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双极性窄脉冲事件与雷暴对流强度相关性研究

双极性窄脉冲事件与雷暴对流强度相关性研究

作者：刘莎莎中国气象科学研究院

学位级别：硕士

双极性窄脉冲事件（Narrow bipolar events，NBEs）是近三十年才被发现的一种区别于常规闪电的特殊放电事件。其VLF/LF电场信号是一种持续时间仅为10μs左右、峰值与地闪回击相当的双极性脉冲，并伴随有强烈的VHF辐射。这类放电事件在... 详细信息

双极性窄脉冲事件（Narrow bipolar events，NBEs）是近三十年才被发现的一种区别于常规闪电的特殊放电事件。其VLF/LF电场信号是一种持续时间仅为10μs左右、峰值与地闪回击相当的双极性脉冲，并伴随有强烈的VHF辐射。这类放电事件在地面和太空都能被探测到，通常孤立出现或作为常规闪电的起始事件发生。本文利用重庆三维闪电探测系统的观测数据，着重研究了西南地区雷暴中NBEs的发生特征，及其与常规闪电及雷达参量表征的雷暴对流强度之间的关系，特别对负极性NBEs对雷暴强对流的指示意义进行了分析。本文主要的研究结论有以下几个方面：（1）分析了西南地区雷暴中NBEs的分布特征。根据观测结果，该地区的雷暴中正、负极性NBEs的占所有NBEs的比例分别平均为81.1%和18.9%，绝大部分雷暴中正极性NBEs居多，负极性NBEs较少发生甚至不发生;只有少数发展极为强烈的雷暴中会产生大量的负极性NBEs，并且负极性NBEs的最大频次有可能超过正极性NBEs。NBEs的产生具有明显的季节特征，雷暴中NBEs的数量在5月份开始增多，9月份逐步减少，集中发生在6-8月份，并且在这三个月内负极性NBEs的比例也相对较高。负极性NBEs在8月份最为活跃，其占总NBEs的比例比其他月份高出13%以上，而且产生大量负极性NBEs的雷暴也主要发生在8月份。（2）NBEs与常规闪电的关系。雷暴中NBEs在时空尺度上的聚集性都强于常规闪电，且集中发生在闪电活跃的阶段及闪电密集发生的核心区域。负极性NBEs在时空尺度上的聚集性最为明显，集中于雷暴发展最强的时段和区域内。（3）以雷达回波参量来表征雷暴对流强度，分析了NBEs与雷暴活动的关系。统计发现，NBEs与40dBZ回波体积（V40）表征的雷暴强度之间并没有类似常规闪电的正比例线性变化关系，NBEs明显集中于雷暴对流发展强盛的时期，在对流较弱的阶段发生较少甚至不发生。相比正极性NBEs，雷暴中负极性NBEs的发生时段更短且集中在对流发展最强烈的阶段。产生较多负极性NBEs的雷暴往往对流发展越强烈。从水平分布结构来看，NBEs主要分布在40dBZ以上的强回波区内，负极性NBEs聚集在最强对流核心附近。在垂直分布结构上，正极性NBEs较好地对应于强回波核心的外围20-40dBZ回波区域，负极性NBEs位于发展极为强烈的对流核上方的云顶附近。雷暴对流发展越强烈，产生NBEs的可能性越大。负极性NBEs的产生对强对流的要求更高一些。（4）负极性NBEs对雷暴对流发展具有较好的指示意义。雷暴中负极性NBEs的首次出现往往对应着30dBZ和40dBZ最大高度的一次突增，而且在负极性NBEs发生的时段，反射率高度均维持在一定高度以上。雷暴中30dBZ和40dBZ最大高度越高、在较大高度上维持时间越长，负极性NBEs的产生几率越大。因此根据负极性NBEs的产生时间及数量可以推测雷暴云顶的发展高度及雷暴对流强度。雷暴中NBEs的产生及其放电高度与对流强度关系密切。正极性NBEs放电高度与上升气流变化具有明显的一致性，负极性NBEs出现在上升气流发展强烈的阶段。在一些发展极为强烈的雷暴中，强烈的上升气流有利于电荷分离并且抬升了电荷区高度，使得正极性NBEs放电高度平均高出普通雷暴1-2km，并使负极性NBEs频次大增甚至超过正极性NBEs，负极性NBEs与正极性NBEs每6min频次比可超出普通雷暴数十倍。可见，上升气流及雷暴电荷区高度是影响NBEs产生的一个重要因素。

关键词：双极性窄脉冲事件三维闪电多站探测系统放电高度雷暴强度

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南京地区雷暴活动强度潜势预报

气象科技 2013年第1期41卷 177-183页

作者：田琨郭凤霞曾庆峰龚嘉锵南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室南京210044 南京信息工程大学大气物理学院南京210044

利用江苏省2008、2009和2010年6—8月闪电定位资料对雷暴活动的强度进行了分级,并使用同一时段的探空资料计算了47个代表南京地区环境层结特征的对流参数,利用其与雷暴活动强度的相关性选取预报因子。在此基础上,采用Bayes分类法和Logis... 详细信息

利用江苏省2008、2009和2010年6—8月闪电定位资料对雷暴活动的强度进行了分级,并使用同一时段的探空资料计算了47个代表南京地区环境层结特征的对流参数,利用其与雷暴活动强度的相关性选取预报因子。在此基础上,采用Bayes分类法和Logistic回归分析法,结合逐步选择法进一步筛选预报因子,分别建立了两种雷暴强度的预报模型。通过检验独立样本对比分析两种模型的预报效果,结果表明,Logistic回归分析法的Hedike技巧评分为0.396,并能识别出30%的强雷暴,而Bayes分类法的Hedike技巧评分为0.370,只能识别出5%的强雷暴。Logistic回归分析法对雷暴强度的潜势预报具有较好的指示意义。进一步分析进入预报模型的9个对流参数,表明雷暴活动越强时,低层空气越暖湿,中层空气越干冷,高低层的风切变越大。

关键词：雷暴强度对流参数 Bayes分类 Logistic回归

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西南地区双极性窄脉冲事件与雷达回波的关系

高原气象 2014年第3期33卷 801-810页

作者：刘莎莎董万胜吴亭刘恒毅中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 日本大阪大学研究生院工学研究科电气电子与信息工程系日本大阪府吹田市5650871

利用西南地区观测的6次产生双极性窄脉冲事件(Narrow Bipolar Events,NBEs)的雷暴个例,讨论了正、负极性NBEs与常规闪电、雷达回波所表征的雷暴强度的关系。6次雷暴均产生两种极性的NBEs,其中1次雷暴产生了较多的负极性NBEs,数量超过正... 详细信息

利用西南地区观测的6次产生双极性窄脉冲事件(Narrow Bipolar Events,NBEs)的雷暴个例,讨论了正、负极性NBEs与常规闪电、雷达回波所表征的雷暴强度的关系。6次雷暴均产生两种极性的NBEs,其中1次雷暴产生了较多的负极性NBEs,数量超过正极性NBEs。统计分析表明,NBEs与40dBZ回波体积(V40)表征的雷暴强度之间并没有类似常规闪电的正比例线性变化关系,大部分NBEs发生于V40的较大值范围内,在V40的低值区域较少发生。相比正极性NBEs,负极性NBEs更集中产生于雷暴对流发展强烈的阶段,产生较多负极性NBEs的雷暴对流发展也更为强烈。从空间分布结构上看,正极性NBEs出现在强对流核心的外围区域,负极性NBEs集中产生于强对流核的云顶附近。负极性NBEs的产生对雷暴发展的强度具有较好地指示作用。

关键词：双极性窄脉冲事件常规闪电雷达回波雷暴强度

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南京地区基于对流参数的雷暴潜势预报

南京地区基于对流参数的雷暴潜势预报

作者：田琨南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文通过分析大量表征大气层结特征的对流参数,加深对雷暴活动发生前的大气层结的热力、动力变化的认识,并结合统计方法建立雷暴预报模型。在提高对雷暴预报准确率的基础之上,进一步研究了如何预报可能发生的雷暴强度及其落区,提高对雷... 详细信息

本文通过分析大量表征大气层结特征的对流参数,加深对雷暴活动发生前的大气层结的热力、动力变化的认识,并结合统计方法建立雷暴预报模型。在提高对雷暴预报准确率的基础之上,进一步研究了如何预报可能发生的雷暴强度及其落区,提高对雷暴活动的预警、预报水平。本文首先分析了南京地区发生雷暴前的层结变化特点,利用南京站常规探空数据计算了47个表征大气层结特征的对流参数,依据雷暴过程中所发生的地闪个数对雷暴活动的强度进行分级（无、弱和强雷暴）,分析对流参数和雷暴活动强度的相关性,并筛选预报因子。分别利用Bayes分类法和Logistic非线性回归分析法建立单站雷暴强度的预报模型（预报时效12h）,独立样本检验结果表明Logistic非线性回归分析法对雷暴强度的预报效果显著。为了对一定区域内雷暴发生的可能性进行预报,本文使用时空尺度较短的NCEP1°0×1°历史再分析资料和地闪定位资料建立了江苏省区域（117°E-121°E,31°N-35°N）雷暴预报模型。首先利用2009和2010年6-8月的NCEP数据计算了35个对流参数,选取了11个与雷暴相关性好（相关系数绝对值均在0.3以上）的对流参数。在这11个对流参数中有4个以上对流参数处于不稳定状态时,就表明此时的大气层结不稳定。采用Logistic回归分析方法,利用LI、Tmj等9个对流参数建立了区域雷暴预报模型（预报时效6h）,独立样本检验表明是该预报模型的预报效果显著。依据该模型,可以从区域内雷暴的概率分布对可能发生雷暴的范围作出较合理的预报。在对对流参数的分析中,可以得出,（1）南京地区发生雷暴天气前,底层暖湿,中高层干冷,具有顺时针方向的风场变化,不稳定能量层较为深厚,大部分的雷暴过程不存在低空逆温层,并且当低层空气越暖湿,中层空气越干冷,低层风切变变化越小,高低层的风切变越大时,雷暴活动越强;（2）通过两个预报模型中各预报因子的回归系数,可以看出Tmj、SWISS对单站预报模型的预报结果影响显著,Tmj和Ⅰ指数对区域雷暴预报结果的预报影响最为显著,单站和区域预报模型中都包含有Tmj和SWISS指数,表明这两个对流参数能较好的从一定侧面反映大气层结的不稳定性,Tmj指数对雷暴及其强度的预报效果最好,其所反映的900hPa、700hPa湿度以及500hPa的温度可以较为明显的影响雷暴活动的发生发展;（3）处于不稳定的对流参数的个数越多,发生雷暴的概率也就越大,分析总结出CAPE、SSI等11个参数与雷暴强度的相关性较好,综合分析这11个对流参数值的分布及变化趋势,可以较好的预报出可能发生的雷暴强度。

关键词：对流参数雷暴强度 Logistic回归单站雷暴强度预报模型区域雷暴预报模型

雷暴中的特殊放电现象 ——袖珍云闪（CID）特征分析

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雷暴中的特殊放电现象 ——袖珍云闪（CID）特征分析

作者：吴亭中国气象科学研究院

学位级别：硕士

袖珍云闪(CID)是发生于雷暴中的一种非常特殊的放电现象,本文利用位于广州从化和重庆两地的VLF/LF多站闪电探测系统观测到的大量CID全面地分析了CID不同于常规地闪和云闪的多方面的性质,并重点比较了+CID和–CID两者之间的差异,证明两... 详细信息

袖珍云闪(CID)是发生于雷暴中的一种非常特殊的放电现象,本文利用位于广州从化和重庆两地的VLF/LF多站闪电探测系统观测到的大量CID全面地分析了CID不同于常规地闪和云闪的多方面的性质,并重点比较了+CID和–CID两者之间的差异,证明两者之间在多个方面存在明显的差异,其中–CID表现出了更多的特殊性。本文主要得到了以下几方面结论:CID能够产生非常大的电场变化,总体上比地闪回击产生的电场变化更大。而–CID产生的电场变化总体上又比+CID大,本文得到的前者的平均值是后者的1.4倍。CID的发生具有一定的孤立性,这种孤立性主要指在CID发生之前有其它放电事件的概率非常小,也就是说CID更有可能作为其它放电事件的起始事件发生,而+CID与–CID相比,前者有更大的概率引发其它的放电事件。CID产生的低频辐射在地面与电离层之间会发生反射,反射信号被测站记录到就形成电离层反射脉冲,利用反射脉冲和原脉冲之间的时间差关系,本文发展了一种对CID实现三维定位的新方法,该方法能够对较大范围内的CID实现较为准确的三维定位,特别是对其放电高度的计算具有很高的准确性,利用这一点,本文计算了大量正、负CID的放电高度,发现+CID主要发生于7-15km,而–CID主要发生于15-18km。CID与雷暴强度之间存在着一定的联系,总的来看,CID频数随着雷暴的增强有一定的增大的趋势。通常情况下雷暴过程主要产生+CID,但随着雷暴的增强,–CID的比例也有增大的趋势。本文进一步分析了一例较为罕见的产生了大量–CID的雷暴过程,并与一例常见的主要产生+CID的雷暴过程比较,发现产生大量–CID的雷暴明显发展得更为旺盛,雷达观测显示雷暴云顶高度维持在15km以上,甚至在某些时刻达到了20km。最后,本文综合分析了+CID与–CID之间的差异,认为–CID是一种更为特殊的放电事件。

关键词：袖珍云闪多站探测网络电离层反射放电高度雷暴强度

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基于大气不稳定参数的广东地区雷暴特征分析

气象科技 2019年第4期47卷 648-654页

作者：刘泽郭凤霞廉纯皓曾凡辉黎奇甘明骏南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室

利用广东省清远地区2011、2012和2014年6-8月地闪定位资料将每天发生的雷暴情况进行分级,并结合对应的探空资料,计算对流有效位能、沙氏指数、K指数等反映大气稳定性或能量关系的参数,分析其在发生时间和强度不同的雷暴发生前的分布情... 详细信息

利用广东省清远地区2011、2012和2014年6-8月地闪定位资料将每天发生的雷暴情况进行分级,并结合对应的探空资料,计算对流有效位能、沙氏指数、K指数等反映大气稳定性或能量关系的参数,分析其在发生时间和强度不同的雷暴发生前的分布情况。结果表明,沙氏指数、抬升指数、K指数、全总指数、强天气威胁指数和对流有效位能与雷暴强度有一定的相关性,而对流抑制能量、粗理查森数与雷暴强度间没有发现较好的相关性。广东地区雷暴发生前沙氏指数小于0℃,抬升指数小于-2℃,K指数大于30℃,对流有效位能大于500J/kg,更容易产生中强雷暴。广东地区的K指数高于青藏高原地区20℃左右,对流有效位能的平均值高于青藏高原及陕甘宁地区约300J/kg,其余参数分布特点与部分地区相似,进一步反映了广东地区雷暴特征的特殊性,加深了对广东地区雷暴特征的认识。

关键词：大气不稳定参数雷暴强度探空资料

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西南地区双极性窄脉冲事件与雷达回波的关系

西南地区双极性窄脉冲事件与雷达回波的关系

创新驱动发展提高气象灾害防御能力——第30届中国气象学会年会

作者：刘莎莎董万胜吴亭刘恒毅中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室日本大阪大学研究生院工学研究科电气电子与信息工程系

利用在西南地区观测到的六次产生双极性窄脉冲事件(Narrow Bipolar Events,NBEs)的雷暴个例,讨论了正、负极性NBEs与常规闪电及雷达回波所表征的雷暴强度的关系。六次雷暴均产生两种极性的NBEs,其中一例雷暴产生了较多的负极性NBEs,数... 详细信息

利用在西南地区观测到的六次产生双极性窄脉冲事件(Narrow Bipolar Events,NBEs)的雷暴个例,讨论了正、负极性NBEs与常规闪电及雷达回波所表征的雷暴强度的关系。六次雷暴均产生两种极性的NBEs,其中一例雷暴产生了较多的负极性NBEs,数量超过正极性NBEs。统计发现NBEs与40dBZ回波体积(V40)表征的雷暴强度之间并没有类似常规闪电的正比例线性变化关系,大部分NBEs发生于V40的较大值范围内,在V40的低值区域较少发生。相比正极性NBEs,负极性NBEs更是集中产生于雷暴对流发展强烈的阶段。产生较多负极性NBEs的雷暴对流发展也更为强烈。从空间分布结构上看,正极性NBEs出现在强对流核心的外围区域,负极性NBEs集中产生于强对流核的云顶附近。负极性NBEs的产生对强雷暴及雷暴发展的强烈程度具有很好地指示作用。

关键词：双极性窄脉冲事件常规闪电雷达回波雷暴强度

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建筑物上侧击雷的数值模拟

建筑物上侧击雷的数值模拟

第33届中国气象学会年会

作者：张鑫谭涌波南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室

受电场畸变影响,闪电可能击中建筑物顶面、边缘、拐角处,而相关观测结果显示闪电也能够击中建筑物的侧面。目前针对建筑物侧击雷的雷电防护技术薄弱,侧击雷形成的巨大冲击波与强电磁辐射,对建筑物和人类的安全造成了极大的威胁。而由于... 详细信息

受电场畸变影响,闪电可能击中建筑物顶面、边缘、拐角处,而相关观测结果显示闪电也能够击中建筑物的侧面。目前针对建筑物侧击雷的雷电防护技术薄弱,侧击雷形成的巨大冲击波与强电磁辐射,对建筑物和人类的安全造成了极大的威胁。而由于观测手段的限制,现阶段还无法深入了解侧击雷的表现形式及其内在物理机理,因此有必要利用模式进行理论研究。本文基于三维闪电放电随机模式,设置模拟域为500m×500m×500m,将闪电先导发展起始点固定在模拟域顶边界中心位置,进行闪电三维空间发展形态的模拟试验,通过改变雷暴强度和建筑物高度,分析闪击点的位置和建筑物尖端处电场值的变化特征,探讨建筑物上侧击雷发生的可能性和影响因素。结果显示:（1）闪电能够击中建筑物拐点、侧边、顶面、侧面以及地面。其中侧击雷出现的概率低,与实际观测结果相似。（2）侧击雷的发生与雷暴强度及建筑物高度密切相关。在建筑物尺寸不变的情况下,随着雷暴强度的减小,在下行负先导减小到‐8MV时,首次出现闪电击中建筑物侧面。侧击雷随着雷暴强度的减小呈递增趋势。在雷暴强度较弱时,随着建筑物的增高,侧击雷的出现呈递减趋势。

关键词：雷暴强度建筑物高度侧击雷

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应用优化网格法分析宁波地区的雷暴特征

应用优化网格法分析宁波地区的雷暴特征

第33届中国气象学会年会

作者：石湘波宁波市防雷中心

为满足小面积区域雷电防御工作准确化、精细化的要求,采用优化网格法来优化1km×1km网格的雷电参数,优化网格法就是采用1km×1km的网格将小面积区域划分为若干个网格,再以每个1km×1km网格中心点为中心,人工探测范围R为半径的圆为统计单... 详细信息

为满足小面积区域雷电防御工作准确化、精细化的要求,采用优化网格法来优化1km×1km网格的雷电参数,优化网格法就是采用1km×1km的网格将小面积区域划分为若干个网格,再以每个1km×1km网格中心点为中心,人工探测范围R为半径的圆为统计单位,即1km×1km网格的年雷电日为该圆范围内的年雷电日T,网格地闪密度N为该圆内单位面积的地闪次数:T=TN=N/S。用于优化1km×1km网格的人工探测范围R是根据多年积累的气象雷电资料统计得出,并作不断修正,以确定符合本地的R值。R值的确定是根据气象日界对闪电定位仪的北京时进行划分,再以宁波地区各人工观测站为中心,选定人工有效观测范围R为6km、7km、8km、9km共4种圆半径,得出对应圆的年平均雷电日参数,对比同一区域三年的年平均人工气象雷暴日观测数据,选择与人工观测数据相近的R值,作为优化网格法统计本地区雷电参数的标准R值。根据对各站数据对照得出人工观测范围R为7km的圆内所对应的年平均雷电日数最接近于同一区域的三年平均人工雷暴日数。因此确定R=7km为适合宁波地区的R值。R值与人工观测效率直接相关,而人工观测效率则受地形地貌等诸多环境因素制约,因此不同地区的R值也不尽相同。为便于应用计算,在算法中需要确保R值的单一性,小面积区域各种环境因素相似程度相对较高,对于R值的单一性取值相对可靠,由此可见,优化网格法较适用于小面积区域。优化网格法可用于分析年平均雷电日、年平均地闪密度、平均单位雷电日地闪密度、最大单位雷暴日地闪密度等四个用于表征雷暴活动规律和特征的雷电参数。根据优化网格法所绘制的年平均雷电日图较普通网格法绘制的年平均雷电日图更能细致全面的反映各个区域地闪情况。通过对优化前后的年平均地闪密度进行对比分析发现,未经优化的1km×1km网格年平均地闪密度数值波动巨大,相邻网格之间的年平均地闪密度值阶跃明显,由于一般雷暴云(雷暴单体)水平尺度都在5公里以上,强雷暴云甚至可以达到几十公里,加之所选取的区块处于同一下垫面,因此此区块中相邻网格间的年平均地闪密度值有频繁的阶跃就不符合实际情况。而采用优化网格法后,区块中相邻网格之间的年平均地闪密度值波动范围不大,且其值更利于工程应用和计算。最后优化网格法还可以计算分析网格法所无法准确分析的最大单位雷电日地闪密度p(N及平均单位雷电日地闪密度等1km×1km网格的雷电参数。从p(N)最大单位雷暴日地闪密度图中的地闪高密度区可以说明宁波地区强雷暴就是发生在这些区域,而从平均单位雷暴日地闪密度图的地闪高密度区则可以明确反映这些地区强雷暴所占比例高。平均单位雷电日地闪密度N是反映平均每个雷电日的地闪数,可以表征指定区域强雷暴发生可能性的信息,也就是说在雷暴日数相同的情况下,某区域单位雷电日地闪密度值高,则说明此区域内强雷暴占比高。地图中每个1km×1km网格都有一个N,即N=N/T。最大单位雷电日地闪密度p(N)N=n/s=n即为单位雷电日地闪密度。从单位雷电日地闪密度这些数据中,选取数值最大的1%,表示为p(N),并通过绘制p(N)单位雷电日地闪密度图用以表示强雷暴的分布特征。将平均单位雷电日地闪密度图和最大单位雷电日地闪密度图进行对比分析,两图的地闪密度高值区分布大致相同,平均单位雷电日地闪密度图的地闪密度高值区可以说明这些地区强雷暴所占比例高,而最大单位雷电日地闪密度图的地闪密度高值区则可以明确反映宁波地区强雷暴就发生在这些区域,这与对流系统主要影响宁波西南部和中部山区、中心城市带的实际情况相符。雷电灾害主要是由强雷暴造成的,通过准确分析平均雷电日地闪密度和最大雷电日地闪密度来了解强雷暴的分布特征和活动规律,有助于采取针对性雷电防御工作,从而减少强雷暴对生产生活的影响,降低雷灾造成的损失。

关键词：优化网格法 R值 1km×1km网格雷暴强度平均单位雷电日密度最大单位雷电日地闪密度