基于低频电场脉冲的闪电定位及闪电起始与雷暴结构关系研究

摘要

在低频(LF)和甚低频(VLF)频段探测全闪活动是近年来闪电探测技术发展的一个重要方向。本文基于中国气象科学研究院于2014-2015年在广州地区建设的由9个快电场变化测量仪构成的低频闪电电场探测阵列(Low-Frequency E-field Detection Array，简称LFEDA)，针对电场快变化脉冲信号，发展基于时间到达差法的闪电脉冲事件定位算法。基于定位结果，初步研究了闪电起始（简称:IB）特征及其与雷暴结构的关系。论文主要结果如下:
　　(1)首先介绍了LFEDA的站网配置包括站点个数、网络布局、数据采集方式等信息。根据LFEDA网络特点，提出了适用于低频电场的闪电定位方法，包括波形匹配，脉冲匹配、基于最小二乘拟合的脉冲定位和闪电归类算法。
　　(2)基于蒙特卡洛模拟和人工触发闪电试验对LFEDA定位性能进行了理论模拟和客观评估。前者表明具有较长基线的定位站有助于改善垂直于该基线方向的水平定位精度和沿着该基线方向的高度定位精度。后者表明LFEDA对触发闪电事件和回击的探测效率分别为100％和95％，回击平面定位误差平均值为102m。通过比较LFEDA与广东省电力系统的地闪定位数据发现，两套系统定位结果在平面位置上一致性达0.84。三次雷暴过程中LFEDA得到的放电事件位置能够很好地反映雷暴移动路径，放电事件的高度分布能够体现出雷暴主要电荷结构的分布特征。另外，通过单次云闪、地闪的定位结果发现，LFEDA能够描绘闪电发展形态。
　　(3)本文共挑选1066个具有明显向上或向下发展的闪电起始阶段样本。其中829个样本初始先导向上发展，237个样本初始先导向下发展。向下发展的IB起始高度普遍低于向上发展，平均值分别为6.8km和8.4km。向下、向上的垂直平均速度分别为3.3×105m/s和2.6×105m/s。随高度变化的IB特征分析表明，IB起始位置越高，IB速度、脉冲频率越小，但IB步长越大。IB与雷达回波的对应关系表明，闪电起始位置主要位于回波强度30-40dBZ区域。
　　(4)以35dBZ顶高大于等于8km的区域作为指示8月7日雷暴单体对流核心区。分析结果表明，对流核心区内IB向上发展的起始位置高度大于对流核心区外(8.8km vs7.5km)、对流核心区内向下发展的起始高度小于对流核心区外(6.6km vs7.3km)。对流核心区内外的起始速度变化规律与起始高度分布特征相反。IB过程垂直方向的传播距离都表现为对流核心区内偏小，对流核心区外偏大（向上发展:2.1km vs2.3km;向下发展:1.9km vs2.3km）;向上、向下发展的IB仰角表现为对流核心区内偏大，对流核心区外偏小（向上发展:61.6°vs57.8°;向下发展:59.5°vs51.4°）。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 闪电定位系统的发展

1．2．1 国外闪电定位系统及其发展

1．2．2 国内闪电定位系统及其发展

1．3 闪电初始击穿特征研究

1．3．1 闪电IB波形特征

1．3．2 闪电IB物理特征

1．4 本文主要研究内容

第二章 试验与资料

2．1 站网布置

2．2 快电场变化测量仪

2．3 人工触发闪电试验场地

2．4 小结

第三章 闪电定位算法

3．1 脉冲定位算法

3．1．1 波形匹配

3．1．2 脉冲匹配

3．1．3 基于最小二乘算法的闪电脉冲定位

3．2 时间测量误差△trms及x2阈值的选取

3．3．闪电归类算法

3．3．1 归类结果可靠性验证

3．4 小结

第四章 LFEDA系统定位性能评估

4．1 低频天线阵列定位误差的蒙特卡洛模拟

4．1．1 实验设置

4．1．2 模拟结果

4．2 基于人工触发闪电试验的阵列定位误差实际验证

4．2．1 回击波形的挑选

4．2．2 定位结果

4．3 LFEDA定位结果与电力系统地闪定位结果比对

4．4 定位结果与雷达回波的对比

4．4．1 雷暴过程20150806

4．4．2 雷暴过程20150807

4．4．3 雷暴过程20150815

4．5 闪电个例

4．5．1 云闪

4．5．2 地闪

4．6 小结

第五章 闪电初始击穿特征

5．1 数据处理

5．1．1 选取初始击穿过程

5．1．2 对流核心区判定

5．2 闪电初始击穿特征

5．2．1 发展方向

5．2．2 起始高度

5．2．3 发展速度

5．2．4 IB脉冲频率

5．2．5 IB步长

5．2．6 IB起始位置对应的雷达回波特征

5．3 对流核心区内外闪电初始击穿特征

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 主要研究结果

6．1．1 站网建设及定位算法

6．1．2 LFEDA定位性能

6．1．3 闪电初始击穿特征

6．2 论文的创新点

6．3 存在的不足及未来工作展望

6．3．1 存在的不足

6．3．2 展望

参考文献

致谢

作者简介