北京和广州地区云闪初始击穿电场变化特征

对比分析了北京和广州地区各100例云闪初始阶段前30 ms快电场变化波形上初始击穿脉冲的特征。依据脉冲的结构特征,两地区的云闪初始击穿脉冲可分为单极性单峰型、单极性多峰型、双极性单峰型和双极性多峰型脉冲,两地区均以单极性和单峰型脉冲为主。对脉冲参量特征的统计发现,脉冲的10%-90%上升时间、半峰值宽度地区差异性小于脉冲类型差异性;双极性单峰型脉冲的半峰值宽是单极性单峰型的1.2倍。不同类型脉冲过零时间的中值、平均值在10μs左右量级,且广州地区较北京地区的大;云闪初始击穿脉冲宽度平均值显著小于相同地区正地闪的,而脉冲间隔显著大于正地闪的。初始击穿脉冲最为集中的出现在云闪最初的1~2 ms,其比例随时间以显著的负指数分布下降。研究发现,双极性脉冲的过零时间与脉冲宽度之间、起始半周期峰值幅度与过冲幅度之间均存在较好的线性关系。     

云下部正电荷区与负地闪预击穿过程

三维雷电观测系统LMA(Lightning Mapping Array)是最近发展起来的基于GPS时钟同步的闪电VHF辐射源到达时间差(TOA)定位技术,能以很高的时间分辨率(50 ns)和空间定位精度(50—100 m)展现闪电放电发展过程的三维时空分布,揭示雷暴中电荷结构及其与放电过程的关系。文中利用三维雷电VHF辐射源观测资料分析了负地闪预击穿过程的时空分布特征,讨论了云下部正电荷区对负地闪发生的影响,其结果表明在首次回击之前存在长时间预击穿过程的负地闪中,预击穿过程是云中部负电荷区与下部正电荷区之间的一种云内放电过程,闪电起始于云中部负电荷区,然后向下发展传输,进入正电荷区后闪电通道在云下部正电荷区水平发展,其放电特征与反极性云闪放电一致,云内放电过程最后阶段的K型击穿激发了地闪的梯级先导,梯级先导穿过云下部正电荷区向下发展传输。云下部正电荷的存在是导致负地闪首次回击之前存在长时间云内预击穿过程的主要原因。     

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

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、8.8μs和111.0μs,几何平均值为3.7 ms、35.6ms、36.5 ms、7.4μs和98.2μs;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、11.5μs和297.3μs,几何平均值为3.0 ms、57.8 ms、60.0 ms、10.0μs和217.9μs。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。     

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。     

人工触发闪电先驱电流脉冲波形特征及模拟

2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验,通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析,进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲 (precursor current pulse) 为双极性振荡型,火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性,其中单极性脉冲电流峰值、10%~90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A,0.33 μs,2.3 μs,27 μC,双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A,0.24 μs,2.1 μs,54 μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍,而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型,模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型,而钢丝通道底部电流波形呈单极性,这与实际测量的结果比较一致,推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致,在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。     

Positive Charge Region in Lower Part of Thunderstorm and Preliminary Breakdown Process of Negative Cloud-to-Ground Lightning

A new lightning locating technology, called Lightning Mapping Array （LMA）, has been developed. The system takes advantage of GPS technology to measure the times of arrival （TOA） of lightning impulsive very high frequency （VHF） radiation events at each remote location. The spatiotemporal development processes of lightning are described in three-dimension by measurement of the system with high time resolution （50 ns） and space precision （50-100 m）. The charge structures in thunderstorm and their relationship with lightning discharge processes are revealed. The temporal and spatial characteristics of preliminary breakdown process involved in negative cloud-to-ground （CG） lightning discharges are analyzed based on the data of lightning VHF radiation events. The effect of positive charge region in lower part of thunderstorm on the occurrence of negative CG lightning discharge is discussed. The results indicate that the preliminary breakdown process with longer duration in negative CG lightning discharges is an intracloud discharge process. It occurs between negative and positive charge regions located in middle and lower parts of thunderstorm respectively. It initiates from the negative charge region and propagates downward. After propagating into the positive charge region, the lightning channel develops horizontally. The characteristics of the preliminary breakdown process are consistent with that of intracloud lightning discharges. The stepped leaders are initiated by the K type breakdown which occurs in the last stage of the preliminary breakdown process and develops downward through the positive charge region. The existence of positive charge region in lower part of thunderstorm results in the occurrence of preliminary breakdown process with longer duration before the return stroke of negative CG lightning discharges.     

反极性云闪的初始击穿特征

基于快天线闪电定位阵列(fast antenna lightning mapping array,FALMA)的观测数据,对2019年8月2日和5日发生于我国宁夏的两次雷暴过程312例反极性云闪的初始击穿(preliminary breakdown,PB)特征进行统计。脉冲参数统计结果显示:PB过程持续时间算术平均值为9.8 ms;脉冲结构由脉冲上升沿、半宽、下降沿和脉冲宽度4个变量表征,算术平均值分别为7.3,4.5,5.6 μs和24.7 μs。脉冲频率和脉冲间隔的算术平均值分别是5.7 ms-1和169.2 μs。通道参数统计结果显示:反极性云闪的起始高度平均值为6.9 km。相比于正极性云闪,反极性云闪PB倾向于在弱雷达回波区域起始,雷达反射率因子算术平均值为19.3 dBZ。垂直发展距离和垂直速度平均值分别是2.0 km和2.8×105 m·s-1。PB参数随起始高度变化的结果表明:PB持续时间、垂直发展距离(垂直速度、脉冲频率)与起始高度呈正(负)相关。     

触发闪电环境下地网冲击接地电阻特征分析

基于触发闪电技术,研究了2019年夏季8次触发闪电44次回击、5次初始连续电流脉冲（ICCP）和24次M分量对冲击接地电阻的影响,探索了冲击接地电阻随雷电流注入的动态变化规律。结果发现：闪电放电ICCP、M分量和回击过程冲击接地电阻均小于工频接地电阻,ICCP和叠加在回击回落之后连续电流上的M分量冲击接地电阻略大于回击过程,平均值分别为11.2Ω和10.8Ω。叠加在回击下降沿上的M分量冲击接地电阻平均值7.8Ω,明显小于回击过程,最小值可达2.4Ω。ICCP和M分量冲击接地电阻随电流增加而减小,回击过程与电流峰值没有明显的相关性。叠加在回击下降沿上的M分量冲击接地电阻随雷电流峰值、背景电流值的增加呈指数衰减关系,还与之前回击电流峰值成一定的反比例关系。随着闪电回击电流的注入,冲击接地电阻呈现动态变化过程,小电流在回击峰值下降后出现一个缓慢增长的过程,大电流在回击峰值下降后出现一个快速下降的过程。闪电不同物理过程火花和电感效应的作用是不同的,两者共同作用决定了土壤的电离程度,从而决定了冲击接地电阻的大小和变化。     

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1μs,平均脉冲间隔约为14μs,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24.5μs)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。     

初始长连续电流引起的地电位抬升和SPD损坏

在电子电气系统接地领域,地电位抬升对电子设备的破坏效应一直是人们关注的焦点。基于触发闪电技术,开展了地网地电位抬升冲击电涌保护器(surge protective device,SPD)的观测试验,重点分析了触发闪电初始长连续电流过程对SPD的冲击和损坏效应。结果发现,触发闪电注入地网后,闪电的初始长连续电流和继后回击的共同作用下很容易造成额定通流量的SPD损坏,当流经SPD的能量累积达到一定程度时仅初始长连续电流过程也会损坏SPD;冲击SPD的效应与初始长连续电流过程的不同的波形密切相关,当长连续电流过程叠加上升沿较快幅值较大的初始连续电流脉冲(ICCP,initial continuous current pulse)时,流经SPD的能量会迅速增加,是长连续电流过程中SPD损坏的最为关键因子。个例分析发现,当初始长连续电流过程持续时间和平均电流量级达到100 ms和200 A左右,泄放电量为25 C,流经SPD的能量达1000 J左右,易造成标称放电电流20 kA甚至更高的SPD损坏。     

人工触发闪电连续电流过程与M分量特征

在广州野外雷电试验基地,对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个M分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析。结果表明：M分量的电流、快慢电场变化和亮度变化波形均近似对称;触发闪电连续电流过程的持续时间、转移电荷量、电流平均值的几何平均值分别为22 ms,6.0 C和273 A;M分量的幅度、转移电荷量、半峰值宽度、上升时间、持续时间的几何平均值分别为409 A,205 mC,520 μs,305 μs和1.6 ms;连续电流持续时间与M分量的个数、相邻M分量之间的时间间隔均存在显著的正相关关系。     

The Combined Effect of Initial Error and Model Error on ENSO Prediction Uncertainty Generated by the Zebiak-Cane Model

Initial errors and model errors are the source of prediction errors. In this study, the authors compute the conditional nonlinear optimal perturbation （CNOP）-type initial errors and nonlinear forcing singular vector （NFSV）- type tendency errors of the Zebiak-Cane model with respect to El Nifio events and analyze their combined effect on the prediction errors for E1 Nino events. The CNOP- type initial error （NFSV-type tendency error） represents the initial errors （model errors） that have the largest effect on prediction uncertainties for E1 Nifio events under the perfect model （perfect initial conditions） scenario. How- ever, when the CNOP-type initial errors and the NFSV- type tendency errors are simultaneously considered in the model, the prediction errors caused by them are not am- plified as the authors expected. Specifically, the predic- tion errors caused by the combined mode of CNOP-type initial errors and NFSV-type tendency errors are a little larger than those caused by the NFSV-type tendency er- rors. This fact emphasizes a need to investigate the opti- mal combined mode of initial errors and tendency errors that cause the largest prediction error for E1 Nifio events.     

一次人工引发闪电初始电流及其电磁场变化特征

研制了近距离闪电磁场变化测量系统,并在2005年夏季山东滨州的人工引发闪电试验中,获得了闪电电流和距闪电通道60 m处的1μs时间分辨率的电磁场变化同步观测资料。本文详细分析了一次人工引发闪电放电初始阶段的电流及近距离电磁场。本次引发闪电中火箭拖带的导线底端通过一段5 m左右的尼龙线与引流杆相接,这段空气间隙击穿放电所产生的电流为720A,对应的60 m处电场和磁感应强度变化分别为0.38 kV/m和11.26μT。对同步资料的进一步分析表明,人工引发闪电上行正先导电流脉冲时间间隔为18.0~25.0μs,平均峰值电流为23.0A,变化范围为16.9~41.0A;单个先导过程转移电荷量的平均值为84.3μC,变化范围为57.8~141.0μC。60 m处先导电场峰值和磁感应强度峰值的平均值分别为16.7 V/m和0.3μT,变化范围分别为8.7~28.2V/m和0.116~0.544μT。先导电流峰值Ip(A)与其产生的磁感应强度峰值B(μT)之间满足Ip=61.9B 2.56。