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;其次从动力一微物理方面对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一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霄达,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。     

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(Z_H)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的Z_H中值随高度增加而减小, 但差分反射率(Z_DR)、差分传播相移率(K_DP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应Z_DR和K_DP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均Z_H比闪电通道位置处的平均Z_H大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应Z_H分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。      

一次“晴天霹雳”致死事件分析

对2017年广州从化地区一次"晴朗"天气下的闪电致死事件进行调查分析发现,这次事件是闪电首先击中一棵大树,然后击中附近人员头顶致死。根据目击者描述的时间和位置,利用闪电低频电场变化探测阵列的定位数据和广东电力等系统的雷电定位数据,结合广州番禺雷达观测资料,确定此事件是由一次含有7次回击的地闪过程的首次回击造成,其电流峰值强度为-30.9 kA。闪电起始于13.0 km高度的云内,经约600 ms云内发展过程后闪电通道从云体延伸出来,云砧区边缘（0 dBz）到回击点水平距离约300 m,降水区边缘（18 dBz）到回击点水平距离约1.8 km。使用雷击现场等效电路模型,计算旁络闪击空气击穿场强可击穿空气与人头部连接为通路,根据电路分流原理,如果雷电流击中13 m高的大树后流经到"跳点"（树干上方1/4）处后,则有13.2 kA雷电流直接闪击到受害者身上,同时还承受了78.3 kV跨步电压伤害,而距离雷击点10 m远的目击者仅承受1.3 kV跨步电压。      

低频电场变化探测阵列建设及其初步运行结果

在低频(LF)和甚低频(VLF)频段探测全闪活动是近年来闪电探测技术发展的一个重要方向.中国气象科学研究院于2014~2015年在广州地区建设了由9个快电场变化测量仪构成的低频闪电电场探测阵列(Low-frequency E-field Detection Array,LFEDA).本文介绍了LFEDA构成以及针对闪电低频电场信号建立的闪电定位算法,基于蒙特卡罗法和人工触发闪电试验对LFEDA的定位精度和探测效率进行了理论模拟和客观评估.前者表明站网中,具有较长基线的定位站有助于改善垂直于该基线方向的水平定位精度和沿着该基线方向的高度定位精度.后者表明LFEDA对触发闪电事件和回击的探测效率分别为100%和95%,回击平面定位误差平均值为102m.定位结果与雷暴结构的对比分析表明,闪电脉冲放电事件与反射率柱所表征的对流特征较强区域有较好对应,脉冲放电事件在垂直方向上呈现合理的分布.此外,通过单次云闪、地闪的定位结果发现,LFEDA能够描绘闪电发展形态,基于三维定位结果获得的云闪初始阶段垂直发展速度以及地闪先导垂直发展速度变化趋势与之前观测结果类似,研究结果表明,LFEDA具备了全闪电三维定位能力,为闪电发展特征研究以及雷暴电学研究提供了新的技术手段.     

双站摄像资料重建闪电三维通道的方法

为了满足准确分析闪电通道三维发展特征和闪电先导相互作用的需求,建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法,从两幅在不同位置拍摄到的闪电二维图像上分别获取通道的坐标序列,利用空间立体几何原理,寻找两组序列中互相匹配的坐标,再由匹配的坐标序列重建出最终的闪电三维通道。通过对一次实际观测个例的重建与分析,验证了重建算法在实际观测中的可靠性,并对闪电通道的三维长度和二维长度进行了对比,发现两者差异可达2倍以上,充分说明了闪电三维特征分析的重要性。     

基于AHP的文物建筑防雷分类研究

通过对文物建筑雷电灾害规律的分析,提出将文物建筑的重要性、雷击密度、所处环境、服务设施、文物建筑高度、周围树木、自身结构、雷击史等作为文物建筑防雷分类的评估指标,采用层次分析法(AHP)确定指标权重。根据文物建筑保护等级、遭受雷灾规律、雷电活动情况以及现行国家标准将评估指标分类,参考里克特量表及等权指标体系对评估指标进行评价,建立了文物建筑防雷分类评估模型。     

Impact of updraft on neutralized charge rate by lightning in thunderstorms: A simulation case study

The rate of neutralized charge by lightning (RNCL) is an important parameter indicating the intensity of lightning activity. The total charging rate (CR), the CR of one kind of polarity (e.g., negative) charge (CROP), and the outflow rate of charge on precipitation (ORCP) are proposed as key factors impacting RNCL, based on the principle of conservation of one kind of polarity charge in a thunderstorm. In this paper, the impacts of updraft on CR and CROP are analyzed by using a 3D cloud resolution model for a strong storm that occurred in Beijing on 6 september 2008. The results show that updraft both promotes and inhibits RNCL at the same time. (1) Updraft always has a positive influence on CR. The correlation coefficient between the updraft volume and CR can reach 0.96. Strengthening of the updraft facilitates strengthening of RNCL through this positive influence. (2) Strengthening of the updraft also promotes reinforcement of CROP. The correlation coefficient between the updraft volume and CROP is high (about 0.9), but this promotion restrains the strengthening of RNCL because the strengthening of CROP will, most of the time, inhibit the increasing of RNCL. (3) Additionally, increasing of ORCP depresses the strengthening of RNCL. In terms of magnitude, the peak of ORCP is equal to the peak of CR. Because precipitation mainly appears after the lightning activity finishes, the depression effect of ORCP on RNCL can be ignored during the active lightning period.     

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

北京和广州地区云闪初始击穿电场变化特征

对比分析了北京和广州地区各100例云闪初始阶段前30 ms快电场变化波形上初始击穿脉冲的特征。依据脉冲的结构特征,两地区的云闪初始击穿脉冲可分为单极性单峰型、单极性多峰型、双极性单峰型和双极性多峰型脉冲,两地区均以单极性和单峰型脉冲为主。对脉冲参量特征的统计发现,脉冲的10%-90%上升时间、半峰值宽度地区差异性小于脉冲类型差异性;双极性单峰型脉冲的半峰值宽是单极性单峰型的1.2倍。不同类型脉冲过零时间的中值、平均值在10μs左右量级,且广州地区较北京地区的大;云闪初始击穿脉冲宽度平均值显著小于相同地区正地闪的,而脉冲间隔显著大于正地闪的。初始击穿脉冲最为集中的出现在云闪最初的1~2 ms,其比例随时间以显著的负指数分布下降。研究发现,双极性脉冲的过零时间与脉冲宽度之间、起始半周期峰值幅度与过冲幅度之间均存在较好的线性关系。     

台风莫拉菲(2009)登陆前后电荷结构演变的模拟研究

利用中尺度起电放电模式以及卫星和闪电定位等观测资料,对比分析了台风莫拉菲（2009）在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。结果表明：莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁区对流在近海加强阶段呈现正的三极性电荷结构,主负电荷区位于-25℃——10℃层,其上下各有一个正电荷区。而在台风达到最大强度后呈现负的偶极性电荷结构,仅存在云中部的负电荷区和下部的正电荷区。眼壁区对流的电荷结构同台风强度变化密切相关而不受登陆直接影响。在台风发展的不同阶段,外螺旋雨带对流主要表现为正的三极性或正的偶极性电荷结构,之前的研究一般认为外雨带对流只能呈现正的偶极性电结构。外雨带三极性电结构的形成可以类似于眼壁区三极性结构的形成,也存在其他形成机制,即在霰粒子与冰晶组成的正偶极性电荷结构下存在一个由雹粒子组成的正电荷区,从而形成正的三极性电荷结构。台风衰亡阶段对流主要表现负的偶极性电荷结构,对流活动较弱,类似于陆地雷暴消散阶段的特性。不同类型的电荷结构所对应对流的相对强度也在文内进行了讨论。