青藏高原闪电活动的时空分布特征

利用卫星上携带的闪电探测仪所获取的8年闪电资料(1995～2002)对青藏高原闪电活动的时空分布以及高原季风期间闪电活动对地面热力学特征的响应进行了研究.结果表明,高原上的平均闪电密度为3fl·a-1·km-2,并在高原中部（32°N, 88°E）出现闪电密度峰值5.1fl·a-1·km-2.闪电活动主要发生在6～8月,并在6月下旬至7月中旬最为活跃.大部分地区的闪电活动日变化峰值出现在14:00～16:00 LT,在中西部的显著高山地区早于这一时刻,而在显著低海拔的塔里木和柴达木盆地晚于这一时刻.夏季季风期间高原上的闪电活动明显依赖于地表的热力学特征,并与地表鲍恩比和感热通量呈明显的线性正相关,相关系数分别为0.7和0.6,鲍恩比有可能作为调整闪电产生效率的量度.     

雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

卫星观测到的全球闪电活动及其地域差异

闪电活动在时间和空间尺度上都有很大的可变性. 本文利用热带降水测量计划（TRMM）卫星上携带的闪电探测系统获取的闪电定位资料首次对一些典型地区的闪电活动进行了对比分析. 研究发现不同地区的闪电活动无论在闪电频数或放电强度方面都有很大的差别，海洋上的闪电活动频数与陆地上的闪电活动频数可相差几十倍；不同地区闪电活动的多少不仅取决于该地雷暴日数的多少，更重要的还取决于该地每次雷暴过程闪电频数的多少；不同地区的闪电放电强度有随闪电频数增加而减小的趋势. 进一步研究还表明，不同地区闪电光辐射能的不同可以用对流最大不稳定能量（ECAPE）来解释，闪电放电强度与ECAPE之间存在非常好的线性正相关；而闪电活动频数对ECAPE的响应则与闪电光辐射能不同，二者之间没有发现明显的相关.     

北京地区闪电活动与气溶胶浓度的关系研究

基于2015—2017年北京闪电定位网（BLNET）总闪资料与35个自动空气质量监测站PM_2.5数据,分析了北京地区（39.5°N—41.0°N,115.0°E—117.5°E）夏季（6—8月）闪电活动与PM_2.5的时空分布特征,同时针对117次雷暴天气,探讨了气溶胶浓度变化对闪电活动的可能影响.结果表明：PM_2.5浓度及总闪密度均呈现自西北向东南升高的空间分布特征.闪电峰值在污染背景下出现的时间（19：00LT）晚于清洁背景下（15：00LT）约4 h,且总闪百分比（~20%）可达清洁背景下（~9%）的两倍.对雷暴前1~4 h的PM_2.5浓度与时间窗（12：00—22：00LT）内总闪数目的中位数进行相关分析,发现PM_2.5浓度低于130 μg·m^-3时,PM_2.5与总闪数存在明显正相关,此时气溶胶可能通过影响云微物理过程进而影响雷暴的对流发展,增强闪电活动;PM_2.5大于150 μg·m^-3时,总闪数随PM_2.5浓度的增加呈减少趋势,可能的原因是高气溶胶浓度下地面太阳辐射显著下降,对流活动受到抑制,导致闪电活动减少.当PM_2.5浓度在130~150 μg·m^-3时,两者关系不明显.

     

1997/1998ElNio期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料, 对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现, 在这一El Ni駉事件期间, 与NINO3区海表温度正距平升高的同时, 1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常, 并一直持续到次年春季结束, 各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%, 30%, 45%, 498%和55%, 其中冬季变化幅度最大; 正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区, 而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾. 与正常年份相比, 各季闪电密度正距平中心位置显著偏西, 特别是冬、春季同时偏北. 另外, 中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明, 正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关; 在三项中, 闪电密度的相对变化率最大, 闪电活动对El Ni駉事件的响应最灵敏. 但是, 黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Ni駉事件的响应情况更为复杂和多样化.     

区域闪电活动对地面相对湿度的响应

全球闪电活动表现出明显的地域差异,温度和湿度是造成这种差异的基本气象因素.本文利用美国全球水资源和气候中心提供的1995～2002年全球闪电资料和NCEP气象再分析资料,研究了区域闪电密度对地面相对湿度(RH)的响应.发现在平均相对湿度RH73%的经度带里,闪电密度与RH呈负相关;在RH>74%的赤道地区闪电活动与RH呈负相关, 而在RH<72%的中高纬地区闪电密度与RH呈正相关.得到结论：当地面相对湿度过大时,相对湿度的增加不利于闪电活动的发生;而当相对湿度较小时,相对湿度的增加有利于闪电活动的发生.地面相对湿度的临界值域约为72%～74%.此结论在不同经、纬度的几个典型区域均得到了验证,并探讨了过大的相对湿度抑制闪电活动发生的可能原因.     

1997/1998 El Niño期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料, 对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现, 在这一El Niño事件期间, 与NINO3区海表温度正距平升高的同时, 1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常, 并一直持续到次年春季结束, 各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%, 30%, 45%, 498%和55%, 其中冬季变化幅度最大; 正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区, 而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾. 与正常年份相比, 各季闪电密度正距平中心位置显著偏西, 特别是冬、春季同时偏北. 另外, 中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明, 正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关; 在三项中, 闪电密度的相对变化率最大, 闪电活动对El Niño事件的响应最灵敏. 但是, 黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Niño事件的响应情况更为复杂和多样化.     

基于甚高频三维定位估算闪电通道产生的氮氧化物

基于闪电甚高频辐射源三维定位系统,本文采用了一种三维空间单元网格化提取闪电通道并计算其长度的方法。该方法通过对定位辐射源点进行聚集处理,继而进行通道提取后,可比较准确地得到一次闪电的三维通道总长度。为了验证该方法的可行性,本文设计并进行了模拟实验,定量给出了该方法的误差不超过10％。利用实验室得出的单位放电通道长度产生的NO量与气压的关系,将其应用到不同高度上单位闪电通道长度产生的NOx量。基于该方法对青藏高原东北部地区一次雷暴过程中11次负地闪和59次云闪的通道长度和其产生的氮氧化物量进行了计算。结果表明：地闪平均通道长度为28.9km,云闪平均通道长度为22.3km;一次地闪产生的NOx量平均为1.89×10^25分子数,一次云闪产生的NOx量平均为0.42×10^25分子数。     

基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation, LER)多点观测结果. 基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System, TEROS), 在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件, 结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料, 对3次事件的高能辐射特征进行研究. 分析发现: 3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到, 是典型的X射线暴, 且均具有MeV能量的单光子, 最大能量超过2.2 MeV; 伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs, 伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs, 主要与先导发展速度有关; 相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量, 随着接近回击时刻, 该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势, 表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素; 随到达强度降低, 高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变, 呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征, 更多乃至所有的爆发过程无法被探测到, 高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

     

1997/1998 El Ni(n)o期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料,对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现,在这一El Nino事件期间,与NINO3区海表温度正距平升高的同时,1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常,并一直持续到次年春季结束,各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%,30%,45%,498%和55%,其中冬季变化幅度最大;正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区,而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾.与正常年份相比,各季闪电密度正距平中心位置显著偏西,特别是冬、春季同时偏北.另外,中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明,正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关;在三项中,闪电密度的相对变化率最大,闪电活动对ElNino事件的响应最灵敏.但是,黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Nino事件的响应情况更为复杂和多样化.     

静止卫星闪电探测中云影响研究

相对已经在轨运行的极轨卫星,搭载在静止卫星上的闪电成像仪能够提供全天候、无间断的闪电探测,是目前全球卫星闪电探测的方向.本文分析云不同特性对云顶闪电信号的影响,以及云高对静止卫星闪电定位的订正分析,将对静止卫星闪电成像仪的研发及其业务化运行提供技术支撑.研究中,通过建立云中闪电传输模型,模拟云中闪电传输.由于云粒子散射,云的体积、光学厚度和形状,以及闪电在云中发生的深度,都影响云中或云间闪电信号传输到云顶的能量衰减和持续时间,其持续时间可能超过已知静止卫星闪电成像仪假设的2 ms成像积分时间间隔,这样不能保证所有的闪电信号在一帧图像内探测到.但是,云粒子散射对云顶闪电的水平位置影响不大,闪电成像仪定位的云顶闪电可代表云中或云间的闪电位置.同时,在传统静止卫星图像定位模型的基础上,建立了闪电定位的云高订正模型.根据该模型,当云顶高度为10 km,云高所引起的闪电定位最大误差达到经向0.5379°、纬向0.2273°,超过已知静止卫星闪电成像仪假设的地面探测单元大小,有必要进行订正.     

用宽带干涉仪观测云内闪电通道双向传输的特征

利用闪电宽带干涉仪系统对闪电的观测表明，地闪和云闪的云内闪电通道都存在双向发展的特征. 闪电在云中负电荷区域初始激发以后，在通道两端发生向不同方向同时发展的击穿过程. 这两种击穿过程均产生较强的辐射，且辐射频谱特征十分相似，表明云内闪电通道两端发生的击穿过程可能均为负击穿过程. 相应电场变化表明闪电通道双向发展期间伴随着负电荷的向上转移. 这一观测事实与Kasemir早期提出的闪电通道双向发展的概念有一定的差异.     

闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征

利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.     

闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征

利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.     

西北太平洋地区的一些深震震源的研究

利用波形拟合方法和剪切破裂源模型,研究了发生于西北太平洋地区的mb5.5,h＞400 km的13个深震,并得到其震源参数：震源深度,地震断层面,滑错角,破裂扩展速度,破裂长度,破裂扩展方向角及地震矩．发现这些深震均可用剪切破裂源表示,且具有简单的震源时间函数,大多数深震的断层面走向与俯冲带走向一致,特别是在俯冲带深部,有使俯冲带倾角变小的趋势,利用分布点源模型可以使波形拟合结果更好,但由分布点源得不到与单侧剪切破裂源相一致的总体性的破裂传播方向．     

北京西北活动构造定量资料与未来强震地点的讨论

通过阐述北京西北的活动构造定量数据及其精度,用确定性方法、概率方法和综合评分方法,通过排队,比较出北京西北及邻近地区未来强震可能发生的地点,讨论预测结果中存在的一些问题．结果显示,未来强震最危险的断裂段为：阳原盆地南缘断裂B段和A段、延矾盆地的燕水段、宣化盆地南缘断裂、怀安镇南缘断裂东段和阳高——天镇北缘断裂东段等段落．亦即阳原-深井盆地为最危险区;天镇-怀安镇-宣化盆地为次危险区;万全-张家口和蔚县东北-矾山西南为更次危险区．     

海南东部小海潟湖沉积物地球化学特征及对古台风活动的指示

为探讨海南东部历史时期的气候环境变化,2015年于海南岛东海岸小海潟湖中采集了一根长73 cm的柱状样(XH15-02),在年代学(210Pb和AMS14C)测试的基础上,开展了多环境代用指标(总有机碳(TOC)、总氮(TN)、有机碳稳定同位素、干密度等)的测试和分析.结果表明,XH15-02柱状样TOC与TN含量有很好的相关性,C/N比值在10.41～23.33之间变化,有机碳稳定同位素(δ13Corg)值在-25.14‰～-23.29‰之间.通过对多气候环境代用指标的分析,以及与历史文献资料和其他自然代用指标的综合比对,认为XH15-02孔岩芯沉积记录了研究区过去1100多年来较为丰富的气候环境、台风活动以及人类活动影响等信息.近千年来,小海潟湖沉积有机物主要以陆源输入为主,据估算该岩芯有机碳陆生来源约占47.00%～73.43%,但在不同时期变化幅度较大,该陆源有机碳含量变化可能主要反映了历史时期海南东部地区的干湿变化历史;自1850年以来,XH15-02孔岩芯沉积通量的显著增加与当地人口的快速增长历史一致,反映了研究区近二百年来可能受到的人类对自然界的开发活动影响强烈;多个具有显著偏正δ13Corg记录的时期同史料记载以及周边区域地质记录中的"大风"、"海溢"、"风暴"等事件发生时间较为相近,可能揭示了历史时期的台风或高海平面事件,进而认为小海潟湖沉积在重建历史时期海南地区台风活动等方面具有很大潜力.     

西北太平洋海气界面湍流热通量低频振荡强度的特征

利用美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的1985～2006年日平均的湍流热通量及相关基本变量数据,通过小扰动方法和相关分析,详细讨论了西北太平洋湍流热通量低频振荡强度的特征．结果表明：（1）西北太平洋潜热低频振荡强度的空间分布主要受海气比湿差低频振荡强度（△q＇）和海气比湿差平均值（△q^-）的空间分布影响;感热低频振荡强度的空间分布主要受海气温差低频振荡强度（△T）的空间分布影响．（2）湍流热通量低频振荡强度冬季最强,夏季最弱．潜热低频振荡强度的季节变化受△q＇强度季节变化、海表面风速低频振荡强度（U＇）季节变化、△q^-季节变化和风速平均值U^-季节变化共同影响;感热低频振荡强度的季节变化主要受△T强度季节变化和U^-季节变化的影响．（3）20°N以北海域和热带西太平洋,潜热（感热）低频振荡主要受大气变量q＇a（Ta＇）和U＇的影响,表现为海洋对大气强迫的响应;20°N以南的热带中东太平洋,qs＇（Ts＇）的变化对潜热（感热）的低频振荡也有较大影响．