太原夏季短时强降水与闪电的关系及应用

利用太原地区夏季三维闪电定位系统的2017—2021年闪电数据、小时降水量及国家站10 min降水量,分析短时强降水日的闪电特征,并将短时强降水站点与前1 h的闪电密度进行空间叠加。结果表明,短时强降水日闪电以负闪为主。负闪密度远大于正闪密度,且有明显的空间差异,负闪密度中心主要位于尖草坪北部和阳曲县南部。闪电频数峰值比10 min降水量峰值提前10~60 min,且闪电频数峰值(大于等于50次/10 min)及其后的20 min内闪电频数陡降其峰值的一半或以上,这对短时强降水有更好的指示作用。短时强降水站点与前1 h的闪电高密度区有很好的对应关系,且大多分布在闪电密度梯度相对较大的地区。当太原地区闪电频数大于100次/h时,闪电密度大于等于0.1次/km2·h对短时强降水落区预警命准率较高。

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.

双层均匀口袋电荷模型下闪电起放电特征的数值模拟研究

大量基于观测的研究认为闪电通道的延展尺度与电荷的分布形态息息相关,强对流区频繁始发的小尺度闪电对应雷暴云内的背景电荷很有可能为“口袋电荷”的分布模式。为验证口袋电荷背景下能形成此类云闪并给出该电荷背景下闪电起、放电的一般规律,本研究将闪电放电参数化方案植入到双层均匀口袋电荷模型中开展了大量随机模拟试验。模拟过程中固定了电荷区的总尺度,通过改变电荷对数进行探讨,着重讨论各电荷背景下闪电起始和放电行为的异同。模拟结果表明:(1)随着电荷对数的增加,闪电启动需要的电荷浓度和电荷总量均增加。(2)小电荷区的水平垂直尺度比是影响闪电起始行为的关键因子,除此之外各电荷背景下闪电起始位置和启动概率在水平、垂直方向上的差异还与多对电荷的空间配置关系和逃逸击穿阈值有关。(3)闪电的水平、垂直范围和面积均与小电荷区的尺度息息相关,小电荷区的几何特征限制了闪电的空间特征。(4)电荷区的分布也显著影响着闪电的发展形态,各电荷背景下闪电初始先导角度的分布范围和集中区域有所差异。相较于电荷区倾向于为扁平椭圆形的情况,当电荷区垂直与水平尺度相等时,初始先导角度变化范围明显增大,水平发展的个例明显增多。

四川两次极端暴雨强降水特征及与雷达回波和闪电关系分析

选取了2020年8月四川两次历史性极端暴雨过程,根据量级和持续时间对强降水进行划分,分析其时空分布特征及与雷达回波和闪电的关系。结果表明:短时强降水主要发生在22时—次日03时,降水强度为30~<50 mm/h的站次最多,区域集中在盆地西部。随着降水量级的增加,站点对应的闪电密度均增大,小时平均回波、最强回波、最弱回波均呈增强的趋势。随着降水持续时间的增加,站点对应的负地闪平均强度增强。第一次过程强降水站次与闪电频次的高值中心具有良好的对应关系。第二次过程随着降水量级增大,对应的回波均方根误差减小,而第一次过程则相反。

西安市一次雷暴过程的闪电活动特征

利用陕西省闪电定位数据、多普勒天气雷达资料及逐小时降水资料,分析2018年8月9日西安市一次雷暴过程中闪电与降水、雷达回波和气流切变的关系特征,并进行特征对比分析。结果表明:15:00左右初始闪电发生后,闪电频次逐渐增加,17:54达到最大峰值后,闪电频次逐渐减少。整个雷暴过程中,正地闪占比较高,为23.8%;闪电频次出现了2次明显峰值,最大闪电频次为124次/6min,出现时段为17:48-17:54。闪电主要集中在强降水发生区域和时段,且先有闪电活动后有降水发生,正地闪活动与降水有密切关系。60 dBZ以上反射率面积与闪电频次随时间变化趋势一致,65 dBZ强反射率的出现和消失伴随着闪电频次的增加和减少。闪电频次与50 dBZ和40 dBZ的反射率等值线变化有较好的对应关系。正、负地闪在不同反射率范围集中程度不同,正地闪主要活动在强回波区前部和后部,且主要发生在雷暴云发展成熟后,负地闪则集中在强回波区中部和后部。地闪发生区域与上升气流和风切变区域有密切关系,但并不完全发生在上升气流区,负地闪在上升气流和下沉气流区的占比,对对流系统发展阶段有一定指示作用。经过特征对比分析,3次雷暴过程中降水量与正地闪的相关性、闪电与雷达反射率的关系均与西安市雷暴过程有相似特征。

2008—2017年登陆海南岛台风引发陆地及其近海闪电特征分析

利用2008—2017年海南闪电定位监测网资料,统计登陆海南岛的台风,分析其引发的闪电活动特征,探讨海南岛岛上和近海台风闪电活动时空分布特征及其与台风强度和路径突变的关系,并对比台风登陆前后闪电活动变化。结果表明:南海夏季风与登陆海南台风闪电活动关系密切,冷空气活动越强闪电活动越弱,海温越强闪电活动越强。登陆台风闪电活动在夏季偏强,秋季逐渐减弱,春季最弱。闪电活动空间分布为台风中心的西北象限最多,东北象限其次,东南象限最少;台风中心北部多于南部,而北部中又以西北部多于东北部,东南部最少。闪电活动总体为台风移动方向左侧多于右侧,左侧中以左后方明显偏多。大部分台风中心在海上时的平均闪电频次大于陆地,少部分台风在登陆和出海阶段伴随闪电的爆发,部分台风登陆前后会产生闪电活动空间分布转换。登陆海南岛台风引发的在陆地及其近海的闪电活动强度与台风强度间无明显相关关系,闪电的爆发对台风登陆前的强度持续增强或维持有一定的指示作用。

广东省闪电监测系统探测效能对比评估

根据2021—2023年粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hong Kong-Macao Lightning Location System, GHMLLS)和由广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级后的DDW1全闪三维闪电定位系统的观测资料,对广东省范围内两套数据进行时空匹配融合,并基于自然闪电观测数据对定位系统的效能进行对比评估。结果表明:两系统观测到地闪总数的月变化和日变化特征一致性强,DDW1观测的地闪数量偏少,仅为GHMLLS的0.5倍;DDW1平均雷电流为GHMLLS的1.72倍。通过空间分布和真实闪电事件校验发现GHMLLS对珠三角范围内闪电探测能力较强,且多年来较为稳定;而DDW1在2022年8月完成升级后,站点分布较为均匀,能够在一定程度上配合GHMLLS完成对于广东全境闪电的全面探测;两套闪电定位系统形成优势互补。

三维闪电探测仪信号完整性与地平面电流设计

文章通过电路与系统的信号完整性及地平面电流回路分析设计出噪声较小、线路合理、性能稳定的三维闪电探测仪,研究成果对其他探测设备升级改型与设计制造具有重要参考价值。

基于ADTD的FY-4A卫星闪电探测性能分析

为评估风云四号A星(Fengyun-4A,FY-4A)的闪电探测性能,提出了基于星地闪电数据统计特征的匹配方法:选取较大时空窗口,进行星地数据匹配;对匹配数据的时间差和距离差进行概率统计,确定最合适的时空窗口。通过对我国2020年夏季(6—8月)FY-4A和地基闪电定位系统(advanced direction and time-of-arrival detecting system, ADTD)的闪电数据进行统计,确定时间间隔3.4 s,空间经纬度间隔0.6°作为星地数据一致性分析的时空窗口。基于此时空窗口开展了星地闪电数据的对比分析,结果表明,星地数据时间偏差平均值为1.3 s,空间偏差平均值为23.73 km;FY-4A闪电探测效率为19%,FY-4A探测效率具有明显的日变化特征,白天平均探测效率为7%,明显低于夜晚的31.1%,且白天12:00—14:00时探测效率最低,仅为2.3%;FY-4A闪电数据的光辐射强度日变化特征与太阳高度角的变化呈正相关,白天12:00—14:00时光辐射强度最大达到1 391μJ/m2/sr,比夜晚光辐射强度(124μJ/m2/sr)高一个量级,白天只有光辐射较强的闪电才能被FY-4A闪电成像仪(lightning mapping imager, LMI)捕获,进一步解释了白天闪电探测效率低的原因。

闪电探测站点布局优化方法研究

针对闪电探测站点布局受地理条件制约的问题,提出基于布谷鸟搜索算法的站点布局优化方法。以站点坐标为自变量、站点位置范围为约束条件、目标区域内闪电平均定位误差最小为准则,确定闪电定位优化布站的目标函数,建立闪电定位布站最优化模型。实验表明,布谷鸟搜索算法优化布站后的目标区域平均定位误差为0.432 km,相比传统“Y”形、“T”形布站下的目标区域平均定位误差分别减小了17.7%和23.1%。

风云四号A星闪电产品在一次强对流天气中的应用

一、引言闪电多发生于旺盛的积雨云中,是对流性天气系统发展到一定阶段的产物之一。研究表明,闪电数据能在强对流天气的短时预报中发挥重要作用,闪电的频数与对流强度都有一定正相关性,并可作为强对流天气的“示踪器”[1-2]。目前获取闪电观测资料的方式有两种:一种是基于辐射地磁场传播理论的地面闪电探测技术;一种是基于光学成像原理的卫星闪电探测技术[3]。本文针对2022年6月12日京津冀的强对流天气过程,将风云四号A星(FY-4A)探测到的闪电和地基闪电探测仪探测到的闪电进行比对和分析,探究星地闪电在京津冀一带强对流天气监测预警中的应用。

闪电资料在成都地区闪电定位数据质量控制中的应用

成都平原属暖湿亚热带太平洋东南季风气候区,中小尺度天气系统十分活跃,雷电活动频繁,分析和应用地基闪电定位系统(advanced direction and time-of-arrival detecting system,ADTD)闪电监测资料须对闪电数据实施质量优选。利用成都地区2011—2020年间的闪电监测资料,分析得出成都地区小幅值闪电的时间分布特征。采用对数正态拟合分析方法得出成都地区闪电监测资料中小幅值地闪的干扰范围为绝对值≤3.10 kA,对数正态拟合检验表明剔除该部分闪电数据后拟合效果更佳。研究表明对数正态分析方法可以定量化确定成都地区小幅值闪电数据中的干扰区间,从而为该地区的闪电资料处理及应用提供了理论依据。

一次强对流天气的雷达和闪电特征分析

文章利用地面常规观测资料、ECMWF ERA5再分析资料、三维闪电定位资料及雷达资料对乌兰察布市2021-07-05出现的一次强对流天气进行了详细的分析和研究。文章主要分析了高低空环流形势、地面形势场和物理量场的演变特征,以及强对流天气发生时,雷达回波特征和闪电特征,为本地强对流天气的预报提供有利的依据。

基于VLF/LF三维闪电定位系统的吉林省闪电特征分析

利用2018—2020年吉林省VLF/LF三维闪电定位资料,分析了吉林省闪电的时空分布和雷电流强度特征。结果表明:吉林省闪电集中发生在5—9月,峰值在6月;日闪电高发时段在13—19时;总闪、地闪和云闪频数时变化特征趋于一致,均呈双峰型,主峰值出现在16—17时,次峰值出现在23—24时;地闪以负闪为主,云闪中的正、负闪比例相近。吉林省总闪密度高值区主要集中在辽源北部、四平东部、长春南部至吉林中西部一带,东部延边州的龙井、延吉、图们一带,松原南部至长春西部一带;云闪和地闪高密度区域也基本出现在这三个高值区内;闪电高值区均处于山区及半山区地带。雷电流强度主要集中在10~50 kA,正闪的平均雷电流强度高于负闪。云闪多发生在2~5 km的高度,高度小于16 km时,平均雷电流强度随高度的增加而增大;高度大于16 km时,高度越高平均雷电流强度越小。

基于FY-4A LMI的贵州及周边区域闪电活动特征分析

【目的】为开展星载闪电活动特征分析。【方法】采用FY-4A闪电成像仪资料,以贵州省及其周边区域为例,分析闪电频次分布及辐亮度分布特征。【结果】研究区域闪电频次集中分布在一年的中的4—8月,一天中的19时—次日05时,空间分布呈现显著的地域性差异,整体南部高于北部;辐亮度日变化呈现与频次相反的单峰型变化,白天高于夜间,空间分布整体呈现西部高于东部、北部高于南部的特征;LMI闪电辐亮度值与雷电流强度密切相关,聚类后的LMI“组”数据一致性较好,“事件”与“组”频数比介于3~4之间,在空间尺度上与一次闪击或者K过程相符。【结论】研究结果为今后在业务中使用该资料提供参考。

山东一次典型持续冰雹过程的闪电活动和雷达特征分析

2020年6月1日下午至夜间,山东部分地区出现降雹天气,利用卫星和雷达以及闪电探测资料详细分析此次降雹过程的闪电和雷达参量特征。结果表明:(1)鲁北和鲁中雹暴闪电活动的主要差异为:鲁中雹暴的对流强度强于鲁北雹暴,其正地闪比例和正地闪平均强度明显高于鲁北雹暴。其相同特征为:在开始阶段正地闪比例和云闪占总闪电的比例较高;在地面降雹开始之前总闪电频数均出现跃增,其峰值提前降雹6~18 min,同时云闪表现更加活跃;地面出现降雹之后,云闪频数快速下降,地闪占总闪电比增加,甚至超过50%。(2)雹暴的闪电活动均发生在云顶温度小于-50℃的云区内,且密集出现在云顶温度小于-60℃的范围内。闪电主要发生在30 dBZ以上回波区域,密集的云闪对应强对流区,表明云内垂直运动剧烈。负地闪与差分相移率KDP>0.5 (°)·km-1和差分反射率ZDR>2.0 dB的区域对应关系非常一致,表明负地闪与强降水区密切相关。雹暴回波穹隆区的ZDR值较高、零滞后相关系数(Cc)值较低,很好地指示了上升气流区。较高的水平反射率因子(ZH)和较低的Cc以及较低的ZDR区域对应冰雹粒子区域。闪电很好地对应于云内霰、湿雪、冰雹、干雪等大的冰相粒子区。(3)0℃以上ZDR≥1.0 dB的体积、ZH≥30 dBZ的体积、ZH≥30 dBZ的冰水含量与总闪电频数的时间演变趋势基本一致,其与总闪电频数的相关系数分别为0.756、0.780和0.710,进一步证实大的冰相粒子在起电过程中发挥着主导作用。

正极性人工触发闪电的向上负先驱脉冲放电过程研究

利用人工触发正极性闪电的综合同步探测资料,对引雷火箭上升过程中发生于金属导线顶端的向上负先驱脉冲放电过程进行了研究。除常规认识的峰值电流为十几到几十安培的先驱脉冲放电以外,高垂直分辨率电流探测系统记录到丰富的弱脉冲放电过程。所有孤立发生的脉冲放电,均为弱脉冲,且在所有常规强度的先驱脉冲(簇)放电之前约20μs,均识别到这种弱脉冲。对测量到的弱脉冲、脉冲型脉冲和波纹型脉冲进行统计,得到了各自的峰值电流(3.6 A、32.2 A、11.1 A)、上升时间(0.39μs、0.9μs、3.2μs)、持续时间(2.8μs、5.1μs、12.7μs)和转移电荷量(4.7μC、50.8μC、83.2μC)。常规强度的先驱脉冲形成了可探测的发光通道,簇状先驱脉冲的放电通道具有与自持先导初始阶段相一致的梯级发展传输特征,二维平均速度在105 m s^(−1)量级。分析相邻先驱脉冲发光通道的时空关系,发现后一次先驱脉冲放电通道的起始高度一般位于前一次先驱脉冲放电通道的顶端,通道梯级延伸时电荷分布的调整降低了通道区域的电场强度。先驱脉冲放电是金属导线顶端形成了先导但又由于条件不足而熄灭的过程。

云地闪电通道的径向结构及光辐射特征

为揭示云地闪电通道形成和发展过程的微观物理机制,研究了云地闪电通道的径向结构及光辐射特征。利用无狭缝高速摄谱仪,在青海高原地区实施野外观测试验。在一次云地闪电中记录到了清晰可见的通道核心,而且在通道核心的外边缘和外部发光通道之间发现一个较弱的发光区。基于光谱观测结果,对比分析了首次回击和第三次继后回击的光辐射特征。实验验证了闪电通道电晕鞘模型,确定了连接点的位置,估算得到两个回击的闪击距离分别为57 m和53 m,并证实了回击放电最强的点在连接点处。由此可推断,在回击初期,云地闪电回击通道沿径向由内到外依次为通道核心-弱发光区-电晕鞘外层,即闪电通道内沿通道径向的电荷分布是不均匀的,闪电通道的光辐射特征与放电强度和持续时间密切相关。

触发闪电环境下地网冲击接地电阻特征分析

基于触发闪电技术,研究了2019年夏季8次触发闪电44次回击、5次初始连续电流脉冲(ICCP)和24次M分量对冲击接地电阻的影响,探索了冲击接地电阻随雷电流注入的动态变化规律。结果发现:闪电放电ICCP、M分量和回击过程冲击接地电阻均小于工频接地电阻,ICCP和叠加在回击回落之后连续电流上的M分量冲击接地电阻略大于回击过程,平均值分别为11.2Ω和10.8Ω。叠加在回击下降沿上的M分量冲击接地电阻平均值7.8Ω,明显小于回击过程,最小值可达2.4Ω。ICCP和M分量冲击接地电阻随电流增加而减小,回击过程与电流峰值没有明显的相关性。叠加在回击下降沿上的M分量冲击接地电阻随雷电流峰值、背景电流值的增加呈指数衰减关系,还与之前回击电流峰值成一定的反比例关系。随着闪电回击电流的注入,冲击接地电阻呈现动态变化过程,小电流在回击峰值下降后出现一个缓慢增长的过程,大电流在回击峰值下降后出现一个快速下降的过程。闪电不同物理过程火花和电感效应的作用是不同的,两者共同作用决定了土壤的电离程度,从而决定了冲击接地电阻的大小和变化。

联合同化闪电资料和地面常规观测资料对强对流天气预报的影响

以2017年6月16日发生在广东省的一次中尺度对流过程为例,利用WRF模式对中尺度对流系统进行模拟,分析了联合同化闪电和地面常规观测资料较单独同化其中一种资料的改进作用。闪电资料通过WRF-FDDA系统以15 min作为一个闪电累积窗口被连续同化入模式中,地面常规观测资料通过WRFDA-3DVAR系统以1 h间隔循环同化入模式中。结果显示,相比于只同化地面常规观测资料,联合同化试验中闪电资料的引入提高了背景场中上升气流、冷池和阵风锋的准确度;相比于只同化闪电观测资料,地面常规观测资料的引入减小了更大范围的温度、水汽、风场的背景场误差,抑制了部分地区的虚假对流,即两种资料的联合同化整体上提高了对流系统的模拟准确度。预报技巧评分结果显示,联合同化对同化期和预报期的评分也有一定程度的提高。