数字摄像能见度观测系统中实用黑体技术的应用

在数字摄像能见度观测系统 (DPVS) 中, 目标物的自身亮度难以实时测量, 给观测结果带来的不确定性不可忽略, 采用实用黑体技术可以大大减小乃至消除其造成的误差。作者对非黑体目标引起的测量误差进行了分析, 结果表明相对误差随着目标物反射率的增加和能见度的升高而增大, 为了保证测量精度, 需要采用反射率足够低的目标物。对于长方体结构的实用黑体腔, 采用多次反射法计算了其近轴向的半球-方向反射率与其特性参数之间的关系。在没有观测到侧壁的前提下, 其轴向反射率最大, 随着偏离轴线角度的增加, 反射率逐渐减小。轴向反射率随腔体长度与开口边长比值的增加而迅速减小, 而腔体宽度增加引起的变化不明显。另外, 作者还推导了在考虑弥散成像时对实用黑体开口尺寸最小需求的计算公式, 也给出了符合一定条件的实用黑体轴向反射率的近似计算公式, 从而提供了DPVS中实用黑体参数选择的基本原则。最后, 给出了DPVS采用非黑体和实用黑体目标计算能见度的对比试验结果, 充分说明了在DPVS中采用实用黑体技术的必要性和可行性。     

1997/1998 El Ni(n)o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 Nino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ElNino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 Nino事件的响应情况更为复杂和多样化.     

1997/1998ElNio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 Ni駉事件期间, 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 Ni駉事件的响应最灵敏. 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 Ni駉事件的响应情况更为复杂和多样化.     

用远场辐射场反演云闪放电参数

用地面电磁场遥感闪电放电参数无论是在实际应用还是理论研究中都具有重要意义。文中基于电流传输线模式 ,提出了一种用单站远场VLF/LF辐射场反演云内放电参数的简便方法。当传输线电流从底部传播到顶部的时间只有几微秒时 ,整个传输线的VLF/LF辐射可以近似成偶极子辐射 ,即远场辐射场与电流的时间变化率和传输线长度的乘积成正比。因此 ,对远场辐射场做时间积分就能获得完整的电流矩波形 (上升沿有所加宽 ) ,而且传输线模式中的重要参数 ,电流从底部传播到顶端经历的时间 ,也可以近似地用辐射场时间积分幅度与辐射场幅度之比来估计。这一方法具有估计云闪双极性大脉冲辐射过程的放电参数的潜力。     

CHARACTERISTICS OF LARGE PULSES OF RADIATED FIELDS FROM CLOUD FLASH DISCHARGES

Observations show that the sequences of microsecond-scale pulses are produced in cloud flashdischarge processes.In the present work we report on measurements of larger bipolar pulses(LBP)of the radiation fields which are classified into four types according to their waveshapes andpolarities of initial peak.Either positive or negative pulse contains two kinds of waveshapes:onewith a smooth rise and the other with 2 or 3 fast-rising pulse superimposed on the initial half cycle.The pulse waveshape characteristics in both time and frequency domains are as follows.Among2908 samples there are 45% of the positive polarity and 55% of the negative polarity.The positivepulses tend to have distinctly smaller values than negative pulses in rise time,half width and zero-crossing time of the initial peak.The peaks of positive pulse spectra tend to occur at a higherfrequency than those of negative pulses.Despite differences above,positive and negative pulseshave a similar total duration.     

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.     

地闪回击通道几何结构对VLF/VHF辐射场特征的影响

云地闪电回击通道分叉或者曲折引起的电流传播方向改变可以在回击辐射波形上面引入一系列次峰结构乃至影响其VHF辐射特征。本文用回击传输线模式探讨了回击通道几何结构对回击VLF／VHF辐射场的影响，结果显示：(1)VLF信号波形次峰幅度与通道片断的尺度以及取向有关，尺度为100m量级且具有较大的垂直分量的电流变化过程可以在回击波形下降沿上面引入与回击幅度相当的次峰结构，而小尺度(1m量级或者更小)的通道曲折在回击波形上面引入的次峰幅度只有回击主峰幅度的10％以下。水平方向的电流传播过程几乎不在回击波形上面产生可以辨别的次峰结构。曲折通道的所有曲折片段的平均长度是描述曲折通道的一个重要参数，次峰时间间隔与幅度均与平均曲折尺度成正相关。(2)曲折通道能够明显增加回击高频辐射分量的能量，出现最大辐射能量增加的频率相当．于波长等于曲折尺度的电磁波频率的1／8。小尺度的曲折或者分叉结构能够使得回击高频分量的强度提升一个数量级，但是这一强度的增加仍比我们实际测量的VHF辐射强度小一个数量级，说明通道曲折和分叉很可能不是回击过程VHF辐射产生的主要原因。     

卫星观测的中国及周边地区闪电密度的气候分布

雷暴和闪电活动的气候分布是一个地区气候的基本特征之一, 迄今对中国及周边地区闪电密度分布的实际情况尚缺乏详尽的了解. 基于星载 OTD (1995.4~2000.3)和 LIS (1997.12~2003.3)共8 a观测的闪电资料分析, 给出了这一地区0.5°×0.5°网格点的闪电密度分布, 仔细分析发现: (ⅰ) 喜马拉雅山系南北两侧平均闪电密度的比值达到10倍, 而中国陆地东部和西部平均闪电密度的比值为3.5倍, 闪电密度平均值随海陆距离和纬度呈现规律性的变化, 与年平均降水量的相应变化趋势一致, 说明青藏高原和由西向东的三级阶梯状的大尺度地形以及纬度是形成这个地区雷电活动气候分布总体特征的基本因素. (ⅱ) 中国陆地闪电密度分布的区域性差异是显著的, 在不同的地理环境下闪电密度高值带(中心)与中尺度地形有不同的对应关系: 中国东部湿润地区高闪电密度带经常出现在南北或东北-西南走向、海拔500~1500 m的中尺度山脉和丘陵地区附近, 两者水平尺度和走向大体一致, 而闪电低密度带则经常出现在山间盆(谷)地和平原地区; 中国西部寒旱地区闪电相对密度高值区主要分布在祁连山南麓青海湖地区、天山向西的伊犁河谷以及唐古拉山与念青唐古拉山两山之间的盆地; 滨海100 km以内的海陆过渡带上, 在一系列有山体和丘陵地形隆起及大城市等地区出现闪电密度高值中心. (ⅲ) 中国近海的平均闪电密度是全球海洋相应值的5倍; 而在黑潮主干海域有闪电高密度带, 密度值比邻近海域高2~5倍, 这是黑潮主干海域的高温、高盐特征显著影响该海域强对流发展的一个新的事实. 另外, 还给出了安徽省的云闪/云地闪比Z值约为3.0.     

M-LDARS观测的北京地区云地闪特征分析

1991年夏,我们利用自制的单站闪电探测及定位系统(M—LDARS),在北京地区进行了对比实验,并对所记录的地闪回击信号作了分析。本文提出了我们得到的北京地区云地闪回击信号的峰值时间、半峰时间、峰值电流以及电流上升率的统计分布和频谱特征的典型结果,并与国内外同类观测的结果进行了对比。     

云闪放电对云内电荷和电位分布影响的数值模拟

我们应用改进的随机闪电参数化方案,对两次雷暴的起、放电过程进行了二维125 m和250 m分辨率云闪模拟试验,分析表明高分辨率模拟的云闪通道几何结构、延伸范围和最大垂直电场变化等特征与观测结果更为一致,并且揭示了云闪放电重新配置云内电荷分布和空间电荷中和过程的一种新的物理图像：(1) 云闪的直接物理效应是在已有的空间电荷区内沿着放电通道沉积异极性电荷、形成复杂的空间电荷分布,有效地导致云中电位和场强绝对值及静电场能量剧烈下降,使放电终止.其中：放电后在闪电通道经过主要区域,电位降到±30 MV之间,垂直电场强度也降到±20 kV·m-1之间,一次正或负云闪估计消耗掉107～1010 J静电能;(2) 云中电荷中和不是正、负空间电荷简单地直接相互抵消的瞬态过程,而是广泛分布的云中空间电荷与通道沉积的异极性电荷通过湍流交换、平流输送、重力沉降以及起电等多种因素逐渐混合并部分被中和的一个后续慢过程,其弛豫时间典型值在14～44 s之间,在此期间通道感应电荷总量下降到50%以下.并残余部分电荷参与后续放电前高空间电荷密度和强电场的重建过程.