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。

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。

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%。

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。

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.

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。

快速高效的张衡一号卫星ELF波段闪电哨声波自动检测算法

张衡一号卫星在轨六年积累了大量的闪电哨声波(Lightning Whistlers,LWs)事件,这些事件是全面研究空间物理环境和圈层耦合机理的重要媒介.依靠目前的智能算法完成LWs识别任务需要几十年的时间,难以满足实际工程需要.本文提出了一种快速高效的闪电哨声波自动识别算法(Light Weight Network for Lightning Whistler,LW-LWNet):首先,采用深度可分离卷积、挤压激励机制等轻量化技术对YOLOv5目标检测算法的主干网络进行改进,通过降低参数量和计算量,提高了模型推理速度;其次,采用小计算量的注意力机制改进主干网络的输出通道,通过增强闪电哨声波形态特征,克服因参数压缩导致性能下降的问题;最后,通过训练得到本文提出的LW-LWNet模型.在2019年9月的LWs数据集上进行的实验表明,LW-LWNet模型在精确度、召回率、准确率和F1分别达到了88.8%、80.6%、89.8%和89.3%,相对于原始算法提高了0.7%、0.9%、0.4%和0.6%.此外,在轻量化方面,该模型的参数量减少了57%;在推理速度方面,FPS提升33%;在检测精度方面,mAP50提升了0.3%.

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。

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。

2024年2月我国两次雨雪冰冻过程中闪电活动特征对比分析

2024年1月31日-2月5日和2月18-25日(以下分别简称为"0131"和0218"过程)我国南方遭遇两次雨雪冰冻天气,并伴随密集的闪电发生。利用三维闪电定位数据、CLDAS-V2.0降水产品和Himawari-9号卫星红外云图资料,对比分析两次雨雪冰冻天气背景下的地闪时空分布、地闪回击数和雷电流累计概率分布特征,并研究了地闪与降水量及卫星黑体辐射亮温(TBB)间的关系。结果表明:(1)两次过程中共监测到地闪数13万余次,正、负地闪分别为2万和11万余次;两次过程的地闪均具有夜发性,正地闪较总地闪和负地闪峰值滞后约1~2h。两次过程中正地闪产生大电流的概率大于负地闪。(2)"0131"过程中地闪密度大值区出现在贵州南部及贵州、重庆、湖北三省交界处;"0218"过程中地闪密度大值区出现在湖北东部、江西北部、安徽、江苏和浙江大部。(3)"0131"过程中降水量和地闪的时空分布不一致,降水量峰值集中在白天,降水集中在湖南东南部、江西、安徽和江苏南部、浙江和福建大部;而"0218"过程中降水量和地闪的时空分布较一致,地闪出现的峰值较降水量峰值延迟2h。(4)两次过程中地闪的分布均很好地指示了对流区。地闪主要分布在对流云团发展方向的尾部且偏南处TBB变化梯度大的区域;对流合并会导致合并处地闪频数的跃增;对流发展最旺盛的冷云核心区几乎没有地闪发生。两次过程地闪密度随着TBB的增大呈现先增大后减小的变化特征。

“12·14雷打雪”过程的闪电特征及成因

2023年12月14日在山西和河北南部、河南北部、山东西部出现一次大到暴雪过程,并伴随频繁的闪电活动。利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料以及闪电、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达等观测资料对此次“雷打雪”天气过程进行详细分析,得到以下研究结果:(1)此次“雷打雪”是一次明显的高架对流天气过程,低层一直存在逆温层,850~600 hPa为显著的暖湿平流,925 hPa以下近地面东北风形成的“冷垫”楔入到条件性对称不稳定层结下方,抬升暖湿空气,触发对流天气,释放不稳定能量,产生较强的上升运动。(2)降雪过程的雷电活动比较活跃,闪电频数高达99次·(10 min)^(-1),云闪和地闪比例为1.7∶1,正地闪的占比为19.4%。此次“雷打雪”天气过程的闪电空间分布和走向与强降雪落区表现出良好的一致性,闪电密集区域对应强降雪区域,74%的暴雪站周围30 km范围内出现闪电,100%的大暴雪站周围30 km内发生了闪电。(3)高空正K_(DP)区域与地面降水率的增大密切相关。总闪电与6 km等高层雷达回波的空间一致性很好,基本分布在大于20 dBZ的云区内,闪电落区的回波顶高几乎都在5 km以上。雷达发现在5~8 km的高度范围出现Z_(DR)和K_(DP)的正值区,揭示云内存在明显的垂直上升运动和过冷却液态水,存在良好云内起电条件,结合地面电场观测资料和闪电资料,推测此次降雪云系的电荷结构为上正下负的电荷结构。

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。

热带地区雹暴的闪电活动-动力-微物理特征研究

基于低频电场变化探测阵列三维闪电定位系统和S波段双偏振天气雷达数据, 对海南岛2021年6月24日一次雹暴过程的闪电活动和云内动力与微物理特征进行了详细的分析.结果显示: 该雹暴闪电活动以云闪为主, 占总闪的85.38%.降雹前发生的地闪以正地闪为主, 在降雹前25 min内, 正地闪频数占总地闪频数的60%, 高于一般雷暴正地闪活动比例.在雹暴成熟阶段, 上升气流出现两次增强, 而闪电频数的增加均滞后于上升气流增强的时段, 同时, 闪电频数的增加也可能与对流单体的合并有关.结合模糊逻辑判断法对云内降水粒子的识别, 计算了总闪与冰相粒子的相关系数, 其中霰和冰晶粒子与总闪相关性较高, 相关系数分别为0.76和0.83.根据闪电辐射源的空间分布特征, 推测该雹暴降雹前为反三极性电荷结构, 正电荷区位于约7~9.5 km(~-10 ℃至-25 ℃).

云南省两套闪电定位系统地闪回击参数对比及探测性能分析

根据2017—2020年云南省ADTD二维和VLF/LF三维闪电定位系统观测资料,对比两套系统地闪回击参数分布差异。在实际回击位置和雷电流强度信息难以获得的情况下,研究利用两套系统反演资料对相同回击事件的识别匹配和时空阈值选取方法,分析相对定位偏差。结果表明:两套系统的回击密度、雷电流幅值在滇东、滇西南和滇西北等地的空间分布差异明显,由三维系统得到的回击密度较大,但二维系统雷电流幅值均值更高。两套系统均以单回击地闪占比更高,正地闪中的单回击地闪比重较负地闪更大,三维系统对于0~5 kA负回击小幅值电流的探测效率有所提高。通过采用10km、1 ms的时空阈值匹配窗口,得到两套系统对于同一次回击的相对定位时间差主要集中在0.05 ms内,距离偏差集中在1 km内。系统匹配回击在滇中、滇西南的时空偏差较小,滇西北的偏差较大。从回击极性、相关系数、相对误差、幅值比及幅值累积概率等方面,分析得到两套系统对于相同回击事件的电流强度反演结果一致性较好,验证了应用系统反演资料对于同一回击事件的识别匹配方法是客观可靠的。

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。

一次TS型线状对流不同阶段LMI闪电特征分析

以2019年一次尾随层状(TS)型线状对流为研究个例,利用FY-4A闪电成像仪(LMI)观测资料、雷达组合反射率因子资料、地基闪电定位(ADTD)观测资料、FY-4A云顶亮温(TBB)资料和其他常规观测资料,对比分析LMI闪电数据在TS型线状对流3个不同演变阶段的数据可靠性及观测特征。结果表明:TS型线状对流不同演变阶段LMI观测的闪电具有一定的时空连续性,其分布与ADTD的闪电分布总体一致;对流发展阶段,LMI闪电位置略超前于TS型线状对流前导对流线,对未来0~1 h对流发展具有提前指示意义;对流成熟阶段,LMI观测的闪电与前导对流线位置较为一致,对线状对流发展具有监测意义;对流减弱阶段,LMI闪电一部分位于减弱的前导对流线中,另一部分位于其后侧尾随的积层混合云中。给出TS型线状对流不同演变阶段LMI闪电特征模型图,为LMI闪电产品在对流天气监测预警中的应用提供一定参考。