Analysis of microsecond- and submicrosecond-scale electric field pulses produced by cloud and ground lightning discharges

We examined microsecond- and submicrosecond-scale pulses in electric field records of cloud and cloud-to-ground lightning discharges acquired in summer 2006, in Gainesville, Florida. A total of 12 cloud and 12 ground flashes were analyzed in detail, with the electric field record length being 96 or 200 ms and sampling interval being 4 or 10 ns. The majority of pulses in both cloud and ground discharges analyzed in this study were associated with the initial breakdown process and were relatively small in amplitude and duration. The typical durations were an order of magnitude smaller than tens of microseconds characteristic of “classical” preliminary breakdown pulses. We estimated that 26% of the pulses in the 12 cloud discharges and 22% of the pulses in the 12 cloud-to-ground discharges had total durations less that 1 µs.     

Interaction between adjacent lightning discharges in clouds

Using a 3D lightning radiation source locating system (LLS), three pairs of associated lightning discharges (two or more adjacent lightning discharges following an arbitrary rule that their space-gap was less than 10 km and their time-gap was less than 800 ms) were observed, and the interaction between associated lightning discharges was analyzed. All these three pairs of associated lightning discharges were found to involve three or more charge regions (the ground was considered as a special charge region). Moreover, at least one charge region involved two lightning discharges per pair of associated lightning discharges. Identified from electric field changes, the subsequent lightning discharges were suppressed by the prior lightning discharges. However, it is possible that the prior lightning discharge provided a remaining discharge channel to facilitate the subsequent lightning discharge. The third case provided evidence of this possibility. Together, the results suggested that, if the charges in the main negative charge region can be consumed using artificial lightning above the main negative charge regions, lightning accidents on the ground could be greatly reduced, on the condition that the height of the main negative charge region and the charge intensity of the lower positive charge region are suitable.     

2011—2019年安徽南部山区与北部平原闪电分布特征

利用2011年1月至2019年12月安徽省ADTD闪电定位系统监测资料,对安徽南部山区与北部平原的闪电频次、极性、雷电流强度等参数进行对比分析。结果表明：安徽南部山区总闪电频次约为北部平原的2.84倍,北部平原正闪比高于南部山区,这与两地区强对流天气类型有关。两地区闪电频次的月、日变化均呈单峰分布,春季、夏季闪电活动明显多于秋季、冬季,午后至傍晚为一天中的雷电活跃时段,但南部山区在雷电高发月份及时段的闪电频次波动程度远大于北部平原。在雷电流强度方面,北部平原整体上大于南部山区,正、负地闪强度分别高出10.77 kA、9.52 kA,其中正地闪强度峰值均出现在2月,负地闪均为10月,南部山区正、负地闪及北部平原负地闪日强度峰值与频次峰值时段相反。对安徽省总闪频次进行主成分分析表明,EOF分解的前5个特征向量累计方差贡献达到59.137%,空间上表现出安徽南部山区与北部平原雷电活动变化趋势既具有一致性,也具有明显的南北差异。     

基于ADTD闪电定位资料的重庆市地闪特征分析

为了掌握重庆市雷电活动规律,采用数理统计方法及ArcGIS软件,对2008—2019年ADTD闪电定位资料进行分析,得到了重庆市地闪频次的时空分布特征,雷电流幅值、陡度的分布特征和累积概率分布函数。结果表明：重庆市平均每年发生地闪2.08×10⁵次,其中负地闪占95.7%;地闪频次年际变化大,最多年为3.04×10⁵次,最少年为1.27×10⁵次,月分布呈单峰型,7—8月为雷电高发期,占全年的57.9%,日变化呈双峰型,负地闪在夜间03时及下午17时到达峰值,正地闪峰值出现时间比负地闪要晚1—2 h,且午后的峰值远小于夜间;地闪密度空间分布与地形关系密切,大值区主要集中在山脉的交汇处及台地—丘陵向山地的过渡地带;江津北部至重庆中心城区、开州南部至万州北部、忠县南部至石柱西部、永川南部—荣昌至大足西部为地闪密度大值区,密度普遍大于3次·km^-2·a^-1,局部大于6次·km^-2·a^-1;总地闪平均幅值为37.9 kA,其中10—50 kA...     

2007—2019年湖北省地闪分布特征及雷电强度等级划分

根据2007—2019年地闪监测资料,采用数理统计方法,分析湖北省闪电活动时空分布特征,融合地闪密度和雷电流强度,提出雷电强度的概念,并完成湖北省雷电强度等级划分。结果表明：湖北省以负极性闪电为主,占94.7%,平均正地闪强度为50.2 kA、负闪36.0 kA、总闪37.0 kA。闪电活动主要集中在全年的3—9月、全天的14—20时,闪电活动较弱的月份、时段发生正地闪的比例较高。正地闪强度月变化大致呈“V”型,总闪电和负地闪强度逐月波动变化。雷电流强度日变化主要呈单峰单谷型,正地闪强度09时最大,15时最小,总闪电和负地闪13—14时雷电流强度最小,05时最大。地闪密度和雷电流强度存在地域性差异,整体呈东高西低分布特征。湖北省雷电强度可划分为高、中、低3个等级,高值区主要位于湖北东部的大别山、幕阜山与江汉平原交汇地带以及湖北西部山区向江汉平原的过渡地带;湖北西南、湖北西北以及湖北个别边缘区域雷电强度等级较低;中值区主要分布在湖北中部平原一带。     

The influence of individual variations in the fieldchanges due to lightning discharges upon the design and performance of lightning flash counters

Summary It is shown that lightning flash counters responding only to the electrostatic component of the change in field are likely to be least subject to error; this implies a preferential selection of very low frequencies. Data and examples indicating the extent of the inaccuracies encountered are given. From statistics, showing rates of flashing and the duration of discharges, it is concluded that counters should have an insensitive period of approximately a second. Some remarks on general design considerations are appended, and a simple circuit for counting discharges to ground is given.

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Zusammenfassung Es wird gezeigt, daß Blitzzähler, welche nur auf die elektrostatische Komponente der Feldänderungen reagieren, die geringsten Fehlerquellen aufweisen. Diese Methode erfaßt eine bevorzugte Auswahl sehr niedriger Frequenzen. Beobachtungsdaten und Beispiele für das Ausmaß der festgestellten Ungenauigkeiten werden angegeben. Aus der Statistik der Blitzzahlen und der Dauer der Entladungen wird geschlossen, daß die Zähler eine unempfindliche Periode von etwa 1 Sekunde haben sollen. Einige allgemeine Bemerkungen über die Konstruktion sowie ein einfaches Schaltschema für die Zählung von Entladungen gegen die Erde werden beigefügt.

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Résumé On montre que les compteur d'éclairs qui ne réagissent qu'aux variations du champ électrostatique présentent le moins de causes d'erreur. Cette méthode comprend un choix préférentiel des très basses fréquences. On donne des exemples de l'importance des erreurs constatées. On déduit de la statistique du nombre des décharges et de leur durée que les compteurs doivent avoir une période d'insensibilité d'environ une seconde. Suivent quelques remarques générales sur la construction des appareils et sur un schéma simple de montage permettant de dénombrer les coups de foudre.

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With 5 Figures     

2013年内蒙古地区雷电及其灾害特征分析

文章运用2013年内蒙古气象局闪电定位系统监测资料和雷灾统计资料,对内蒙古地区2013年雷电活动及雷电灾害的时空分布特征进行分析。结果表明,2013年共监测到雷电35万多次,其中正、负地闪比为1:13,高于南方省市的比例;正地闪平均强度为负地闪的2.6倍,破坏性强。全年地闪的97%集中在7—9月,最大地闪密度为18次/km2。据不完全统计,2013年共发生雷电灾害27起,直接经济损失107.91万元,死亡9人,受伤3人。雷电灾害造成人员伤亡主要发生在农牧区的户外环境,农牧民的防雷意识有待进一步提高。     

山东地区闪电密度时空分布特征

利用山东地区2006年6月至2007年10月13站的闪电资料,分析了该地区闪电密度的时空分布特征。结果表明:13站相比5站布局,获取的闪电样本更多,代表性更好,探测精度更高,分析结果存在差异;闪电密度高值区域出现一定的南移,在半岛内陆地区和东部荣成市出现了新的高值区域,负闪所占比例增加,占99.06%,平均闪电强度增大,负闪平均强度11.47 kA明显低于正闪平均强度25.04 kA;正、负闪电频次年、日变化均呈双峰值特征,但不同时间、不同区域之间存在差异;闪电强度季节变化呈单峰谷形式,但各区域峰谷时间有差异,且冬季没有正闪电发生。     

对赤水市防雷工作的思考

该文介绍赤水市气象局防雷减灾工作的一些经验及防雷减灾工作中存在的共性问题,并提出相应的解决办法及建议.     

一次夏季雷暴天气过程中闪电活动特征分析

利用探空资料、多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年7月30日发生在南京地区一次雷暴天气过程的雷达及闪电数据时空演变特征。结果表明：对流有效位能Ecap比起K指数（IK）等对于对流潜势预报具有更明显的指示作用,0 ℃层和-10 ℃层高度的降低有利于雷暴云的雷电活动;整个过程以负闪为主导,闪电强度越大,闪电频数也越高,每次闪电峰值后,都对应一次谷值;闪电数据与多普勒天气雷达回波叠加后分析发现,回波的生消演变对应着闪电频数和强度的生消演变,负闪主要落在强回波中心区域,正闪零星分布于回波强度梯度较大的区域;雷达径向速度图像特征变化更能揭示闪电发生发展的机制,逆风区对应雷暴中心区域,不仅是强降水的中心区也是闪电的中心区,对逆风区的识别监测能够更好的指导雷暴预警报工作;利用雷达数据计算的云底动能施力参量,能够很好的描述支持闪电起电的热动力特征,云底动能施力对雷电增长的贡献有一段持续传输过程,该参量峰值比频闪峰值和强度峰值都约有0.5 h的提前量。     

江苏苏南地区高速公路闪电时空分布特征研究

利用江苏省闪电监测定位系统探测2007—2013年地闪观测资料和2013年云闪观测资料,研究了苏南地区高速公路沿线地闪和云闪的时空分布特征。研究表明:1)苏南地区高速公路的年、月地闪频次具有西部多于东部的分布特征,其中扬溧高速最多;6—8月是地闪出现的高峰期,且西部地区出现峰值时间(7月)早于东部地区(8月);但日地闪频次的峰值出现时间东部(13～16 h)要略早于西部地区(14～18 h)。2)地闪强度(峰值电流)主要集中在20～50 kA,总体趋势是东部大于西部;高速公路地闪强度高值区主要集中在宁镇丘陵以及太湖、长江沿线附近,其中南京绕城高速、扬溧高速镇江段、宁杭高速南京段、沿江高速无锡段、沪宁高速等都是地闪密度较高路段。3)云闪集中发生在5—9月,西部地区云闪频次波动明显,总体呈双峰型月变化分布特征;东部地区云闪频次相对集中,呈单峰型月变化分布特征;西部地区出现云闪日高频次的时间(13～18 h)要早于东部地区(17～18 h)。     

闪电发生的环境场特征及闪电活动的预报

利用2006—2015年6—8月章丘探空站逐日探空资料,计算了K指数、抬升指数、对流稳定度指数等6个环境参数,探讨了单个环境参数和多个环境参数组合与闪电活动的关系。结果表明：1）单个环境参数在一定数值范围内可作为闪电活动预报的指标,且较强的闪电活动更容易由大气的不稳定状态来预报;2）多个环境参数的组合可在一定程度上反映闪电活动的特征,闪电出现的概率随着达到大气不稳定临界值物理量参数个数的增多而增大,预报效果比单个参数更好;3）应用事件概率回归方法建立了闪电概率潜势预报方程,方程通过了α=0.01的显著性水平检验,通过检验和评估,闪电概率预报的TS评分达到78%,该方法的建立为闪电潜势预报提供了参考依据。     

青岛地区闪电活动气候特征

利用10 a TRMM卫星的总闪电资料和3 a的地闪定位资料,研究青岛地区闪电的时空分布特征及其规律.结果表明:青岛地区逐月闪电次数差异较大,闪电的季节变化明显,8月闪电最多.闪电活动日分布呈现双峰形式,最高峰值出现在17:00-19:00之间.从空间分布来看,闪电多发生在靠近青岛市的四个边缘地带,而青岛市中部闪电发生较少.青岛地区的平均总闪电密度为5.95次·km-2a-1,地闪平均密度为1.077次·km-2a-1.青岛地区的云闪与地闪比值平均为4.52,正地闪占总地闪的5.9%.正地闪的平均强度为51.63 kA,最大值为561 kA;负地闪的平均强度为34.53 kA,最大值为481 kA.     

冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征

利用多普勒雷达资料、三维闪电监测网资料和MICAPS常规观测资料,对2017年4月5日发生在贵州中部一次多单体冰雹天气过程雷达回波演变与闪电特征进行了综合分析,结果表明：（1）在高空槽和低空切变线配合的有利天气背景下,对流单体相继在贵州西部生成并向东移动发展,造成下游大范围冰雹灾害。（2）冰雹云单体移动发展过程中表现不同的增长特性,偏北路径冰雹云单体属于\     

Luminosity characteristics of leaders in natural cloud-to-ground lightning flashes

Using high-speed cameras, we have recorded the leaders contained in four natural negative cloud-to-ground (CG) lightning flashes in the summers of 2006 and 2007 at Conghua, Guangdong, China. It was found that the downward negative leaders preceding the first return stroke could propagate at quite different speeds. In one flash, the average speed of the downward negative stepped leader with no branches is about 2.2 × 10⁶ m s^− 1, while that of the other 3 flashes are all of the order of 10⁵ m s^− 1 with multilevel branches. The luminosity of the leaders shows an increasing tendency in propagating downward to the ground. For the leaders preceding the subsequent strokes, although all of them exhibit high speeds as reported previously. One subsequent leader exhibits an increasing speed from 5.2 × 10⁵ m s^− 1 to 1.7 × 10⁶ m s^− 1 during its propagation from about 1.26 to 0.36 km above the ground, and its luminosity also increased. The speed and luminosity of a leader between subsequent strokes of a natural lightning appear to decrease as it developed downward. Its speed ranges from 1.1 × 10⁶ to 1.1 × 10⁵ m s^− 1, with a height between 1.15 and 0.81 km above the ground.     

华南暖区暴雨研究进展

利用常规观测资料、FY-2G/2E卫星黑体亮温（T_BB）资料、多普勒天气雷达资料与ERA-Interim再分析资料,对2016年4月17-18日南岭山脉一次强对流天气过程进行了诊断分析。结果表明：（1）该过程前期,受地面倒槽与辐合线影响出现暖区降水,后期随着地面冷空气侵入配合低空切变线与高空槽东移南压迅速转变为锋面降水,强降水落区与南岭山脉走向一致,大暴雨由多个中尺度对流系统（MCS）移入和有利地形作用造成;大冰雹、雷暴大风主要出现在暖区降水时段,暖区短时强降水以高质心降水为主,锋面越山之后强天气主要为低质心短时强降水,雷暴大风和冰雹较少出现。（2）雷达回波图上中层径向辐合的出现,对雷暴大风具有预警参考意义;中气旋、高垂直累积液态水含量（V_IL）、回波悬垂、有界弱回波等回波特征对提前预警大冰雹有一定的指示作用。（3）不同类型强天气发生的大气层结条件存在差异,上层干区深厚、低层湿度条件较好有利于产生大冰雹,大的0-6 km垂直风切变有利于冰雹增长;大的下沉对流有效位能（DCAPE）是预报雷暴大风的一个参考指标;整层温度露点差和DCAPE小是判断只出现短时强降水的参考依据。（4）南岭及其附近地区\     

Simultaneous optical and electrical observations on the initial processes of altitude-triggered negative lightning

Using a high-speed camera system and two electric field antenna systems, we have documented the initial processes of an altitude-triggered negative lightning (ATNL). The optical records clearly show that ATNL begins with the inception and propagation of an upward positive leader (UPL) and then a simultaneous propagation of UPL and downward negative leader (DNL), known as the bidirectional leader process, follows. Based on the optical records, it is inferred that (1) the triggering height is about 371 m; (2) the two-dimensional (2D) propagation speed of the UPL in its inception phase is about 3.8–5.5 × 10⁴ m s^− 1 during its propagation from about 393 to 452 m above the ground; (3) the grey levels of the DNL are about one order of magnitude higher than that of the UPL in their inception phase; (4) a discharge phenomenon propagating along the elevated triggering wire part of the lightning channel occurs after the mini-return stroke (MRS), with a 2D propagation speed of about 1.6–2.0 × 10⁵ m s^− 1. Combined with the simultaneous electric field change records, it is further inferred that (1) the UPL incepts about 932 μs earlier than the unstable DNL and about 4.1 ms earlier than the stable DNL; (2) the unstable DNL propagates downward intermittently three times with a time interval of about 1 ms, and each propagation contains a different number of steps with an average step length of about 7 m; (3) the stable DNL incepts at the tip of the unstable one, with a 2D propagation speed of about 1.9 × 10⁵ m s^− 1, an average step length of about 3 m, and a stepping time interval varying from 6 to 31 µs with a mean value of 15 µs.     

南京地区夏季雷暴的雷达雷电特征分析

通过对2009年发生在南京的6次雷暴过程的雷达回波强度、VWP产品、垂直速度等雷达产品和探空资料等常规气象产品以及闪电资料的对比分析,发现VWP产品对雷暴过程中大气的湿度条件有较好的指示作用,ND区的初始破坏时间往往早于雷暴中闪电的发生时间。闪电主要发生在雷达最大回波顶高度突破9 km之后,并且最大回波顶高度较闪电峰值有约12 min的提前量。雷达平均垂直速度图中出现强上升中心后的短时间内闪电将会突然增大。     

Some aspects of the correlation between lightning and rain activities in thunderstorms

The lightning activity of convective systems is a sometimes fruitful indicator of their precipitation production. The present study compares rain volume with different types of lightning activity in several convective systems. The study uses data obtained in the Paris area where two lightning detection systems coexist. The Météorage network provides the location and the polarity of cloud-to-ground flashes, while the SAFIR system detects the total flash activity: cloud-to-ground, intra-cloud flashes and VHF individual sources within a given time window. The overall spatial correlation between rain and lightning appears to be very consistent for all lightning types. A pixel-to-pixel study shows that positive CG flashes are associated with higher rainwater volume than negative flashes. Introducing a weight coefficient for positive CG flashes considerably improves the correlation between rain amount and lightning production. Taking into account the specific contribution of each type of lightning flash, the amount of rain can be estimated from the total electrical activity of each system. Comparison with the amount derived from radar measurement shows reasonable agreement. Finally, the parallel time evolutions of rain and lightning rates display quite similar characteristics.