气候变化下中国西南地区雷电活动随地形因子的动态变化

我国西南地区多山林,生态环境复杂且脆弱,近年雷电灾害凸显。雷电活动与地形因子息息相关,且随气候变化而变化。基于2005-2017年全球闪电定位网WWLLN资料,结合地表高程数据DEM和历史气象信息,借助Mann-Kendall趋势检验、多元线性回归等方法,分析了西南地区雷电与地形因子的关系,探索气候变化下雷电活动随地形因子的变化趋势。结果表明:(1)2005-2017年西南地区雷电频次呈显著增加趋势。空间上总体呈东南高、西北低的特点。(2) 2005-2017年雷电活动主要集中在海拔为400 m左右、坡度为0°-5°的丘陵、低坡区,并随海拔、坡度升高而减少,但在海拔3500-5100 m、坡度为40°的高山、急坡段出现小峰值。偏东坡闪电频次大于偏西坡的。(3)随着气候变暖,西南地区雷电活动出现抬升、转移现象。受海拔400-500 m最低气温升高(0.11℃·a^(-1))、0°-5°低坡区相对湿度增加(0.09%·a^(-1))的影响,海拔400-500 m、0°-5°低坡区的闪电占比减少,减少率分别为0.20%·a^(-1)和0.38%·a^(-1),减少部分主要抬升到海拔为3500-5100 m、坡度为10°-25°的地形段。受偏东坡相对湿度增加(0.15%·a^(-1))、西坡年降水量增加(9.68 mm·a^(-1))的影响,东坡、东北坡闪电占比减少,减少率为0.08%·a^(-1),减少部分主要转移到西坡。

云南省雷电流幅值时空变化特征及累积概率分布

该文基于2017—2022年云南省VLF/LF闪电定位系统监测资料,分析雷电流幅值时空变化规律和累积概率分布特征。结果表明:全省正回击电流幅值空间分布差异较负回击更加显著,高值区分布在滇西北、滇东南的红河州、滇西南的普洱市和西双版纳州。在回击密度较高的滇中及以东地区,雷电流幅值却相对较小。全省正、负回击的平均电流幅值分别为42.6 kA、27.3 kA,正回击电流幅值跨度更广,负回击电流幅值更集中。正回击中出现大幅值电流的概率较高,正、负回击中电流幅值大于60 kA的累积概率分别为27.6%和4.4%。具有强电流幅值的地闪活动主要出现在8—10月的夜间及上午,弱雷电流幅值主要发生在春季。利用IEEE推荐公式和Levenberg-Marquardt算法,通过迭代拟合得到适用于云南省不同地区的雷电流幅值累积概率公式,拟合值与实测值的相对误差较小,可为雷电灾害防御设计及输电线路耐雷评估分析等提供技术支持和参考。

西南地区复杂地形对地闪与降水影响分析

基于2016-2020年夏季(6-8月)重庆市ADTD地闪定位资料和1686个自动气象站逐小时地面降水观测资料,并结合DEM高程数据,研究了西南地区盆地、丘陵和高山山地等3种不同地形条件下地闪活动与降水变化特征。结果表明,由盆地、丘陵到高山山地区域地闪活动逐渐减弱,降水逐渐增加,盆地区域的降水量主要来自降水强度的贡献,丘陵、高山山地区域的降水量主要来自降水频次的贡献。地闪活动与短时强降水分布密切相关,不同地形条件下强对流活动日变化特征迥异,自西向东由盆地、丘陵到高山山地区域强对流系统由夜间主导型逐渐向白天主导型转变。重庆市RPF(总降水量/总地闪次数)为0.24×10^(8)~3.74×10^(8) kg·fl^(-1),复杂地形对其影响显著,其值随海拔抬升呈线性递增,随地闪频次增加呈线性递减。地形抬升有利于触发对流活动,但山地区域不利于深对流活动的持续和发展。

地面电场资料在雷电预警技术中的应用

论述利用地面电场仪的探测资料对雷电预警预报的技术方法,以大气电场测量为基础,利用地面电场仪的组网,实现自动、连续、实时监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等,提供监测范围内雷暴强电荷活动中心的发生发展演变特征和整个雷暴过程中雷电活动位置和发展信息。同时结合闪电定位系统的观测,为雷电的监测和预报提供更充分的信息。

雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究

利用一个三维时变双参数动力电耦合模式对决定雷暴云空间电荷结构的三个初始场:反转温度、中心最大扰动位温和扰动区域进行模拟对比研究。结果表明,选取不同的参数值,雷暴云电结构有很大差异,从而解释了在不同地区、季节、强度的雷暴云中所观测到得不同的空间电荷结构的原因。

广东地区雷电活动的气候分布特征

利用地闪定向仪（ＤＦ）和时间到达法（ＴＯＡ）定位技术，１９９７年３月～１９９８年６月在研 究范围内共计得到４０４４３１次地闪资料。分析了地闪的雷电流强度、回击数的气候概率 分布特征以及雷电参数的日变化及其空间分布的气候规律。正闪占总闪的比例仅为 ５．０３％，正负闪密度的高值中心均在（１１４°Ｅ，２３°Ｎ）附近。总体日变化特征明显，全天 有两个高值时段，分别为００～０６时和１２～１８时。与北方地区的雷电特征不同。结果表 明：雷电活动特征可以基本揭示本地区天气活动的时空分布的规律。

地闪回击的微秒级辐射场特征及近地面连接过程分析

利用１μｓ时间分辨率的慢天线电场变化仪在甘肃中川地区雷暴过程中测量得到的大量地闪辐射波形资料，对地闪回击辐射场特征及回击的慢前沿过程进行分析，发现１８次正地闪和８５次负地闪首次回击前沿过程上升时间分别为１９．２μｓ（方差６．１μｓ）和９．４μｓ（方差３．９μｓ），８４次负地闪继后回击的前沿过程为４．３μｓ，方差为３．１μｓ；正地闪首次回击的前沿过程占回击峰值的３０％～７０％，负地闪首次回击和继后回击前沿过程分别占回击峰值的２０％～６０％和１０％～３０％。正地闪首次回击的峰值电流和闪击距离均大于负地闪首次回击，前者分别为５６．０８ｋＡ和１３７．２ｍ，后者分别为１６．９２ｋＡ和６２．８ｍ，因此正地闪对地面物体危害较大。对回击前沿过程进行简单分析后，认为它是一个较复杂的过程，可能开始于向下的先导接近地面时连接过程开始的瞬间，之后电流波在连接点处同时沿相反方向上下传播，直到向下的电流波接近地面为止。

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。

雷暴非感应起电机制的模拟研究Ⅰ．云内因子影响

利用一个二维时变积云动力－电数值模式模拟了非感应起电过程，讨论了流场、降水以及冰晶谱分布对起电的影响。结果指出：只有在强上升气流穿过－２０℃高度层时才会产生强起电，且发生在达到最大上升速度后出现降落的时段。随着电荷浓度的增加，主负电荷区中心高度也随之降落并稳定在一个高度上。冰晶谱分布能够改变冰相粒子的垂直结构，从而也就改变了起电率和电荷的时空分布。模拟试验中还得到了持续时间较短的云下部次正电荷区，并讨论了与流场的关系，指出在上升气流初始降落时段若能继续维持相对较强的上升气流，则可增长次正电荷区的持续时间。

中国内陆高原正极性雷电的观测实验研究

叙述了１９９７年夏季中日两国科学家在甘肃平凉地区合作进行的有关正极性雷电的综合观测实验情况，包括场地布局、所采用的技术手段及取得的主要结果。实验中采用了人工引发雷电技术并取得了两次成功，其中一次是利用“空中触发”方式，即火箭拖带的细钢丝下端不直接接地，而是通过一段绝缘尼龙线与接地的另一段细钢丝相连。用这种方式可以更真实地再现自然雷电的初始过程。实验中观测到了空中导线两端先导的双向传输现象；电流、电场变化的同步测量以及高速摄像的光学测量揭示出下行正先导激发后在０．７ｍｓ内和上行迎面负先导会合。实验还表明，利用人工引发雷电技术，配合多种先进的仪器设备进行综合观测，不但有助于揭示中国内陆高原雷暴过程中正极性放电的机理和特征，而且也是今后雷电研究的有效途径。

雷暴非感应起电机制的模拟研究Ⅱ．环境因子影响

利用观测资料和模式计算，讨论了雷暴电活动和环境参量之间的关系。结果指出，地面温湿条件、层结热力不稳定因子、对流有效位能（ＣＡＰＥ）等都不能单一地反映雷暴电活动的强弱。模拟计算指出，云顶高度穿越－２０℃温度层时才会产生较强的电活动。云底、－１０℃和－２０℃层附近空气的热动特性能很好地表征雷暴电活动的强度，且存在一个最佳动能阈值，分别为０．８—０．９，６０．０—８０．０，２０．０Ｊ／ｋｇ。这３个参量和电荷浓度之间有很好的正相关，但存在上限阈值。另外。

中川地区一次负地闪的起始过程研究

利用ＧＰＳ同步的多点慢天线电场变化仪在甘肃中川地区雷暴过程中测量得到的资料，对一次负地闪的起始过程进行了分析。发现地闪首次回击发生之前常有持续１７０～３００ｍｓ的云内放电过程发生，它可有数量不等的Ｋ变化组成。利用到达不同测站的时间差，对Ｋ变化过程中的一系列脉冲进行非线性最小二乘拟合定位后发现，Ｋ变化以负流光的形式起始于云中部的负电荷区，并以１．５×１０７ｍ／ｓ的速度向下部正电荷区域传播。正、负电荷离地高度分别为２．５～３．５ｋｍ和５．０～６．０ｋｍ，其间云内放电过程建立的良好电离通道对地闪先导－首次回击的发生起了重要作用。梯级先导离开云底向地面传播的速度为２．７×１０５ｍ／ｓ；直窜先导开始以２×１０７ｍ／ｓ的速度沿回击的电离通道传播，接近地面时则需重新击穿空气，传播较慢，接近梯级先导速度。

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。

地形地表的不规则起伏对雷电电磁场传输的影响

为了研究地形地表的不规则起伏(简称粗糙地表)对雷电电磁场传播的影响,首先利用二维分形方法模拟了粗糙地表,然后利用Barrick表面阻抗理论和Wait近似算法研究了粗糙地表对雷电电磁场传播的影响。结果表明,粗糙地表对地闪首次回击垂直电场的影响较小,但对继后回击存在明显的影响。随着粗糙度的增加,继后回击垂直电场峰值的衰减程度明显增加,且时域脉冲波形上升沿时间增大。如继后回击电磁场传播100 km,均方高为30 m的粗糙地表(电导率σ=0.1 S/m)引起时域电磁场波形上升沿时间额外增约1.5μs,电场峰值额外减小约12%,且其影响随着地面电导率的减小而增大。因此,在实际工作中应考虑复杂地形地表对闪电定位系统探测精度和效率的可能影响。

地闪与对流性天气系统中降水关系的分析

利用１９９７年夏季在中国科学院兰州高原大气物理所平凉雷电与暴雹实验站设置的３站闪电定位系统所取得的地闪资料与雷达、降水及探空等资料进行了对比分析，发现地闪与对流性天气中的降水有较好的相关性，这种相关性用来对一般性对流天气中降水进行估测是可行的。通过非线性回归近似拟合得到平均雨强与对应时段内的地闪数回归方程为Ｒ＝１．６９２ｌｎＦ－０．２７３，相关系数ｒ为０．８６４１。同时地闪频数与层结最大不稳定能量一样能够指示对流性天气的发生和发展。

中国南北方雷暴及人工触发闪电电特性对比分析

通过对我国南北方雷暴及人工触发闪电电特性的对比分析，发现南北方雷暴及人工触发闪电电特性有很大差异。北方雷暴电荷结构呈三极性，人工触发闪电是在地面电场为正的情况下成功的，主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，最大放电电流为１ｋＡ，中和电荷量只有几库仑；南方雷暴则为偶极性，触发闪电由连续电流和多次回击组成，电流峰值大于１０ｋＡ。触发闪电时地面电场均为负极性，基本在４ｋＶ／ｍ以上；触发高度在北方最低为２６０ｍ，南方最高为３００ｍ，在南方人工触发闪电更容易成功。另外。

高原雷暴地闪回击辐射场特征分析

该文主要利用微秒量级时间分辨率的慢天线电场变化仪资料,对甘肃平凉地区雷暴过程中云地闪电首次回击和继后回击的远区辐射场特征进行了观测研究,并与国内外结果进行了对比分析。发现高原夏季雷暴过程中的闪电特征具有较大的独特性,平均而言,高原雷暴正负地闪首次回击辐射场波形的过零时间分别为63ms、66ms;正负地闪首次回击负反冲深度分别为20%、31%,其二者均介于美国夏季雷暴和日本冬季雷暴之间。负地闪首次回击和继后回击初始峰值之后,通常叠加有明显的次峰现象,而正地闪相对较少,相邻次峰间隔依次增大,相对强度依次减小。

对流和层状云系电活动、对流及降水特性的相关分析

通过对６次不同云系电特性、回波、对流及降水特性的综合分析，探讨了它们之间的相关性。结果表明：除不稳定能量外，－１０℃层和０℃层高度以及他们之间的高度差、０℃层与云顶的高度差也是表征雷暴动力和电特性的重要参量；雷暴云起电过程对冰相作用有较强的依赖性；雷暴中的电活动与对流活动成正相关，闪电多发生在３０ｄＢｚ强回波高度大于－１０℃层高度时段内，强烈的电活动与强降雨有很好的对应关系，而与一般性降雨对应关系较差；在雷暴消散期。

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。

基于ADTD系统的闪电频次分布特征分析

闪电频次是反映雷电活动强弱特征的重要参数。在统计分析重庆市ADTD系统地闪监测资料的基础上,重点分析闪电频次的极性、幅值、雷电流波头陡度和时间分布特征,同时利用GIS软件获取地闪点的高程属性,初步分析了其空间分布特征。结果表明：闪电频次随极性、雷电流幅值和陡度不同而差异显著;闪电雷电流幅值和陡度的频次呈现对数正态分布;闪电频次的月际分布特征表现为正闪集中在4—7月,负闪集中在7—8月;日际分布特征表现为闪电频次主要集中在03：00—07：00和15：00—19：00;在高度空间分布上闪电发生频次最高地区为海拔300~500 m的区域,以后呈现随高度上升而呈递减趋势;在纬度分布中,高频区域分布在28.9~30.3°N,次高频地区为30.7~31.5°N之间;经度分布特征来看,呈现双峰双谷（两个峰值区分别为105.9~106.9°E、108.1~109.1°E）;高幅值区域正负闪频次比值高于低幅值区域;闪电频次较高地方集中在重庆市东北部、东南部和西部等地。在此基础上获得了重庆地区的雷电流幅值和陡度频次分布表达式,为雷电防护提供了重要的理论基础。