基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析

2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在5—9月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为13—18时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在1~5 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。

一套双频段三维全闪电定位系统及其初步观测结果

介绍了一套同时工作在甚高频(very high frequency,VHF)和甚低频/低频(very-low/low frequency,VLF/LF)频段的三维闪电定位系统,并给出了初步观测结果。系统使用到达时间差法对2个频段的闪电辐射源进行定位,能连续地给出雷暴过程中闪电活动空间位置,并详细给出单次闪电的发展路径,在使用2个频段辐射波形参数进行定位的同时还可以保存原始波形用于深入研究。VHF、VLF/LF 2个频段闪电定位结果的时间分辨率分别为100?s和1ms,定位精度在站网覆盖范围可优于200m。2个频段的定位结果都能很好地描述雷暴中的闪电活动,但表现出的特征有一定差异。两频段定位结果对单个闪电发生路径进行描绘时,VLF/LF频段的大部分定位结果能与VHF定位结果重叠。

闪电VHF辐射源三维定位系统仪器误差处理

为了提高闪电VHF辐射源三维定位系统的探测效率和定位精度,根据其运行原理对其定位误差的可能来源进行了分析,特别是针对GPS时钟的授时原理和高速采集卡工作原理以及观测站位置等可能造成误差的系统原因进行了分析。结果表明,三者误差是造成闪电三维定位结果不准确的主要设备误差。利用闪电VHF辐射源三维定位系统得到的定位结果信息,计算出了其到达观测站的时间,并与实测的到达时间进行了差值分析,拟合出一条偏差直线,得到其误差演变规律,并对该误差进行分析和纠正,得到了较好的结果,使闪电VHF辐射源三维定位系统的探测效率有较大提高,其定位结果更加可靠。

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。

基于VLF/LF三维闪电定位系统的大兴安岭闪电时空分布特征

【目的】分析大兴安岭闪电发生规律,为雷击火监测预警和防范扑救提供科学依据。【方法】基于大兴安岭2019—2021年VLF/LF三维闪电监测数据,分析大兴安岭闪电(云闪、地闪、负闪、正闪)数量、峰值电流强度、云闪高度以及时空分布规律。【结果】1)2019—2021年,大兴安岭共探测到闪电710487次(其中,黑龙江大兴安岭321667次,内蒙古大兴安岭388820次),平均每年236829次。大兴安岭闪电以负地闪为主,其中云闪∶地闪比例和正闪∶负闪的比例均大致为1∶5。大兴安岭正、负闪峰值电流强度的范围分别为4.5~371kA和-501.7~-4.5kA,大多数闪电峰值电流强度的绝对值集中在4.5~50kA之间。大兴安岭平均云闪高度为4.72 km,其中88.09%的云闪高度在10 km以下;2)大兴安岭平均闪电日数为每年127天,闪电从4月末开始至10月中下旬结束,多发生于5—8月,其中7月是集中高发期。闪电发生单日呈单峰变化规律,10:00起闪电开始增多,12:00—17:00是高发时段,18:00后闪电数量逐渐减少,午夜至凌晨阶段闪电总量明显减少;3)大兴安岭闪电呈空间聚集性分布,整体看黑龙江大兴安岭闪电密度明显高于内蒙古大兴安岭。高密度闪电区主要集中在黑龙江大兴安岭的呼中、塔河、韩家园、新林、南瓮河自然保护区和加格达奇等地;4)低强度负地闪这类容易引发雷击火的闪电主要集中在黑龙江大兴安岭的西林吉和图强南部,塔河大部及呼中北部,南瓮河自然保护区以及内蒙古大兴安岭的满归北部和汗马、金河等小部分地区。【结论】大兴安岭闪电发生具有明显的时空异质性,基于闪电发生规律和易引发火灾的特定类型闪电开展针对性的监测预警和提前部署,是防范重大雷击火灾发生的有效手段。

宽带干涉仪闪电辐射源三维定位系统

宽带干涉仪闪电辐射源三维定位系统，是一种全闪电宽频带三维定位系统。它能够以微秒级的时间分辨率对闪电击穿过程产生的辐射源实现三维定位，描绘云闪和地闪通道发展的详细三维结构，可用于区域闪电监测和预警；同时，系统能够同步得到闪电通道发展的宽带频谱以及电场变化信息，结合三维定位结果，可以为闪电放电过程物理机制的探讨、雷电物理研究提供丰富的资料。

基于VLF/LF三维闪电定位系统的广西闪电时空分布特征

利用广西2016-2019年三维闪电监测资料,分析广西闪电活动时空分布特征并进行天气学初探,得到以下结论:①广西雷电活动主要发生在4-9月,日变化季节性、区域性差异显著,月变化主要表现为桂中及桂南单峰型、桂西北和桂南双峰型及桂东北多波动型等三种类型,空间分布表现为桂南、桂东南、桂西北及桂东北四个雷电活动频繁区域。②广西雷电活动云地闪较云闪偏多,闪电的极性以负闪为主,云闪高度较为集中在0~1km及2~7km高度上,2~7km高度上闪电频次年际、季节性、区域性差异显著。③春季印缅槽和亚洲经向环流偏强有利于广西雷电发生,反之则不利;夏季,西太平洋副热带高压平均脊线位置较常年(26.3°N)略微偏南(25.5~26°N)时有利于雷电发生,异常偏南或偏北则不利。

基于VLF/LF三维闪电探测系统的贵州省全闪分布特征分析

为进一步加强云闪分布特征分析,增强对雷暴云内物理过程的认识,利用2015—2017年VLF/LF三维闪电探测系统的数据资料对贵州省闪电特征进行空间和时间分布特征分析。结果表明:无论云闪还是地闪,均以负闪为主;闪电发生主要集中在夏季,冬季闪电最少,闪电月际分布主要为单峰型,仅冬季Z比率大于1;闪电主要发生时段为16时至次日凌晨2时,Z比率与全闪频数随时间的变化呈正相关,相关系数0.618;全省闪电密度整体呈西高东低趋势,年均闪电密度为5.07次/(a·km^2);云闪主要发生在高度2k^7 km,全年云闪高度呈下降趋势;雷电强度主要分布在5k^45 kA,平均陡度为7.34 kA/μs。本研究有利于对闪电特征开展更全面的探究和分析,同时对强对流天气监测和预警也有重要意义和价值。

广西VLF/LF和ADTD闪电定位系统对比分析

利用广西2016-2019年VLF/LF和ADTD两套闪电定位系统的地闪资料进行对比分析,并利用典型雷灾事故数据进行评估。结果表明,两套系统的监测结果均以负地闪为主,VLF/LF探测效率约是ADTD的2.6倍,尤其是正地闪以及弱地闪探测效率明显提高,VLF/LF地闪平均雷电流幅值较ADTD偏小且两者差异较大;在地闪频次及雷电流幅值的年变化和日变化上,两套系统的监测结果较为一致,月变化差异较大;在空间分布上,两套系统的地闪密度分布较为一致,雷电流幅值分布差异较大;雷灾事故评估表明VLF/LF定位的准确性和可靠性优于ADTD。

三维闪电探测系统研制

“三维闪电探测系统研制”是国家科技部科研院所技术开发专项，其目标是开发完整的三维全闪（云闪、地闪、云内特殊放电事件）探测和定位系统。采用闪电VLF/LF和VHF辐射信号同步联合分析的方式，采用时差定位技术，利用闪电波形匹配、脉冲匹配、时域相关和频谱分析等方法，实现对闪电辐射事件的三维探测。2007年主要开展了以下3个方面的工作：

一次特大暴雨过程三维和二维系统闪电特征对比分析

利用三维(ADTD-2C)和二维(ADTD)闪电定位系统资料,对比分析了湖北省一次特大暴雨过程中两套系统闪电活动特征,得出以下结论:(1)本次过程中地闪多于云闪,二者均以负极性为主。(2)三维系统正地闪在地闪中的占比低于正云闪在云闪中的占比,高于二维系统正地闪在地闪中的占比。(3)三维系统雷电流幅值集中分布在0~30 kA,较二维系统(10~50 kA)更集中,三维系统的雷电流累积概率较湖北省多年统计结果明显偏小,二维系统的雷电流累积概率略高于统计值。(4)两套系统总地闪和负地闪活跃时段基本一致。(5)两套闪电定位系统地闪密集区基本一致,且和云闪密集区基本重合,闪电分布集中程度高,主要分布在槽前正涡度平流区。三维系统地闪密度大于二维系统,最大值分别为5.78 fl/(km^(2)·d)和2.39 fl/(km^(2)·d)。三维系统中正、负闪电交错分布,二维系统中正、负地闪局部存在空间分离现象。(6)云闪密度大小与二维地闪相当、水平分布特征与三维地闪一致。垂直方向上,云闪主要发生在10 km以下,其中2~4 km云闪分布密集,占总云闪的47.24%。

基于时差法三维定位系统对闪电放电过程的观测研究

系统介绍了自行研制的基于GPS同步和时差法定位技术的闪电VHF辐射源三维定位系统以及山东北部地区闪电过程同步观测分析,成功获得了雷暴中闪电通道辐射源三维时空发展物理图像.并结合地面的快电场变化资料,对典型负地闪、正地闪和云闪放电通道的三维时空演变过程进行了分析,结果表明,正、负地闪激发传输过程不同,典型负地闪的预击穿过程发展速度约为5.2×104m/s,被初始负击穿引发的向下梯级先导传输过程发展速度约为1.3×105m/s;正地闪初始阶段也是激发负流光传输,以优势水平方向在正电荷区内传输,并为始发点积累正电荷,从而触发向下正流光传输.重点分析了一次由双极性窄脉冲事件(NBP)引发的云内闪电三维放电过程,该脉冲发生在约10.5km的高度上即上部正电荷区域内,同时引发云内放电通道水平向周围扩展,产生大量击穿辐射源,双极性窄脉冲辐射峰值强度值高达16.7kW,而普通闪电辐射源功率一般在100mW～500W范围内.与经典云闪完全不同,此类新型云闪及其三维传输过程在国内第一次被发现.文章还讨论了其可能的触发机制.

2019年江西二维和三维地闪定位资料对比分析

基于2019年江西二维和三维地闪定位资料,从探测站点分布、时空分布、电流强度、电流陡度、地市密度分布、地闪空间分布等多方面,采用统计分析方法,对二维和三维地闪定位数据进行对比分析。结果表明:2种地闪定位资料监测雷电活动存在的一些差异,指出三维地闪定位资料的优势与不足,为三维地闪定位资料在江西雷电监测与应用业务化提供重要参考依据。

广西一次锋面暴雨的二维和三维地闪特征对比分析

利用二维(ADTD)、三维(VLF/LF)闪电和降水等资料,对2020年5月11日14—22时广西一次锋面暴雨过程,从闪电极性、时空分布、强度、与降水量相关性等参数进行评估,探讨不同闪电探测系统对广西雷暴天气过程中闪电的探测效率的影响,以及地闪频次与降水之间的关系。结果表明:(1)VLF/LF探测效率高于ADTD,尤其对正地闪及低强度地闪的探测能力更明显;(2)两套系统总地闪和负地闪活跃时段及变化趋势大体一致;(3)地闪主要落区与过程累积降水量30mm以上的分布区域基本一致,高的总闪和负地闪频次往往对应强的降水时段;(4)地形变化、定位站点数、定位站点距离对闪电定位系统的监测效率有较大影响。

密集雷电引发大兴安岭群发雷击火过程及其影响因素

【目的】分析引发雷击火各因素的数量化特征,明确密集型雷电过程中各影响因素对雷击火发生影响的机制。【方法】基于雷击火感知体系,对监测到的雷电指标、气象因子和雷击火发生指标进行系统分析,分析2022年春防期大兴安岭雷击火发生的基本情况和密集型雷电过程对雷击火发生的影响,引发雷击火的闪电的数量化特征,以及雷电定位精度和雷击火潜伏期。【结果】2022年大兴安岭春防期共发生了22起雷击火,其中18起为密集型雷电过程引发。地闪和云闪在正负电流区间各有1个峰值,地闪的高频峰值在负电流区,云闪的高频峰值在正电流区。负地闪占地闪总数的82.82%,地闪在-8~-50 kA形成高频次区间,引发雷击火的数量最多,占负地闪数量的84.5%,占地闪总数的70%。在10~30 kA形成正地闪高频区间,占正地闪数量的74.2%,占地闪总数的12.7%,数量远低于负地闪区间。春防期引发雷击火的电流强度平均值为-22.72 kA,最强电流为-48.34kA,最弱电流为-8.70kA。引发雷击火的闪电发生时间相对集中,雷击火多由中午前后的地闪引燃。引发雷击火的密集型闪电发生前有快速升温,伴随空气湿度下降、风速增大的过程,日最高气温和引发雷击火的闪电发生时间基本一致,也是相对湿度最低、风速最高的时间段。春防期雷击火潜伏期从0.56 h至17.62 h。雷电探测定位精度为165~884 m,平均精度为394.5 m。有两起雷击火有雷击木定位坐标,定位精度达到165 m和170 m。【结论】密集型雷电过程引发群发雷击火占雷击火数量的多数,群发雷击火的发生由密集雷电过程耦合极端天气条件,在干旱和可燃物易燃的的条件下发生。雷电过程和降水过程不同步或降水偏少,前期有快速升温过程,密集型雷电过程伴随着气温下降,雷击火多发生在此天气转折期间。在雷击火的监测和预警过程中尤其要关注干旱条件下的密集雷电过程。

某机场雷灾事件的分析与解决方案简析

通过对某机场雷灾事件发生时的现场环境、气候状况、雷达回波、雷电活动强度等因素的调查分析,运用三维闪电监测定位系统、雷达回波数据,结合闪电监测网实况资料,分析此次雷电灾害发生的原因,提出雷电防护措施。

两种闪电资料的对比分析

基于人工雷暴观测记录和雷达资料,对比分析ADTD闪电定位系统和VLF/LF三维全闪电监测定位系统的探测效率、时空分布特征以及强度特点等,得出:两套系统探测到的闪电都是以负闪为主,但3D系统探测的闪电频数约是2D的3倍多;3D系统的探测效率相对2D和人工观测高,但对弱闪电的探测精度不高;两套系统的闪电月、日变化非常一致,月分布极大值峰相差1个月,日分布极大值相差3h。3D闪电系统因其对云闪的高探测效率使得监测到的闪电日比2D明显多,但各市有不同,两套系统定位的闪电日以徐州差距最明显,扬州差距最小;3D系统测得的总闪密度明显比2D大,两套系统都测得无锡、苏州密度较高,对徐州的闪电定位结果几乎相反;3D系统测得的闪电平均强度小于2D系统,3D系统对正闪强度的探测效果较差。两套系统因其型号、探测技术和自身误差等方面的差异,探测结果存在不一致,需要积累长时间数据进行对比分析,才能更好地利用准确的数据,为防雷减灾服务。