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。

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。

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。

一种定向非采集式气载放射性核素在线测量系统的研制

无论是发生核爆、核事故或核设施正常运行期间,都会向大气中排放放射性核素。为了更加及时、准确、有效地评价气载放射性,根据建立的各核素的照射量率与其活度浓度的数理模型,结合地面伽马射线屏蔽装置,研制了定向非采集式气载放射性核素在线测量系统,并计算了气载放射性核素40 K的活度浓度。结果表明研制的定向非采集式气载放射性核素在线测量系统能够精确测量大气的放射性核素的活度浓度,并具有方便快捷、测量范围大、响应时间低、能实现在线测量等优点。

多避雷针系统接闪器布设优化方法研究

针对多避雷针系统接闪器布设过于依赖工程经验的问题,基于最小成本原则,以多接闪器的高度和安装位置为优化变量,建立了多避雷针系统接闪器布设的优化模型,提出了基于遗传算法的多避雷针系统接闪器布设优化方法,通过典型设计案例对所提优化设计方法的有效性进行了验证。结果表明:该方法对多接闪器位置和高度优化设计的偏差不大于0.29 m;在该方法获得的接闪器位置和高度最优解条件下,预设的防护对象能够完全处于避雷针系统的保护范围之内,且防护对象与保护范围边界的最小间距不大于0.71 m,能够完全满足工程使用的需求。

2003—2022年东北地区气溶胶光学厚度变化特征

利用2003—2022年我国东北地区MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)数据和中国多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China,MEIC),分析东北地区AOD的空间分布特征及年际变化趋势,讨论气象因子和人为排放对东北地区AOD变化的影响。结果表明:辽宁AOD较高,最大值为0.6,出现在辽宁中部,其次是吉林西部,AOD平均值为0.4,黑龙江AOD平均值为0.3。东北地区AOD高值区出现在春季和夏季,AOD空间分布在秋季呈减小趋势,冬季分布范围增加。不同季节AOD最高值均出现在辽宁,东北地区夏季AOD增加主要与环境湿度有关,边界层气象条件对冬季AOD具有一定影响。辽宁AOD在[0.1,0.2)和[0.2,0.3)范围内年平均发生频率最高为50%,吉林和黑龙江AOD在[0.1,0.2)范围的年平均发生频率最高为25%~30%,特别是黑龙江极端清洁状况AOD在[0.0,0.1)范围内年平均发生频率最高为15%。东北地区AOD区域平均值在2003年和2014年较高,主要受到边界层气象要素和人为排放SO_(2)、PM_(2.5)、有机碳和NO_(2)影响。东北地区夏季AOD年代际变化趋势从2012年之前的增长趋势(0.1·(10 a)^(-1))向2013以后的减少趋势(-0.3·(10 a)^(-1))转变。

高建筑物雷电光谱校正对通道温度反演的影响

雷电光谱强度因受到大气衰减特性、光栅响应特性以及相机光电响应特性等影响,导致光谱定量分析中通道温度的反演存在误差。以1次高建筑物雷电回击光谱为例,考虑相机和光栅的仪器响应对其进行校正,对比校正前后的光谱结构和谱线强度,并基于多谱线法利用1次电离的氮离子(NII)和中性氧原子(OI)谱线反演通道温度,分析光谱校正对通道温度反演的影响。结果显示:光谱校正后离子和中性原子谱线强度均明显增强,尤其可见光区域的连续谱强度明显增强,导致其谱线结构变化显著,而近红外区域的谱线结构变化不显著。利用校正后可见光区域的NII谱线和近红外区域的OI谱线反演通道温度时,线性拟合的决定系数均增大,反演准确度均得到提升。NII和OI谱线反演的通道温度平均值相比校正前分别降低4660 K和上升1540 K,且由OI谱线反演的通道温度低于由NII谱线反演的温度,说明它们分别对应雷电放电通道径向的不同区域。

海南岛三维、二维闪电定位数据时空分布和参数特征对比分析

对2021—2022年4—10月海南岛三维、二维闪电定位数据进行质控处理,以及有关数据时空分布和参数特征进行对比分析。结果表明,对比探测灵敏度和探测效率,三维闪电定位系统明显优于二维闪电定位系统。二维地闪、三维地闪、三维云闪的密度分布和时分布特征相似,密度高值中心分布在海南岛西部的儋州、白沙等地,时分布呈单峰曲线特征,峰期在15:00—16:00。三维地闪、三维云闪的月分布呈三峰曲线特征,5月为主峰期、7月为次峰期、9月为第三峰期,二维地闪的月分布呈单峰曲线特征,7月为高峰期。二维正地闪占比低于三维正地闪占比,二维正、负地闪的电流中位数比三维的高;二维正、负地闪的电流幅值分别以10~20 kA、20~30 kA为地闪次数的高峰区,三维正、负地闪的电流幅值以0~10 kA为地闪次数的高峰区。质控后的二维地闪、三维地闪、三维云闪的密度分布和时分布、月分布基本特征相似,表明质控方法合理有效。

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。

海南岛二维、三维闪电定位数据的时空分布和对比分析

为分析比较不同类型雷电定位系统的探测数据和探测效率,利用安装在海南岛的ADTD(二维)和DDW1(三维)两套雷电定位系统的观测数据以及海口、东方、万宁的雷达回波资料,应用归闪、回波过滤以及数据统计的方法,对2021年4-10月海南岛二维、三维闪电定位数据进行质控处理。通过对质控后的数据进行分析,二维、三维地闪和三维云闪的总次数分别为40685次、49134次、96767次,三维闪电定位系统的探测灵敏度和探测效率明显优于二维闪电定位系统。对比分析两套系统的闪电时空分布,结果表明:二维、三维地闪和三维云闪的密度分布较为相似;二维地闪以白沙为高值中心,三维地闪以儋州为高值中心,三维云闪以儋州和白沙为高值中心;二维、三维地闪和三维云闪的日变化特征相似,峰值时间同为15:00-16:00;二维地闪、三维云闪的月变化呈双峰曲线特征,峰期分别在7月和9月,7月为主峰期;三维地闪的月变化呈多峰曲线特征,峰期在5月、7月和9月,7月为主峰期。

成渝地区雷电活动时空分布特征研究

基于2016-2022年成渝地区闪电定位监测数据,采用数理统计、ArcGIS空间分析等方法研究成渝地区雷电活动时空分布特征。结果表明:成渝地区雷电活动主要以负闪为主,年平均占比为92.7%,负闪频次占比年变化呈显著下降趋势;季节变化明显,夏季占比最高,达76.4%,月变化曲线呈单峰型,7、8月份雷电活动最活跃;日变化呈双峰型,雷电活动主要发生在23:00至次日4:00,占比达31.7%,10:00-12:00为雷电活动谷值。雷电流幅值出现最高频次区间范围为7~17 kA,95%的雷电强度小于50 kA,90%小于40 kA。成渝地区雷电高发区主要分布在山区和丘陵地区,其中密度高值区位于重庆西南部的永川、璧山、江津、綦江以及主城区,密度普遍大于6次/km^(2) ,次高值区分布在重庆云阳、四川内江、资阳、遂宁、南充、广元的部分地方,密度普遍大于3次/km^(2) 。研究结果对成渝地区雷电监测预报预警工作提供了实质性的数据支持,尤其在夏季汛期需重点关注,以提高对雷电灾害的应对和防范能力。

呼伦贝尔市近10年闪电活动规律及防雷减灾措施

文章选用呼伦贝尔市2014-2022年雷暴日数统计资料、闪电频次与强度观测资料等,主要采用气候倾向率等数理统计法,针对呼伦贝尔市近10年来闪电活动规律进行分析。结果表明,该地区雷暴发生频率较高,2014-2022年平均雷暴日数为131.1d,且以38.5d/10a的速率呈明显增加趋势。总地闪强度均表现为负值,正地闪强度较强,极易威胁民众生命财产安全。据此,提出一些有效的防雷减灾措施,供相关人员参考。

1971-2022年河南省水汽压与能见度的时空分布及其关联

为探究河南省水汽压和能见度的时空分布特征和相关性,利用1971-2022年河南省118个国家级气象站的日最高水汽压和日最小能见度数据,分析了河南省年平均最高水汽压和最小能见度的时空变化特征及二者的相关性。结果表明:(1)年平均最高水汽压呈显著上升趋势,其气候倾向率达0.25 hPa/10a;最高水汽压在1998年发生由低到高的突变;豫中南、豫东及豫北水汽压上升最为显著;最高水汽压变化幅度大值区主要位于豫中南大部、豫西南部分县市。(2)年平均最小能见度呈显著下降趋势,其气候倾向率为-0.56 km/10a;最小能见度在2014年出现下降突变;豫西、豫西南、豫北部分县市及商丘、信阳局部能见度下降显著,变化幅度较大。(3)河南省大部分地区年平均最高水汽压与最小能见度存在显著的负相关(区域平均相关系数约为-0.41),水汽压升高(降低)易引起能见度降低(升高)。

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。

三层圆盘雷暴云模型对地面电场的模拟

雷暴是高海拔区域常见的一种天气现象,常伴随灾害性的闪电活动。雷暴云中电荷分布结构复杂、大气电场强度和极性变化剧烈。穿过雷暴云的宇宙线次级粒子强度将受到不可忽略的影响。研究雷暴云的结构和地面电场的情况,对雷暴期间的高能辐射现象有着重要意义。本文利用三层圆盘雷暴云模型,对地面电场进行模拟,分析了该模型下地面电场的情况。并以四川稻城处的大气电场仪数据的电场数据进行对比,分析典型的雷暴事例220729。可以得出三层圆盘雷暴云模型对地面电场的模拟是合理的,我们的结果将有助于理解大气电场引起的宇宙线二次加速机制,也可用于大气物理的研究。

1951—2000年乌海市雷电灾害的时空分布特征

选取1951—2010年的雷电灾害数据,并对雷电灾害案例信息进行归纳整理,得出了乌海市的雷电灾害分布特征和规律,分析了雷电灾害年际变化特征、季节性变化特征,以及各行业雷电灾害发生情况。对典型雷电灾害过程进行了分析,综合考虑致灾因子的危险性、敏感性、承灾体的易损性和防灾能力等因素,通过雷电灾害风险评估计算模型,得出乌海市雷电灾害风险指数。根据雷电定位系统进行了闪电定位资料的分析和不同时段的卫星云顶温度云图特征分析,针对雷电灾害事故的分布特点,提出了乌海市雷电灾害的防灾减灾措施。

地闪回击电磁场受建筑物宽度和相对位置的影响分析

在雷电监测预警工作中,由于地形限制,雷电监测系统通常布置于建筑物顶部,会导致系统反演的雷电参数误差较大,因此,通过仿真模拟手段定量分析影响程度,为定位结果的校正提供参考。基于时域有限差分法(FDTD),研究了建筑物的宽度和相对位置对闪电回击电磁场的影响,绘制了建筑物的宽度与垂直电场增大比例之间的关系式以及拟合曲线。结果表明,垂直电场的增量M在建筑物宽度增加时减少,当建筑物宽度增加到一定程度时,仍保持在较小范围内;当建筑物与闪电通道之间的距离d增加到3.22 km时,建筑物的宽度对建筑物顶部垂直电场值影响可忽略不计。研究结果对提高雷电定位系统精度有一定参考价值。

闪电通道状态变化参数化的建立及截断和再击穿的数值模拟

为提高数值模式对闪电精细化放电过程的仿真能力并与不断提高的闪电探测技术形成互补,探讨再击穿过程与雷暴电参数的关系,建立了一个能够再现先导截断及再击穿过程的自持电中性完整闪电参数化方案。考虑到正、负先导的极性不对称,分别设置了不同传播速度及起始和传播阈值。方案新增了通道电导率、平均电流、电荷等非线性电参数,并以这些参数的实时更新驱动闪电通道发展,通过设置不同通道状态变化阈值实现了先导通道衰退、截断以及重新激活的实时状态变化。基于通道平均电流、纵向电场以及电导率的实时变化,方案将电荷在空间重新分配,保证了通道的自持电中性。将新方案植入经典雷暴云三极电荷模型,模拟得到的云闪在通道结构、先导截断及再次激活、正负先导的极性不对称等方面与现有观测事实有较好的一致性。概念模型验证表明,新方案在保证自持电中性的前提下,在模拟包含截断和再击穿过程的完整闪电放电过程方面具有一定合理性和先进性。

多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究

下行先导与上行先导的相对速率比可能是闪电连接过程的关键因子之一,随机闪电连接模式中先导相对传播速率比不能准确描述下行与上行先导的相对传播距离比值。考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上对下行负地闪开展模拟,改进背景电场模块设置,并植入下行负先导与上行正先导相对传播速率模块,以先导传播距离为依据设置先导相对传播速率。将改进后的模型应用于平顶单建筑物触发多上行先导现象的模拟,与改进前相比,该模型的闪击距、上行先导长度等参数与自然闪电一致性更好;在此基础上对发生在广州珠江新城高建筑物群上的地闪连接过程进行模拟,改进后的模型能够较好还原复杂建筑物群的闪电发生规律。城市建筑物群的雷击特征参量主要由各个建筑物的形状特征、相对位置以及相对高度等因素所决定,但仍有特殊事件发生,当下行先导的某一分支与建筑物空间距离临近时,会在建筑物顶部起始上行先导并连接。

中国南方地区夏季地闪和降水协同变化的特征及气象要素分析

利用ADTD地闪定位数据和地基-卫星-雷达融合降水数据,通过耦合自组织映射网络(SOM)的聚类方法,分析了2016—2021年中国夏季地闪和降水协同变化的时空分布特征。研究区域位于我国南方地区(105~122°E,20~35°N范围内),覆盖了地闪密度和降水气候态的大值区。聚类结果显示我国地闪-降水耦合分布型可归为5类,其中第一类和第五类中地闪密度和降水异常的协同变化最一致。第一类表现为江淮地区降水-地闪活动偏多且华南地区降水-地闪活动偏少的偶极型分布,第五类与其分布相似,但符号相反。不同类型的地闪-降水耦合分布型对应着不同的地闪密度和降水异常中心,并且地闪密度和降水关系呈现出明显的地域差异性、非线性和非对称性。进一步研究发现,不稳定的大气层结、显著的中低层湿度差和有利的大尺度大气环流背景场是造成我国南方地区地闪-降水协同变化的重要因素。