中国内陆高原不同海拔地区雷暴电学特征成因的初步分析

通过分析中国内陆高原西藏那曲、 青海大通、 甘肃中川和平凉4个不同海拔高度地区雷暴的电学特征发现, 不同地区间雷暴电学特征有其共性, 但也存在一定的差异。根据过顶雷暴的地面电场演变特征, 内陆高原地区雷暴可以分为特殊型和常规型两类\.特殊型雷暴在当顶阶段地面电场呈正极性, 即雷暴下部存在范围较大的正电荷区（LPCC）, 且特殊型雷暴所占比例随海拔高度的增加有所增加; 常规型雷暴在当顶阶段地面电场为负极性, 与低海拔地区常规雷暴引起的地面电场类似。结合4个地区的地面气象要素以及探空资料的分析, 发现不同地区对应的部分热动力参量以及大气层结参数存在显著差异\.分析表明, 地气温差和暖云区厚度对雷暴云LPCC的强弱有显著的指示意义, 当地气温差越大、 暖云区厚度越薄时, 雷暴云LPCC的强度相对较大; 反之, 雷暴云LPCC的强度及范围都较小。数值模拟结果表明, 特殊型雷暴云内最大上升气流区存在的范围以及总比含水量大于常规型雷暴, 上升气流的强弱以及WCD的大小在很大程度上决定了云内水成物粒子的浓度。     

六种非感应起电参数化方案对南京一次雷暴电荷结构的数值模拟分析

利用三维非静力中尺度数值模式Meso-NH中的六种非感应起电参数化方案,采用理想场模拟南京地区雷暴云不同阶段的电荷结构特征,重点分析了雷暴云发展期雪、霰电荷密度对电荷结构的影响,并将成熟期的电荷结构与观测资料比较。结果表明,在雷暴云发展期,电荷分布在上升气流内且高度较高,TAKAH方案为反偶极结构,GARDI方案为三极结构,SAUN、BSMP为反三极结构,SAP98方案为正偶极结构,HELFA方案呈多层结构。在成熟期,电荷分布高度降低,有正负电荷共存区产生。模拟结果中,雪与霰是主要的荷电载体,荷电量及极性与方案有关。雪的电荷密度对云顶的电荷密度影响较大,霰的电荷密度对中下层的电荷密度影响较大。成熟期的电荷结构与VHF宽带干涉仪和雷声联合定位结果对比,SAP98方案模拟结果更符合该次雷暴云电荷结构。     

地面电晕离子对空中引雷始发过程的影响

利用已建立的“地面电晕离子的演化模式”对甘肃省平凉地区一次雷暴过程的空中电荷密度和环境电场的演化情况进行了模拟,发现地面尖端产生的电晕离子如果不被俘获便可在１ｍｉｎ左右内到达５００ｍ的高度上。对空中引雷火箭发射前的空中电场分析表明,引雷成功的关键除有足够长的导线以使导线两端的电场产生畸变外,另一个重要的条件是火箭－导线系统顶端能处于强的环境电场中以满足顶部流光的产生和持续传输。另外,低空较强的环境电场对火箭－导线系统下端下行流光的发展和空气间隙的击穿有重要的促进作用。一次空中引雷触发高度上的电场大于５０．０ｋＶ／ｍ,火箭－导线系统下行正流光持续传输的电场值为１９．０ｋＶ／ｍ,放电过程首先起始于火箭－导线系统下端正流光的产生。根据多年的实验资料,建议实际引雷试验时,以５００ｍ高度上的电场为参考来决定火箭的发射时刻,北方雷暴大于５０ｋＶ／ｍ,南方雷暴大于２５ｋＶ／ｍ。     

人工引发雷电试验及其特征的初步分析

1989年夏季，我们在甘肃永登黑林子地区进行了用拖带接地金属细丝的火箭引发雷电的试验，获得了3次成功。本文分析了这3次引发雷电的放电特征。结果表明，放电是在雷暴云下部正电荷的作用下上行负流光的激发和传播过程，雷电人工引发时的地面电场为6－8kV/m。由一简单物理模式粗略地定量估算出了放电参数：中和电荷量约为12－5．3C,电荷 中心离地高度1．3－2．5km，和甘肃地区雷暴云下部正电荷中心高度范围一致。     

雷暴云电场的初步研究

本文介绍了利用电场仪、闪电计数器以及雷达对雷暴云地面电场进行观测的结果。甘肃平凉地区雷暴云电荷分布一般为上正下负,云底附近有一小正电荷区。上层正电荷区可向上延伸,而下层负电荷区水平尺度可达数个公里,云底小正电荷区也可扩展10公里以上。 降水区地面呈现正电场。雷暴云闪电电矩变化可在40—300库伦公里间,平均值为120库伦公里,随着云体的发展,也就是说,随着雷达强回波高度的增高,大于180库伦公里的闪电增多。闪电后电场初始恢复速率平均为1/7/秒。 对于雷暴云电场特征的可能机制也作了初步讨论。     

强风暴个例电荷结构及云闪放电差异的数值模拟

利用耦合电过程的冰粒子分档模式对长春地区两个降雹型和非降雹型强风暴个例的闪电特征进行了模拟和对比分析。结果表明,在雷暴云的初始发展期,由于上升气流较弱,两者电荷分布相似,均表现为弱的正偶极结构。随着云体不断发展,两者电荷分布开始表现出差异:降雹型个例中的上升气流较强,风切变较大,过冷水能被携带到较高的高度,冰相粒子也能被带到较高处或在较高处继续增长,使得不同区域均存在冰相粒子含量中心。因此,冰相粒子的发生范围不同、环境参数不同及荷电符号不同的非感应起电过程,形成多个电荷中心,电荷结构易出现多层分布。在不同的发展时期电荷结构均呈现出不同的形态,放电既可能在上升气流区触发,也可能在气流辐散区触发。相对而言,非降雹型个例中的上升气流较弱,风切变较小,冰相粒子的分布较规则,非感应起电过程较均匀,从而导致电荷分布始终较均匀。不同发展时期的电荷结构都相对有规则,满足放电条件的位置具有一定的相似性。     

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

西北内陆高原雷暴云电活动与微物理场特征的相关性

选取甘肃平凉地区2005年和2007年3次典型的雷暴过程,根据X波段多普勒双偏振雷达提供的偏振参量ZH、ZDR、KDR、ρHV和高度H,利用分层决策法对雷暴云内的水凝物粒子进行识别。在此基础上,分析甘肃平凉地区夏季雷暴云微物理和电过程之间的关系,尤其是地面电场、闪电类型与水凝物粒子分布之间的关系,推测了雷暴云内不同类型的水凝物粒子携带的电荷极性,并对该地区的电荷结构特征做了进一步解释。     

空间电荷分布特征对云闪传播行为的影响

在已有的随机放电参数化方案的基础上,建立了雷暴云电荷分布,并进行二维高分辨率闪电放电的模拟试验,定量探讨了雷暴云的空间电荷分布特征对云闪传播行为的影响,结果表明:(1)雷暴云顶部的屏蔽层电荷以及底部正电荷区会限制触发于雷暴云主正、负电荷区的云闪正、负先导的垂直传播范围,使云闪通道在一定垂直范围内传播,并最终趋向于沿水平方向传播;(2)电荷区的电荷密度或分布范围的增大都会导致云闪通道长度增大,但增大方式不同,电荷密度主要是通过增加高密度中心附近的通道分枝数,并且通道长度随电荷密度的增加呈非线性增大,分布范围则是通过扩展通道的水平传播范围,并且通道长度随分布范围的扩大呈线性增大;(3)电荷区电荷密度的增大会增加云闪通道的分枝数,尤其在高密度中心附近,最终使云闪通道的分形维数呈增大趋势,但基本上不会改变云闪通道的双层分枝结构,电荷区分布范围的扩大则不影响云闪通道的分形维数。     

空中人工触发闪电试验及特性分析

利用１９９６年南昌人工引雷试验观察测资料,分析了空中触发电的放电特征,估算了火箭上升时的电参数。结果表明：空中触发闪电的触发高度比地面触发闪电的蟹良高速度约大２倍。在火箭上升阶段,空中触发闪电在地面引起的电场变化为负,地面触发闪电在地面引直民的电场变化为正。     

利用地面电场对中川地区一次雷暴过程电荷结构的研究

针对中国内陆高原地区雷暴多为孤立且尺度较小的特征,假定孤立雷暴在闪电发生前,当地面电场处于平稳状态时,云内的电荷区在水平方向上均匀分布,且只与垂直高度有关。根据云厚可将雷暴云在垂直方向上分为若干个厚度相等的区域,地面电场值即为雷暴云内多个水平均匀分布的电荷区域共同作用的结果。在此理论假设基础上,利用甘肃中川地区一次典型雷暴过程引起的多站地面电场观测资料,对该雷暴过程的电荷结构及其演变特征进行最小二乘法的拟合研究。结果表明,在雷暴发展演变过程中,其下部始终存在一范围和强度都较大的正电荷区,同时在雷暴云顶部存在强度较小的负电荷区,使得雷暴整体上呈四极性电荷结构。通过与雷达回波的对比,发现雷暴电荷中心与雷达强回波中心位置大体一致。     

雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响

为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响,建立了典型雷暴云电荷结构模型,引入控制电荷水平分布的参数,利用改进的随机放电参数化方案,开展二维高分辨率模拟试验。结果表明:主正电荷区电荷水平分布不均匀且向中心聚集时,产生的闪电类型多为正地闪和正极性云闪,随着电荷水平分布趋于均匀,闪电类型转变为负地闪;主负电荷区电荷水平分布趋于均匀时,闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪转变;闪电先导传播特征有较大差异,电荷分布密集不均匀时,先导被束缚在电荷高密度中心,主要在电荷区内发展,当电荷分布单一均匀时,先导能穿出电荷区并水平延伸十几至二十多千米。分析两个电荷区之间的电位分布发现,电荷区电荷水平分布趋于均匀时,位势线向电荷密度中心集中,整个位势阱水平延展,闪电触发点的初始电位值有较大差异,有利于闪电类型和先导传播行为的改变。     

中国南北方雷暴及人工触发闪电电特性对比分析

通过对我国南北方雷暴及人工触发闪电电特性的对比分析，发现南北方雷暴及人工触发闪是电特性有很大差异。北方雷暴电荷结构呈三极性，人工触发闪电是在地面电场为正的情况下成功的。主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，最大放电电流为１ｋＡ，中和电葆量只有几库仑；南方雷暴则为偶极性，触发闪电由连续电流和我次回击组成，电流峰值在于１０ｋＡ。触发闪电时地面电场均为负极性，其中在４ｋＶ／ｍ以上；触发高度在北方最低为２６     

青海和北京地区不同个例雷暴云电荷结构特征差异的数值模拟分析

利用加入起电、放电参数化方案的数值模式[Weather Research and Forecasting Model(Version3.7.1),WRF3.7.1＿ELEC],分别对发生在青藏高原东北部青海大通地区和华北地区北京西部山区的两次雷暴过程进行模拟研究,对比分析两个不同地区雷暴个例的电荷结构特征差异及原因。结果表明：对发生在两个地区的雷暴个例,模式均能够较好地模拟出雷暴的移动方向、回波强度以及形状的变化特征。对比两个个例不同发展阶段雷暴云电荷结构可以看出,除了在发展旺盛阶段两个地区的雷暴云电荷结构自下而上均为“+-+-”的四层结构,在发展初始阶段和消亡阶段,两个地区雷暴云电荷结构明显不同。造成两个雷暴个例在雷暴云初始和消亡阶段电荷分布差异的主要原因是云中霰粒子混合比和有效液态水含量的差异。     

1981～199O年苏联防雹作业的效果

本文对前苏联不同地区的降雷可能性进行了考虑，并对其防雹的需要程度进行了评估。有关防雹应用系统的组织结构及统计资料在文中做了介绍。统计资料包括：防雹保护区面积，冰雹、雷暴和阵雨日数，插云口数，播撒降雹云、有降雹危险云以及有可能降雹云的云块数，火箭和炮弹的消耗量，插云剂的消耗量，播撒成功和失败的播云日数和云块数，冰雹灾害面积，10个防雹区中的每一个防雹区以及整个前苏联防雹网络的防雹物质效果和经济效益。1自1967年以来，根据一项政府计划，在降雹可能性最大的下述地区，开展了旨在保护农作物的防雹工作。这些地区…     

平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。     

青藏高原雷暴电荷结构特征及成因的数值模拟研究

利用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,通过对青藏高原地区2003年8月13日一次雷暴过程进行模拟,分析了高原雷暴的电荷结构特征并从微物理角度讨论了其主要形成原因。结果表明,高原雷暴以三极性结构为主,在消散阶段电荷结构转变为偶极性,结构整体电荷密度较小,主正电荷区与主负电荷区深厚,下部次正电荷区范围较大,持续时间较长。其中三极性结构主要是由于云内冰相粒子通过非感应起电机制作用形成;后期偶极性构是由霰粒子下落固态降水的增强导致。云内暖云区厚度较小,混合相区域内有效液态水含量较高,对流层顶较低,导致冰晶、雪所在的高度更低,与霰、雹这样的大粒子重合的区域更大,形成了下部范围较大持续时间较长的正电荷区。     

雷暴云的电场及电荷分布模式

本文着重分析了一次强雷暴过程的地面电场和雷达回波演变特征。结果表明:平凉地区雷暴云一般为上正、中负和下正的电荷结构,强降水时在地面有强的正电场,闪电放电主要在下部正电荷区和中部负电荷区之间进行。文中提出了雷暴云的一种圆盘和圆柱状电荷分布模式,並与观测结果进行了对比。二者基本一致,尤其是能解释当降水停止或雨区移过测站时电场由正向负的急剧转变现象。     

夏季雷暴云雷达回波特征分析

根据南昌713雷达2000年6－7月取获的雷暴云回波资料，结合雷电灾害实况，对夏季雷暴云回波特征、天气形势及大气稳定度进行初步分析。结果表明，强雷暴云回波特征为：最大顶高达17－18km，最大强度达55dBz；大多数强雷暴云回波的强度为40－45dBz，主要产生在水平尺度大于30km的雷暴团和雷暴短带上，强雷电与强降水、雷雨大风、冰雹等强对流天气一样，与地形有关，而且均来自强烈发展的雷暴。     

广东地区野外雷电观测和人工引发雷电试验获得成功

为促进雷电科研和业务的发展，中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室与广东气象局联合于2006年7月3日至8月31日在广东从化地区进行了野外雷电观测和人工引雷试验。试验在3个场地同时进行，其中两个场地以人工引雷及其观测为主，另一个场地以自然闪电观测为主，同时在远距离对人工引雷试验进行辅助观测。试验中利用了大量先进的观测及采集设备，对自然闪电和人工触发闪电的电场、磁场、电流、辐射场、频谱和光学等特征进行了同步测量，