中国内陆高原地闪特征的统计分析

利用微秒级时间分辨率的宽带慢天线电场变化仪首次在中国内陆高原地区对雷暴过程中的正、负地闪特征进行了测量和系统分析 ,发现每次雷暴过程中正闪的比例有随总闪频数增大而减少的趋势 ,弱雷暴过程更有利于正地闪的产生。平均来讲 ,正地闪占闪电总数的 16 % ,介于美国夏季雷暴和日本冬季雷暴之间。负地闪闪击间隔的算术平均值和几何平均值分别为 6 4.3ms和 46 .6ms。 5 4%的负地闪有至少一次继后回击强度大于首次回击 ,而且有 2 0 %的继后回击其强度大于首次回击强度。继后回击强度与首次回击强度的比例几何平均值为 0 .46 ,算术平均值为 0 .70 ,平均回击数为 3.76 ,39.8%为单次回击地闪。正地闪的多次回击只占 13.0 % ,且闪击之间的时间间隔也较大 ,算术平均值为 91.7ms。     

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。     

甘肃中川地区雷暴地闪特征的初步分析

本文分析了1987年6月28日甘肃中川地区一次雷暴过程中地面4个测站的电场资料,并定量估算了4个地闪的8个回击所中和的电荷量及其高度。负地闪回击所中和的电荷离地高度为4km左右(对应的环境温度为-11.2℃),而正地闪回击所中和的电荷离地高度为2km左右(环境温度+4.9℃)。负地闪大多发生在云闪后的电场恢复阶段,且在开始时往往具有持续几百毫秒的云内放电过程。其激发过程可能是首先在云底部正电荷区产生向上传输的持续正流光,导致云中部负电荷向下移动,并引发向下传输的负先导,最终导致地闪回击的发生。     

平凉黄土高原地闪VHF辐射特征分析

利用亚微秒级时间分辨率的VHF辐射接收系统与快电场变化测量仪,对甘肃平凉黄土高原雷暴过程中地闪VHF辐射及相应电场变化特征进行了分析研究,发现负地闪回击前VHF辐射与快电场变化在时间上有很好的对应关系。回击前后300μs内的VHF辐射波形可以归纳为三种类型,90%的负地闪首次回击过程VHF辐射波形属于第三类,表现为连续脉冲贯穿回击过程,平均持续时间为600μs;同负地闪相比,正地闪回击过程产生的连续辐射持续时间较长。统计表明,负地闪首次回击过程辐射峰值出现在回击启动后10~100μs,算术平均值为45μs;继后回击启动后10~260μs辐射达到峰值,算术平均值为91μs。首次回击过程辐射峰值强度往往大于梯级先导过程,与回击主峰后主通道分支产生的电磁辐射较强有关。     

甘肃中川地区雷暴的地闪特征

利用在甘肃中川地区一次雷暴过程的５站电场变化同步观测资料,对１９９６年８月１２日的４次地闪过程分析发现甘肃中川地区负地闪回击所中和的负电荷离地高度为２．７４～５．４１ｋｍ（对应环境温度为－２．０～－１５．０℃）,而正地闪回击所中和的正电荷离地高度低于２．０ｋｍ（对应环境温度为±５．０℃）。正地闪放电过程较负地闪中和的电荷量要大７倍左右。在雷暴初期及活跃期前期,地闪回击发生之前有持续１７０～３００ｍｓ的云内放电过程,它发生在云下部正电荷区和主负电荷区。与雷达回波的对比发现,负地闪发生在雷暴大于２０ｄＢｚ的强回波区或４０ｄＢｚ强回波边缘而正地闪却发生在相对较弱的回波区域。     

闪电放电特征和雷暴电荷结构研究

文章综述了近10年来对闪电物理过程和雷暴电荷结构等方面的主要研究进展。利用自行研制的高时间分辨率新型闪电探测和定位技术,获得中国不同地区的闪电特征及放电参数,组织首次青藏高原综合闪电观测实验,揭示高原雷暴及其闪电活动的特殊性,并利用数值模式探讨其成因;将原子结构理论应用于闪电光谱研究,并进行闪电光谱的实验观测和理论研究,获得可见光频段的闪电光谱记录;完善空中人工引发闪电技术,解决近距离严酷电磁环境条件下闪电的光、电信号测量技术,寻找闪电双向先导传输的光学和甚高频辐射证据,并利用人工引发闪电技术对防雷设施进行试验研究;另外,在闪电与天气、气候关系的研究方面也进行了初步探讨。     

放电后电荷重置对雷暴云电荷结构及闪电行为的影响

为探究放电后电荷重置对雷暴云电过程的影响,在已有的三维雷暴云起、放电模式中分别加入两种不同的电荷重置方案:一种是植入法即放电后闪电通道上的感应电荷与原空间电荷叠加(简称ZR方案);另一种是中和法即放电后直接按一定比例降低闪电通道处的空间电荷浓度(简称ZH方案)。利用长春一次探空个例进行敏感性试验,发现放电后重置方式的不同会导致闪电特征存在明显差异:1)ZR方案下的云闪发生率比ZH方案下的云闪发生率少。闪电放电后ZR方案在云中植入异极性电荷,对雷暴云中电荷的中和量比ZH方案多,摧毁云中电场的能力更强;2)ZR方案下的正、负地闪发生率均比ZH方案多。相对于ZH方案,ZR方案中主正电荷区的分布范围大于主负电荷区,导致其出现了更多的正地闪;ZR方案中的云顶屏蔽层与主正电荷区的混合程度高,混合时间长,导致ZR方案在主正电荷区与主负电荷区之间触发了更多的负地闪;3)ZR方案下的闪电通道长度比ZH方案下的闪电通道长度短。ZR方案在云中植入异极性电荷,导致云中难以形成大范围同极性电荷堆,闪电通道传播局限在一对较小的异极性电荷堆内,而ZH方案不改变云中电荷分布,存在大范围同极性电荷堆,闪电通道传播范围较大。     

近距离地闪电场变化及对通道电荷密度分布的响应

一般认为,如果回击过程将先导通道的电荷完全中和,则几十米到几百米范围内的近距离先导电场与回击电场的大小相同,否则,二者之间则存在一定的差异。为了对上述观点进行分析,将源电荷先导模式和MTLL回击模式组合建立了先导-回击模式(这两个模式的组合意味着先导通道的电荷被回击完全中和),对近距离先导-回击电场变化的"V"形结构进行了模拟分析。结果表明,即使假定先导电场被回击完全中和,在近距离30—550m范围回击电场与先导电场强弱关系并不确定。另外,根据进一步的讨论,上述模拟结果几乎不受其他因素,如土壤湿度(该因素直接决定土壤电参数)和地形起伏的影响。因此,在回击开始几十微秒内,基于地面测量的先导-回击电场之差来判断先导通道电荷是否被回击完全中和可能存在一定的不确定。     

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。     

不同地区雷暴电荷结构的模式计算

利用二维时变轴对称模式和实际探空资料 ,模式计算了南昌、兰州和昌都 3个地区雷暴云的电荷结构 ,并对形成机制进行了讨论。结果表明 :兰州地区雷暴的上升气流速度最大 ,雷暴发展最快 ;南昌地区雷暴次之 ;昌都地区雷暴最弱。南昌地区雷暴的持续时间最长。在雷暴的初始阶段 3个地区都存在雷暴下部次正电荷区 ,在雷暴的成熟阶段兰州地区在感应和非感应起电机制的共同作用下雷暴呈明显的 3极性电荷结构 ,南昌地区的雷暴主要在感应起电机制作用下形成偶极性电荷结构 ,而昌都地区的雷暴在非感应起电机制作用下形成偶极性电荷结构。 3个地区的雷暴负电荷区中心基本处于 - 1 0～ - 2 0℃的同一温度区内。中国北方地区的温度层结有利于形成 3极性电荷结构 ,且通过非感应起电机制来完成。     

Positive Charge Region in Lower Part of Thunderstorm and Preliminary Breakdown Process of Negative Cloud-to-Ground Lightning

A new lightning locating technology, called Lightning Mapping Array （LMA）, has been developed. The system takes advantage of GPS technology to measure the times of arrival （TOA） of lightning impulsive very high frequency （VHF） radiation events at each remote location. The spatiotemporal development processes of lightning are described in three-dimension by measurement of the system with high time resolution （50 ns） and space precision （50-100 m）. The charge structures in thunderstorm and their relationship with lightning discharge processes are revealed. The temporal and spatial characteristics of preliminary breakdown process involved in negative cloud-to-ground （CG） lightning discharges are analyzed based on the data of lightning VHF radiation events. The effect of positive charge region in lower part of thunderstorm on the occurrence of negative CG lightning discharge is discussed. The results indicate that the preliminary breakdown process with longer duration in negative CG lightning discharges is an intracloud discharge process. It occurs between negative and positive charge regions located in middle and lower parts of thunderstorm respectively. It initiates from the negative charge region and propagates downward. After propagating into the positive charge region, the lightning channel develops horizontally. The characteristics of the preliminary breakdown process are consistent with that of intracloud lightning discharges. The stepped leaders are initiated by the K type breakdown which occurs in the last stage of the preliminary breakdown process and develops downward through the positive charge region. The existence of positive charge region in lower part of thunderstorm results in the occurrence of preliminary breakdown process with longer duration before the return stroke of negative CG lightning discharges.     

青藏高原那曲地区雷暴云电荷结构特征数值模拟研究

选取2003年藏北高原那曲地区的两次典型过顶雷暴过程，首先总结了它们的层结特征，然后利用一个只考虑感应和非感应起电机制的三维强风暴动力和电耦合模式模拟了两次雷暴过程的电荷结构，最后从微物理场和流场出发讨论了高原雷暴电荷结构特征及其主要形成原因。结果表明，由于高原平均地表温度较低, 雷暴云反转温度层以下的起电区域较小,强的垂直上升速度使大粒子能够到达较高的高度,增加了大小粒子碰并几率,易形成明显的三极性电荷结构特征;较弱的上升速度易使大小粒子比含水量中心受重力作用过早的分离,高层的小粒子和低层的大粒子基本不参与起电活动,云底部和上部的正电荷区减弱。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

Optical Observations on Propagation Characteristics of Leaders in Cloud-to-Ground Lightning Flashes

Using 2 high-speed cameras, we have recorded 14 negative cloud-to-ground (CG) lightning flashes, half of which are natural and the others are artificially triggered. The two-dimensional (2D) propagation speed of different type leaders and the luminosity of lightning channel are analyzed in detail. Bidirectional leader processes are observed during the initial processes of two altitude triggered negative lightning (ATNL)flashes. The analysis shows: the propagation speed of the upward positive leader (UPL) before the initiation of the downward negative leader (DNL) is at the order of 104-105 m s-1; the UPL can be intensified by the initiation and development of the DNL in the way that the luminosity is enhanced and the speed is sped up; after initiation, the DNL in one ATNL flash propagates downward three times intermittently with interval of about 1 ms, while that in the other ATNL flash propagates downward continuously with a speed at the order of 105 m s-1. In the five classical triggered negative lightning (CTNL) flashes, the propagation speeds of the UPLs vary between 0.35×105 and 7.71×105 m s-1, and the variations of their luminosities and speeds are quite complex during the development processes. Among the four observed natural negative lightning flashes occurred on the land, three have only one return stoke (RS) each and all of their DNLs have many branches with an average speed at the order of 105 m s-1; while the another one has 13 RSs.In the CG flash with 13 RSs, the DNL before the first RS has no obvious branch below 1.4 km above the ground, and its speed ranges from 2.2×105 to 2.3×105 m s-1 between the heights of 0.7 and 1.4 km and exceeds 3.9×106 m s-1 below 0.7 km; preceding the 4th RS, an attempted leader is observed with a speed ranging from 1.1×105 to 1.1×106 m s-1 between 0.8 and 1.5 km. As for the three observed natural negative lightning flashes occurred on the sea, each has only one RS, and each DNL preceding the RS has a few branches, two of which have an average propagation speed at the order of 105 m s-1, and the other of 106m s-1, respectively. All the DNLs contained in the observed natural negative lightning flashes, except the attempted leader, propagate with gradually increasing luminosity and increasing speed in whole.     

Charge source of cloud-to-ground lightning and charge structure of a typical thunderstorm in the Chinese Inland Plateau

GPS-synchronized measurements of electric (E) field changes induced by lightning flashes were recorded at six stations in the northeastern verge of the Tibetan Plateau. The height and magnitude of charge neutralized by 65 return strokes, including 16 negative cloud-to-ground (CG) flashes and 2 positive CG flashes, have been fitted with the nonlinear least-square method based on the E field changes of CG flashes observed in a typical thunderstorm with larger-than-usual lower positive charge center (LPCC). Results show that the height of the charge region neutralized by negative CG flashes ranges from 3 km to 5 km above the ground, corresponding to an ambient temperature between − 2 °C and − 15 °C. For the two positive CG flashes, the neutralized charge regions are located at a height of about 5.5 km and the ambient temperature is about − 18 °C, indicating the existence of upper positive charge in the thunderstorm.     

青藏高原雷暴的闪电特征及其成因探讨

通过对2003—2004年夏季青藏高原那曲地区30次雷暴过程的地面电场及闪电电场变化的分析,发现高原雷暴具有三极性电荷结构特征,其中73%(22次)的雷暴过程在其成熟阶段地面电场呈正极性,表明在雷暴云下部存在较常规雷暴范围广、电荷量大的正电荷区(LPCC),其余27%(8次)的雷暴同样具有三极性电荷结构特征,但LPCC相对要小得多。高原雷暴平均闪电频数一般只有1 fl.min-1,相对其它地区要小几十倍。对雷暴云闪电特征的进一步分析发现,具有较大LPCC的雷暴按照闪电特征可分为以云闪(IC)、负地闪(-CG)和正地闪( CG)为主的三类雷暴。结合气象参量分析发现IC型雷暴对应较高的地气温差和地表温度,相对湿度较小,而 CG型雷暴发生在傍晚,因此对应的地气温差偏小。     

浙江省沿海陆域与舟山海域地闪回击特征分析

采用2016-2020年浙江省闪电定位资料,利用Access和MATLAB对浙江省陆域、舟山海域地闪回击特征进行分析.结果显示:浙江省陆域年平均地闪回击密度为1.97次·km-2·a-1,正地闪回击密度为0.10次·km-2·a-1,正地闪回击占总地闪回击的5.1％,正地闪回击平均电流强度为42.49 kA,负地闪为3...