人工触发闪电初始连续电流的中低频磁场特征

中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验是研究闪电电磁辐射效应的有效手段,利用架设在试验场地周边的多套磁场天线所获取的高灵敏度磁场数据,针对初始连续电流阶段的中低频磁场特征开展研究。得益于磁场天线带宽的拓展,首次解析出了相对平静期内的磁场脉冲,单个脉冲的平均宽度约为1μs,平均脉冲间隔约为14μs,对应了该阶段中上行先导的小尺度击穿发展形式;在近、远距离磁场测量中均观测到了与先导通道头部击穿放电相关的爆发式磁场脉冲,其平均脉冲间隔(约为24.5μs)明显大于平静期脉冲的统计值,而且在爆发式脉冲期间通道底部电流逐步增大到几十至上百安培,表明此时电场条件更加有利于上行先导的发展;此外,高灵敏磁场天线能够直观地呈现出初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse,ICCP)的电荷传输过程,且ICCP期间观测到的规则磁场脉冲的脉冲间隔比其他类型的磁场脉冲小一个量级,可能体现了正极性击穿和负极性击穿的特征差异。     

人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91μC。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation, LER)多点观测结果. 基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System, TEROS), 在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件, 结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料, 对3次事件的高能辐射特征进行研究. 分析发现: 3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到, 是典型的X射线暴, 且均具有MeV能量的单光子, 最大能量超过2.2 MeV; 伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs, 伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs, 主要与先导发展速度有关; 相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量, 随着接近回击时刻, 该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势, 表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素; 随到达强度降低, 高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变, 呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征, 更多乃至所有的爆发过程无法被探测到, 高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

     

风力发电机叶片姿态与雷击概率关系模拟分析

利用闪电先导二维随机模式对风力发电机遭受雷击情况进行模拟,分析表明:随着下行先导初始位置相对风力发电机水平偏移距离不断增加,雷击风力发电机概率不断减小,偏右500 m时减至4%,且雷击部位多为叶片,叶片姿态不同,雷击特点存在一定差异。当风力发电机1号扇叶转动45°时,扇叶上产生的上行先导长度达221 m,高于平均值10.3%,且各个扇叶间的竞争关系较明显。对风力发电机叶片姿态不同、偏移下行先导不同距离时的雷击概率进行模拟,得出下行梯级先导相对于风力发电机水平偏右300 m以及偏左300 m以内时,扇叶处于15°~45°之间遭受的雷击概率略高,而偏右500 m时其雷击概率明显偏高。由整体随机性分析可知,当风力发电机处于15°~45°时,遭受雷击危害的概率相对较大。     

CMA_FEBLS低频三维全闪探测技术研究及观测10年进展

三维全闪探测已经成为了深入认识闪电物理机制和雷暴电活动规律的重要手段.中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA FEBLS)自主研发了低频电场探测阵列(LFEDA),并持续开展了针对广东地区雷暴全闪电活动的综合观测试验,在精细化三维定位算法和基于三维全闪数据的闪电放电过程研究方面取得了若干研究结果.(1) LFEDA具备...     

NBE和IBP始发的闪电初始特征

基于闪电低频电场探测阵列（LFEDA）所获得的全闪三维定位数据,研究了2015年8月15日14:30—16:10广州一次雷暴过程中具有明显始发脉冲的闪电初始放电特征及放电规律。结果表明:212例近距离云闪和地闪中,32例闪电由窄偶极性放电事件（NBE）始发,占15%;180例闪电由初始击穿脉冲（定义初始击穿脉冲簇的首个脉冲为FIBP）始发,占85%。作为始发的窄偶极性放电事件（INBE）,其相对孤立且具有较大的相对幅度,INBE与后续闪电的第1个脉冲的时间间隔为7 ms,幅度比为3.5,远大于FIBP相对应的时间间隔0.6 ms和幅度比0.8,INBE后多跟随传统的IBP脉冲。多数正极性INBE与FIBP对应初始向上发展的闪电,而负极性对应初始向下发展的闪电。INBE始发闪电前15 ms的平均发展速度随始发高度的增大而减小,快于FIBP,这与INBE具有更快的速度相关。估计的INBE速度为4.7×107 m·s-1,FIBP速度为1.5×107 m·s-1,两者速度差异也体现在脉冲上升时间方面,INBE具有更快的上升沿。     

降水、烟雾滴沙尘等现象自动识别系统研制

该项目是国家科技部科研院所技术开发研究专项资金项目,其研究目标是:基于高性能的数字摄隐系统对天气现象的实时监测,结合先进的计算机图像识别、处理和分析技术,实现对雨、雪和冰雹等降水现象以及雾、烟幕和沙尘等视程障碍现象的自动识别,开发基于数字摄像技术的主要天气现象自动观测系统,为气象站目测要素的自动化观测提供先进有效的技术手段,促进我国在气象站自动化观测技术方面的研究进程.本项目执行以来,主要开展了下述工作:     

我国雷电灾害及相关因素分析

为了更好地揭示雷电灾害的时空分布规律和成因机制过程,在1997—2006年全国雷电灾害数据库和星载闪电探测数据的基础上,分析研究了雷电灾害及相关因素的特征,包括雷电灾情、孕灾环境、致灾因子、承灾体及其相互作用,得到以下一些结果:①雷灾事故数、雷灾人员伤亡数与我国不同地区的致灾因子(闪电活动)、承灾体(人口和经济发展现况)成正相关;雷电灾情不同类型与承灾体类型(城乡人口比例、经济发展现况)有密切关系;②我国雷电灾情和闪电活动的时间特征是紧密相关的,同时雷电灾情的时间特征与人们的作息时间相关;③不同的孕灾环境下造成雷电伤害人员的方式特征不同,雷击死亡人数在农田最多,而受伤人数在建构筑物内最多;④80%的雷灾伤亡人员事故只涉及1~2人的生命安全,其中1人遭受雷击的占总事件的61%;⑤重大雷灾伤亡事件直接与承灾体的脆弱性有关。     

改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用

互相关函数法是一种常用的时延估计方法,但在低信噪比和闪电存在多分叉的情况下,该方法的效果不理想。针对这一问题,该文选取广州地区2009年8月24日19：08:04和2012年5月5日08：01：00的两次闪电过程的雷声记录,结合高速摄像资料,比较了互相关函数法和改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用效果。首先,利用互相关函数法和改进的互功率谱相位法计算声源点的方向信息,定位结果与高速摄像照片对比具有较好的一致性,证明了定位方法的可靠性,对比结果表明：在低信噪比环境和多分叉闪电情况下,改进的互功率谱相位法能够获得比互相关函数法更好的定位效果。最后给出了综合利用改进的互功率谱相位法计算得到的方向信息和声源点与观测点的距离信息得到的雷声声源三维定位结果。