基于精确回击计数方法的两次雷暴地闪特征研究

摘要

本文利用闪电VLF/LF电磁场波形不间断采集系统，通过程序预判结合“人工精确识别回击”方法，对发生在2012年7月9日和8月19日的两次安徽地区夏季雷暴地闪资料进行分析，通过多站到达时间差定位及磁场方位角信息提高数据准确性，报道了两次雷暴中正、负地闪的特征参数，并研究了这些参数随雷暴生命发展的变化趋势。本文所用观测方法既具备人工识别方法的精确性，又具备站网观测方法的抽样连续性，是闪电特征研究的有利工具。本研究取得的一些新的结果总结如下:
　　(1)对两次雷暴负地闪基本特征进行统计，发现不同类型雷暴地闪特征具有普遍性与多样性。雷暴0709为锋面系统雷暴过程，雷暴0819为局地雷暴过程，两次雷暴在负地闪百分比(92.6％～86.6％)、平均回击间隔时间(75.3ms～61.8ms)、后继回击与首次回击强度比值(0.49～0.52)、回击归一化强度（5.0V/m～5.2V/m）、初始击穿过程持续时间和脉冲间隔等特征上较为一致，充分反映了安徽地区夏季雷暴的一些共有特性。但两次雷暴仍有一些地闪特征具有一定差异，例如雷暴0709单回击地闪概率(15.5％)仅为雷暴0819(30.6％)的一半左右，导致雷暴0709负地闪平均回击次数4.2次略大于雷暴0819（3.3次）;雷暴0709的负地闪过程持续时间（363.7ms）略大于雷暴0819(269.6ms)，地闪平均回击次数是影响地闪过程持续时间的一个重要参量;雷暴0709的PB/RS值(0.25)略大于雷暴0819(0.14)，且PB/RS值小于0.1的概率分别为14.9％和38.9％,从侧面反映了本文所用系统在不同距离情况下对微弱脉冲的采集效率差别。因此在研究雷暴地闪特征时，必须综合不同雷暴日的不同类型雷暴，对雷暴整个生命期进行大样本连续统计，才能够得到较为准确的特征信息。
　　(2)通过对两次雷暴连续记录数据的分析，发现有些雷暴特征会随雷暴生命发展产生规律性变化。两次雷暴过程在成熟期负地闪频数均存在突增现象，雷暴0709消散期正地闪频数出现突增;负地闪回击数在两次雷暴生命史中均存在明显的涨落变化，雷暴0709不同生命期的平均回击次数在3.0～5.3次之间变化，雷暴0819则在1.9～4.1次之间变化;平均回击次数对单回击地闪比例非常敏感，二者基本呈负相关关系;在整个雷暴生命史中，负地闪过程持续时间存在较大的波动，其变化趋势与平均回击次数随雷暴发展变化趋势一致，说明回击次数是影响负地闪过程持续时间的一个重要因素;雷暴不同生命期负地闪平均回击间隔存在阶梯性变化趋势，成熟期的平均回击间隔最小，雷暴不同发展阶段平均回击间隔易受雷暴放电强弱的影响，导致闪电回击间隔时间差别较大。因此要得到较为客观的闪电回击特征必须综合考虑整个雷暴过程。
　　(3)负地闪回击间隔时间随回击序号的增大而增大，随回击次数的增大而减小。两次雷暴负地闪回击间隔概率分布十分一致，基本呈对数正态分布，回击间隔主要集中在40～120ms之间，概率最大值均为60ms;两次雷暴过程负地闪回击间隔均随回击序号的增大而增大，且回击间隔大于100ms的比例也随之升高，即随着回击序号的上升，长回击间隔出现的概率也随之升高;对具有不同回击次数的负地闪分别分析其回击间隔与回击序号的关系，得到与总体分析方法相同的结果。事实上由于后继回击中和电荷实际由K过程从更远端云内通道末端搬运而来，显然云内电荷环境会制约后继回击的发生，即影响之前的回击间隔时间;两次雷暴中负地闪回击间隔与回击次数具有较好的单调递减趋势，即一次负地闪过程包含的回击次数越多，其平均回击间隔越小，可以从引发一次地闪过程的云内总电荷量及通道导电性两方面进行综合分析。
　　(4)利用两种不同方法对负地闪回击强度进行分析，发现负地闪回击强度与回击序号之间具有一定的系统性变化趋势，具体表现为回击强度随回击序号的增大而不断减小，首次回击强度随负地闪回击次数的增大而不断增大。两次雷暴后继回击与首次回击强度比值(ES/EF)基本呈对数正态分布;ES/EF值随回击序号的增加而呈现系统性减小趋势，就统计意义而言，随着回击序号的增加，后继回击强度越来越弱;总体而言首次回击强度远大于后继回击，但是在闪电过程中与首次回击强度相当或超过首次回击的后继回击并不罕见;将两次雷暴负地闪回击强度归一化至100km处，发现单回击负地闪回击强度弱于多回击负地闪的首次回击强度，且首次回击强度随回击次数的增大而增大;对相邻两次回击的相对强弱与回击间隔关系进行讨论，当回击间隔小于50ms时，前后回击对以“前强后弱”的组合为主，当回击间隔大于150ms时，前后回击对以“前弱后强”的组合为主;分析认为回击通道的导电性对云内电荷累积过程的影响是造成这一现象的原因，较长的回击间隔使通道导电性减弱，允许云内电荷有更长的累积时间，从而引发超过正常强度的闪电回击过程。
　　(5)对两次雷暴初始击穿过程进行分析，主要统计了初始击穿过程持续时间(Td)和脉冲间隔(Ti)，以及初始击穿最大脉冲与首次回击强度比值(PB/RS)和初始击穿与首次回击间隔时间(PB-RS)以及其随纬度变化趋势。雷暴0709共采集带初始击穿过程的负地闪1212例，初始击穿过程持续时间几何平均2.3ms，脉冲间隔时间几何平均194.2μs，雷暴0819共采集带初始击穿过程的负地闪275例，初始击穿过程持续时间几何平均2.7ms，脉冲间隔时间几何平均176.8μs，与雷暴0709结果较为接近;雷暴0709中PB/RS值几何平均为0.25;PB-RS间隔时间几何平均为23.2ms，雷暴0819中PB/RS值几何平均为0.14，比雷暴0709结果0.25略小，PB-RS间隔时间几何平均为36.6ms;对不同纬度地区的结果进行比较，除个别区域外，总体上PB/RS值符合随纬度升高而增大的趋势，可将这种趋势理解为雷暴云下正电荷堆在低纬度地区较弱，猜测可将地闪初始击穿脉冲活动强度作为雷暴云底部正电荷堆强弱的度量;PB-RS间隔似乎随纬度的升高而变短，可能由于纬度越低，雷暴云电荷中心的高度越高，导致PB-RS间隔越长。
　　(6)对两次雷暴过程正地闪基本特征进行了初步统计，进一步的研究需要更多不同类型正地闪数据的支持。雷暴0709正地闪概率7.5％，单回击正地闪概率93.3％，最大回击数2次，平均回击数1.1次;雷暴0819正地闪概率13.4％，单回击正地闪概率84.5％，最大回击数3次，平均回击数1.2次;正地闪比例随闪电总数的增大而减小，雷暴0709总闪数目接近雷暴0819的三倍，因此正地闪比例小于雷暴0819;雷暴0709正地闪平均回击间隔92.1ms，回击间隔大于100ms的概率为47.1％;而雷暴0819正地闪平均回击间隔只有25ms，回击间隔大于100ms的概率仅为18.8％，分析认为差异性主要由雷暴类型不同及样本量较小共同导致。统计正地闪特征必须结合多次不同雷暴，在大样本量的基础下才能得到符合实际情况的数据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 雷暴地闪特征的研究意义

1．2 地闪特征观测方法回顾及国内外研究现状

1．2．1 光学观测方法回顾

1．2．2 电学观测方法回顾

1．3 选题、研究内容和特色

第二章 观测系统和方法

2．1 闪电VLF／LF波形连续采集系统简介

2．1．1 硬件系统简介

2．1．2 采集系统简介

2．1．3 波形显示软件简介

2．1．4 站点分布情况简介

2．2 观测资料处理方法

2．2．1 人工精确识别闪电回击方法

2．2．2 两次雷暴闪电特征

第三章 两次雷暴过程负地闪特征的观测研究

3．1 回击次数(Number of strokes per flash)

3．1．1 雷暴0709

3．1．2 雷暴0819

3．1．3 小结

3．2 负地闪过程持续时间和回击间隔时间

3．2．1 负地闪过程持续时间

3．2．2 回击间隔时间分布

3．2．3 回击间隔时间与回击序号的关系

3．2．4 回击间隔时间与回击次数的关系

3．2．5 小结

3．3 回击强度特征

3．3．1 两次雷暴后继回击与首次回击强度比值分布

3．3．2 两种方法分析雷暴0709回击强度

3．3．3 两种方法分析雷暴0819回击强度

3．3．4 小结

3．4 回击间隔时间与回击强度关系研究

3．4．1 雷暴0709相邻回击强弱与回击间隔关系

3．4．2 雷暴0819相邻回击强弱与回击间隔关系

3．4．3 R值与回击序号关系

3．5 负地闪初始击穿过程研究

3．5．1 雷暴0709负地闪初始击穿过程研究

3．5．2 雷暴0819负地闪初始击穿过程研究

3．5．3 小结

3．6 本章小结

第四章 两次雷暴正地闪特征初步分析

4．1 正地闪概率和回击数分析

4．2 正地闪回击间隔时间分析

4．3 正地闪回击强度分析

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 基于准确计数法的地闪特征总结

5．2 存在的问题与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果