基于EEMD分解的电场时序差分在雷电预警中的可行性分析

为了解决大气电场数据预报雷暴虚警率高的问题,将集成经验模态分解(EEMD)方法和二阶差分法结合应用于大气电场资料的分析,提出了一种雷电预警分析方法。该方法先用EEMD分解出晴天天气和雷暴天气大气电场的不同时间尺度变化分量,然后对包含雷电信号的高频模态分量IMF1(本征模态函数)进行二阶差分分析。晴天无雷暴发生时,地面大气电场的差分值集中在-0.5~0.5 k V/m3之间;雷暴过程中,差分大气电场出现剧烈变化,雷暴发生前,IMF1二阶差分量的增幅会明显变大,所对应的电场频率在0.016 5~0.045 5 Hz之间跳跃。经过仿真试验,结合雷达回波资料进行验证,得到雷电探测概率(probability of detection,POD)为85.1%,预警平均时间为30.2 min。     

云南中部一次雷暴过程的多普勒雷达和电场特征分析

利用闪电定位系统、大气电场仪和多普勒雷达等多种探测资料,对2009年7月20日导致云南省中部地区发生5起雷电灾害事故的1次雷暴过程进行了分析.结果表明:在雷暴天气过程中,无论是大气电场仪范围内还是雷达回波内的地闪都是以负地闪占绝对主导地位;雷暴期间电场值在-12.540～13.907 kV/m之间剧烈变化,且不断向正向或负向突变;负地闪主要发生在强回波区,对应着径向速度场上的逆风区,成熟阶段增加的正地闪分散地出现在弱回波区中;整个雷暴过程中-10℃层回波强度维持在40 dBz以上,-20℃层回波强度在35 dBz以上,-10℃层和-20℃层雷达回波强度的每一次跳跃变化都对应着地闪频数的跳跃发展,且总在地闪频数变化之前11～30 min;回波顶高均大于9 km,地闪最密集时段,回波顶高保持在14 km左右.     

多普勒雷达资料在雷电预警中的应用研究

本文总结了国内外利用雷达资料进行雷电预警的研究成果,结合我国国情利用现有资料提出雷达回波强度、回波高度、强回波比例、VIL四个雷电预警的预报因子并分别对其物理机理依据进行了初步探讨,这为我国在当前条件下开展雷电预警的研究工作和实际业务应用提供了参考,具有积极的意义。     

利用地面大气电场和雷达资料进行雷电临近预报方法

 根据雷暴云电场特征,结合雷达等观测资料,本文提出一个利用电场幅值阈值和差分阈值方法,为进行电场测站的首次地闪的雷电临近预报方法。该方法首先判断电场是否达到设定的幅值阈值或者差分阈值。如果电场达设定阈值,认为此时测站周围云中电荷量较大,发生闪电的概率也较大,进而判断该时刻之前的雷达资料是否达到设定的阈值。如果雷达资料达到设定的阈值则发出预警;如果未达要求则继续查看下一体扫的雷达情况,直到发出预警或者电场阈值取消为止。利用此方法对2009年南京周边观测区7个站点数据进行预警检验,得到其探测概率约为80%,平均预警时间约为14min。同时,本文尝试用该预报方法对雷暴云移过测区的整个过程进行区域性雷电临近预报。结果发现区域雷电预警可以直观呈现雷暴云和闪电发生发展情况,对发生闪电潜在区域也能够直观判断,并收到较好的预警效果。区域预警不仅能实现对一个地区的监测预警,而且能对雷暴云的整个过程进行监测预警,具有单站电场所没有的优势。     

大气电场仪观测数据的海拔校正及联网

为了提高电场联网数据的一致性,扩大雷暴监测范围,讨论了海拔对电场数据的影响及联网算法存在的问题,提出了一种大气电场数据的海拔校正方法。采用克里格法对2010年南京地区6~8月的电场数据进行联网实验,结合雷达回波资料,对双单体雷暴过程进行综合分析。结果表明,海拔校正方法能有效地修正电场数据,有助于提高大气电场仪的雷暴监测能力。由于各雷暴发展程度不同,雷暴云电荷结构存在差异,导致雷暴回波强度与电场分布不一致,甚至会出现互换的情况。     

电场资料在贵阳机场雷暴天气中的应用

利用DNDY型大气电场仪对贵阳机场2011年1月—2012年6月的雷暴过程进行探测研究,分析雷暴过程中雷暴云的电荷结构和电场曲线的特征,并详细分析贵阳机场2012年5月12日雷暴天气过程的电场变化.结果表明:大气电场资料可在一定范围内对雷暴进行短时预报和预警.贵阳机场雷暴过程产生的地面电场曲线有突升型、突降型和波动型,当地面电场曲线出现高频快变抖动且电场强度达5～10 kV/m时可作为贵阳机场可能出现雷暴的预报指标.地面电场曲线快变尖峰的出现表示发生云地闪,也表明雷电已发生.     

多普勒天气雷达对雾的探测能力研究

根据2006年江苏省气象局多普勒天气雷达探测到的雾天回波资料,利用雷达二次产品平台处理获得的强度、速度、谱宽等产品,分析雾的回波基本特征以及雷达性能参数对探测雾回波的影响,研究天气雷达对雾的探测能力,为天气雷达对雾的探测提供了新信息.     

秦微1,2,张其林1,2,赖悦1,2,姜苏1,2,陈媛1,2,苏建峰1,2

为了更好的利用闪电资料和雷达回波资料来对雷电进行临近预警,本文以深圳地区2012年4月一次强飑线过程为例,分析该次过程中的闪电活动与雷达回波特征,发现地闪分布与雷达回波强度之间表现出很好的对应关系。因此,本文采用TITAN(Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting)算法对这次强风暴过程中40dBZ以上的强回波区进行识别、跟踪和外推,并与闪电高密度区域的识别、跟踪和外推结果进行对比分析。结果表明：TITAN算法识别效果理想,且识别结果与单体的发展旺盛程度有关;另外,雷达强回波区和闪电高密度区的外推精度与外推开始时刻、外推时间的长短有关;利用闪电高密度区进行外推时,外推的质心误差小于雷达强回波区的外推质心误差。     

一次飑线过程的雷电临近预警分析

为了更好的利用闪电资料和雷达回波资料来对雷电进行临近预警,以深圳地区2012年4月一次强飑线过程为例,分析该次过程中的闪电活动与雷达回波特征,发现地闪分布与雷达回波强度之间表现出很好的对应关系。因此,采用TITAN(thunderstorm identification,tracking,analysis,and nowcasting)算法对这次强风暴过程中40 d BZ以上的强回波区进行识别、跟踪和外推;并与闪电高密度区域的识别、跟踪和外推结果进行对比分析。结果表明:TITAN算法识别效果理想;且识别结果与单体的发展旺盛程度有关。另外,雷达强回波区和闪电高密度区的外推精度与外推开始时刻、外推时间的长短有关。利用闪电高密度区进行外推时,外推的质心误差小于雷达强回波区的外推质心误差。     

泰山和西双版纳两地雷暴电场特征分析

为了找出雷暴活动过程中地面大气电场的特征,利用泰山和西双版纳两地积累的大气电场资料,讨论了雷暴过程中大气电场正负跳变的形成原因.通过对大气电场资料的统计分析,给出了雷暴活动期间大气电场的均值分布情况及大气电场的波动范围.并对比分析了泰山和西双版纳两地雷暴活动过程中大气电场变化的共同点及不同之处.分析了两地的雷暴时段分布特征,给出了雷暴在一天当中活动的时段分布情况,并讨论了形成这种分布的原因.对两地雷暴电场特征的分析揭示了两地雷暴过程的时段分布、强度变化及闪电发生时间间隔等规律,可为雷电预警预报工作提供指导.     

闪电电场波形脉冲序列极性变化及成因

地基闪电探测站记录的闪电电场信号普遍存在极性反转现象,不同测站的极性反转时刻不同,目前对该现象没有较清晰的认识。本文详细阐述了闪电放电引起的电场变化信号的测量原理,在此基础上,利用宽带电场和甚高频辐射数据,结合闪电甚高频辐射源的定位结果,分析了闪电电场脉冲极性反转现象的特征和原因。对比基站间距为5 km量级的多站数据,发现不同测站数据电场极性反转并不同时发生,并且极性反转常伴随着脉冲幅值的降低,因此常常导致定位时脉冲提取缺失或到达时间提取的误差增大。利用宽带电场定位和甚高频辐射源定位相互补充,在获得闪电精细化三维定位基础上分析发现,闪电主通道头部的发展方向改变,是导致地面探测站的垂直电场出现极性反转现象的可能原因,主通道头部携带的大量电荷靠近或远离是地面垂直电场变化测量装置脉冲波动的主要原因。对于不同方位的探测站,闪电主通道头部相对运动是导致不同探测站出现脉冲极性反转时刻不同的主要原因。针对极性反转现象造成定位效率下降问题,本文提出了希尔伯特能量谱的解决方案,定位出的闪电辐射源数量提高约9%。     

滇西北强对流灾害天气的多普勒雷达回波特征研究

 选取了2006年丽江多普勒天气雷达（CINRAD/CC）投入使用以来观测到的59次强对流灾害天气过程的雷达资料,重点分析了造成短时暴雨和冰雹的雷达各产品特征,初步得出：①触发丽江强对流天气的环境风场;②强回波在雷达速度场中切变类型、分布特征及其与强对流天气的相关关系;③丽江强对流天气初生阶段和旺盛阶段雷达反射率因子形状场、数值场、高度场、垂直累积液态水等指标的特征及其预警临界值;④灾害天气从初生阶段至旺盛阶段回波发展的时间间隔特征.通过分析丰富了丽江周边短时暴雨和冰雹的探测方法,得出部分多普勒雷达研究指标,对滇西北开展灾害性强对流天气的预警预报具有一定的指导作用.     

青藏高原东部地区雷暴及其地闪活动特征分析

为进一步了解青藏高原地区雷暴及其地闪特征,对2013～2017夏季(6～8月)青藏高原东部地区典型强雷暴过程的地闪和雷达资料进行了综合分析,重点研究了24次以负极性闪电为主的强雷暴过程,分析表明:所有雷暴最大回波顶高均超过7 km,第一次地闪为正地闪的雷暴其组合反射率和回波顶高明显高于第一次地闪为负地闪的雷暴过程。以地闪极性和频数差异将雷暴分为负地闪雷暴、正地闪雷暴、多地闪雷暴三种类型。负地闪雷暴过程中闪电数量较少且大多发生在雷暴成熟阶段;正地闪雷暴过程中闪电数量在几十次左右,主要发生在成熟阶段后期和消散阶段;多地闪雷暴在初始阶段、成熟阶段和消散阶段都有闪电发生,但主要集中在成熟阶段和消散阶段。三类雷暴强反射率中心移动距离和移动速度也有不同,地闪数量多的雷暴比地闪数量少的雷暴有更长的移动距离,负地闪雷暴较正地闪雷暴有更快的移动速度。     

采用脉冲积累方式提高防撞雷达测距性能

雷达对目标回波的检测能力是雷达测距性能的基础,而一般情况下雷达的回波信号是非常微弱的,有时甚至完全淹没在噪声中.为了检测出微弱的有用信号,可以采用对回波脉冲进行视频或中频积累.分析了脉冲积累对回波信号信噪比的改善能力,并设计了先对回波信号进行高速采样然后进行累加的数字式脉冲积累方案.试验表明当对M个周期的回波信号进行积累时,可使信噪比大约改善M倍,大大提高了门限检测电平,显著地改善了雷达的测距性能.脉冲积累方式同样适用于诸如生物医电等非常微弱的信号的测量,从而可以大大提高信噪比.     

双发双收双偏振天气雷达信噪比改善方法研究

针对双偏振天气雷达在同时发射同时接收体制下,存在信噪比损失3 d B的现象,分析了信噪比损失对雷达回波产品显示的影响,并详细介绍了一种在信号处理器中对水平和垂直通道内的I/Q回波信号进行相干叠加,改善雷达回波信噪比的方法。理论分析和计算表明,该方法可以提高雷达信噪比2~3 d B;观测结果证实,该方法可以增强双偏振天气雷达对弱信号的探测能力。     

深圳两次雷暴过程中地面氮氧化物浓度变化特征分析

综合利用深圳云地闪探测数据和大气成分探测数据,对两次雷暴过程中氮氧化物(NOx)浓度升高的案例进行了分析。结果表明:1云地闪可明显影响地面NOx的浓度,电场强度增加伴随着NOx浓度的升高;2NO和NO2浓度升高的过程具有不同的特征,NO2浓度升高过程比较缓慢,高浓度值持续时间较长;但浓度峰值较低;NO浓度升高通常滞后于NO2浓度的升高,但其升高过程非常迅速,浓度峰值也高于NO2;同时其浓度从峰值下降到较低浓度水平也比较迅速;3地面风场结构、云地闪落区位置对NOx浓度观测响应时间的长短以及浓度峰值大小都有关系,因此分析云地闪与NOx浓度的变化关系,必须考虑背景气象条件。