基于浙江省三维闪电监测系统的多回击闪电参数的特征分析

为深入了解浙江地区地闪和云闪的雷电活动,基于2019—2020年浙江省三维闪电定位探测资料,分析研究了该地区多回击地闪和云闪相关参数特征。结果表明:两年内浙江省共发生地闪回击数和云闪回击数98万和38万余次,多回击地闪和云闪分别占28.1%和8.01%,其中负闪占总闪比重大于正闪;地闪和云闪频数存在明显的月变化和地域分布,夏季和浙南地区更易发生多回击过程;云闪平均回击次数为1.10次,低于地闪的1.59次。地闪和云闪回击平均强度随回击数的增加而下降,其中正闪下降趋势更为剧烈;超一半的多回击地闪和云闪至少有一次继后回击电流强度大于首次回击电流强度,地闪和云闪继后回击与首次回击强度的比值呈对数正态分布,集中在0～2,其中云闪分布更为集中。地闪和云闪回击间隔时间算术平均值相当,约115 ms,几何平均值地闪明显大于云闪;回击间隔时间呈对数正态分布,其云闪分布更为集中,且集中区域对应的回击间隔时间更小。不同回击次数的云闪和地闪平均间隔时间随回击数增加而减少。地闪和云闪间隔距离分布相似,地闪平均间隔距离明显小于云闪,且分布更为集中。     

基于Biexponential基电流传输线通道模型的地闪回击近场电磁环境

地闪回击过程中产生的雷电电磁脉冲作为一种场强幅度大,频谱分量复杂的高功率电磁脉冲,其在回击近场区会形成极为复杂的电磁环境。随着微电子技术的快速发展,微电子设备电磁敏感度大大提升,从三维空间入侵的雷电电磁脉冲对于电子及电气设备的电磁危害不仅限于干扰其正常工作,更有甚者会造成设备的损毁。利用基于Biexponential基电流函数的传输线通道模型,模拟地闪回击物理过程以研究回击近场区综合电磁环境。研究结果表明:利用基于时域有限差分法的XFDTD电磁场仿真软件,可以便利地获得形象直观的回击近场区三维电磁场分布情况。回击近场区复杂的电磁环境会严重影响电子设备的正常运行,近场区LEMP的电磁危害不可小觑。     

湖北省不同土地覆盖类型地闪参数分布特征

为进一步了解不同土地覆盖类型雷电参数分布特征及其差异,为雷电防护工程设计和雷击风险评估提供参考,根据2007—2019年湖北省地闪监测数据及土地覆盖数据,采用数理统计方法,分析研究不同土地覆盖类型地闪频次、地闪回击密度、地闪强度、地闪陡度等雷电参数的分布特征.结果表明:近13年地闪回击密度减少趋势明显,正地闪百分比整体呈上升趋势;地闪活动主要集中在全年的3—9月、全天的14—20时,地闪活动较弱的月份、时段发生正地闪的比例较高;建成区地闪回击密度值为6.7次·km^-2·a^-1,明显高于其他土地覆盖类型;不同土地覆盖类型地闪强度年际变化整体呈上升趋势,林草区正地闪强度明显高于其他土地覆盖类型;不同土地覆盖类型正地闪陡度大于总地闪和负地闪,耕地区和水域区正地闪、负地闪和总地闪平均陡度相对较大,林草区正地闪、负地闪和总地闪平均陡度最小,由此说明,正地闪雷电感应的危害大于负地闪和总地闪,耕地区、水域区雷电感应的危害最大,建成区次之,林草区雷电感应的危害最小.     

基于时域有限差分方法的地铁车站地闪回击电磁场模拟

研究地铁车站中地闪回击电磁场的传播特征有助于其防雷工作更有效地进行。基于闪电探测资料选取了某地铁站附近典型正（104 kA）、负（?14.9 kA）地闪回击,使用二维时域有限差分法在地面无建筑物与真实建筑环境模型中研究了两次回击距车站260 m、200 m、100 m时,站厅层、站台层及左右进站隧道四个区域中央的水平电场、垂直电场、磁场。结果表明：地面无建筑物时最大水平电场、垂直电场峰值始终出现在站厅层中央,真实建筑环境下站厅层中央水平电场峰值仍最大,而左、右进站隧道中央的垂直电场峰值超过站厅层中央,两个模型下的最大磁场峰值均出现在站厅层或左进站隧道中央;对两次回击而言,相较地面无建筑物时模拟结果,真实建筑环境下其距车站260 m、200 m时站内各场分量峰值均衰减,但两次回击距车站100 m时左进站隧道中央垂直电场峰值均增加超过8%。本结果对地铁车站雷击电磁脉冲防护有一定的指导意义。     

后续雷击对输电线路绕击耐雷性能的影响研究

为分析负极性后续雷击对输电线路绕击耐雷性能的影响,采用电磁暂态程序计算绕击耐雷水平、改进电气几何模型计算线路绕击跳闸率的方法,研究了首次雷击、与首次雷击相同以及不同回击通道的后续雷击下雷电流波形和幅值分布、杆塔高度和地线保护角对典型结构的110、220、500和1 000kV输电线路绕击耐雷性能的影响.结果表明:后续雷击的电流分布对线路绕击跳闸率影响极大,而后续雷电流波形影响很小;异回击通道后续雷击对500kV以下线路的绕击跳闸率影响很大,而对特高压线路影响较小;500kV线路有必要考虑后续雷击的影响;在线路首次雷击和异回击通道后续雷击绕击跳闸率为0的情况下,同回击通道后续雷击仍可能造成绕击跳闸.     

利用H_α谱线Stark加宽研究闪电放电通道的电场和电流

依据等离子体电场强度的诊断方法,得到了Hα线Stark加宽与闪电放电等离子体电场强度的关系;同时利用Borovsky定理对放电通道电场分布的分析及广义欧姆定律,得出了闪电放电通道表面径向电场与通道内垂直电场及电流强度的关系,并分析了青海地区用无狭缝高速光栅摄谱仪获得的一次云对地闪电回击过程中光谱Hα线的Stark加宽,对通道不同位置的电场和电流进行了定量计算,得到了该放电通道表面附近径向方向电场为5.49×104~6.84×104 kV·m-1,通道中电场垂直分量为3.29~4.10kV·m-1,电流强度为28.98~36.04kA.结果表明,通道表面附近的径向电场远大于通道垂直电场,且随着通道位置的升高,电流及沿通道垂直方向的电场强度均减小.     

老年中子星的核闪及宇宙γ爆

本文对老年中子星吸积星际介质而可能产生的核闪作了初步计算,得出可能爆发核闪的条件,对于吸积表层中的富氢层、富氦层、富碳层和富氧层,临界密度分别等于1.7×10~6、6.6×10~8、4.2×10~(10)和2.6×10~(11)克/厘米~3。对于质量M=1M的典型中子星所作的计算表明,在富氢层中爆发一次核闪释放的能量约为10~(41)尔格,相邻两次核闪的时间间隔约为10~3年。这与观测到的宇宙γ爆的某些特征相符。     

发生冰雹灾害的对流性天气地闪特征分析

利用地面雷电定位系统的观测资料,结合天气背景及地理特征,对2004～2006年期间发生在湖南省湘西自治州、邵阳市、株洲市等3市（州）的10起冰雹灾害天气进行综合分析,并详细分析3次典型过程的地闪特征,结果表明：冰雹天气都伴有地闪发生,地闪平均持续时间为2h左右,每10min的地闪峰值在1～19次之间,正地闪比例不高,与北方冰雹天气的高正地闪频数特征存在明显不同,持续过程中都会出现地闪频数峰值或次峰值,其平均雷电强度和平均雷电陡度均高于一般雷暴天气．     

云南西南部一次中尺度对流系统的地闪演变特征

利用雷电定位资料、多普勒雷达资料和FY-2E卫星红外资料对发生在滇西南的一次MCS过程进行了分析,结果表明:西移的"凡亚比"热带低压和低空东风急流为MCS的发展提供了较好的暖湿条件;整个MCS过程负地闪占主导地位,发展阶段负地闪频数波动增加.成熟阶段以负地闪占绝对优势,负地闪频数>150次/10 min,正地闪开始出现并缓慢增加,消亡阶段,负地闪明显减弱,正地闪频数剧增;MCS的3次飑线过程较好地对应着负地闪频数的3个峰期,负地闪密集出现在MCS成熟阶段云顶亮温≤-60℃的区域和前部云顶亮温梯度大值区,正地闪出现在密集负地闪后部和云团中部;在多普勒天气雷达上,MCS表现为由多个不同尺度对流单体组成、具有不均匀结构的中尺度带状回波,上升气流的倾斜特征使负地闪密集出现在强回波区左后侧强度≥40 dBz、回波顶高≥10 km的区域,与最大回波区位置并不重合,回波顶高与地闪发生位置有较好的正相关;负地闪频数达到最大峰值后正地闪开始出现;飑线减弱阶段正地闪频数增加且分散在强回波后部边缘或后部弱对流回波和层状云回波上;>12 m/s的大风区不利于产生强地闪活动.     

地闪特征在冰雹天气识别中应用分析

利用福建省闪电定位和地面观测资料,对福建2013—2015年14次冰雹过程的地闪活动特征和变化机制进行了研究.通过分析发现,冰雹天气过程中正地闪占总地闪的比例平均为14.2%,远高于2004—2015年福建地区正地闪比例的气候特征值3.4%.14次降雹过程中,地闪过程平均提前28.9min被观测到,正闪提前18.2min被观测到,正闪次数峰值一般出现在降雹之后.降雹之前,闪电的最大强度(陡度)绝对值呈变大趋势,降雹过程中,闪电最大强度(陡度)绝对值呈无明显规律变化,在降雹结束阶段,闪电最大强度峰值的绝对值呈减小趋势.以上这些特征揭示了冰雹天气过程中的地闪演变规律,可以作为福建地区冰雹天气过程监测和识别的参考指标.     

基于斜向通道的云闪放电特性研究

雷暴过程中,云闪发生频次约占总闪电频次的2/3以上;但由于云地闪对人类危害较大,目前对其研究较多。随着微电子技术的发展,云闪的电磁辐射特性也越来越受到重视。将云闪的放电通道近似为一斜向通道,考虑镜像电流,将回击电流近似为水平偶极子与垂直偶极子的叠加,根据Maxwell方程,推导了云闪斜向通道电磁场计算模型。通道基电流选取脉冲函数,在MTLL传输模型下计算了斜向放电通道在地面1~200 km处激发的电磁场波形。计算结果表明云闪斜向放电通道中水平偶极子与回击点高度对近场电磁场的影响较大。随着距离的增加,影响越来越小;在大于50 km的远场区,其影响可以忽略。     

基于亚网格时域有限差分法的改进雷电电磁脉冲计算模型

在利用均匀网格时域有限差分法（finite-difference time domain, FDTD）计算地闪回击电磁脉冲时，空间步长选取较大会导致计算结果中后期出现震荡，所以为了计算结果的准确必须采用较小的空间步长，导致计算效率低、内存需求大。为了解决这一问题，本文提出利用惠更斯亚网格技术改进计算模型，改进后的模型可以实现在距离雷电通道近、高频分量多的区域采用较小的空间步长，其余区域仍采用较大的空间步长，从而以较高的计算效率消除计算结果中后期的震荡。首先分析了空间步长对均匀网格FDTD法的各个场分量计算结果的影响，发现随着步长的增大，水平电场中后期震荡剧烈；之后，通过与均匀网格FDTD计算结果对比，深入研究了改进模型对水平电场中后期震荡的消除作用。结果表明：在不同地面电导率、地闪回击速度下，改进后的计算模型均能以较高的计算效率得到准确的、无震荡的计算结果。     

云闪斜向通道闪电电磁辐射特性研究

雷暴过程中,云闪发生频次约占总闪电频次的2/3以上;但由于云地闪对人类危害较大,目前对其研究较多.随着微电子技术的发展,云闪的电磁辐射特性也越来越受到重视.将云闪的放电通道近似为一斜向通道,考虑镜像电流,将回击电流近似为水平偶极子与垂直偶极子的叠加,根据Maxwell方程,推导了云闪斜向通道电磁场计算模型.通道基电流选取脉冲函数,在MTLL传输模型下计算了斜向放电通道在地面1～200 km处激发的电磁场波形.计算结果表明云闪斜向放电通道中水平偶极子与回击点高度对近场电磁场的影响较大.随着距离的增加,影响越来越小;在大于50 km的远场区,其影响可以忽略.     

重庆市北碚区雷电气候特征及防护效率分析

通过对北碚区闪电定位系统监测的地闪资料(1999-2008年)数理统计和回归分析,重点分析其时空分布特征及其防护效率.结果表明:北碚区年均闪电次数5 735次,其中负闪占93%,正闪占7%;闪电主要集中在6-8月,占总闪的73%,其中7月最多,占闪电总数的38%;雷电日数的月变化呈单峰变化;闪电次数的日变化呈多峰变化,两个峰值出现在22:00-00:00和4:00-6:00,次峰值出现在15:00-16:00;正、负闪均表现出明显的堆积效应,且正闪的聚集中心幅值小于负闪.北碚区建筑物直击雷防护按照1,2,3类防雷类别设计时,可能会出现0.02%,0.03%,1.41%的绕击率和0.14%,0.83%,3.51%的反击率发生.基于此得到北碚区雷电流幅值概率分布模式,为雷电防护设计施工提供科学参考.     

用多谱线法计算闪电通道等离子体温度

以一次闪电回击过程的光谱为例,采用二谱线法和多谱线法对通道温度进行了计算.对比所得数据发现,多谱线法可以部分地消除二谱线法中因所选谱线组不同而引起的计算结果在一定程度上的不确定性.因此,在利用谱线相对强度进行闪电通道温度研究时,运用多谱线法是最佳的选择.     

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。     

考虑后续回击的500 kV单回交流线路耐雷水平研究

雷电严重威胁着电力系统的安全稳定运行,随着电力系统的不断发展,传统的线路防雷评估技术已无法满足目前线路的雷击风险评估需求.基于此,本文利用变异系数法对华中区域十条500 kV省间联络线重要输电通道10 km范围内近年来的落雷数据进行分析,发现后续回击会对线路的雷击跳闸率产生较大影响,同时多起线路实际雷击跳闸故障与后续回击相关.据此,本文在传统绝缘子串闪络模型的基础上,提出了考虑后续回击的绝缘子串闪络判据模型,分析考虑后续回击的500 kV重要输电通道的线路耐雷水平.研究结果表明：后续回击会使500 kV输电线路的耐雷水平降低,降低程度与工频电压周期有关,且后续回击对反击耐雷水平的影响程度与绕击耐雷水平相比更为显著.本文的研究结论可以辅助提升高压输电线路的雷击风险评估准确度,为高压输电线路防雷预警提供帮助.     

滇东一次局地特大暴雨的中尺度特征和地闪特征分析

 利用雷电定位资料、多普勒雷达资料和FY-2E卫星红外资料对2010年6月25-26日发生在马龙的一次局地特大暴雨过程进行分析,结果表明:高层冷空气和低层暖湿气流在滇中以东地区交汇,形成明显的辐合是本次局地特大暴雨过程的主要影响系统.多普勒雷达上表现为2条带状回波合并加强,后部小单体快速东移合并入同一地点,在马龙上空形成明显的"列车效应",中尺度低空急流和逆风区的出现使得抬升辐合运动加强,触发了马龙上空对流不稳定能量的释放,产生了特大暴雨.卫星云图上,多个MCS合并为中-β尺度对流云团再发展为中-β尺度对流云带,产生强降水的过程始终保持较大面积的低于-60℃的冷中心,冷中心长时间在马龙上空维持.暴雨过程伴随着频繁的地闪活动,地闪密集地出现在单体回波合并后的强回波区域、对应着径向速度≤10 m/s的辐合区和逆风区后部及≥15 km的回波顶高位置,TBB和地闪的峰值超前于强降水1~2 h.     

内蒙古巴彦淖尔市冰雹天气云地闪电特征分析

利用闪电定位数据和雷达数据,对内蒙古自治区巴彦淖尔市地区2009~2015年37次冰雹过程的地闪特征进行分析。地闪数据的统计分析结果表明,正地闪占总地闪比例大于25%。正地闪强度较大,负地闪强度较小,地闪发生频数在降雹前一般低于3 fl/5 min,降雹后负地闪频数有明显增大。雷达和地闪定位数据的个例对比分析表明,降雹前强回波区附近以正地闪为主,地闪频数低,地闪的空间分布与对流云系的发展阶段有一定关系。地闪的空间分布可能指示云系移动方向,强回波区正地闪的时空分布可能对冰雹天气的预判有一定帮助。     

空气中火花通道等离子体的冷却规律

用一个电子控制的高精确度火花光源产生微秒左右的放电,在火花通道冷却及半径收缩时期,应用谱线极值温度的测量方法,研究了空气中火花温度的变化,从而定出通道冷却的时间常数τ.实验结果表明:该常数与放电能量之间有下列关系:τ=14.3(CU_v~2/2)~(0,8).用直接的显微摄影方法,证实了通道最大半径与放电能量之间有下列经验公式:r_(max)∝(CU_v~2/2)~(0,4).因此证明了:τ∝r_(max)~2的关系.在推广Frind关于电弧温度下降理论的基础上,提出火花通道冷却时间常数的一般关系:τ∝r~2/k,(k=n/c_pρ).在温度为10000°-40000°K的区间中,计算导温系数k随温度变化的曲线,结合实验结果:在此温度区间内τ为常数,计算出通道半径随时间的变化:r(t)/r_(max).该结果与Somerville等测定的结果符合,从而支持了我们的理解:空气中火花通道冷却的时间常数在相当大的温度区间内不变的原因是:通道半径收缩减小与导温系数随时间(亦即随温度)下降的两种过程取得同步的结果.