是非雷电天气,可为雷电预报预警提供参考。     

故宫博物院“6·23”雷击事件分析

2011年6月23日故宫博物院锡庆门、箭亭等5个场所遭雷击.利用该日常规天气资料、卫星资料、雷达资料、大气电场资料、闪电定位资料,分析了该次雷击事件的天气背景和雷击时段大气电场、闪电分布的相关特征;根据雷击现场调查,分析了故宫遭雷击的具体原因和防雷薄弱环节,针对存在的问题给出了整改建议;提出了采取小范围雷电监测预警措施,进行故宫精细化雷电监测预警,改善故宫防雷现状.相关结论可以为文物古建场所的雷电监测预警以及防雷措施的选择提供参考.     

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.     

EM 对稻田甲烷排放抑制作用的初步研究

该文主要讨论采用有效微生物菌剂（Effective Microorganisms）抑制稻田甲烷气体排放的试验结果。试验表明:第一年中抑制作用明显,平均在59%以上,并且使负通量（即稻田成为吸收大气中CH4的汇）的出现频率增加。这可能是EM中含有的光合细菌作用所致。试验还表明使用EM时可以取代化肥使产量增加。     

关于风力发电场风机光影影响防护距离的研究

风力发电场的建设,极大地推动了地方经济的发展;但如果风机布置不科学,极有可能对周围民宅产生光影闪烁影响。关于风力发电场风机的光影闪烁影响预测,国家目前尚无相应的标准和规范,也无可借鉴资料。综合分析了辽宁省环境工程评估审核中心所评估的个例环评报告,初步探讨了风机产生的光影闪烁影响的各种情况,提出了风机光影影响防护距离的概念和计算方法。     

复杂地形气象场对污染物浓度空间分布影响的研究

利用WRF模式与多尺度空气质量模式(CMAQ)系统模拟了试验期间(2005年1月30-2月2日)兰州市城区SO2的地面浓度,并根据模拟结果进一步分析了兰州市冬季污染物的空间分布特征。研究结果表明西固区和城关区各有一处污染物高浓度区域;受排放源空间分布和气象场的综合影响,夜间SO2地面污染范围小于日间,夜间污染物地面最大浓度明显高于日间,夜间模拟区域平均值低于日间;水平流场和山谷风环流形成的垂直运动均对污染物地面浓度有明显影响。     

时间平均流场对风场振动的优势选择作用

本文根据谐谱展开的水平动量方程，在一定的假设下导出了集时间平均场的涡、散性质于一体的诊断关系式——大气振动频率的优势选择判据，并据此讨论了基本?场的水平不均匀对大气振动的影响。通过这个关系式，利用１９８２年ＥＣＭ?ＷＦ资料对优势频率进行了计算，给出了对流层高、中、低各层的全球分布。?从而指出在实际大气中存在着基本场对某频率上的振动有选择放大作用。     

山区地形对暴雨的影响

利用常规气象观测资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料、区域自动气象站资料与NECP/NCAR 1°×1°逐6 h全球再分析资料,对2016年7月3—4日梵净山东南侧暖区特大暴雨的中尺度系统演变与环境场特征进行了分析。结果表明：（1）该过程暴雨发生在副热带高压西北侧高空槽区、低层暖切变南侧、低空急流左前端及高空200 hPa分流辐散区,主要影响系统为500 hPa高空槽和850 hPa暖切变线,地面无明显冷空气影响,属贵州暖区极端暴雨。（2）此次暖区暴雨是由4个对流云团连续影响直接造成,强降雨出现在对流云团中心附近及其后侧云顶亮温（T_BB）等值线梯度大值区。（3）暴雨由积状云为主的混合降水回波造成;暖云层和湿层深厚、低层水汽输送充沛、异常偏低的自由对流高度（LFC）和抬升凝结高度（LCL）及中等强度“瘦高”型对流有效位能分布,是形成高效率降水的有利环境条件。（4）梵净山对水汽向北输送具有阻挡作用,使水汽通量大值带和水汽辐合中心集中在其东南侧;边界层偏东风在山前转向南流与南来偏南气流在暴雨区形成东西向稳定中尺度辐合线,对流在辐合线附近触发、合并、加强和东移是造成特大暴雨的重要原因;迎风坡和喇叭口地形的中小尺度动力强迫有利于边界层水汽输送和抬升凝结。