论文

• 前言
• 郄秀书
• 2003 Vol. 22 (3): 0-0. 
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• 中小尺度对流性天气系统一般都伴随有强烈的雷电活动,对人类的生命财产有严重威胁,但是由于其发生的随机性、瞬时性和危险性,用常规的方法难以对它进行探测和研究,因此对它的认识进展缓慢。二十世纪九十年代中期以来,随着高速大容量数据采集技术的迅猛发展,测量设备的精度及时空分辨率大大提高,从而实现了以微秒及亚微秒时间分辨率对雷电放电全过程的探测和跟踪,对雷电的认识也因此取得了长足的进展。

• 青藏高原东北部地区夏季雷电特征的观测研究
• 郄秀书;张广庶;孔祥贞;张义军;王怀斌;周筠珺;张彤;王素举
• 2003 Vol. 22 (3): 209-216. 
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• 介绍了2002年夏季在海拔2650 m的青海东部地区所进行的雷电综合观测实验及初步研究结果。实验中采用了GPS同步的6个站闪电快、慢电场变化和平均电场的同步观测,配合1 ms的高速摄像对该地的雷暴电荷结构、闪电放电特征等进行了研究。初步研究结果表明,青海东部的雷暴云当顶时,地面电场既可受云内的负电荷所控制,也可能受正电荷所控制,揭示了雷暴电荷结构的复杂性。同时,闪电特征也存在一定的特殊性,所发生的地闪先导常以多分叉的形式慢速向地面行进,并在地面形成两个或两个以上的接地点;梯级先导的发展速度约为0.8~1.18×10 ⁵m·s ^-1。同时在地闪发生之前和之后常有持续时间较长、闪道清晰的云内放电过程发生。高速摄像观测首次发现,在一次云内正电荷控制地面电场的雷暴条件下,云内放电过程呈现出双层结构特征。放电首先从上部负电荷区和下部正电荷之间的地方激发,然后上、下同时发展。在开始阶段只能看到向下的负流光通道,当上、下发展的通道分别到达负、正电荷区时,明亮的的主通道形成。之后放电在下部正电荷区以多分叉的形式水平扩展,下部的水平扩展停止后,主通道上部的放电开始水平扩展,是一种反极性的云内放电过程。

• 闪电放电通道的三维结构特征
• 张义军;Paul R. Krehbiel;刘欣生;张广庶
• 2003 Vol. 22 (3): 217-220. 
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• 通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10~20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。

• 云闪放电通道发展及其辐射特征
• 董万胜;刘欣生;张义军;王怀斌
• 2003 Vol. 22 (3): 221-225. 
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• 利用闪电宽带干涉仪系统,对中国南方(广东)地区云闪时空演变特征、辐射及其相应电场变化特征进行分析研究。根据云闪电场变化波形,云闪放电过程可划分成活跃阶段和最后阶段,辐射源定位结果表明,云闪放电起始于向上发展的负击穿过程,通道向上发展的速度约为3~3.3×10 ⁵m·s ^-1。云闪放电的主通道在活跃阶段形成,该期间辐射源随时间演变和相应电场变化表明,云内电荷结构具有上正下负的偶极性电荷结构。云闪的最后阶段辐射源主要在早期形成的通道内出现,其辐射源活动特征与地闪的回击过程比较相似;云闪辐射能量主要集中在2~3 MHz以下的低频段,且辐射强度随频率增加迅速减弱。

• 短基线时间差闪电辐射源探测系统和初步定位结果
• 张泉;郄秀书;张广庶
• 2003 Vol. 22 (3): 226-234. 
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• 介绍了一种新型的闪电探测设备——短基线时间差法辐射源定位系统,并选取2002年夏季野外观测实验中的辐射源定位结果,结合电场变化特征分别对两次地闪和云闪进行了分析。结果表明,该系统对地闪先导过程和云闪产生的辐射源能够较好地定位。定位结果的个例分析证实,观测地区的两次云闪放电过程都由起始于云下部负电荷区的负极性击穿引发,然后向上发展到上部正电荷区,通道的发展速度约为1.29×10 ⁵m·s ^-1,地闪梯级先导的传播速度约为1.73×10 ⁵m·s ^-1。

• 闪电首次回击过程的光谱特性
• 袁萍;刘欣生;张义军;张翠华;郄秀书
• 2003 Vol. 22 (3): 235-238. 
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• 用无狭缝摄谱仪,拍摄了4次云对地闪电首次回击过程390~660nm波长范围的光谱,并将原子结构的理论应用于闪电光谱的研究,用多组态Dirac-Fock方法,系统考虑相对论效应、电子关联、弛豫效应等重要贡献,对光谱的精细结构进行了计算,给出了谱线的波长、振子强度以及相应的上能级激发能量。通过与试验观测谱线的比较分析发现,大多数谱线对应的上激发能在23ev左右。首次回击过程中,闪电通道内NII离子的密度最大,并且大多数处于 n=3的激发态。

• 地闪和云闪初始击穿VHF/VLF辐射特征观测和比较
• 祝宝友;马明;陶善昌
• 2003 Vol. 22 (3): 239-245. 
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• 分析了合肥地区负地闪和云闪初始击穿过程产生的VLF大双极性脉冲序列及其同步的VHF爆发特征。地闪初始击穿大脉冲序列极性通常与后面的回击极性相同,相邻大脉冲之间的平均间隔为160μs,大脉冲序列持续时间平均为2.2 ms。云闪初始击穿的大双极性脉冲序列由正极性大脉冲开始,相邻脉冲间隔时间平均为1.3 ms,平均持续时间为11.5 ms,明显区别于地闪中的情况。显著的VHF爆发几乎在大双极性脉冲序列出现的同时启动,它与VLF大脉冲一起是初始击穿过程中一种最强烈的特征性事件,在合肥地区出现频率极高。地闪初始击穿期间VHF包络(观测系统带宽100 kHz)呈现准连续特征,而云闪初始击穿期间VHF包络则呈现分立特征,显示两者VHF辐射爆发的特征有所不同。初始击穿期间VLF大脉冲辐射与VHF爆发之间是相关的,但是二者强度之间不存在唯一的大小对应关系。同时分析了合肥地区地闪初始击穿大脉冲序列活动相对于地闪回击的一些特征,序列中最大脉冲幅度与随后的首次回击幅度之比平均为0.43,有94%的初始击穿在首次回击启动前40 ms内出现第一个可以辨别的VLF脉冲(105例的平均结果是21.5 ms)。

• 地闪回击通道几何结构对VLF/VHF辐射场特征的影响
• 祝宝友;马明;陶善昌
• 2003 Vol. 22 (3): 246-251. 
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• 云地闪电回击通道分叉或者曲折引起的电流传播方向改变可以在回击辐射波形上面引入一系列次峰结构乃至影响其VHF辐射特征。本文用回击传输线模式探讨了回击通道几何结构对回击VLF/VHF辐射场的影响,结果显示:(1)VLF信号波形次峰幅度与通道片断的尺度以及取向有关,尺度为100 m量级且具有较大的垂直分量的电流变化过程可以在回击波形下降沿上面引入与回击幅度相当的次峰结构,而小尺度(1 m量级或者更小)的通道曲折在回击波形上面引入的次峰幅度只有回击主峰幅度的10%以下。水平方向的电流传播过程几乎不在回击波形上面产生可以辨别的次峰结构。曲折通道的所有曲折片段的平均长度是描述曲折通道的一个重要参数,次峰时间间隔与幅度均与平均曲折尺度成正相关。(2)曲折通道能够明显增加回击高频辐射分量的能量,出现最大辐射能量增加的频率相当于波长等于曲折尺度的电磁波频率的1/8。小尺度的曲折或者分叉结构能够使得回击高频分量的强度提升一个数量级,但是这一强度的增加仍比我们实际测量的VHF辐射强度小一个数量级,说明通道曲折和分叉很可能不是回击过程VHF辐射产生的主要原因。

• 地闪回击辐射场波形的重构及地闪放电参量的估算
• 张其林;郄秀书
• 2003 Vol. 22 (3): 252-258. 
• 摘要 ( ) PDF (288KB) ( )
• 根据地闪回击传输线电流模式重新确立了地闪回击辐射场与电流之间的关系式,并在观测实验的基础上,重构了不同距离范围内(15~50 km,50~100 km,100~150 km)的地闪回击辐射场波形,重构波形与实测波形之间有很好的一致性。同时在合理的假定下,将回击辐射电场与电流之间的关系进一步推广到先导过程,并估算了地闪先导放电过程中的三个参量。发现首次回击前最后一个先导脉冲电流为2.7 kA,通道的电荷密度为(0.135~1.35)×10 ^-3C·m ^-1,负地闪回击过程中和电荷量为2.06 C。

• 首次回击具有双接地点的地闪光学和电学特征的个例分析
• 孔祥贞;郄秀书;王才伟;张义军;王怀斌;张翠华
• 2003 Vol. 22 (3): 259-267. 
• 摘要 ( ) PDF (380KB) ( )
• 利用成像率为1000幅/s的数字化高速摄像系统和时间分辨率为1μs的快、慢天线闪电电场变化测量仪在广州附近观测到一次首次回击具有两个接地点的负极性地闪。两个分支到达地面的时间间隔约为30μs;在发生回击R2时,其中一个分支的直窜先导发展成为企图先导。观测发现 M-分量的发光要比梯级先导强;回击间的 K-变化与云中的在击穿和通道的延伸有关,但不引起云地间通道的发光。光学和电场变化的同步观测证实了直窜-梯级先导的发展速度与前一次回击的时间间隔有关,较快的先导发展速度对应于较短的回击时间间隔,较慢的发展速度对应于较长的回击时间间隔。另外,本文在资料分析的基础上,提出了产生双接地点的四种可能原因。

• 雷暴云不同空间电荷结构数值模拟研究
• 郭凤霞;张义军;郄秀书;言穆弘
• 2003 Vol. 22 (3): 268-274. 
• 摘要 ( ) PDF (311KB) ( )
• 利用一个三维时变双参数动力电耦合模式对决定雷暴云空间电荷结构的三个初始场:反转温度、中心最大扰动位温和扰动区域进行模拟对比研究。结果表明,选取不同的参数值,雷暴云电结构有很大差异,从而解释了在不同地区、季节、强度的雷暴云中所观测到得不同的空间电荷结构的原因。

• 雷暴过程中闪电产生NO _x的地面观测研究
• 周筠珺;郄秀书;言穆弘;张广庶
• 2003 Vol. 22 (3): 275-280. 
• 摘要 ( ) PDF (296KB) ( )
• 利用NO _x分析仪和大气平均电场仪在青海省大通县对雷暴天气过程中自然闪电产生的NO _x进行了地面观测。分析结果表明:在晴天稳定大气条件下,全天NO _x的平均体积混合比相对比较平稳,观测值虽然比理想中的干净背景大气条件下的地面值要大一些,但比污染大气中的值小许多;在雷暴天气中,闪电次数与NO _x的平均体积混合比峰值个数相同,且峰值由闪电产生。闪电产生的NO _x的平均体积混合比峰值在出现时间上比闪电有一定的滞后。雷暴过程中各次闪电产生NO _x的传输时间序列变化,可用二次多项式进行拟合,且相关系数较高,传输时间和传输距离之间不存在严格的线性关系。高、低能量闪电的能量域值为12~13×10 ⁶J,高、低能量的闪电是间隔发生的,且随着时间的推移间隔增大。

• 受污染的云滴内NO _x光化通量的计算
• 杨文
• 2003 Vol. 22 (3): 281-287. 
• 摘要 ( ) PDF (305KB) ( )
• 依靠云滴的射线光学模型,针对具有吸收的耗散介质,可得到形式完整的电磁波反射系数公式,并且可求得具有几何意义的实际折射角。文中重点讨论了云滴中污染内含物及其不同的内混合方式对光化通量增强因子的影响。结果表明:云滴的存在都能增强光子的光化通量,仅当吸收系数非常大时,云滴内光化通量才会减小;无论哪一种内混合方式,受污染的云滴内光化通量增强基本上稍大于先前的估计值;光化通量增强因子一般都在1.2~1.62之间,即光化通量增加了20%~62%;吸收系数为零时,增强因子与云滴半径无关;增强因子随云滴半径和吸收系数的增大而减小。当云滴半径接近1μm时,吸收系数的影响迅速减小。

• 卫星观测到的青藏高原雷电活动特征
• 郄秀书;Ralf Toumi
• 2003 Vol. 22 (3): 288-294. 
• 摘要 ( ) PDF (1099KB) ( )
• 利用TRMM卫星上携带的闪电探测系统获取的闪电定位资料首次对青藏高原上的闪电活动进行了研究。研究发现,青藏高原上的闪电活动呈现出大陆性气候特征,但是受其特殊地形的热力和动力特征所调制,高于93%的闪电活动发生于5~9月之间,并在夏季出现单一闪电活动峰值。随着地表加热和湿度的增加,闪电活动在5月份开始明显增加。较高的闪电密度发生在高原的中部,揭示了闪电活动与地形特征的相关性。63%的闪电活动发生于14:00~18:00(地方时,下同)之间,而只有<3%的闪电发生于00:00~10:00之间。闪电光辐射能的时平均值也呈现出明显的日变化,随着太阳的升起,闪电光辐射能在08:00开始增加,并在10:00达到稳定的极大值,直到02:00开始明显减小。闪电的光辐射能在高原北部呈现最大值,高原西部呈现最小值。青藏高原上的闪电放电强度比其它地区弱得多,其差别归因于高原上较低的对流不稳定能量。

• 甘肃平凉地区正地闪特征分析
• 张义军;言穆弘;张翠华;王怀斌
• 2003 Vol. 22 (3): 295-300. 
• 摘要 ( ) PDF (323KB) ( )
• 利用雷电定位和雷达观测资料对甘肃平凉地区正地闪特性进行了分析。结果表明:正、负地闪回击的上升时间分布范围基本一致,大约在3~20μs之间,其平均值负地闪为8.33μs,正地闪为10.7μs。负地闪回击后的过零时间分布范围较广,在10~130μs之间,其平均值为51μs;正地闪回击后的过零时间分布范围比负地闪要小得多,在10~50μs之间,其平均值为19.67μs。负地闪的反冲深度dp为32%,正地闪为55%。在正负地闪的日变化中,负地闪有两个峰值分别出现在01:00和13:00(北京时,下同),而正地闪在下午18:00出现一个极大值,正负地闪数的分布呈反相关。降雹时间的峰值与正地闪峰值时间有比较好的一致性,正地闪的发生与云中固态水成物粒子的沉降有关。

• 闪电多参量同步高速即时记录系统
• 张广庶;郄秀书;王怀斌;张彤;陈成品;张义军
• 2003 Vol. 22 (3): 301-305. 
• 摘要 ( ) PDF (647KB) ( )
• 阐述了如何实时快速捕获闪电放电时亚微秒变化的快慢电场波形数据及等间隔点分段压缩显示电场波形曲线,并同时连续记录显示大气平均电场数据。在Win2000平台上用VC++编程实现了多任务、多通道大容量(8MB)快速处理显示记录的自动化。记录速度比以往的记录设备提高了20倍,测量精度显著提高,记录闪电辐射的脉冲绝对时间精度达到0.1μs,野外同步观测获得了大批资料,证实了系统的可靠性,为长时间多站同步观测积累高精度闪电资料提供了新的记录手段。

• 雷电电磁辐射脉冲的GPS多站同步系统
• 张彤;张广庶;郄秀书
• 2003 Vol. 22 (3): 306-310. 
• 摘要 ( ) PDF (238KB) ( )
• 利用全球卫星定位导航系统GPS(GlobalPositioningSystem)的秒脉冲信号PPS(PulsePerSec ond)与高精度时钟电路同步,实现了雷电电磁辐射脉冲测量时的多站同步,解决了因晶体振荡频率漂移造成高精度时钟计数误差的难点,同步精度达到±50ns。文中介绍了该系统的组成及原理,野外的初步观测得到了多站雷电观测的同步资料,证实了该同步系统的可靠性。

• 闪电同步记录触发装置
• 张广庶;张彤;郄秀书;陈成品
• 2003 Vol. 22 (3): 311-314. 
• 摘要 ( ) PDF (186KB) ( )
• 通过捕获闪电放电的瞬态模拟信号,经预置触发电平窗口控制,形成一个宽度为100μs,上升沿为10ns的固定幅度的脉冲指挥信号,同时触发各观测闪电的记录设备及GPS同步的高精度时钟,开始记录点定标在闪电发生时域的信号波形上,记录的绝对精度时间由高精度时钟标记,实现了同一闪电不同参量记录尺度开始记录点的一致性,为对比分析闪电不同参量精细结构及多站计算闪电到达时差提供了精确的基准点。