青藏高原云闪起始阶段放电特征分析

2003年夏季在青藏高原那曲地区进行了雷电综合观测试验,利用宽带干涉仪系统获取的闪电资料,根据辐射源定位结果和相应的电场变化对云闪放电起始阶段进行了分析,初步分析结果表明:雷暴过境时地面电场为正值的情况下,云闪放电多发生在中部负电荷区和下部正电荷区之间,上部正电荷区一般不参与放电。虽然不同的云闪会有不同的放电发展过程,但放电起始阶段具有相似的特征。云闪放电起始于中部负电荷区,在初始几十毫秒内,辐射源垂直向下发展,云内负流光向下发展速度约为1.14~1.72×105m/s。在下部正电荷区内,闪电通道可以垂直发展,也可以水平发展。且发生在正电荷区的放电过程比较复杂,正电荷区辐射点比负电荷区要多。     

云下部正电荷区与负地闪预击穿过程

三维雷电观测系统LMA(Lightning Mapping Array)是最近发展起来的基于GPS时钟同步的闪电VHF辐射源到达时间差(TOA)定位技术,能以很高的时间分辨率(50 ns)和空间定位精度(50-100 m)展现闪电放电发展过程的三维时空分布,揭示雷暴中电荷结构及其与放电过程的关系.文中利用三维雷电VHF辐射源观测资料分析了负地闪预击穿过程的时空分布特征,讨论了云下部正电荷区对负地闪发生的影响,其结果表明在首次回击之前存在长时间预击穿过程的负地闪中,预击穿过程是云中部负电荷区与下部正电荷区之间的一种云内放电过程,闪电起始于云中部负电荷区,然后向下发展传输,进入正电荷区后闪电通道在云下部正电荷区水平发展,其放电特征与反极性云闪放电一致,云内放电过程最后阶段的K型击穿激发了地闪的梯级先导,梯级先导穿过云下部正电荷区向下发展传输.云下部正电荷的存在是导致负地闪首次回击之前存在长时间云内预击穿过程的主要原因.     

甘肃中川地区云闪的多站同步观测及雷暴的等效电荷结构

利用甘肃中川地区GPS同步的7个测站闪电慢天线获得的电场变化资料, 通过非线性最小二乘法对2004年8月20日一次雷暴过程中的10次云闪进行了拟合分析, 估算了其所中和的电矩、 取向及空间位置等参量。结果表明, 其中5次云闪是雷暴云中部主负电荷区与其下部正电荷区之间的放电, 另外5次是中部主负电荷区与其上部正电荷区之间的放电, 对应的放电中心的海拔高度分别在3.2~5.6 km和6.8~7.7 km, 中和电矩分别约为4.56~61.0 C·km和 1.06~15.9 C·km。发生在雷暴云上部正电荷区与中部主负电荷区之间的闪电所中和电矩较发生在雷暴云中部主负电荷区与下部正电荷区之间的闪电所中和电矩小。结果证实了中国内陆高原地区雷暴云的上部和下部有两个正电荷区存在, 与闪电放电相联系的雷暴云电荷结构可用简化的三极性来代表。     

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

闪电放电通道的三维结构特征

通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10一20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。     

吉林地区一次雷暴云个例电和云微物理特征的模拟分析

利用三维强风暴动力一电藕合数值模式, 结合闪电定位仪资料、雷达回波资料及降水资料,分析了吉林地区一次雷暴云个例在发生第一次闪电前云内电场的发展情况及微物理变化过程,并与青藏高原一次典型雷暴过程进行了对比.结果表明:云发展成熟时,云中呈现上正下负及云下部次正的三极性分布,主负电荷区稳定在-10℃层附近,次正电荷区浓度较大;上升气流穿过-15℃层之上开始强起电;云中最大电场出现在上升速度达到最大值后回落的阶段;闪电频数与云发展的高度及回波强度有关,回波强度＞45 dBz时,云发展越高,闪电频数越大,云顶高度＜6 km时,闪电发生较少;青藏高原雷暴具有与我国北方雷暴明显不同的特征.     

青藏高原东北部地区夏季雷电特征的观测研究

介绍了2002年夏季在海拔2650m的青海东部地区所进行的雷电综合观测实验及初步研究结果。实验中采用了GPS同步的6个站闪电快、慢电场变化和平均电场的同步观测,配合1ms的高速摄像对该地的雷暴电荷结构、闪电放电特征等进行了研究。初步研究结果表明,青海东部的雷暴云当顶时,地面电场既可受云内的负电荷所控制,也可能受正电荷所控制,揭示了雷暴电荷结构的复杂性。同时,闪电特征也存在一定的特殊性,所发生的地闪先导常以多分叉的形式慢速向地面行进,并在地面形成两个或两个以上的接地点;梯级先导的发展速度约为0.8～1.18×105m·s-1。同时在地闪发生之前和之后常有持续时间较长、闪道清晰的云内放电过程发生。高速摄像观测首次发现,在一次云内正电荷控制地面电场的雷暴条件下,云内放电过程呈现出双层结构特征。放电首先从上部负电荷区和下部正电荷之间的地方激发,然后上、下同时发展。在开始阶段只能看到向下的负流光通道,当上、下发展的通道分别到达负、正电荷区时,明亮的的主通道形成。之后放电在下部正电荷区以多分叉的形式水平扩展,下部的水平扩展停止后,主通道上部的放电开始水平扩展,是一种反极性的云内放电过程。     

闪电VHF辐射源功率观测及雷暴电荷结构的初步分析

利用自行研制的闪电VHF辐射源功率接收系统,对青藏高原东北部闪电VHF辐射源功率三维分布进行了观测,初步分析了雷暴电荷结构,并利用自行研制的中心频率为270 MHz球载闪电模拟源,对闪电VHF辐射源功率接收系统进行了野外标定,得到了267~273 MHz频率范围的闪电辐射脉冲功率三维时空发展分布图。统计结果显示,在正云闪中,上部正电荷区平均辐射脉冲功率为4.8 W,下部负电荷区平均辐射脉冲功率为1.6 W,上部正电荷区的辐射功率明显高于下部负电荷区。在负云闪中,下部正电荷区平均辐射脉冲功率为3.2 W,上部负电荷区平均辐射脉冲功率为2.5 W,下部正电荷区的辐射功率明显高于上部负电荷区。在负地闪中,负电荷区平均值为3.0 W,正电荷区平均辐射脉冲功率为4.7 W。负电荷区辐射源数都少于正电荷区,绝大多数正电荷区的平均辐射脉冲功率大于负电荷区,但个别闪电的负电荷区平均辐射脉冲功率大于正电荷区。     

云中闪电及云下部正电荷的初步分析

1986年夏季,我们在兰州中川机场附近对雷暴过程中的闪电进行了3站电场、电场变化及声光差的同步观测。本文定量分析了8月3日和4日两次雷暴过程中的7个云闪放电。结果表明,除一个为云中负电荷区和其上部正电荷区之间的放电外,其余都是负电荷区和云下部范围很大的正电荷区之间的放电。放电中心在海拔高度为3.8—6km之间(对应环境温度为7.6—-13.5℃),中和电矩约18—48Ckm。云下部的这种放电现象在文献中还很少见报道。     

雷暴云电场的初步研究

本文介绍了利用电场仪、闪电计数器以及雷达对雷暴云地面电场进行观测的结果。甘肃平凉地区雷暴云电荷分布一般为上正下负,云底附近有一小正电荷区。上层正电荷区可向上延伸,而下层负电荷区水平尺度可达数个公里,云底小正电荷区也可扩展10公里以上。 降水区地面呈现正电场。雷暴云闪电电矩变化可在40—300库伦公里间,平均值为120库伦公里,随着云体的发展,也就是说,随着雷达强回波高度的增高,大于180库伦公里的闪电增多。闪电后电场初始恢复速率平均为1/7/秒。 对于雷暴云电场特征的可能机制也作了初步讨论。     

A Case Study of Cloud-to-Ground Lightning Activities in Hailstorms under Cold Eddy Synoptic Situation

There were three hailstorms in Shandong Province,caused by a same northeast cold eddy situation on 1 June 2002.Cloud-to-ground (CG) flashes occurring in the weather event were observed by Shandong Lightning Detection Network (SLDN),which consists of 10 sensors covering all over Shandong Province.The temporal and spatial distributions of CG lightning are investigated for the three hailstorms by using the data from SLDN,Doppler radar and satellite.The results show that different thunderstorms present different lightning features even if under the same synoptic situation.The percentage of positive CG lightning is very high during the period of hail falling.CG flashes mainly occurred in the region with a cloud top brightness temperature lower than -50°C.Negative CG flashes usually clustered in the lower temperature region and tended to occur in the region with maximum temperature gradient,while the positive ones usually spread discretely.Negative CG flashes usually occurred in intense echo regions with reflectivity greater than 50 dBz,while the positive CG flashes often occurred in weak and stable echo regions (10-30 dBz) or cloud anvils,although they can be observed in strong convective regions sometimes.Almost all hail falling took place in the stage with active positive flashes,and the peak positive flash rate is a little prior to the hail events.The thunderstorm could lead to disastrous weather when positive CG lightning activities occur in cluster.Severe thunderstorms sometimes present a low flash rate at its vigorous stage,which is probably caused by the"mechanism of chargeregion lift"through investigating the reflectivity evolution.Combined with the total lightning (intracloud and CG) data obtained by LIS onboard TRMM,the phenomenon of high ratio of intracloud flash to CG flash in severe hailstorm has been discussed.The competition of the same charge sources between different lightning types can also be helpful for explaining the cause of low CG lightning activities in severe storms.     

Evolution of the Total Lightning Activity in a Leading-Line and Trailing Stratiform Mesoscale Convective System over Beijing

Data from the Beijing SAFIR 3000 lightning detection system and Doppler radar provided some insights into the three-dimensional lightning structure and evolution of a leading-line and trailing-stratiform (LLTS) mesoscale convective system (MCS) over Beijing on 31 July 2007. Most of the lightning in the LLTS-MCS was intracloud (IC) lightning, while the mean ratio of positive cloud-to-ground (+CG) lightning to -CG lightning was 1:4, which was higher than the average value from previous studies. The majority of CG lightning occurred in the convective region of the radar echo, particularly at the leading edge of the front. Little IC lightning and little +CG lightning occurred in the stratiform region. The distribution of the CG lightning indicated that the storm had a tilted dipole structure given the wind shear or the tripole charge structure. During the storm’s development, most of the IC lightning occurred at an altitude of ～9.5 km; the lightning rate reached its maximum at 10.5 km, the altitude of IC lightning in the mature stage of the storm. When the thunderstorm began to dissipate, the altitude of the IC lightning decreased gradually. The spatial distribution of lightning was well correlated with the rainfall on the ground, although the peak value of rainfall appeared 75 min later than the peak lightning rate.     

Intracloud discharge and the correlated basic charge structure of a thunderstorm in Zhongchuan, a Chinese Inland Plateau region

The intracloud (IC) discharge is closely related to the charge structure of thunderstorms. The location, charge moment and polarity of intracloud discharges have been analyzed by using the electric field changes from a 7-site network of slow antennas synchronized by GPS with 1 μs time resolution in the area of Zhongchuan in the Chinese Inland Plateau. Ten IC flashes, from a storm on August 20, 2004, have been fitted by using the non-linear least-square solution. The results show that five IC flashes occurred between the main negative charge region and the lower positive charge region and other five between the main negative charge region and the upper positive charge region during the mature stage of the thunderstorm. The centers of discharge were 3.2–5.6 km and 6.8–7.7 km above sea level. The neutralized moments were about 4.56–61.0 C km and 1.06–15.9 C km. It suggests that the charge structure related to the lightning discharge can be represented by a tripole but with a strong positive charge region in the lower part of the thunderstorm, with the lower positive charge region taking an active role in the discharge.     

华北一次强对流天气系统的地闪时空演变特征分析

利用地面雷电探测网,多普勒天气雷达和常规天气资料,分析了2005年8月1日发生在山东北部的一次具有前部对流线,后部大范围层状云降水(LLTS)的典型中尺度对流系统(MCS)的闪电活动演变特征。结果表明:整个过程中负地闪占主导地位,最高频数达到260次/5min;与负地闪比较,正地闪呈现不活跃状态。负地闪主要落在>40 dBz的强回波区内部及其边缘区域,而正地闪则分布在前部云砧和后部层状云降水区内。对地闪位置与回波强度的进一步对比分析发现,45~55 dBz的回波是最有利于地闪发生的区域,回波强度低于这一区域,随着回波强度的增大,地闪活动呈递增趋势,地闪频数在50~55 dBz的回波区域内达到峰值,>55 dBz的回波区域内地闪频数明显降低。     

双偏振多普勒天气雷达探测雷电的初步研究

利用S波段双偏振多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年6月5日发生在南京地区一次雷暴个例的双偏振雷达参量特征与闪电之间关系及雷达水平反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR和零滞后相关系数ρhv等偏振参量在3 km、5 km、7 km等3个不同高度上的CAPPI图,结果表明：负地闪主要落在强回波中心及其附近,少数...     

Analysis of the Initial Stage Intracloud Lightning Using the Pulse Location Technique Based on the Fast Electric Field Change

Academy of Sciences,Beijing 100029 2 Lanzhou University,Lanzhou 730000 3 Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000 4 Nanjing University of Information Science＆Technology,Nanjing 210044
Using both fast and slow electric field change sensors and field mill,multi-station observations on lightning flashes over China inland plateau areas were conducted during the summer of 2004.All of the stations were synchronized by GPS with a time-resolution of±50 ns.Using the different time of arrival（DTOA）and based on the fast electric field change sensor,a lightning radiation location technique was developed.Radiation pulses in the initial stages of five intracloud（IC）lightning discharges which occurred on 20 August were analyzed.The results indicate that the technique developed could effectively locate the lightning radiation sources.Furthermore,the lightning discharges were compared with the Doppler radar data.The results show that the radiation sources were well associated with the storm development.When the storm was at the mature stage with an echo top of about 10.9 km,the radiation sources ranged from 5.2 to 8.3 km above mean sea level;when the storm gradually became weaker,with echo top of about 7.9 km,the radiation sources ranged from 3.0 to 5.9 km.In particular,one of the IC lightning discharges ranged from 3.0 to 4.9 km during the dissipation stage of the storm.The results also indicate that the radiation sources were closely associated with the high reflectivity region（25–50 dBZ）of the storm,which,to some extent,demonstrates the reliability of the location results,thereby showing that multi-station observations of fast electric field change sensors could be a useful tool for monitoring the storm development.Location errors from radiation sources were also compared with the radar data and the results of a simple simulation.It was found that the errors were getting smaller when the radiation sources approached the center of the detection network, and vice versa.Compared with the limited experimental observations,the simulation results were found capable of effectively reflecting the location errors.     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。     

北京城区相继多次降雹的一次强雷暴的闪电特征

受东北冷涡和低层暖湿气流影响,2016年6月10日北京午后爆发了相继5次降冰雹的一次强雷暴天气过程。利用国家“973”项目“雷电重大灾害天气系统的动力—微物理—电过程和成灾机理（雷暴973）”2016年夏季协同观测期间获得的闪电全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了此次雹暴的闪电活动和雷达回波特征。此次雹暴过程包括三个孤立的单体相继发展、并合,所分析的4次降雹过程中,总闪电频数在降雹期间都有明显增多,最高可达179 flashes min?1。云闪占全部闪电的80%以上,其中3次降雹前出现正地闪突增,其比例升高,占全部地闪的比例最高达58%。降雹时雷达回波>45 dBZ的面积增大,顶高超过13 km。整个雹暴过程,闪电辐射源主要分布在6～10 km的高度区域,与强回波具有一致性。所分析的4次降雹过程均出现明显的总闪频数跃增,并通过2σ阈值检验,其中3次提前时间为8～18 min,说明总闪频数对于降雹过程有一定的预警能力。     

两次雷暴过程的地闪及回波特征

利用闪电定位系统、多普勒天气雷达、探空和降雨量资料,对南通地区2009年两次雷暴过程的地闪、降雨量和雷达特征进行了详细分析。结果表明:闪电主要集中在较强回波区域,40dBz及以上回波区域地闪尤为密集,但也有部分地闪尤其是正闪,发生在强回波边缘或回波弱的地方;40dBz回波高度突破-10℃温度层结高度的时间提前于第1次地闪,与地闪频数的变化一致性高;雷暴云发展过程中40dBz及以上雷达回波面积和地闪频数跳变较为一致,但出现连续降水时回波面积虽大,地闪频数反而减少;逐时降雨量和观测站周围20km范围内的地闪频数与时均40dBz及以上回波面积的相关性非常好。     

河南省强雷暴地闪活动与雷达回波的关系探析

利用ADTD雷电定位显示监测系统资料和郑州714CD多普勒雷达回波资料,对河南省2004--2006年8次雷雨大风伴局地冰雹和强暴雨两类强雷暴天气的地闪和雷达回波的特征及关系进行了分析,从观测事实出发,分析了河南8次强雷暴地闪活动与雷达回波的关系。结果表明:大风冰雹类回波强度为50～60 dBz,暴雨回波强度一般为40～55 dBz。暴雨地闪频数明显多于大风冰雹类;大风冰雹类天气以正闪为主,正闪比例在50%以上,暴雨正闪比例在6%以下;最大正、负闪强度可以出现在强雷暴过程的开始、持续、结束时段。块状单体回波出现或出现前,地闪已经出现,移动过程中的强回波带,少量地闪出现在强回波移动方向的前方20～30 km内,此地闪能很好地预示强回波未来移动方向;对于暴雨类天气,地闪不能很好预示降水的开始,地闪频数的增加预示强暴雨进入持续阶段,地闪减弱比暴雨回波减弱有明显的提前量。雷雨大风冰雹和暴雨持续阶段其正闪密集区和负闪密集区都同40 dBz的强回波区有很好的对应关系。雷雨大风持续阶段地闪数频数突增,整个时段地闪频次具有单峰特征;暴雨整个时段地闪频次具有双峰或多峰值特点以及高频数地闪持续性特点;1小时地闪频数强暴雨远大于雷雨大风冰雹类。暴雨类0℃、-10℃、-20℃层高度及云顶高度一般高于大风冰雹类,△H_(-10～0℃),△H_(-20～0℃),△H_((?)～0℃)三层高度差也大于大风冰雹类。