北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

北京闪电综合探测网(Beijing Lightning NETwork,简称BLNET)由10个观测站组成,每个子站主要由闪电快、慢电场变化测量仪(也称快、慢天线)和闪电甚高频(VHF)辐射探测仪构成,实现了对闪电的多频段的综合观测。本文首先详细介绍了BLNET的网络构成,然后利用蒙特卡罗法对网络的定位误差进行了理论分析,模拟结果表明网络内部水平定位误差小于200 m,网络外部100 km处水平定位误差小于3 km,最后利用Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相结合的方法,对发生在2013年7月7日的一次雷暴过程分别进行了地闪和云闪定位,将定位结果和对应时次的雷达回波进行比较,发现地闪和云闪都出现在大于30 d BZ的雷达回波区,表明了探测网络和定位方法的可靠性。

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网(Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET)是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes(6 min)^-1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。

电力气象灾害决策服务显示系统的构建

详细介绍了电力气象灾害决策服务显示系统的构建流程和功能模块,提出了该系统在为电力部门提供各种气象预报尤其是灾害性预报方面发挥的重大作用。

自动气象站运行故障分析及维修处理

本文简要探讨自动气象站组成结构,分析自动气象站运行中常见故障,提出针对性处理对策,给出自动气象站观测仪器设备日常维护建议,以提升地面测报质量。

京津冀地区一次持续时间较长浮尘天气的分析

2017年5月3-4日京津冀地区出现了一次持续较长时间的浮尘天气,给京津冀地区的生产和生活带来了较大的影响。从气象条件方面分析了浮尘天气的成因及维持机制,并使用气象、环境观测、激光雷达探测、后向轨迹模式产品等分析了此次浮尘天气的观测事实。结果表明,此次过程是在蒙古气旋强烈发展东移的过程中,经过蒙古国中部、甘肃、内蒙中西部的沙源地后形成扬沙、沙尘暴,大量的沙尘粒子随高空偏西西北气流漂至京津冀上空后沉降而形成的,本地沙源没有补充。激光雷达可以清晰地监测到沙尘的传输高度基本在2~4 km。浮尘天气期间,沙尘高度在2 km以下。浮尘维持30 h以上的原因:(1)高空受东、西两槽间的纬向环流控制,地面处于鞍型场,风速小,不利于沙尘粒子的扩散;(2)边界层内湍流活动旺盛,且中低层基本是中性层结状态,沙尘粒子不易沉降。

飑线系统中的闪电活动与雷达回波特征的相关性研究

基于北京宽频带闪电网(Beijing Broadband Lightning Network,简称BLNet)获得的全闪三维定位和多普勒天气雷达等资料,详细分析了2015~2017年北京暖季7次强飑线过程的闪电活动与雷达回波强度之间的关系。结果表明,闪电主要发生于前部线状对流云区内且集中分布在30 d BZ以上的强回波区域,少部分的闪电分布在后部的层状云区域内。从闪电辐射源三维分布结构可以发现,闪电活动大部分处在6~11 km的高度范围。将能够同时反映强回波深度和面积的0~-30°C温度区域内大于30 d BZ雷达回波体积(V)作为强回波指标,并与闪电活动进行统计分析发现,整体上在7次飑线过程中,总闪频数和V存在较好的相关性,其中5次过程的闪电频数峰值同时或提前于V的峰值出现,二者的时滞相关系数超过0.61,提前时间为0~96 min。另外两次过程中闪电峰值落后于V峰值,落后时间分别为30 min和60 min。研究结果不仅对认识闪电与对流活动的关系有重要的科学意义,也可为闪电资料在数值模式中的同化应用提供科学依据。

北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.

两类典型沙尘过程对比及清除机制分析

沙尘天气会危害人体健康并直接影响城市运行,当沙尘天气发生后,针对其清除过程及动力学机制鲜有研究.本文利用北京地区地面观测资料、风廓线雷达数据、四维变分多普勒雷达分析系统(Variational Doppler Radar Analysis System,VDRAS)数据、气溶胶激光雷达监测资料等,对比分析了2018年3月27-28日明显浮尘和2021年3月15日强沙尘暴天气的沙尘清除过程,研究了不同大气环流背景下的沙尘减弱消散动力机制.结果表明,在3月27-28日偏东风天气背景下:(1)北京地区沙尘浓度垂直分布及变化与高空槽及偏东风的强度垂直分布有紧密关系;(2)浮尘天气中,偏东风在1~1.5 km之上随高度减弱形成上升气流,与短波槽耦合,将高浓度气溶胶向高空输送;而1 km以下偏东风向地面风速减小,有利于下沉运动,不利于气溶胶向高层扩散,造成中层浓度降低;(3)随着2.5 km以下偏东风加强至低空急流,并随高度增加,上升运动显著增大,高浓度气溶胶被抬至高层并向下游输送,配合气团更迭,完成浮尘清除.而在3月15日强沙尘暴过程中:(4)沙尘浓度垂直分布变化与上游传输及低层强下沉运动有关,1 km以下沙尘浓度首先下降,主要由低层大气辐散下沉及沉降作用导致,而高空西北气流的传输作用使得1~2.5 km高浓度沙尘粒子维持时间较长,垂直出现分层结构;(5)冷锋后西北气流天气形势下,沙尘的清除机制在于整层强烈的下沉运动与自然沉降的叠加效应,配合清洁气团更迭,完成清除过程.