Characteristics and simulation of lightning current waveforms during one artificially triggered lightning

In the summer of 2005, one negative lightning flash was artificially triggered in Shandong Province (117°48′ E, 37°42′N), middle latitude region of eastern China. The flash included 10 return strokes, and the geometric mean value of the current peak was 11.9 kA (the average value was 12.6 kA) with a maximum of 21.0 kA and a minimum of 6.6 kA, similar to the subsequent return strokes in natural lightning. The geometric mean value of half peak width was 39 μs (the average value was 40 μs), which was much larger than the usual result. Based on the Diendorfer and Uman (DU) model, the return-stroke current waveforms and charge distribution along the lightning channel are discussed. The simulated current waveforms, being divided into breakdown and corona current components, are in agreement with the optical measurements when the two different discharge time constants are properly chosen.     

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。     

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。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

人工引雷上行正先导传播过程中爆发式磁场脉冲极性反转现象的观测与分析

为了进一步理解人工引雷上行正先导的传播过程及相关的爆发式电磁辐射脉冲,本文分析了2014年8月23日山东沾化人工触发闪电实验（SHATLE）中获得的三次上行正先导通道含有明显向下传播过程的个例。结果表明,在初始连续电流阶段观测到的爆发式磁场脉冲极性反转现象与正先导头部发展方向相对于观测位置投影方向的变化密切相关。因此可以推断,爆发式磁场脉冲是由正先导头部较小空间尺度放电过程辐射出的,就本文分析的个例而言,爆发式磁场脉冲辐射源的放电尺度约为2 m,放电强度的最大值达到2.49 kA。爆发式磁场脉冲的辐射机制不同于人工引雷先导始发阶段初始脉冲电流产生的磁场脉冲的辐射机制,可能与正先导通道头部的梯级形式发展过程相关。     

山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征

山东人工引发雷电实验 （SHATLE) 自2005年开始, 六年来共成功引发负极性雷电22次, 包含大电流回击过程88次, 实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、 高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明, 回击峰值电流的几何平均值为12.1 kA, 最大值为41.6 kA, 最小值为4.4 kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1～68 μs之间, 电流10%～90%峰值的上升时间几何平均值为1.9 μs, 中和电荷量为0.86 C, 作用积分（action integral, 或称比能量) 为2.6 ×103A2?s。人工触发闪电峰值电流约16.5 kA的回击在30 m处产生的电场变化可达56.0 kV/m, 60 m处的磁场几何平均值为52 μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105 m/s。     

Analysis of the Spectral Characteristics of Triggered Lightning

The spectra with wavelength range of 390 nm to 660 nm of triggered lightning were observed in Guangdong Area using a slitless spectrograph. The characteristics of the lightning spectra during the initial continuous current and return strokes were analyzed, and the differences between the metal section and air section of the lightning channel were compared. The results showed that the metal spectra were contained in the metal section during the initial continuous current. As for the lightning channel of the return strokes, the line spectra for both the metal section and the air section were identical; neither of the two sections contained the metal spectra, but the relative intensity of its emission spectrum was different. Owing to different radiation mechanisms, the spectral structures and luminance of the two sections were not the same. Combined with the current data, it was found that there was a good positive correlation between the total spectral strength and the transferred charge. The total intensity of the lightning channel spectrum increased with the height of the channel, indicating that the radiation sequence of the lightning channel was different. High temporal resolution observations showed that the spectral line duration could be divided into three categories, in which the lines with higher excitation energy appear first and decay rapidly, while those with lower excitation energy appear later but last longer.     

空中人工引发雷电的正负先导特征研究

通过对 1998年 8月 2 2日空中引发雷电先导过程的光、电观测资料的综合分析发现 ,在空中引发雷电的先导系统中存在三个先导过程。①向下发展的负先导在起始阶段呈小阶梯特征 ,阶梯之间的时间间隔约为 2 0 μs ,阶梯的上升时间小于 1μs,随着负先导的下行发展 ,梯级增长。②金属导线上端向上发展的正先导在负先导接地之后 ,表现出明显的阶梯特性 ,阶梯之间的时间间隔平均为 15 μs。③从地面向上发展的连接正先导由多个振荡脉冲组成 ,脉冲之间的时间间隔约为 13μs,连接先导的发展也是梯级的。电场快变化中的高频分量随着距离的增加衰减很快。最强的发光是由向下的负先导接地时形成的小回击产生的 ,强光只集中在空气离化而形成的放电通道部分 ,光强则随着高度的增加很快衰减 ,其传播速度约为 2 .1× 10 8m·s-1。在小回击发生之前 ,向下发展的负先导在接地之前有较强的发光 ,而金属导线上端向上发展的正先导没有明显的发光。在小回击发生之后 ,金属导线上端向上正先导的发光强度被增强 ,其向上的传播速度约为 2 .4× 10 6m·s-1。金属导线部分在小回击发生之后约 2 2 0μs逐渐开始熔化发出强光 ,并向上发展而与前面向上发展的正先导的发光相并合 ,其传播速度约为 1× 10 6m·s-1     

一次触发闪电金属汽化通道的亮度与电流特征

2022年夏季在广州从化人工引雷试验场的一次触发闪电过程中, 获取了近距离的高分辨率图像、通道底部电流波形和高速摄像数据。此次触发闪电的高分辨率图像清晰展现了多回击过程金属汽化通道段的空间位移, 汽化通道在连续电流过程中呈现类似火焰的发光特征。结合高速摄像与通道底部电流数据, 研究回击与连续电流过程中金属汽化通道段亮度与电流强度的相关性, 结果表明:相比于回击峰值电流, 其平方与回击峰值亮度的相关性更强, 相关系数分别为0.940和0.955(均达到0.001显著性水平)。对于伴随长连续电流的回击过程, 回击下降部分与之后连续电流过程光电线性相关性拟合的斜率有明显差异。叠加在长连续电流过程上的多个M分量脉冲亮度峰值相对于电流峰值时间滞后, 较小的脉冲峰值电流对应较大的亮度峰值滞后时间。     

北京地区大气电场的特征及雷电预警中的订正分析

摘要：利用北京市气象局4个大气电场仪2009年春季、夏季和秋季的监测资料,分析了本地区大气电场各季节日变化、晴天和雷暴天气下的变化特征,分析结果表明：北京地区全年大气电场具有“双峰双谷”的日变化特征,峰值出现在07～09时和20～23时,谷值出现在04～06时和15～17时,全年大气电场的平均值为0.31 kV/m;全年晴天大气电场的日变化规律要比年平均更为明显,其电场值要比全年日平均值大40%左右;雷电的发生与电场仪的快变抖动之间存在着很好的对应关系。根据大气电场的变化特征和所对应的雷暴过程对大气电场的雷电预警阈值进行了订正,研制出新的三级雷电警报阈值分别为2.84 kV/m、5.58kV/m、8.29kV/m,并对警报阈值进行可靠性检验,即将新的三级警报阈值的准确率和电场仪默认的警报阈值的准确率进行比较分析;分析结果指出,夏季三个级别警报阈值的准确率分别为67.4%、78.4%和90.6%,一级警报阈值的准确率提高了约25%,二级和三级警报阈值的准确率提高了5%-20%。最后,结合闪电定位资料和北京城八区局地电场监测网分析了2009年6月16日一次雷云经过本市的放电过程,为在其他气象探测资料（雷达、探空、闪电定位等）无法提供的或者通信电力无法保障的地区使用电场仪预警雷电的发生提供参考。     

揭阳地区雷电流幅值特征及累积概率公式分析

为研究揭阳地区雷电流幅值特征,本文利用2017－2020年揭阳地区雷电流数据,通过数理统计和matlab拟合工具箱,研究分析了雷电流幅值时间分布规律及幅值累积概率特征。结果表明：近4年揭阳地区共发生地闪回击62806次,其中0－200 kA幅值的回击次数占比约为99.81 %,正、负地闪回击频次随雷电流幅值变化整体呈现先增加后减少趋势。正地闪回击幅值大值区月份出现在3月和11月,负地闪回击幅值大值区月份为3月和10月,随着季节的推移,正地闪回击幅值大值区的出现时段逐渐推迟;负地闪回击电流幅值的大值区多出现在00:00－10:00。对比分析了IEEE和DL/T幅值累积概率推荐公式曲线,IEEE推荐公式曲线与实际值分布曲线基本重合,并得出了揭阳地区雷电流幅值累积概率拟合公式,与实际值的误差值介于-0.006－0.0005,为揭阳地区的防雷减灾工作提供参考。     

基于卫星资料的大连地区强对流天气闪电活动特征

利用FY-4卫星云顶亮温(Cloud Top Temperature,CTT)资料和雷达回波资料,分析了2019年6—9月大连地区的闪电活动特征,重点分析了该地区2019年9月4日的一次强对流天气闪电活动特征与雷达回波及CTT之间的相关性.结果表明:此次过程雷暴起始于大连东南方向.在雷暴初始阶段,以云闪为主,云闪高度主...     

冰雹云系发展演变与其地闪的相关性分析

对山东地区6次冰雹过程闪电定位仪资料和雷达回波资料的分析结果表明,降雹区域内10 min闪电频数分布呈规律变化,在降雹前32～220 min闪电出现10次以上的峰值,冰雹发生前2 h正闪电迅速增加,雹后又迅速减弱.雹前正闪电基本占总闪电的50%以上.闪电基本分布在雷达回波内,但闪电密集区与强回波区并不完全对应.闪电密集区移动可以标识出冰雹云的发展移动路径;10 min降雹区域闪电频数、正闪电所占的比值和闪电时间序列分布,可能起到预警冰雹的作用.     

闪电初始放电阶段亚微秒电场变化波形特征

本文选取2008年西藏羊八井地区与2009年东北大兴安岭地区快、 慢天线闪电电场变化仪观测资料, 对云闪起始阶段和地闪预击穿阶段亚微秒电场变化波形特征进行了统计分析, 发现, 无论是云闪还是地闪, 初始阶段快电场变化波形均表现为一系列脉冲形式, 且以归一化幅值小于0.5、 脉冲宽度小于等于10 μs的窄脉冲为主; 同低海拔地区相比, 高原地区地闪预击穿阶段脉冲总数相对较高, 窄脉冲所占比例相对较低, 幅值可与首次回击峰值相比拟的双极性大脉冲的发生比例较低。在统计的基础上, 对产生双极性脉冲的物理机制进行了分析, 发现较大的电流传输速度和电流衰减长度, 是导致双极性大脉冲波形幅值远大于其它脉冲的主要原因。     

层次分析法和GIS技术在河南省雷电灾害风险区划中的应用

根据自然灾害风险评估理论,利用闪电定位资料、地理信息数据、社会经济数据以及雷电灾情等数据,采用层次分析法（AHP法）,从致灾因子的危险性、承灾体的暴露度和承灾体的脆弱性方面,研究雷电灾害风险评估及区划方法,建立起评价指标与风险评估的定量关系,形成了河南省雷电灾害风险评估的方法.同时,结合GIS技术,形成了致灾因子危险性分布图、承灾体的暴露度分布图和承灾体的脆弱性分布图,最终叠加形成河南省雷电灾害综合风险区划图.区划结果表明：高风险区主要位于豫东和豫西北大部分地区,低风险区主要位于豫北和豫西南部分地区.     

Lightning Activity and Precipitation Characteristics of Typhoon Molave （2009） Around Its Landfall

Cloud-to-ground （CG） lightning data,storm intensity and track data,and the data from a Doppler radar and the Tropical Rainfall Measuring Mission （TRMM） satellite,are used to analyze the temporal and spatial characteristics of lightning activity in Typhoon Molave （0906） during different periods of its landfall （pre-landfall,landfall,and post-landfall）.Parameters retrieved from the radar and the satellite are used to compare precipitation structures of the inner and outer rainbands of the typhoon,and to investigate possible causes of the different lightning characteristics.The results indicate that lightning activity was stronger in the outer rainbands than in the eyewall and inner rainbands.Lightning mainly occurred to the left （rather than ＂right＂ as in previous studies of US cases） of the moving typhoon,indicating a significant spatial asymmetry.The maximum lightning frequency in the tropical cyclone （TC） eyewall region was ahead of that in the whole TC region,and the outbreaks of eyewall lightning might indicate deepening of the cyclone.Stronger lightning in the outer rainbands is found to be associated with stronger updraft,higher concentrations of rain droplets and large ice particles at elevated mixed-phase levels,and the higher and broader convective clouds in the outer rainbands.Due to the contribution of large cloud nuclei,lightning intensity in the outer rainbands has a strong positive correlation with radar reflectivity.The ratio of positive CG lightning in the outer rainbands reached its maximum 1 h prior to occurrence of the maximum typhoon intensity at 2000 Beijing Time （BT） 18 July 2009.During the pre-landfall period （0300 BT 18 July-0050 BT 19 July）,the typhoon gradually weakened,but strong lightning still appeared.After the typhoon made landfall at 0050 BT 19 July,CG lightning density rapidly decreased,but the ratio of positive lightning increased.Notably,after the landfall of the outer rainbands at 2325 BT 18 July （approximately 1.5 h prior to the landfall of the TC）,significantly higher ice particle density derived from the TRMM data was observed in the outer rainbands,which,together with strengthened convection resulted from the local surface roughness effect,might have caused the enhanced lightning in the outer rainbands around the landfall of Molave.     

Cosmic rays and the electric field of thunderclouds: Evidence for acceleration of particles (runaway electrons)

We present the data on correlations of the intensity of the soft component of cosmic rays with the local electric field of the near-earth atmosphere during thunderstorm periods at the Baksan Valley (North Caucasus, 1700 m a.s.l.). The large-area array for studying the extensive air showers of cosmic rays is used as a particle detector. An electric field meter of the ‘electric mill’ type (rain-protected) is mounted on the roof of the building in the center of this array. The data were obtained in the summer seasons of 2000–2002. We observe strong enhancements of the soft component intensity before some lightning strokes. At the same time, the analysis of the regression curve ‘intensity versus field’ discovers a bump at the field sign that is opposite to the field sign corresponding to acceleration of electrons. It is interpreted as a signature of runaway electrons from the region of the strong field (with opposite sign) overhead.     

台风莫拉克 (0908) 影响期间近地层风特性

通过对台风莫拉克 (0908) 影响范围内的33座测风塔观测资料的分析可知:台风莫拉克越靠近陆地,风场的非对称性越明显,其行进方向的左侧测风塔风向呈逆时针旋转,右侧测风塔风向顺时针旋转。在远离台风莫拉克的地方风向稳定,湍流强度变化较平稳;在台风莫拉克登陆点附近,风向、风速和湍流强度均会出现突变。台风莫拉克影响期间,湍流强度与风速的关系未出现IEC标准曲线那样随风速增大稳定减小,其I₁₅达B级和A级及以上的平均湍流强度会在风速7~17 m·s-1形成一个峰值;无论南风或北风,风速越大,各层湍流强度差异趋于减小,同等风速、高度的湍流强度偏南大风均大于偏北大风。位于台风莫拉克登陆点北侧测风塔湍流强度随风速的增加先减小后增大,最终各高度全部超过IEC标准A级曲线,而位于南侧测风塔湍流强度随风速的变化比北侧小,并随风速增大趋于标准A级曲线;另外北侧测风塔湍流强度大于南侧,且各高度偏北大风湍流强度之间的差异比南侧相应风向明显,表明北侧垂直方向的扰动更强。台风莫拉克阵风系数为1.2~1.7,其随高度变化与地形有关,一般情况下随高度升高而减小,在复杂地形条件下不符合随高度升高减小的规律。     

The electrification of dust-lofting gust fronts (‘haboobs’) in the Sahel

Two Doppler radars and a suite of auxiliary surface observations are used to document the electrical, aerosol and aerodynamic properties of dust-lofting gust fronts near Niamey, Niger during the AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis). Electrification with dominant negative polarity is a common behavior, consistent with earlier studies on dust devils and the Harmattan wind in dry environments.