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闪电气象学研究进展

气象学报 2014年第5期72卷 1054-1068页

作者：郄秀书刘冬霞孙竹玲中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境重点实验室北京100029

闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾:在闪电气象学研究中发挥了... 详细信息

闪电气象学是随着现代闪电探测和定位技术的发展与应用而不断发展起来的一个学科,也是大气电学和气象学的重要交叉学科分支。综述了近年来中国在闪电气象学方面的发展和研究进展,主要从5个方面进行阐述和回顾:在闪电气象学研究中发挥了重要作用的现代闪电探测和定位技术,不同类型强对流天气系统的闪电活动特征,闪电活动与雷暴的动力、微物理结构的关系,雷暴电荷结构探测和数值模拟,以及闪电资料同化方法及其在强对流天气中的预警预报作用和闪电的预报等,并指出了中国闪电气象学今后的努力方向。

关键词：闪电活动闪电定位电荷结构闪电资料同化对流天气系统

一次多回击负地闪放电过程的甚高频辐射和传输特征分析

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大气科学 2015年第4期39卷 667-676页

作者：孙竹玲郄秀书刘明远中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049

利用短基线时间差甚高频（VHF）辐射源定位系统对一次多回击负地闪放电过程进行详细研究发现,负地闪的预击穿、梯级先导、直窜先导及回击后云内放电过程伴随有较强烈的VHF辐射.结合同步观测的闪电快、慢电场变化资料,分析VHF辐射源时空... 详细信息

利用短基线时间差甚高频（VHF）辐射源定位系统对一次多回击负地闪放电过程进行详细研究发现,负地闪的预击穿、梯级先导、直窜先导及回击后云内放电过程伴随有较强烈的VHF辐射.结合同步观测的闪电快、慢电场变化资料,分析VHF辐射源时空发展特征发现,预击穿阶段辐射源在云中的放电通道为双向发展,平均速度均在104 m s-1量级,预击穿下行分支直接转化为梯级先导,并产生多个分支通道同时向地面发展,先导平均速度在105 m s-1量级.继后回击之前先导过程均产生多个分支通道,直窜先导平均速度在105～106 m s-1量级,新开辟的梯级先导速度在105 m s-1量级.闪击间及地闪后期云内放电活动较为复杂,主要表现为辐射源从闪电起始区域发展,进一步延伸云内闪电通道.地闪后期多次负极性K变化过程（Kitagawa and Kobayashi,1958）主要表现为负极性流光沿之前的正极性电离通道快速发展,平均速度在106 m s-1量级.

关键词：短基线甚高频辐射源负地闪预击穿 K过程

一次对地转移电荷极性两次反转的人工引发雷电特征及反转机制分析

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物理学报 2020年第18期69卷 367-380页

作者：唐国瑛孙竹玲蒋如斌李丰全刘明远刘昆郄秀书成都信息工程大学电子工程学院(大气探测学院) 成都610225 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

利用闪电甚高频干涉仪动态成像结果,并结合通道底部电流、电场和光学观测资料对一次罕见的、对地转移电荷极性反转两次的双极性人工引发雷电放电特征进行了详细研究,首次观测到直接导致极性反转的云内击穿放电过程,探讨了对地转移电荷... 详细信息

利用闪电甚高频干涉仪动态成像结果,并结合通道底部电流、电场和光学观测资料对一次罕见的、对地转移电荷极性反转两次的双极性人工引发雷电放电特征进行了详细研究,首次观测到直接导致极性反转的云内击穿放电过程,探讨了对地转移电荷极性两次反转的物理机理.结果发现,此次闪电无回击过程、初始连续电流阶段对地转移电荷极性经历了负-正-负的两次反转,转移电荷量分别约-40.0 C,+13.3 C和-1.0 C.负极性初始连续电流衰减过程中,一支击穿空气的负先导起始于已电离的正先导分支通道上并形成悬浮通道,水平发展28.816 ms后,接地主通道上发生负极性击穿连接到了悬浮通道末端正电荷聚集处或双向发展的悬浮通道的正极性端,随后对地转移电荷极性快速反转为正.负先导熄灭后,对地转移电荷极性缓慢反转为负.击穿空气的负先导连接到接地主通道和持续发展的正先导是此次双极性闪电对地转移电荷极性发生两次反转的重要原因.而负先导的起始,与正先导多分支同时发展引起的先导通道和环境电势分布差异密切相关.

关键词：先导双极性闪电人工引雷甚高频辐射源定位

Recent Advances in Research of Lightning Meteorology

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Journal of Meteorological Research 2014年第5期28卷 983-1002页

作者：郄秀书刘冬霞孙竹玲 Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation(LAGEO) Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of Sciences Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters Nanjing University of Information Science & Technology

Lightning meteorology focuses on investigating the lightning activities in different types of convective weather systems and the relationship of lightning to the dynamic and microphysical processes in thunder- storms. With the development and application of advanced lightning detection and location technologies, lightning meteorology has been developed into an important interdiscipline between atmospheric electricity and meteorology. This paper mainly reviews the advances of lightning meteorology research in recent years in China from the following five aspects： 1） development of advanced lightning location technology, 2） char- acteristics of lightning activity in different convective systems, 3） relationship of lightning to the dynamic and microphysical processes in thunderstorms, 4） charge structure of thunderstorms, and 5） lightning data assimilation techniques and application to severe weather forecasting. In addition, some important aspects on future research of the lightning meteorology are proposed.

关键词： lightning activity lightning detection charge structure lightning assimilation convectiveweather system

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人工引发闪电上行负先导的发展传输特征

物理学报 2021年第19期70卷 338-351页

作者：李宗祥蒋如斌吕冠霖刘明远孙竹玲张鸿波刘昆李小强张雄成都信息工程大学电子工程学院成都610225 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 国民核生化灾害防护国家重点实验室北京102205

在地面大气电场为正极性的条件下,成功实现12次人工引发闪电,对其放电特征、初始阶段上行负先导的传输特征与机理进行了研究.引发闪电时地面大气电场强度均值约5 kV/m,最高超过13 kV/m.除一次个例的放电发生了正、极性反转并产生多次负... 详细信息

在地面大气电场为正极性的条件下,成功实现12次人工引发闪电,对其放电特征、初始阶段上行负先导的传输特征与机理进行了研究.引发闪电时地面大气电场强度均值约5 kV/m,最高超过13 kV/m.除一次个例的放电发生了正、极性反转并产生多次负回击以外,其他11次引发闪电均未产生继后回击过程,闪电放电电流总体上在几百安培量级.引发闪电起始后,其向上传输的负梯级先导平均二维速度为1.85×10^(5)m/s,获得132次梯级的长度范围为0.8—8.7 m,平均3.9 m.先导起始阶段的电流和电磁场呈现显著的脉冲特征,其脉冲间隔、电流峰值、转移电荷量、半峰值宽度、电流上升时间T^(10%—90%)平均值分别为17.9μs,81 A,364μC,3.1μs和0.9μs,单次梯级的等效线电荷密度为118.5μC/m.先导通道的分叉一般伴随梯级过程发生,存在两种方式:1)先导头部前方成簇的空间茎/空间先导在同一梯级周期内先后与先导头部发生连接,对应的电流脉冲表现为多峰结构,峰值点时间间隔约2—3μs,最长6—7μs;2)曾熄灭的空间茎/空间先导重燃后侧向连接至先导通道.

关键词：人工引雷正极性闪电上行负先导梯级分叉

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雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用

物理学报 2018年第16期67卷 341-352页

作者：孙凌郄秀书 Edward R.Mansell 陈志雄徐燕蒋如斌孙竹玲中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室北京100029 成都信息工程大学成都610225 Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies University of Oklahoma and U.S. NOAA/OAR/ National Severe Storms Laboratory Norman Oklahoma USA 中国科学院大学地球科学学院北京100049

利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物... 详细信息

利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物理过程,建立了双向耦合WRF-Elec模式.利用改进后的WRF-Elec模式,通过敏感性数值实验,定量分析了雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用.结果发现:雷暴云发展旺盛阶段,由于电场力作用,霰、雹粒子质量加权平均降落末速度的瞬时变化极值可以超过4 m/s,但这种情况仅出现在雷暴云内局部区域,并且维持时间较短;电场力对直径小且数浓度较低的霰和雹粒子影响较大,但这种影响不是由单一物理量决定,而是由电场强度和霰、雹粒子的电荷密度、极性以及粒子的直径与数浓度共同决定;电场力通过对霰、雹粒子降落末速度的调整,增强了雷暴云内感应、非感应起电率,且前者远大于后者,云内局部产生-0.6—1.2 n C/m^3总电荷密度的变化,从而使电荷结构重新分布,局部垂直电场强度增强5 k V/m,总闪电数增加,与此同时,雷暴云内降水粒子的微观增长过程也发生改变.总体上,电场力对雷暴云起电过程的作用为正反馈,电场力对雷暴云电荷结构的反馈作用不可忽略.

关键词：电场力电荷结构反馈作用 WRF-Elec模式

北京一次强飑线过程的闪电辐射源演变特征及其与对流区域和地面热力条件的关系

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大气科学 2019年第4期43卷 759-772页

作者：孙凌陈志雄徐燕孙竹玲袁善锋王东方田野徐文静郄秀书中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国气象局北京城市气象研究所北京100089 北京市气象探测中心北京100176 成都信息工程大学成都610225

利用2015年夏季北京闪电综合探测(BLNET)总闪辐射源定位、多普勒天气雷达、地面自动气象站和探空资料等多种协同观测资料,详细分析了2015年8月7日北京一次强飑线过程不同阶段的闪电特征,并探讨了闪电与对流区域和地面热力条件之间的关... 详细信息

利用2015年夏季北京闪电综合探测(BLNET)总闪辐射源定位、多普勒天气雷达、地面自动气象站和探空资料等多种协同观测资料,详细分析了2015年8月7日北京一次强飑线过程不同阶段的闪电特征,并探讨了闪电与对流区域和地面热力条件之间的关系。飑线过程整体上以云闪为主,根据雷达回波和闪电频数可以将飑线过程分为发展、增强及减弱三个阶段。发展阶段表现为多个孤立的γ中尺度对流降水单体,随着北京城区降水单体的迅速发展,强回波顶高延伸到-20℃温度层高度,闪电辐射源高度也逐步增加,闪电明显增多,但总闪电频数整体低于80次/min。增强阶段单体合并,闪电频数快速增长,0℃层以上及以下的强回波(>40 d BZ)体积明显增大,飑线形成后,总闪和地闪均达到峰值,分别约248次/min和18次/min,负地闪占总地闪比例为90%,辐射源主要分布在线状对流降水区内,辐射源数量峰值出现在5~9 km高度层。减弱阶段飑线主体下降到0℃以下并迅速衰减,辐射源分布明显向后部层云降水区倾斜。95%的闪电发生在对流线附近10 km范围内,即对流云区和过渡区。在系统发展和增强阶段,对流云区与层云区辐射源的活跃时段基本一致;系统减弱阶段,对流降水云区辐射源数量迅速减少。在系统的不同发展阶段,闪电活跃区域对应于冷池出流同平原暖湿气流在近地面形成的相当位温强梯度带内。

关键词：飑线闪电辐射源雷达回波相当位温对流云区

北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

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大气科学 2015年第3期39卷 571-582页

作者：王宇郄秀书王东方刘明远苏德斌沈永海武智君刘冬霞孙竹玲中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 北京市气象局大气探测中心北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：北京闪电网到达时间差误差分析闪电定位

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

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大气科学 2020年第4期44卷 851-864页

作者：王东方孙竹玲袁善锋卢晶雨郄秀书刘明远徐燕陆高鹏田野中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 江西省人工影响天气领导小组办公室南昌330096 北京市气象局气象探测中心北京100089

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... 详细信息

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。

关键词：闪电三维定位 BLNET(Beijing Broadband Lightning NETwork) 雷暴