正地闪和负地闪预击穿脉冲序列的统计分析与对比

2009～2010年夏季,在大兴安岭林区利用闪电快、慢电场变化测量仪组成的网络对自然闪电进行了多站同步观测。本文选取2010年夏季3次过境雷暴过程中具有4站以上同步的资料,同时对表现出明显预击穿过程的37次正地闪和56次负地闪的预击穿脉冲序列进行了统计分析。统计的主要参数包括：脉冲序列的总持续时间（Total Duration）,脉冲序列和首次回击之间的时间间隔（PB-RS Separation）,预击穿过程到首次回击的时间间隔（Pre-RS Interval）,单个脉冲持续时间（Individual Pulse Duration）,相邻脉冲时间间隔（Interpulse Interval）等。对于负地闪,相应参数的算术平均值为4.1 ms、55.4 ms、56.0 ms、8.8 μs和111.0 μs,几何平均值为3.7 ms、35.6 ms、36.5 ms、7.4 μs和98.2 μs;对于正地闪,相应参数的算术平均值为4.5 ms、75.6 ms、77.3 ms、11.5 μs和297.3 μs,几何平均值为3.0 ms、57.8 ms、60.0 ms、10.0 μs和217.9 μs。对比发现,正地闪预击穿脉冲序列相对负地闪预击穿脉冲序列持续时间更长,和首次回击的时间间隔更大,其单个脉冲更宽,在整个序列中排列更稀疏。计算了正、负地闪最大预击穿脉冲幅值和首次回击幅值的比值（PB/RS,PB代表最大预击穿脉冲幅值,RS代表首次回击幅值）,通过和其他研究结果的对比,发现负地闪有PB/RS随纬度增大而增大的趋势,而正地闪没有。另外,检验了首次回击前地闪电场波形与BIL模型（Breakdown Intermediate Leader, BIL）的符合情况,发现只有很小比例的电场波形符合BIL模型。     

北京地区负地闪回击转移的电荷量

负地闪是闪电危害的主要来源,其对地转移电荷源特征和电荷量不仅对闪电放电机理的研究有重要意义,而且对雷电防护也具有重要的实际应用价值。为了研究具有典型城市下垫面环境的北京地区的闪电活动特征和放电强度,利用北京地区2011年两次雷暴过程的多站GPS(Global Position System)同步闪电地面电场变化定量观测资料,在考虑消除场地和环境因素对电场变化观测资料影响的基础上,基于蒙特卡洛数据处理方法和非线性最小二乘法拟合反演算法,定量研究了负地闪回击中和的电荷源位置和电荷量,并对回击特征与回击转移电荷源之间的关系进行了讨论,得到如下结果:(1)单次回击中和的电荷量为1.1~27.6 C,平均为8.6±5.2 C,不同序数回击转移电荷量的最小值基本不随回击序数的上升而变化,最大值和均值随回击序数的上升而减小;一次负地闪中和的总电荷量随着回击数的增加而增加。(2)负地闪回击数和回击时间间隔都呈对数正态分布,其中负地闪总数70.4%的多回击负地闪其回击间隔平均为99±95 ms,不同序数回击的时间间隔最小值随回击序数的上升基本不变,时间间隔最大值和均值随回击序数的上升而减小。(3)回击转移电荷量的均值随回击间隔的增加呈波动形式的逐渐上升;相邻回击转移电荷源的空间距离均值随回击间隔的增加而增大。     

The Characteristics of Cloud-to-Ground Lightning Activity with Severe Thunderstorm Wind in South and North China

The characteristics of cloud-to-ground（CG） lightning activity with severe thunderstorm wind（STW） in South and North China are analyzed using CG lightning data, radar data, and serious weather reports. The percentage of positive CG（PCG） flashes with STW in North China is larger than that in South China. STW takes place during the period when the total CG and PCG density is increasing fastest. STW also occurs close to the high-value center of CG and PCG density. In North China, the CG and PCG density in the grid of STW maximizes approximately 20 minutes after the STW occurs; while in South China, the PCG density and percentage of PCG in the grid of STW maximizes about 10 minutes before the occurrence of STW. The high-value centers of CG density and PCG density in North China move slightly faster than those in South China, which is opposite to the rate of increasing CG activity.     

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。     

利于上行负地闪始发的电荷区参数数值模拟

在经典偶极性电荷结构下,结合已有的闪电放电参数化方案及中国气象局雷电野外科学试验基地的广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)观测分析结果,不断调整主负电荷区参数进行二维高分辨率闪电模拟试验,讨论自持型上行负地闪与云中闪电之间的相互竞争关系以及有利于自持型上行负地闪始发的云中电荷结构。数值模拟结果表明：自持型上行负地闪始发与电荷结构存在一定关系,在主负电荷区越高的情况下,始发自持型上行负地闪需要的主负区电荷密度与电荷分布范围越大。对于不同类型的闪电始发条件,推测存在自持型上行负地闪始发的主负电荷区高度阈值,当主负电荷区高度高于该值时,随着主负区电荷量的不断累积,会始发起始于云中的闪电而不是自持型上行负地闪,当主负电荷区高度低于该值时,电荷的不断积累会导致自持型上行负地闪始发。     

闪电初始预击穿过程辐射脉冲特征及电流模型

利用2012年青海大通地区高精度闪电三维辐射源定位结果和宽带电场脉冲波形同步数据,基于3种改进的传输线模型和粒子群优化算法,拟合发生在不同距离上不同类型闪电初始预击穿过程的双极性脉冲波形结构,反演初始流光通道内电流波形和特征参数,对比分析3种模型对初始预击穿过程和梯级先导双极性脉冲波形的拟合效果,统计分析4类闪电初始预击穿脉冲的物理特征。结果表明:3种改进的传输线模型均能较好地拟合出双极性脉冲结构,且MTLE模型更合理。负地闪的初始预击穿过程和梯级先导过程呈现出相同的传输特征,即均以梯级形式发展,且拟合物理参量也较为接近。初始流光向上的路径长度大于初始流光向下的路径长度,初始流光向上击穿进入上部正电荷区的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩远大于初始流光向下的路径上中和的总电荷量和总垂直偶极矩。     

成都地区地闪时空特征分析

利用XDD03A型闪电定位仪所取得的3年资料,初步研究了成都周边地区地闪特征。地闪中正地闪占绝大多数,其平均强度为6045 A,略高于负地闪的5974 A。地闪强度基本集中在12000 A以下。地闪活动具有明显的日变化,总体呈单峰单谷形式,地闪频次在60以上的峰值时段是18:00~24:00和01:00,频次在10以下的谷值时段是10:00~13:00,夜间闪电活动明显大于日间。正地闪频次日变化趋势和总地闪相同,负地闪频次日变化趋势除一些小波动外,和正地闪、总地闪相同。正负地闪频次的月变化趋势相同,6、7、8月闪电数较多,4、5、9、10月闪电数较少。通过统计分析,发现各月地闪频次和对应的各月降水量有较好的相关性。成都周边地区地闪活动密集,6、7、8月的地闪密度大大超过4、5、9、10月。     

山东地区冰雹云的闪电活动特征

利用山东电力部门提供的雷电定位资料,对10次冰雹过程的地闪活动特征进行了分析。通过分析发现,雹暴中正地闪占总地闪的比例平均为57.39％,远高于当地正地闪比例的气候特征值13.48％。地面降雹区基本出现在正地闪密集（活跃）区或邻近区域。在雹云快速发展阶段,地闪频数存在明显的“跃增”;在减弱消散阶段,地闪频数显著减少,但正地闪比例有所提高。负地闪频数峰值的出现通常提前于降雹0～20 min,正地闪频数峰值的出现一般滞后于降雹发生时间。整个降雹阶段对应于正地闪的活跃阶段。另外,结合对卫星观测的总闪电资料分析,发现冰雹云的云闪与地闪的比值远高于一般的雷雨过程,其云闪密度也远高于雷雨过程。以上这些特征对于冰雹的识别和对冰雹的超短时预报具有指示意义。     

Characteristics of a Negative Cloud-to-Ground Lightning Discharge Based on Locations of VHF Radiation Sources

The lightning very high frequency （VHF） radiation location system based on the short-baseline time-difference of arrival （TDOA） technique provides an effective approach to describe the temporal and spatial development of lightning discharge in two dimensions with high resolution. A negative single-stroke cloud-to- ground （CG） lightning flash was analyzed in detail using the radiation location results and synchronic fast/slow elec- tric field changes. The long-duration preliminary break- down process appeared to propagate with hi-directional leader channels. The two negative simultaneous discharge channels sloped down with a considerable horizontal com- ponent in the lower positive charge region at speeds of about 105 m s-1. The stepped leader was clearly converted from one channel of the preliminary breakdown process and spread downwards with branches. The speeds of the stepped leaders were about 105 m s -1. The K processes after the return stroke could either directly initiate from the start region with negative polarity lightning discharge, or initiate from a new region in the cloud as negative recoil streamers. All K processes propagated along the preceding electrified channel, while not all K processes initiated from the tips of positive breakdowns. The speeds of the K processes were about 106-107 m s-1.     

Estimation of Lightning-Generated NOx in the Mainland of China Based on Cloud-to-Ground Lightning Location Data

Lightning-generated nitrogen oxides(LNO_x) have a major influence on the atmosphere and global climate change.Therefore, it is of great importance to obtain a more accurate estimation of LNO_x. The aim of this study is to provide a reference for the accurate estimation of the total LNO_x in the mainland of China based on cloud-to-ground lightning(CG)location data from 2014 to 2018. The energy of each CG flash was based on the number of return strokes per CG flash, t...     

反极性云闪的初始击穿特征

基于快天线闪电定位阵列(fast antenna lightning mapping array,FALMA)的观测数据,对2019年8月2日和5日发生于我国宁夏的两次雷暴过程312例反极性云闪的初始击穿(preliminary breakdown,PB)特征进行统计。脉冲参数统计结果显示:PB过程持续时间算术平均值为9.8 ms;脉冲结构由脉冲上升沿、半宽、下降沿和脉冲宽度4个变量表征,算术平均值分别为7.3,4.5,5.6 μs和24.7 μs。脉冲频率和脉冲间隔的算术平均值分别是5.7 ms-1和169.2 μs。通道参数统计结果显示:反极性云闪的起始高度平均值为6.9 km。相比于正极性云闪,反极性云闪PB倾向于在弱雷达回波区域起始,雷达反射率因子算术平均值为19.3 dBZ。垂直发展距离和垂直速度平均值分别是2.0 km和2.8×105 m·s-1。PB参数随起始高度变化的结果表明:PB持续时间、垂直发展距离(垂直速度、脉冲频率)与起始高度呈正(负)相关。     

雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响

为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响,建立了典型雷暴云电荷结构模型,引入控制电荷水平分布的参数,利用改进的随机放电参数化方案,开展二维高分辨率模拟试验。结果表明:主正电荷区电荷水平分布不均匀且向中心聚集时,产生的闪电类型多为正地闪和正极性云闪,随着电荷水平分布趋于均匀,闪电类型转变为负地闪;主负电荷区电荷水平分布趋于均匀时,闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪转变;闪电先导传播特征有较大差异,电荷分布密集不均匀时,先导被束缚在电荷高密度中心,主要在电荷区内发展,当电荷分布单一均匀时,先导能穿出电荷区并水平延伸十几至二十多千米。分析两个电荷区之间的电位分布发现,电荷区电荷水平分布趋于均匀时,位势线向电荷密度中心集中,整个位势阱水平延展,闪电触发点的初始电位值有较大差异,有利于闪电类型和先导传播行为的改变。     

北京地区闪电特征初探

对信息产业部第22所研制的XDD03A雷电探测系统获取的2000～2003年北京地区云-地闪电资料进行了闪电的日变化、月变化、闪电的强度、闪电密度、极性等方面的分析,研究了北京地区的闪电分布特征。结果表明：云地闪中负闪占大多数;正闪的平均强度大于负闪;闪电的发生有明显的日变化,呈双锋双谷形式;最多闪电日数出现在7月和8月,几乎每天都出现闪电,而闪电次数最多则出现于8月份。北京地区闪电分布主要集中于4个区域,闪电的空间分布与地形及下垫面的性质有关。     

中国内陆高原地区典型雷暴过程的地闪特征及电荷结构反演

利用2002年夏季在青海省大通县进行的雷暴及闪电综合观测实验中所获取的6站GPS同步闪电电场变化资料,对8月4日一次下部具有大范围正电荷区的典型性雷暴过程的雷电特征进行详细研究。利用点电荷模式对16次负地闪和2次正地闪所包含的共65次回击所中和电荷源进行的非线性最小二乘法拟合研究发现,负地闪所中和的负电荷距离地面的相对高度在3~5 km,而两次正地闪所中和的雷暴云电荷在5~6 km的高度,表明该雷暴云呈三极性电荷结构。负地闪单次回击所中和电荷量平均为1.48 C,而两次正地闪都为单次回击且中和的电荷量分别为1.37 C和2.68 C。     

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.     

广东地闪时空特征及与降水关系分析

利用2016—2020年粤港澳闪电定位数据和广东86个国家地面观测站逐小时降水资料,分析了广东地闪频次和地闪强度的时空分布特征,以及地闪与降水量、强降水频次之间的相关关系。结果表明：(1)广东逐月地闪频次与降水变化均呈双峰型分布,峰值在6和8月,两者相关系数达到0.95。日变化中,地闪频次高值集中在12:00—20:00,占比为61.4%;地闪频次与逐时雨量均为单峰型,峰值出现在15:00,两者相关系数0.90。(2)地闪密度大值区以广州为中心向四周递减,中心值达到33次/(km²·年)以上;地闪强度分布与地闪密度相反,地闪密度大的地区,其平均地闪强度小。(3)全省大部分地区地闪密度与降水量、强降水频次相关性强,而在粤东及粤北地区相关性较差。相较于降水量,地闪密度大值区与强降水频次的相关性更好;而地闪强度与降水量的相关性,比其与强降水频次相关性要更好。     

A Comparison of the Characteristics of Total and Cloud-to-Ground Lightning Activities in Hailstorms

The region of Beijing-Tianjin-Hebei is covered by two different lightning detection networks: SAFIR (Systeme d’Alerte Fondre par Interferometrie Radioelecctrique) for total lightning, including IntraCloud (IC) flashes and Cloud-to-Ground (CG) flashes, and the ADTD (ADvanced TOA and Direction system; TOA denotes time of arrival) network of China for CG lightning. Fourteen isolated hail-bearing thunderstorms in this region were examined in this study, using the data of SAFIR and ADTD. The peak of lightning frequency, for both total lightning and CG lightning, was often observed in advance of the occurrence of hailstones on the ground, with a trend of a rapid increase of lightning frequency before the hail was reported. The average lead times of the two types of lightning jump before hail events were obtained (total lightning: 32.2 min; CG: 25.4 min) through the 2σ lightning jump algorithm. Additionally, in hailstorms with a high ratio of positive CG flashes, the diameter of hail was larger and the duration of hail was longer; when negative CG flashes dominated, the diameter of hail was relatively small. The comparison of the characteristics of total lightning and CG flashes in hailstorms in this study is expected to serve as a supplementary tool for hail forecasting.     

一次多回击负地闪放电过程的甚高频辐射和传输特征分析

利用短基线时间差甚高频(VHF)辐射源定位系统对一次多回击负地闪放电过程进行详细研究发现, 负地闪的预击穿、梯级先导、直窜先导及回击后云内放电过程伴随有较强烈的VHF辐射。结合同步观测的闪电快、慢电场变化资料, 分析VHF辐射源时空发展特征发现, 预击穿阶段辐射源在云中的放电通道为双向发展, 平均速度均在104 m s-1量级, 预击穿下行分支直接转化为梯级先导, 并产生多个分支通道同时向地面发展, 先导平均速度在105 m s-1量级。继后回击之前先导过程均产生多个分支通道, 直窜先导平均速度在105～106 m s-1量级, 新开辟的梯级先导速度在105 m s-1量级。闪击间及地闪后期云内放电活动较为复杂, 主要表现为辐射源从闪电起始区域发展, 进一步延伸云内闪电通道。地闪后期多次负极性K变化过程(Kitagawa and Kobayashi, 1958)主要表现为负极性流光沿之前的正极性电离通道快速发展, 平均速度在106 m s-1量级。     

江西省地闪特征及其与雷达特征量关系研究

利用2013—2020年3—9月江西省多普勒天气雷达和地闪观测资料,对地闪分布特征及其与雷达主要特征量之间的关系进行统计分析。结果表明：江西省地闪频数从东北到西南逐渐减小,其北部鄱阳湖平原为地闪频数高值区;地闪频数具有明显的季节变化和日变化特征,总地闪频数在16:00达到一天的峰值;地闪频数与低层（3km）雷达回波强度的关系可用对数拟合方程来描述,地闪频数与低层雷达回波面积的变化趋势正相关,回波越强相关性越强,但二者存在位相差,地闪增加先于回波面积增加的情况约占57%～60%,大多数情况下可在18min内发现两者均有增加;箱线图特征显示,随着回波强度增大,地闪发生时的回波伸展高度相应减小,而回波厚度略增大,从而得出不同强度回波的地闪发生格点周围10km半径范围的雷达回波特征。     

一次中尺度雷暴大风过程的闪电特征分析

2005年6月21日山东北部出现了一次中尺度对流系统,并伴有地面灾害性大风。作者综合闪电定位资料、雷达和卫星资料详细分析了这次中尺度对流系统的闪电活动特征,结果表明,在系统初始发展阶段地闪频数快速增加.成熟阶段地闪频数一直较高,且都在20次/5 min以上,在减弱消散阶段,正地闪比例超过负地闪。负地闪多发生在对流降水区,而正地闪则对应于稳定的层状云降水区。逐小时地闪次数峰值滞后于云顶最低温度峰值,小于-50℃的冷云覆盖面积峰值滞后于地闪次数峰值。这次地面大风主要是较强下沉气流底部外流造成的,利用WINDEX计算的地面最大风速潜势与观测的阵风值非常接近。地面大风阶段对应着剧烈的闪电活动,地闪频数的跃增略提前于地面强风发生时间,这对灾害性天气过程的监测预警具有一定的参考价值。