北京闪电定位网(BLNET)算法改进及双极性地闪研究

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本论文在北京闪电网(Beijing Lightning NETwork,BLNET)已有站网布局和硬件基础上,对其探测性能进行了升级,并利用快天线闪电电场变化仪资料评估了其探测效率,同时利用S波段雷达资料和高塔闪电资料检验了其二维和三维定位误差和效果。基于2015和2016年的BLNET夏季闪电观测资料,分析了北京地区闪电活动在两年中时空分布的较大差异。最后,基于高速摄像和电磁场观测,详细地分析了一例自然下行双极性地闪发展的物理过程,探讨了其对应的雷暴云结构和电荷分布。论文的主要结论如下:  1)在BLNET已有站网布局和硬件基础上,新增了闪电脉冲类型的分类识别算法,将其融合进BLNET定位软件中形成了一套二维VLF/LF频段的实时全闪(地闪、云闪)定位软件。将三种不同雷暴类型的BLNET二维全闪定位结果与相应的S波段雷达组合反射率叠加对比,发现大多数定位结果均位于雷暴云≥40dBZ的强对流区内,说明定位结果可信。以至少两站同步快天线数据作为真值,对BLNET探测效率进行了评估,其对总闪、云闪和地闪的探测效率分别是93.2%、97.4%和73.9%。对地闪的探测效率远高于全国闪电定位网(ADTD)和全球闪电定位网(WWLLN)在北京地区的探测效率。  2)根据2015和2016年夏季的探测结果,得到的北京地区总闪密度的均值为7.2次/km2/年,局地峰值可达65次/km2/年。但北京地区总闪的空间分布存在较大年际差异:2015年主要集中在北京中部地区,而2016年则主要分布在北京东部的平原地区,这种现象与过境北京的强雷暴系统的位置有关(例如:飑线,超级单体)。北京地区闪电活动的日变化虽然也有年际差异,但总体上,下午和晚上闪电活动较多,上午闪电活动较少。  3)通过对比2014年和2016年击中325m气象塔两次负地闪的高速摄像资料和相应的VLF/LF定位结果,发现BLNET对2014年大塔闪电的水平定位误差为250m,对2016年大塔闪电的水平定位误差为52.9m,同时也用此例检验了三站定位的精度,平均定位误差为249.7m。选取2015年7月30日的雷暴过程,将6min内的三维定位结果与相应的S波段雷达的回波剖面对比,发现大多辐射源处于20-55dBZ的区域,但均不在回波最强中心附近,个别辐射源高度高于云顶高度,可能是由定位误差产生,也可能由雷暴云内上部电荷区与雷暴云顶屏蔽层间的放电过程产生。闪电辐射源脉冲的三维定位高度随时间演变的分布特征与雷暴系统的发展高度相吻合,大多数云闪脉冲集中在4-11km的高度范围内。而且雷暴越强,云闪频数越高。  4)按照目前国际上通用的闪电聚类方法,基于BLNET定位结果得到了多例疑似“双极性地闪”,通过与已知自然双极性地闪的回击波形参数、正负回击间的时间间隔和后续连续电流等特征详细相比,认为这些可能不是真正意义上的双极性地闪。国际上基于闪电定位结果的统计分析,过高地估计了双极性地闪的发生比例。  5)利用高速摄像、宽带电场和低频磁场资料,详细分析了一次包含有首次正回击和三次继后负回击的双极性地闪。四次回击沿着相同的闪电通道将相反极性的电荷先后输送至地面。正先导从云底向下发展过程中伴随有分叉,其中一个分叉发展至地面引发了正回击及后续的连续电流过程,另一个分叉横向延伸至一个较远负电荷区并引发一些反冲流光沿着先导通道间歇地回退式地发展,最终沿着正回击通道进行传输,形成负极性回击,导致对地传输电荷的极性反转。正先导的二维平均发展速度为1.1×105m/s,三个负先导的二维平均发展速度则为6.7×106m/s。三个负回击的辐射场波形的过零时间和上升沿时间均不于典型的负继后回击,导致这些负回击未能被地闪定位网所探测到。
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