雷电监测数据分析系统的开发及应用

雷电监测资料的分析处理是研究强对流天气过程中的雷电活动特征和建立雷电预警预报新方法的基础.文中论述了雷电监测数据分析系统CAMS_LDAS)的可视化设计原理、思想和方法,并以2005年8月12日北京地区雷电监测资料的分析为例,详细阐述了该系统的主要功能以及产品.该系统不仅能够对雷电监测数据进行处理和分析,还能综合显示分析雷达回波和卫星云图等多种气象探测资料,是研究雷电活动特征及其与各种气象参量相互关系的有力工具.     

双亮度差方法测量白天气象能见度时的误差分析

对数字摄像能见度观测系统采用双亮度差方法测量白天气象能见度时非标准观测条件引起的误差进行理论分析, 并给出了相应的误差控制措施。结果表明:对于正南、正北方地平线附近天空亮度的分布, 除了天空布满均匀云层和晴天的中午较为均匀以外, 其他时刻垂直相对梯度都较大, 通常在4%/°～10%/°范围内, 而水平相对梯度大多较小, 低于2%/°;不同组的目标-背景视线方向不一致是不容忽视的一个误差源, 为了限制和最大程度地减小其不利影响, 最好选择具有相同视线仰角的目标物和天空背景, 且视线方位角的差异越小越好;可对目标物两侧的天空背景的亮度进行测量, 内插获得与目标物视线方向一致的天空背景的亮度;视线方向上气柱照明不均匀会导致测量误差且人工无法调控, 应尽量选择下垫面特性较为均匀的观测场地, 通过多次采样平均在一定程度上能够减小其影响, 也可实时监测视野范围内场地和天空的亮度分布, 识别较差的照明状况以免获得误差较大的观测记录;利用树木、草丛、山体、墙壁和窗户等暗目标物难以满足双亮度差方法对观测条件的要求, 最好采用反射率足够低的人工实用黑体目标物。     

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。     

双向先导正端突然延展现象的高速摄像观测

基于广州高建筑物雷电观测站的观测设备,于2016年6月4日在广州塔上发生的一次上行闪电过程中观测到双向发展的直窜先导正端在回击前、后突然延展的现象。利用高时间分辨率的光学和电场变化同步数据,分析双向先导正端突然延展现象的细节特征。结果表明:回击前直窜先导双向发展时正端可能会出现多次突然延展的现象;突然延展现象有时由双向先导的正端与已有的悬空先导序列相连而引发,并促使双向先导正端传输至未击穿空气中;在一次继后回击后,通道正端头部也观测到两次突然延展现象,但未沿回击前正端伸展通道传输,而是通过开辟新通道进入了未击穿空气;回击前直窜先导正端三次突然伸展的二维平均速率约为2.3×106 m·s-1,伸展长度平均值约为115 m;回击后通道头部两次突然延展的二维平均速率约为4.3×106 m·s-1,伸展长度平均值约为212 m。     

1997/1998 El Niño期间中国南部闪电活动的异常特征

基于近8年卫星观测的全球闪电资料, 对中国东南部和中南半岛各季节闪电密度距平场进行EOF分析发现, 在这一El Niño事件期间, 与NINO3区海表温度正距平升高的同时, 1997年春季该地区的闪电活动就出现了显著的正异常, 并一直持续到次年春季结束, 各季度的正异常区闪电密度距平百分率依次是89%, 30%, 45%, 498%和55%, 其中冬季变化幅度最大; 正异常区在冬、春季位于中国南部及其沿海地区, 而在夏、秋季位于中南半岛南部及泰国湾. 与正常年份相比, 各季闪电密度正距平中心位置显著偏西, 特别是冬、春季同时偏北. 另外, 中国南部地区的闪电密度和对流性降水量及高CAPE日数三项距平百分比的年际变化分析表明, 正异常区和黑潮主干区这三项的距平百分比之间两两相关; 在三项中, 闪电密度的相对变化率最大, 闪电活动对El Niño事件的响应最灵敏. 但是, 黑潮主干海域、青藏高原和西北、华北-东北等地区的闪电活动对El Niño事件的响应情况更为复杂和多样化.     

热带气旋闪电活动特征研究综述

针对热带气旋(tropical cyclone,TC)闪电已有研究,首先从闪电活动分布特征、眼壁闪电爆发对TC强度和路径的指示、外雨带闪电活动与雨带对流结构的关系三个方面进行了总结;其次从动力-微物理方面对TC闪电的形成原因和特征机理进行了梳理;最后提出当前研究中存在的两个关键问题,并对后续研究内容进行了展望。基于地基和空基相结合的综合闪电探测得到的闪电属性特征参量,有望建立一个明确的、具有代表性的闪电活动-TC强度变化关系。利用沿海地区架设的三维闪电定位系统结合地基双偏振雷达,针对登陆台风强对流过程开展的综合观测研究,将有助于推进闪电观测资料在台风中小尺度强对流监测、预警和资料同化中的应用。     

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。     

合肥地区地闪特征

根据观测资料 ,分析了利用闪电辐射场信号大容量采集系统观测到的合肥地区地闪回击特征。结果表明 ,每次地闪回击数频率分布并不表现为简单的指数衰减特征 ,回击数在 5次以下的各回击数出现频率几乎相当 ,单次回击地闪的比重只有约 1 5 %。平均地闪回击数为 4 .2次 ,观测到的最大回击数为 1 6次。地闪回击归一化电场强度近似服从对数正态分布。 1 69例首次回击平均电场强度为 9.3V·m- 1 (归一化到 1 0 0km ,下同 ) ,485例继后回击的平均电场强度只有 4 .5V·m- 1 。 480例继后回击与首次回击场强之比平均为 0 .6 ,有 1 8%地闪过程至少有一次比首次回击强的继后回击。相邻两次回击间隔时间呈现对数正态分布特征。观测到的最短回击间隔为 1 .6ms ,约 30 %的回击间隔 >1 0 0ms,在40～ 1 0 0ms之间的回击间隔比重约为 50 %。回击间隔时间与间隔前后回击相对强弱之间存在系统性的变化趋势 ,当两次回击间隔在 40ms以下时总是以‘前强后弱’的回击组合占主导地位 ,相反 ,当回击间隔时间增加到 >1 0 0ms时 ,约 55 %的回击间隔表现为‘前弱后强’的回击组合。