大气环境层结对闪电活动影响的模拟研究

利用一个二维面对称雷暴云起电、放电模式,选取了北京地区3次雷暴过程的环境层结,计算并讨论了不同层结条件下雷暴中动力、微物理过程及其对起电、放电活动的影响。结果表明,上升速度和水汽条件是影响雷暴动力、微物理过程和闪电活动的最重要因子。上升速度的大小决定了雷暴发展到成熟的时间和雷暴的强弱,较强的上升气流有利于雷暴云在较短时间内达到较大的高度。而持续的上升气流和充足的水汽有利于雷暴的成熟期延长从而增强闪电活动。较强的上升速度和充足的水汽可以产生更多的对闪电起电、放电有直接影响的冰相物并能使其持续生成,从而形成较大的电荷浓度。较强的上升速度和不利的水汽条件也可以在某时形成较大的冰相物浓度,但冰相物难以持续生成。而较弱的上升速度和充足的水汽则容易形成暖云过程,对冰相物的生成也有不利影响。上升速度和水汽相互影响,又共同受到环境层结的支配。大气低层潮湿、中层湿度适中,较大的不稳定能量和一定量的对流抑制能量将有利于强闪电活动的发生。表现在大气不稳定参数的取值上,对流性稳定度指数的值小于-10℃(负值表示不稳定),对流有效位能值在1000 J/kg以上,对流抑制能量大于40 J/kg,700 hPa相当位温在340 K以上,700—400 hPa中层平均湿度在35%—85%,有利于强闪电活动的发生。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

不同高度建筑物上的下行地闪回击特征

为了研究不同高度建筑物上发生的下行地闪回击特征差异,对2009—2012年广州高建筑物雷电观测试验中获取的能确认接地点高度的58次下行负极性地闪的综合同步观测资料进行对比分析。结果表明:接地点高度小于等于200m和接地点高度大于200m两类地闪的回击次数和回击间隔时间的差异不明显,但接地点高度大于200m的地闪的首次回击电流幅值、继后回击电流幅值、首次回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间、继后回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间的算术平均值 (几何平均值) 分别为接地点高度小于等于200 m地闪的1.8(2.1),1.5(1.4),7.4(7.4),3.1(3.4),4.6(4.3) 和2.4(3.6) 倍。     

雷电临近预警系统的运行试验

介绍了中国气象科学研究院研发的雷电临近预警系统(CAMSLNWS)在北京地区开展的业务运行试验.通过运行测试以及预警结果与闪电监测结果的对比评估,表明:CAMS.LNWS能够稳定运行,定时读取多种探测资料、自动生成并循环显示雷电发生概率、雷电活动区域移动趋势和重点区域雷电危险度等级三种雷电临近预警产品;CAMS.LNWS的雷电发生概率预警产品具有较高的命中率,能够较好地对0～30min内可能发生闪电的区域进行有效预警;随着预警时间的延长,CAMS.LNWS的预警效果会有所降低.     

雷暴云内闪电双层、分枝结构的数值模拟

试验了一种逃逸启动、双向随机发展的放电参数化改进方案, 并进行了12.5 m的高分辨率、二维雷暴云数值模拟试验, 模拟再现的雷暴云内闪电特征在通道扩展范围和双层、分枝结构以及与位势阱位置的相互配合等方面与实际VHF源定位观测资料分析结果是一致的. 进一步发现: (1) 闪电在雷暴云内相邻的正、负电荷区边界附近触发后, 负先导向正电荷区发展、正先导向负电荷区发展. 存在正负两种极性的云闪, 他们的极性由云中相邻正、负电荷累积区位置的上下配置决定. (2) 电荷累积区的空间分布制约着闪电的空间范围. 云闪几乎遍及其所传播的电荷堆, 遭遇到局域性、与通道极性相同的电荷堆时, 通道将转向、绕开该电荷堆. (3) 电位的空间分布形态同样制约着闪电通道传播方向和几何结构: 先导通道进入正或负位势阱之前沿着最大电位梯度方向传播; 当先导通道穿过它们的中心之后通道更趋于电位变化缓慢的地方发展. (4) 云闪通道在穿过电荷累积区中心以前, 有较好的分形特征, 幂指数约为1.45; 而其后向低电荷浓度地区延伸时, 幂指数随着半径增加而减小. (5) 放电结束后通道感应生成的异极性电荷沉积在正、负先导通道经过的区域, 形成新的、复杂的云内电荷空间分布, 位势极值可由200下降到20 MV.     

雷电轨道科研和业务工作进展

中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室在2006年开展了大量科研和业务工作，主要进展如下：     

地面电场资料在雷电预警技术中的应用

论述利用地面电场仪的探测资料对雷电预警预报的技术方法，以大气电场测量为基础，利用地面电场仪的组网，实现自动、连续、实时监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等，提供监测范围内雷暴强电荷活动中心的发生发展演变特征和整个雷暴过程中雷电活动位置和发展信息。同时结合闪电定位系统的观测，为雷电的监测和预报提供更充分的信息。     

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。     

广州两座高建筑物上闪击距离的二维光学观测

利用广州高建筑物雷电观测站的高速摄像机在2012—2018年拍摄到的发生在两座尖顶建筑物广州塔(600 m高,12次)和广晟国际大厦(360 m高,9次)上的21次下行地闪光学数据,结合广东电网闪电定位系统提供的回击峰值电流数据,统计建筑物高度和回击峰值电流强度对闪击距离的影响,并探讨闪击距离与上行连接先导起始时间的相关性。结果表明:更高的建筑物上雷电的闪击距离更长,广州塔闪击距离的中位数约是广晟国际大厦闪击距离中位数的2倍;对于确定高度的建筑物,闪击距离有随着回击峰值电流增强而变长的趋势,且建筑物越高,对应的回击峰值电流也越强;在下行与上行先导连接前0.1 ms内,二者的平均速率之比小于4,且速率比值在0~1这一区间的样本最多,占比约65%。     

双接地负地闪VHF辐射源放电通道和光学通道的对比分析

利用闪电VHF辐射源三维定位和闪电光通道高速摄像同步资料,对一次双接地负地闪放电通道作定位和亮度特征进行对比分析,并仔细分析了其通道发展和连接,详细讨论了一次负地闪双接地的形成过程.结果表明,在预击穿阶段,通道击穿作用很强,但电流小,其载体主要是雪崩电荷;在回击激发阶段,通道电流迅速增大,其载体除了雪崩电荷外,还有大量来自云内电荷区的电荷.在整个过程中,主通道有较高亮度(云外),即主通道中有较强电流运动,而分叉通道电流较弱.研究表明近地面向上发展的辐射源可能是源于地面尖端产生的向上先导.