ISSN 1004-4965

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2021年  第37卷  第3期

综述
雷暴闪电活动特征研究进展
郑栋, 张文娟, 姚雯, 徐良韬, 王飞
2021, 37(3): 289-297. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.027
摘要:
从一般雷暴、灾害性雷暴和台风的闪电活动特征以及雷暴闪电尺度特征四个方面对相关研究进行梳理。一般雷暴通常具有正常极性电荷结构,云/地闪比例在3左右(中纬度地区),地闪中正地闪占比为10%左右,负地闪位置往往更集中于对流区。灾害性雷暴倾向具有活跃的云闪,低比例的地闪,易出现反极性电荷结构,正地闪比例偏高。闪电活动与灾害性天气现象之间存在关联性,部分雹暴过程具有两次闪电活跃阶段。台风中大部分闪电发生在外雨带,眼壁/外雨带闪电爆发很可能预示气旋强度的增强以及路径的改变。由闪电持续时间、通道空间扩展所表征的闪电尺度与雷暴对流强度相关。弱对流雷暴或雷暴的弱对流区域可能由水平扩展、垂直分层的电荷分布形态主导,闪电频次低,闪电空间尺度大;强对流雷暴或雷暴的强对流区域可能由交错分布的小电荷区主导,闪电频次高,闪电尺度小。
CMA_FEBLS低频三维全闪探测技术研究及观测10年进展
张阳, 王敬轩, 郑栋, 吕伟涛, 张义军, 樊艳峰, 范祥鹏, 姚雯
2021, 37(3): 298-308. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.028
摘要:
三维全闪探测已经成为了深入认识闪电物理机制和雷暴电活动规律的重要手段。中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)自主研发了低频电场探测阵列(LFEDA), 并持续开展了针对广东地区雷暴全闪电活动的综合观测试验, 在精细化三维定位算法和基于三维全闪数据的闪电放电过程研究方面取得了若干研究结果。(1) LFEDA具备雷暴电活动的无死时间捕获能力、优于百米的定位精度和一定的通道定位能力。(2)发展了基于简单脉冲特征的三维全闪定位算法, 并进一步将经验模态分解及衍生方法引入到闪电信号处理中, 提高了定位的精细化水平; 发展了融合到达时差和时间反转技术的定位方法, 提升了抗干扰能力、降低了对站网的要求。(3)实现了典型放电事件的电流波形反演, 获得了窄偶极性放电事件(NBE)、初始击穿脉冲(IBP)和爆发式脉冲簇(RBPs)的放电特征; 研究发现绝大多数闪电始发于IBP, 而作为始发的NBE则具有更大的孤立性、更大的相对幅度和更快的发展速度。(4)发现随着起始放电高度增加, 初始阶段持续时间和步长增加, 发展速度和脉冲丰度下降; 始发于强对流区时始发阶段通常有更大的速度和脉冲丰度。
论著
基于LLS的多回击地闪及其雷电流幅值分布特征
王学良, 成勤, 王清龙, 余田野, 张科杰, 赵涛
2021, 37(3): 309-319. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.029
摘要:
为进一步研究多回击地闪参数分布特征, 以便为雷电防护工程设计和雷电物理研究提供参考, 根据湖北省雷电定位系统(LLS)2007年1月—2018年12月监测资料, 采用计算机编程处理和数理统计方法, 对多回击地闪次数、多重回击次数和不同类型多回击地闪雷电流幅值等参数进行了统计分析。结果表明: 多回击正地闪、负地闪和总地闪次数占其地闪总数的百分比分别为2.06%、34.76%和32.64%, 多重回击次数分别占其回击总数的0.01%、0.42%和0.40%, 多回击负地闪回击次数占多回击总地闪回击总数的99.69%。首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪分别占多回击地闪总数的82.52%和57.87%;在多回击地闪后续回击中, 正地闪约有9%的后续回击强度大于首次回击强度, 负地闪约有20%的后续回击强度大于首次回击强度。多回击正地闪和负地闪中值电流分别为59.30 kA和35.10 kA, 首次回击分别为90.90 kA和40.00 kA, 后续回击中分别为43.90 kA和33.00 kA。首次回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率分别为44.06%和4.64%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率最大分别为52.21%和7.94%;后续回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率分别为41.80%和69.92%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击负地闪, 雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率最大为77.71%。多回击正地闪和负地闪后续回击与首次回击中值电流的比值分别为0.48和0.83。拟合得出的不同类型的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值累积概率公式, 拟合效果显著; 拟合公式中a值附近的雷电流幅值累积概率与b值呈显著正相关关系。
一次触发闪电地电位抬升引发的氧化锌电涌保护器损坏事件分析
陈绍东, 张义军, 颜旭, 杜赛, 吕伟涛, 张阳
2021, 37(3): 320-328. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.030
摘要:
基于触发闪电开展了电流注入地网后地电位抬升反击氧化锌电涌保护器的试验研究。结合真实雷电环境下测量的电涌保护器两端残压和流经电流的数据, 对一次触发闪电引发的氧化锌电涌保护器损坏事件进行了分析。分析发现, 电流注入地网后, 回击过程瞬间的大能量和长连续电流过程累积的能量相互叠加共同作用损坏了氧化锌电涌保护器。回击发生时, 较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段, 氧化锌电涌保护器内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易遭到局部破坏, 形成穿孔, 电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过, 氧化锌电阻片失去钳制作用, 而当电压缓慢下降时, 电压在氧化锌电涌保护器内部晶界层的分布趋于均匀, 没有损坏的晶界结构又恢复了氧化锌电涌保护器的钳制功能。长连续电流过程形成的残压较小, 但其持续时间很长, 可达几十甚至上百毫秒, 事件中多次致使SPD钳制功能的失效。4次回击过程地电位抬升反击流经氧化锌电涌保护器的电流峰值最大为7.1 kA, 平均值5.4 kA, 占触发闪电注入电流的28.9%。流经SPD的电量范围0.15~0.58 C, 平均值0.44 C, 其值大于8/20 μs标称放电电流20 kA单脉冲释放的电量(0.37 C)。
华中地区不同地形下的雷暴地闪特征分析
余蓉, 张小玲, 杜牧云, 马鹤翟, 袁海峰, 朱传林
2021, 37(3): 329-340. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.031
摘要:
利用湖北省2013—2018年6—8月ADTD闪电探测数据对该地区的闪电活动进行特征分析后发现, 地闪密度和日变化特征与地形密切相关, 其中, 闪电密度高值区出现在海拔500~1 500 m的中尺度山脉向平原的过渡地带以及山脉之间的平原(河谷)地区; 山区的地闪集中在午后至傍晚时段, 具有明显的单峰特征, 平原的地闪日变化相对平缓, 虽然主峰值同样出现在午后, 但夜间地闪活动依然活跃。基于2015—2016年6—8月逐6 min雷达组合反射率拼图产品和地闪资料挑选了94例伴有显著闪电活动的雷暴系统个例, 经统计分析后发现, 雷暴系统的初次地闪、峰值地闪和末次地闪均集中出现在13:00—18:00, 其中, 山区雷暴的地闪持续时间较短, 地闪频数峰值较小; 平原雷暴的地闪持续时间更长, 地闪频数峰值也更大; 山麓雷暴的特征则介于两者之间。利用ERA-Interim再分析资料进行成因分析后可知, 地形强迫和局地热力不稳定是影响湖北山区夏季闪电密度分布和日变化特征的关键因子。
基于实验室模拟高压放电冲击力的研究
柴健, 刘学良, 王学良, 李鑫, 邳莹, 朱传林
2021, 37(3): 341-347. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.032
摘要:
为了研究高压放电冲击波的特性, 通过对冲击波的理论分析, 基于自主设计的一套实验装置对实验室条件下模拟高压放电产生的冲击力大小进行了量化试验。利用2.6/50 μs冲击电流发生器模拟产生放电冲击波, 依次改变冲击电流的幅值及离放电球中心位置的距离, 测定水平方向的冲击力大小。实验结果表明: 在25~100 kA冲击电流下, 离放电球中心位置50 mm处水平方向的冲击力大小为1.6~3.3 N; 随着冲击电流的增加以及离放电球中心位置距离的减小, 水平方向的冲击力呈逐渐增加趋势。当离放电球中心位置的距离超过60 mm时, 冲击力的大小受距离的影响较小。所得结论为研究自然界闪电冲击波的特性提供了一定参考依据。
基于FDTD的不同土壤类型及湿度对雷电电磁场传播影响的研究
杨雅绮, 刘银萍, 刘非凡, 张乃康, 刘国进, 翟浩源, 祝宝友
2021, 37(3): 348-357. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.034
摘要:
为深入研究土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播效应的影响, 首次将工程勘察领域研究得出的土壤湿度和电导率计算关系应用到雷电电磁场模拟计算中。基于Heidler雷电通道基电流函数模型和MTLL回击模型, 在Mur一阶边界条件下, 利用2D-FDTD计算粘土、粉土和砂土这三种具有代表性土壤在不同土壤湿度和观测距离下的雷电电磁场。研究结果表明: 相比于粉土和砂土, 雷电电磁场沿粘土地表传播过程中产生的水平电场更容易受土壤湿度的影响, 特别是土壤湿度较低时, 即土壤湿度从5%到6%变化过程中, 水平电场峰值的波动幅度达39.86%;当土壤类型为粘土时, 水平电场Er、垂直电场Ez和磁场Hφ受土壤湿度影响等级为Ez > Hφ; 随着闪电电磁辐射传播距离和土壤湿度的增大, 场幅值减小, 波形的波头上升沿时间变慢。研究结果为准确评估和量化不同土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播的影响以及优化闪电站网定位提供了重要的科学依据。
华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征
赵川鸿, 郑栋, 张义军, 刘显通, 张阳, 姚雯, 张文娟
2021, 37(3): 358-369. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.035
摘要:
利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(ZH)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的ZH中值随高度增加而减小, 但差分反射率(ZDR)、差分传播相移率(KDP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应ZDRKDP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均ZH比闪电通道位置处的平均ZH大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应ZH分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。
2019年马六甲地区红色精灵观测及母体雷暴分析
王庸平, 陆高鹏, 彭康铭, 程征伟, 王荣江, AHMADMohd Riduan, 马明, 郑建秋
2021, 37(3): 370-380. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.036
摘要:
红色精灵是一种发生于闪电放电活跃的雷暴云上空的中高层大气瞬态发光现象, 它们通常由中尺度对流系统层状云降水区内的强地闪回击产生, 是对流层和中间层之间的一种能量耦合过程。目前, 有关中国南海及东南亚地区的红色精灵观测鲜有报道。为了进一步了解热带地区产生红色精灵事件的沿海性雷暴特征, 于2019年利用低光度光学观测系统和低频磁场天线在马来西亚马六甲地区开展了地基观测。实验于11月9日、12月11日和12月15日三次在沿海雷暴上空共捕捉到7例红色精灵事件, 其中包括4例圆柱型、2例胡萝卜型和1例舞蹈型。结合闪电定位、云顶亮温和低频磁场信号等同步数据, 分析表明所有事件均由正极性地闪回击产生, 且母体闪电回击位于雷暴对流区附近(云顶亮温≤210 K处), 这可能是该地区产生红色精灵的沿海性雷暴的共同特征。此外, 红色精灵生成期并不是闪电活动最强期, 而是发生于闪电频数短暂降低后, 这表明红色精灵的发生可能是该地区成熟雷暴中对流减弱的一个信号。
降水与温度对接地电阻的影响分析
揣国权, 李冰, 宫奇伟
2021, 37(3): 381-386. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.037
摘要:
通过对3种接地装置接地电阻的持续观测, 分析了降水、温度对接地电阻的影响, 结果发现: 接地电阻具有明显的季节变化特征, 汛期(4—9月)降水量增加, 温度也逐渐升高, 接地电阻呈现下降趋势, 在9月之后, 随着降水的减少及温度的下降, 接地电阻逐渐升高, 此过程一直持续到翌年的2月; 接地电阻的变化率与接地体类型及尺寸大小密切相关; 降水量 < 20 mm的降水过程对接地电阻的影响较小; 当降水量偏多, 土壤含水量处于较高水平时, 多余的降水并不会使接地电阻出现明显的下降, 此时期温度对接地电阻的下降起着关键作用; 当长期干旱时, 土壤含水量偏低, 此时期较强的降水会引起接地电阻出现明显的下降, 而温度的影响相对不明显。
十脉冲下限压型SPD级间串联退耦电感前后能级匹配研究
徐乐, 史东东, 高攀亮, 曹洪亮, 秦孟晟, 王成芳
2021, 37(3): 387-395. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.033
摘要:
退耦电感是限压型浪涌保护器(SPD)级联配合核心元件, 对于限压型SPD能级匹配具有重要影响。针对退耦电感与限压型SPD能级匹配问题, 基于行波传输理论建立多级限压型SPD能量匹配模型, 并结合更接近自然雷击的10个8/20μs多脉冲试验进行研究, 试验结果可知: 恒定波阻抗下, 增大SPD线路间退耦电感值, 可有效减缓雷电瞬态过电压上升速率。SPD并联时, 氧化锌压敏电阻压敏电压对前后级分流比影响较小, 与残压值呈正相关关系。SPD级联电感值越大, 前级SPD泄流越多, 后级SPD箝压水平越高, 能级匹配效果越好。当出现磁饱和时, 前级SPD泄流显著降低, 后级SPD的泄流显著增加, 为避免出现该现象, 实际装设SPD时, 级间选装的退耦电感值在合理范围内应稍大于理论电感值。
一次特大暴雨过程三维和二维系统闪电特征对比分析
成勤, 张科杰, 刘俊, 夏羽, 毛成忠
2021, 37(3): 396-408. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.039
摘要:
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/(km2·d)和2.39 fl/(km2·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%。
粤港澳大湾区两套闪电定位系统地闪探测性能的对比分析
张悦, 吕伟涛, 陈绿文, 武斌, 马颖, 齐奇
2021, 37(3): 409-418. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.040
摘要:
根据2014—2018年粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)和广东电网地闪定位系统(GDLLS)两套闪电定位系统的观测资料, 对粤港澳大湾区范围内二者的地闪探测性能进行评估和对比, 结果表明, 在粤港澳大湾区, 对于地闪回击记录, 从各月份记录和空间密度的分布上来看, GDLLS的探测数都多于GHMLLS, 二者的比值为1.24;两套系统总回击、负回击、正回击的月分布和日变化特征基本一致; 两系统地闪回击的匹配记录在大湾区大部分区域内的偏差量都在1.5 km内; 对于匹配后的负、正回击电流峰值, 二者有较强的相关性, 相关系数分别为0.99和0.98, GDLLS的负、正回击电流峰值分别为GHMLLS的1.47倍和1.45倍。
强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析
张春燕, 刘霞, 高文俊, 周宝琴, 张国平
2021, 37(3): 419-426. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.041
摘要:
利用粤港澳闪电定位系统、广州多普勒天气雷达和自动气象站等资料, 分析了2017年6月2日发生在广州市中北部的一次强雷暴天气过程的地闪变化特征及闪电与雷达回波特征的关系。(1)本次强雷暴天气是华南一起典型的以西南急流和切变线为环流背景的强对流天气过程。在整个雷暴生命史中以负地闪为主, 占69.3%;正闪在雷暴发展的初始和结束阶段占比较大。(2)闪电频数分布与强雷达回波区域存在着较好的对应关系, 闪电活动位置稍有提前, 地闪频数峰值的时间比雷达回波峰值时间平均提前了11.1 min。(3)回波顶高是产生闪电的先决条件, 闪电较多分布在回波顶高9~15 km范围内, 地闪频数峰值落后于回波顶高峰值12~18 min。
华南一次典型雷暴过程双偏振雷达参量与闪电活动关系研究
杜赛, 刘显通, 孙皓霆, 陈绍东, 陈绿文, 颜旭
2021, 37(3): 427-438. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.038
摘要:
基于2017年5月8日华南地区一次典型飑线过程, 分析了此次过程中闪电活动和-35~0℃温度层内双偏振雷达参量的分布特征以及双偏振雷达参量与闪电活动之间的关系。结果表明: 此次飑线过程中, 双偏振雷达参量与闪电频次的趋势在时间变化上有较好的一致性, 且随着闪电活动的发生及雷暴过程的增强, 双偏振雷达参量中的冰水含量、雷达反射率因子、差分反射率、差分相移率等偏振参量都有不同程度的增加, 闪电频次高峰时间段对应各个参量最大值时间段。双偏振雷达各个参量最大值与闪电活动的线性拟合关系均优于多项式拟合关系。定性地发现了双偏振雷达参量与闪电活动的关系, 可为将来将双偏振雷达参量加入到闪电临近预警预报提供一定的参考依据。
广州高建筑物雷电回击光脉冲特征分析
黄晓磊, 吕伟涛, 武斌, 孙秀斌, 马颖, 陈绿文, 齐奇, 刘恒毅
2021, 37(3): 439-449. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.042
摘要:
为了深入认识负地闪放电过程中光辐射信号的特性, 对广州高建筑物雷电观测站所获得的回击光脉冲波形进行了分析。对观测到的88例负地闪事件中的184次回击(包括60次下行闪电首次回击、58次下行闪电继后回击、66次上行闪电继后回击)的光脉冲特征进行了统计分析, 结果表明: 下行闪电首次回击光脉冲10%~90%上升时间T1的算术平均值/中值为32.5/31.4μs, 20%~80%上升时间T2的算术平均值/中值为22.6/22.4μs, 半峰宽度T3的算术平均值/中值为131.1/117.0μs。下行闪电继后回击光脉冲T1的算术平均值/中值为30.4/27.7μs, T2的算术平均值/中值为19.5/17.6μs, T3的算术平均值/中值为153.6/142.6μs。在21例下行多回击负地闪事件中, 光脉冲回击间隔时间在12.6~368.6 ms范围之间, 算术平均值为78.7 ms, 有14%闪电事件存在继后回击光脉冲峰值大于首次回击的情况。上行闪电继后回击光脉冲T1的算术平均值/中值为27.5/24.3μs, T2的算术平均值/中值为17.0/15.7μs, T3的算术平均值/中值为132.2/124.5μs。总体上, 下行闪电首次回击的光脉冲上升时间最长、下行闪电继后回击次之、上行闪电继后回击最小; 下行闪电继后回击脉冲半峰宽度比下行闪电首次回击及上行闪电继后回击的更大。
基于特征提取和集成学习的雷电预测能力提升
陈靖宇, 汤德佑, 伍光胜, 胡鹏
2021, 37(3): 450-456. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.043
摘要:
雷电是对人类社会有重大安全影响的自然灾害之一, 对雷电进行监测、预警是降低其危害的重要手段。利用广州市黄埔区的大气电场仪资料和闪电定位资料统计分析了反映雷电趋势的相关特征, 并从中提取预警因子探讨与电场仪探测范围内雷电事件的相关性, 基于基分类器BP神经网络, 分别通过Bagging和Adaboost的方法建立集成模型。试验表明, 在以30分钟为时间片的雷电事件预警中, 基于BP神经网络模型, 对比本试验提取的特征和其他研究提供的特征, 误报率和漏报率分别降低了16.83%和15.19%;集成方法比未集成的单一BP神经网络误报率最大降低了11.46%, 漏报率最大降低了4.73%, 说明了特征提取和集成学习的方法能有效提升模型在雷电预测中的准确率。
湖北一次连续风暴中两次强对流卫星雷达特征及与闪电关系
陈仁君, 苟阿宁, 王玉娟, 徐双柱, 余蓉, 张琴, 明绍慧
2021, 37(3): 457-467. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.044
摘要:
2018年5月17—18日, 湖北省一次连续强风暴过程中先后出现了不同类型的强对流天气。利用FY-4A卫星、雷达和地基闪电观测等资料, 对相似环境背景下17日夜间鄂西北强对流(第1阶段, 下同)和18日上午鄂东强对流(第2阶段, 下同)的环境背景和天气系统特征等差异进行分析, 提炼卫星雷达和闪电资料对分类强对流的预报依据。(1)此次连续强风暴是副高稳定维持, 西南涡东移, 暖式切变线触发形成的, 强对流出现在副高外围西南气流和低涡东侧的辐合区中, 第1阶段短波快速东移后中高层转为冷平流, 上干下湿的层结利于冰雹和大风出现, 第2阶段则处在槽前暖湿气流中, 湿层深厚, 探空对流有效位能CAPE中等强度, 出现持续性强降水的概率较大。地面中尺度涡旋促使强对流发展维持, 18日冷空气南下是第2阶段雷电密集的主要原因。(2)鄂西北强对流正闪比例较大, 正闪峰值时刻和降雹时刻几乎一致, 零星地闪分布在强回波外侧35~50 dBZ回波中, ≥60 dBZ强回波中并未观测到地闪, 鄂东强对流闪电频次较多, 以负闪为主, 密集的负闪分布在35~55dBZ强回波区, 零星正闪和强回波外围25~35 dBZ层状云对应, 以上雷达特征对分类强对流预警都有很好的指示意义。(3) FY-4A闪电成像仪资料LMI、云顶亮温TBB低值区和二维地闪探测位置吻合, LMI总闪和二维地闪随TBB低值中心移动, 冰雹和对流性大风的TBB更低, 分布在230 K以下, 强降水则在250~270 K。
冰晶异质核化对雷暴云电过程影响的数值模拟
李璐滢, 师正, 谭涌波, 汪海潮, 林晓彤
2021, 37(3): 468-477. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.045
摘要:
引入一种新型冰晶异质核化方案, 基于二维雷暴云模式, 探讨雷暴云电过程对三种异质核化的响应。结果表明: 浸润核化是冰晶生成的最重要异质核化过程, 较高数浓度的冰晶消耗雷暴云内液态水含量, 抑制淞附过程, 导致霰粒子比含水量低, 表现为较强的负极性非感应起电率; 接触核化生成的冰晶量最少, 仅对雷暴云中下层3~5 km处的冰晶有贡献, 同时霰粒子数浓度较低, 导致该方案下的起电过程最弱; 沉积核化主要影响云砧处的冰晶, 有利于提高霰收集云滴的效率, 表现为极高的霰比含水量, 促进低温区非感应起电过程的发生。总体上来看, 三个方案下的电荷结构均由较复杂的多极性发展为偶极性。其中浸润方案中主正电荷区的抬升最明显, 而接触方案过低的冰晶分布高度与沉积方案过高的冰晶分布高度, 都直接导致了次正电荷区更快消散。
一次暖云降水主导的暴雨过程中电荷结构特征及其成因的模拟研究
张坤, 郭凤霞, 谭涌波, 蔡彬彬, 刘泽, 张志伟, 初雨, 邹迪可, 吴泽怡
2021, 37(3): 478-489. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.046
摘要:
为了认识以暖云强降水为主导的对流单体中的电荷结构特征及其形成原因, 利用加入了起放电参数化方案的WRF模式, 模拟了2017年5月7日广州局地突发的以暖云降水为主导的特大暴雨过程, 分析讨论了此次过程中一个单体成熟发展阶段的电荷结构的特征及其成因。结果表明, 此次以暖云降水为主导的特大暴雨过程中的单体对流强度较弱, 云顶高度低于同地区典型对流过程, 强回波区由大雨滴形成, 范围较小, 顶较低, 对流运动向0℃层以上输送的过冷水较少, 不利于冰相粒子形成, 导致大小冰相粒子含量均较少, 其中含量最多的冰相粒子为雪花, 其次依次为霰、冰晶、冰雹。云内起电较弱, 以非感应起电为主。非感应起电主要以对流区中-15℃层以下正的起电率为主, 感应起电率以对流区中的负极性为主。对流区中空间净电荷呈三极性结构, 其中中部负电荷区和底部正电荷区中心电荷密度及电荷区范围相当, 上部正电荷区相对较弱, 范围较小。对流区外围仅有弱的中部负电荷区和底部正电荷区。中部负电荷区由带负电荷的冰晶和雪花共同主导, 上部正电荷区由带正电荷的雪花主导, 底部正电荷区主要是由带正电荷的霰粒子及带正电荷的雨滴主导。强起电区和放电区重合, 主要集中在回波中心上部35~50 dBZ的对流区。
基于闪电聚类方法的西北太平洋区域雷暴活动特征
周鑫, 张文娟, 张义军, 孙秀斌, 郑栋, 姚雯
2021, 37(3): 490-501. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.047
摘要:
利用2010—2018年全球闪电定位网(WWLLN)观测资料, 采用基于闪电密度的空间聚类算法(DBSCAN)建立了西北太平洋地区雷暴数据集, 研究了该区域雷暴的时空分布特征, 并进行海陆差异对比。研究结果表明, 在合理设定DBSCAN参数阈值的条件下, 基于WWLLN闪电聚类的雷暴与天气雷达观测在时空分布和过程演变上具有一致性。西北太平洋区域的日均雷暴数为3 869, 雷暴的闪电密集区平均面积为557.91km2, 平均延展尺度为31.99 km, 平均闪电频次为33 str/(h·thu)。在空间分布上, 东南亚沿海地区与热带岛屿的雷暴活动最强, 南海的雷暴活动强于深海。距离海岸线越近的海域其雷暴面积越大。在季节分布上, 整个区域雷暴活动在夏季(6—8月)达到全年最强, 南海雷暴活动6月达到峰值, 而日本东部近海海域的雷暴活动则在冬季达到最强。我国内陆南方地区雷暴3月开始显著增多, 雷暴平均面积达到最大, 但雷暴平均闪电频次5月才达到峰值。在日变化方面, 陆地雷暴活动呈现典型的单峰型特征, 大部分雷暴发生在午后及傍晚。海洋雷暴日变化则较为平缓, 南海具有其独特的雷暴日变化特征。
新型闪电电场变化测量仪的研究与初步应用
徐黄飞, 张其林, 杜赛, 薛奇
2021, 37(3): 502-511. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.048
摘要:
闪电电场变化测量系统是目前用于闪电物理研究以及闪电定位的重要手段之一, 提高测量系统的探测性能, 对于推动闪电物理以及闪电定位的研究具有重要作用。根据电磁感应原理, 研制出探测带宽为10 Hz~5 MHz的新型闪电电场变化测量仪。并进行了实验, 标定了测量仪输出信号与电场变化信号在频域上的数值关系。利用三套测量仪系统对南京多个强雷暴过程展开同步探测, 利用获取的数据反演了负地闪电场波形。对探测到的58次负地闪波形特征进行统计, 与国内外统计结果进行对比分析, 发现各个地区的负地闪预击穿过程和首次回击电场波形特征存在较大差异。
研究通讯
1995—2018年广东地区雷灾伤亡特征
殷启元, 郭泽勇, 张义军, 庄燕洵, 陈绿文
2021, 37(3): 512-520. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.049
摘要:
通过分析1995—2018年广东地区1 090起雷灾伤亡事故, 发现共有伤亡1 976人, 伤亡比达1.26倍, 其中1次雷灾事件伤亡人员最多高达17人, 多人受伤概率明显高于多人死亡。广东省每百万人口的年平均雷灾死亡率和雷灾事故率均为0.44, 各地市雷灾死亡率从人口较多的地区向人口较少地区转移, 雷灾伤亡密度向面积较小地区转移。分析雷灾事故发生环境, 发现有42.56%的事件是发生在与农业密切相关的环境(农田附近和稻田水塘), 且直接遭受雷击伤亡的事件占63%, 其次是由于旁络闪击(25%)造成。考虑年龄性别因素统计发现, 雷电伤亡事件中男性略高于女性, 成年人(25~64岁)年龄段伤亡最多, 占全部的70.9%。总体而言, 雷电对广东地区伤亡影响较大, 尤其是农村地区的防雷减灾工作有待改善。