雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度

姜睿娇, 董万胜, 刘恒毅, 杨磊

姜睿娇, 董万胜, 刘恒毅, 杨磊. 雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度[J]. 应用气象学报 , 2018, 29(2): 177-187. DOI: 10.11898/1001-7313.20180205
引用本文: 姜睿娇, 董万胜, 刘恒毅, 杨磊. 雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度[J]. 应用气象学报 , 2018, 29(2): 177-187. DOI: 10.11898/1001-7313.20180205
Jiang Ruijiao, Dong Wansheng, Liu Hengyi, et al. Locations and radiation strength of narrow bipolar pulses in a thunderstorm. J Appl Meteor Sci, 2018, 29(2): 177-187. DOI: 10.11898/1001-7313.20180205.
Citation: Jiang Ruijiao, Dong Wansheng, Liu Hengyi, et al. Locations and radiation strength of narrow bipolar pulses in a thunderstorm. J Appl Meteor Sci, 2018, 29(2): 177-187. DOI: 10.11898/1001-7313.20180205.

雷暴中双极性窄脉冲事件的位置与辐射强度

资助项目: 

国家自然科学基金青年科学基金项目 41405005

公益性行业(气象)科研专项 GYHY201306069

国家自然科学基金项目 41375037

详细信息
    通信作者:

    刘恒毅, E-mail:liuhy@cma.gov.cn

Locations and Radiation Strength of Narrow Bipolar Pulses in a Thunderstorm

  • 摘要: 双极性窄脉冲事件(NBE)是一类特殊的大气放电现象,能产生强甚低频/低频(VLF/LF)和甚高频(VHF)辐射。为了探索NBE发生的气象环境和放电特性,选出重庆双频段闪电定位网络在一次雷暴过程中观测到的608次正极性NBE(简称正NBE)和82次负极性NBE(简称负NBE),对比发生位置和辐射强度。结果表明:正NBE主要分布于7~15 km高度处,归一化到距离辐射源100 km处的VLF/LF电场变化峰值的平均值为13.4 V·m-1,平均VHF辐射功率为73.5 kW。负NBE主要发生在两个高度范围,72例负NBE分布于16~20 km高度,它们倾向于发生在30~35 dBZ回波顶高大于18 km的对流云顶及附近,其平均归一化VLF/LF电场变化峰值为42.7 V·m-1,平均VHF辐射功率为76.9 kW。10例负NBE分布于4~8 km高度,全部发生于对流核内部。其平均归一化的VLF/LF电场变化峰值为2.7 V·m-1,平均VHF辐射功率为18.2 kW。从统计结果看,在VLF/LF频段,上部负NBE的辐射强度普遍强于正NBE和下部负NBE;在VHF频段,上部负NBE的辐射强度与正NBE基本相当,大于下部负NBE;下部负NBE在两个频段的辐射通常弱于正NBE。
    Abstract: Narrow bipolar pulses (NBE) are special flashes in thunderstorms which are different from regular in-cloud discharges and cloud-to-ground discharges. They can produce intense radiation in both VLF/LF and VHF bands. To explore the meteorological environment and discharge characteristics of NBE, locations and radiation strength of 608 positive NBE and 82 negative NBE detected in a thunderstorm day are analyzed using the dual band 3D lightning locating system in Chongqing. Results show that positive NBE occur at the altitude of 7-15 km, with the average altitude of 10.0 km. According to the radar reflectivity of positive NBE, they can be divided into three groups. 49 positive NBE, which occur in the thunderstorm cores (reflectivity), are categorized as Group Ⅰ. 350 NBE occurring in regions outside cores with the reflectivity higher than 5 dBZ are categorized as Group Ⅱ. The rest 209 positive NBE are Group Ⅲ. The radiation strength of these three groups are in descending order on both bands. The mean value of all positive NBE VLF/LF electric field change peaks normalized to 100 km is 13.4 V·m-1. The mean value of their VHF radiant powers is 73.5 kW. Negative NBE are generally produced in two regions in the thunderstorm. Among 82 negative NBE, 72 of them occur at the altitude of 16-20 km, and the average altitude is 18.0 km. They occur on or beside tops of thunderstorms with 30-35 dBZ echo heights higher than 18 km. The mean value of their VLF/LF electric field change peaks normalized to 100 km is 42.7 V·m-1. The mean value of the VHF radiant powers is 76.9 kW. 10 negative NBE occur at the altitude of 4-10 km, whose average altitude is 6.0 km. They all occur in thunderstorm cores. The mean value of VLF/LF electric field change peaks normalized to 100 km is 2.7 V·m-1. The mean value of VHF radiant powers is 18.2 kW. According to statistical results, the radiation strength of the upper negative NBE is mostly stronger than those of positive NBE and the lower negative NBE on VLF/LF band. In VHF band, values are similar, both of which are stronger than the lower negative NBE. The radiation strength of the lower negative NBE is weaker than that of positive NBE in both bands.
  • 20世纪80年代Le Vine[1]在观测闪电产生的强辐射时,发现了一类具有双极性、波形宽度仅为10~20 μs的脉冲。Willet等[2]将这类区别于地闪和云闪的特殊放电现象命名为双极性窄脉冲(narrow bipolar pulses, NBP)。由于放电空间尺度很小,这类事件又被称为袖珍云闪(compact intracloud discharges, CID)[3-4]。NBP是针对甚低频/低频(very low frequency/low frequency, VLF/LF)电场变化特征命名的,由于其放电过程同时伴随着强烈的甚高频(very high frequency, VHF)辐射[5-6],这类放电事件也称为双极性窄脉冲事件(narrow bipolar events, NBE)[7]。NBE通常孤立发生[1-2, 8],但很多学者通过观测发现在部分NBE之后的10 ms内发生了常规闪电,推测NBE可作为其他放电事件的起始事件发生[3, 6, 9-11]

    根据单站VLF/LF电场波形的观测结果,早期研究表明,NBE的脉冲峰值和地闪回击相当[1-2, 12]。随着VLF/LF辐射源定位技术的发展,Willet等[2]将多站观测获得的同一事件的电场变化峰值归一化到距离辐射源100 km处求平均值,统计了18个正极性NBE(简称正NBE)的平均电场变化峰值为8.0 V·m-1。一些学者也通过类似的方法定量计算了NBE的电场变化峰值,结果均为100~102 V·m-1[3, 13-14]。NBE还能够同时产生强烈的VHF辐射,是该频段最强的自然辐射源[6, 8]。Thomas等[6]统计了美国LMA(Lightning Map Array)系统10 min内定位到的所有VHF辐射源的功率,结果为1 W~30 kW。其间发生了1次正NBE,功率大于300 kW,远高于普通闪电。Rison等[15]计算LMA系统定位到的3例正NBE功率,结果分别为93,274 kW和158 kW。张广庶等[16]计算了闪电辐射源定位系统LLR(Lightning Location Ranging)探测到的1例负极性NBE(简称负NBE)的VHF辐射功率,约为16.7 kW。Wang等[17]也计算了LLR系统定位到的236个NBE的VHF功率,结果为12~781 kW。

    为了探索NBE在雷暴云中的发生位置,很多研究基于闪电辐射源定位技术展开[18],除NBE高度分布特征统计[19-20],还结合雷达资料研究NBE在雷暴中的发生环境。通过对比NBE的三维位置和雷达回波关系,Smith等[8]发现正NBE发生于反射率因子超过40 dBZ的对流核心区域附近。但是Wiens等[21]利用雷达最大组合发射率因子与30 dBZ回波顶高作为指示对流强度的指标,认为正NBE的数量和对流强度的相关性并不明显。Wu等[22]使用高时间分辨率的相控阵雷达资料分析了NBE发生的雷暴环境,指出正NBE集中于强对流的核心附近,负NBE发生在强雷暴云顶。在不同的雷暴环境下,NBE的发生位置有一定差异性。近年来,随着VHF辐射源定位技术的发展,不仅可以分析雷暴云中的电荷结构[21, 23-24],还能细致地揭示闪电的放电路径[25-28],为深入认识NBE的发生和发展提供可能。

    NBE的放电强度与其发生环境有一定关系,且NBE在两个频段的辐射特征存在差异。当前研究多仅分析单一频段的辐射强度。为进一步探索NBE的发生条件、环境及放电特征,本文利用重庆双频段闪电定位网络的探测数据,结合多普勒天气雷达数据,对一次中尺度多单体雷暴过程中NBE的发生位置和在两个频段的辐射强度进行统计。

    闪电辐射的电磁波频谱很宽,由于不同频率电磁辐射反映不同物理过程,对不同频段电磁辐射的探测是研究闪电的重要手段[29]。VLF/LF频段的闪电定位结果侧重反映尺度较大的电荷输运过程,而VHF频段的闪电定位主要反映尺度较小击穿过程[30]。因此,两个频段的定位结果在描述闪电活动特征时有很好的互补性。

    重庆双频段闪电定位网络由14个探测子站和1个数据处理中心站(位于新牌坊站)构成,各个站点的分布情况如图 1所示。探测子站主要实现闪电辐射信号的采集,每个子站的设备主要有信号接收与处理两个部分。信号接收装置由VLF/LF接收机、VHF接收机、数据采集控制器和GPS(Global Positioning System, 全球定位系统)时钟组成。VLF/LF接收机是时间常数为1 ms的快天线电场变化仪,天线是平行于地面的金属平板,用于获取闪电放电过程中由于电荷转移所引发的地面电场变化。该接收机对输出信号进行500 kHz低通滤波,其实际的3 dB带宽为90~470 kHz。VHF天线是垂直于地面的偶极子天线。VHF接收机的接收带宽为6 MHz,中心频率为40~300 MHz,步长为1 MHz,目前重庆观测网使用的接收中心频率为266 MHz。数据采集控制器配备了具有两个14位独立通道的A/D采集卡,分别以5 MHz,20 MHz对VLF/LF,VHF两路信号进行连续的数字化采集。系统使用授时误差小于50 ns的GPS时钟对采样数据进行高精度同步授时。根据A/D采样率,VLF/LF和VHF数据的实际授时误差分别为200 ns和50 ns。对VLF/LF信号采用脉冲捕获的方法实时处理,即实时检测波形峰值,当峰值幅值超过触发阈值时,提取1 ms时间窗内的波形(触发前30%和触发后70%)进行特征分析,获取其脉冲幅值、极性、上升时间、峰值时刻等信息,判断其放电类型,并通过因特网将结果持续传输到中心站。对VHF信号采用与VLF/LF通道类似的方法实时处理,但程序实时检测100 μs时间窗内辐射脉冲信号的峰值,当峰值幅值超过触发阈值时,将提取峰值和时间并发送到中心站。另外,在实时处理、提取闪电放电参数的同时,程序还可以根据两路信号的触发情况,连续分段而无死时间地保存两路信号的波形,通常将这些波形先存储在子站硬盘上,空闲时通过网络或人工找回。中心站可通过网络对数据采集参数进行调控,并监控各个子站的运行状态。同时,利用各子站实时到达的数据,基于到达时间差方法[9, 16, 31],对两个频段的闪电辐射源进行实时三维定位。

    图  1  站网布局及垂直定位误差的蒙特卡洛模拟结果(a)时间测量误为200 ns、高度为12 km时垂直定位误差的蒙特卡洛模拟与NBE定位点叠加图,(b)时间测量误为50 ns、高度为12 km时垂直定位误差的蒙特卡洛模拟
    (黑色线代表行政区边界;黑色菱形代表观测站,蓝色点代表正NBE,红色点代表负NBE;填色代表误差的分布)
    Figure  1.  Layout of the network and the vertical estimated errors given by Monte Varlo simulation (a)the vertical estimated errors given by Monte Varlo simulation at altitude of 12 km when the timing error is 200 ns with locations of NBE, (b)the vertical estimated errors given by Monte Varlo simulation at altitude of 12 km when the timing error is 500 ns
    (black lines represent the boundary of the administrative regions; black rhombuses represent the observation sites, blue dots represent positive NBE, red dots represent negative NBE, contoufs represent the distribution of errors)

    ① 死时间:分析一个信号需要的时间,包括等待变换时间、变换时间和数据获取系统的数据采集时间。

    为评估系统的定位精度,使用蒙特卡洛方法对站网覆盖区域的三维定位精度进行模拟。模拟区域以新牌坊站为中心,水平覆盖范围为250 km×250 km,垂直高度为20 km,格点分辨率为1 km×1 km×1 km。图 1是在设定到达时间测量误分别为20 ns和50 ns时,12 km高度处的垂直定位误差的模拟结果,即VLF/LF和VHF两个频段在12 km高度的垂直定位误差。由于三维高度误差大于水平误差[32-33],可以认为时间测量误差为200 ns时,站网覆盖范围内的定位误差基本优于400 m,距离中心站150 km范围内的定位误差基本优于1.4 km。当时间测量误差为50 ns时,站网覆盖范围内的定位误差基本优于40 m,距离中心站150 km范围内的定位误差基本优于0.3 km。

    同时,为分析NBE在雷达回波中的位置,选取重庆多普勒天气雷达的回波数据。有效探测半径为150 km,体扫时间间隔为6 min。通过将雷达的基数据插值到笛卡尔坐标系下的经纬度网格上,得到水平分辨率为0.01°×0.01°,垂直分辨率为0.5 km的三维格点反射率因子数据[34-35]

    研究中单站自动识别NBE方法与Smith等[10]相同,判断标准为VLF/LF波形的脉冲宽度小于10 μs,信噪比大于23 dB。本文中电场极性采用物理学定义,即头顶负电荷的减少产生负向的电场变化。图 2分别是1次正NBE和1次负NBE放电在不同测站观测到的VHF辐射功率和VLF/LF电场变化波形。从20 μs时间段展开波形中可以清楚看到NBE事件在不同频段辐射特征的差异,特别是VHF辐射,并不是一个孤立脉冲,而是一个相对连续的脉冲簇。因此,对NBE的VHF辐射信号,通过提取时间窗内脉冲最大值时刻,用到达时间差方法定位其三维空间位置,具有一定的不确定性。

    图  2  NBE的VLF/LF电场波形和VHF功率波形图(a)北碚站探测到的1次正NBE的波形图,(b)铁山坪站探测到的1次负NBE的波形图
    Figure  2.  VLF/LF electric waveforms and the received VHF radiant power waveforms of NBE (a)waveforms of a positive NBE detected by Beibei Site, (b)waveforms of a negative NBE detected by Tieshanping Site

    本研究所采用的NBE个例是在实时定位基础上,利用后期分析软件进行再次筛选得到。仅选取5个或5个以上站同时具有VLF/LF和VHF波形的个例,这样既可人工验证软件的识别结果,又可利用波形采用互相关的方法更准确地求取NBE事件到达各子站的时间差,得到更精确、可靠的NBE的三维位置,同时也为计算NBE在两个频段的放电强度提供便利。以此标准在2014年9月13日00:00(北京时,下同)至15:00的一次中尺度多单体雷暴过程中识别并筛选出的608次正NBE和82次负NBE。本文中NBE位置为通过VLF/LF波形得到的定位结果。将这些NBE的二维位置叠加到蒙特卡洛模拟的结果上(图 1),可以认为所有NBE的定位误差基本优于1 km。

    NBE放电电流产生的电场由静电场、感应场和辐射场组成。研究表明:在近距离处观测到的电场波形以静电场和感应场为主,而在较远距离以辐射分量为主,且辐射场的大小与距离成反比[36-37]。与前文提到的研究工作类似,本文采用归一化到100 km处的辐射场强度表征NBE在VLF/LF频段的辐射强度。

    对于同一次NBE,闪电辐射信号受场地环境影响,各站点接收到的信号波形也存在一定差异,在计算每个站点的电场变化峰值时,电场波形需乘以该站的场地校正系数。辐射源与各个站点的距离不等,选取距离辐射源大于50 km[11]的站点观测到的电场变化峰值归一化到100 km处后求平均值,作为一次NBE的电场变化峰值(单位:V·m-1)。

    在VHF频段,通常用辐射功率来描述放电在特定频段内的辐射强度[6, 38]图 3是VHF接收机在260 MHz的测试频率下,输出电压幅度Vout(单位:mV)的对数和输入信号功率Pin(单位:dBm)的标定结果。输出电压幅度的对数值和输入信号功率在-80~-40 dBm区间内具有线性关系。通过最小二乘法拟合得到二者满足函数:

    (1)
    图  3  VHF接收机在260 MHz的测试频率下的标定结果
    Figure  3.  The calibration of VHF receivers in the test frequency of 260 MHz

    如果一个辐射源在站网上方空间任意位置发生并发出各向同性的电磁辐射,子站接收到的输入信号功率Pr(单位:W)与实际辐射源的发射功率Ps(单位:W)有如下关系:

    (2)

    式(2)中,Aeff(单位:m2)为接收天线的有效面积,r(单位:m)为辐射源和接收天线之间的距离。天线的有效面积与天线增益之间的关系满足

    (3)

    式(3)中,G是天线增益(本研究中为0 dB),λ是波长(本研究中接收中心频率设定为266 MHz,相应地,λ=1.128 m)。

    结合接收机输入信号功率与输出电压幅度的函数关系,得到辐射源功率Ps与输出电压幅度Vout的关系为

    (4)

    计算NBE的辐射功率时,首先将各站点接收到的VHF波形进行希尔伯特转换,获取转换后波形的最大值,然后由式(4)将最大峰值电压转化为实际辐射功率。将有VHF波形记录的各个站点得到的辐射功率进行平均,作为一次辐射源的实际功率。

    分析NBE的发生位置能为其放电机制的研究提供线索。图 4给出了NBE的高度分布情况,正、负NBE发生于不同的高度范围。绝大多数正NBE(约91.8%)分布于7~15 km高度,部分个例零星出现在高于15 km或低于7 km的区间。全部正NBE的平均高度是10.0 km。负NBE分布在两个高度范围,其中72例发生在16~20 km高度处,平均高度为18.0 km。另有10例分布于4~8 km高度,平均高度为6.0 km。其中,正NBE和发生于16 km以上的负NBE的高度计算结果与Smith等[39]、Zhu等[13]和吴亭等[40]基于电离层反射脉冲对的计算结果相近。已有研究认为,雷暴云内的电荷结构由垂直分成的3个区域构成,即三极性结构[23, 41],正NBE发生于上部主正电荷区和中层主负电荷区之间,负NBE发生于上部主正电荷区和屏蔽层之间[8, 19, 42]。观测结果基本上与之相符。对发生在较低高度负NBE的观测个例和报道很少[4, 25],推测它们发生于中层主负电荷区和下部正电荷区之间[22]

    图  4  正、负NBE的发生高度分布图
    Figure  4.  Altitudes of positive and negative NBE

    为了探究NBE在雷暴云中的位置,这里将定位点和雷达回波叠加,统计NBE所在位置及周围非空格点雷达反射率因子的平均值。按照所在位置的平均雷达反射率因子将608次正NBE分为3类。第1类正NBE所在位置的平均雷达反射率因子大于30 dBZ(图 5a),即发生在对流核内部[43],共49例。Smith等[8]和Lü等[20]观测到的正NBE均属于此类。第2类正NBE所在位置的平均雷达反射率因子大于5 dBZ且小于30 dBZ(图 5b图 5c),它们发生在对流核外部,有350例。发生在对流核外部的正NBE有的发生在对流核上方,有的发生于下方,有的发生于侧面,但是区分的界限很模糊。以图 5c中的两个正NBE为例,它们发生于最大反射率因子区域的上方,但却在上部对流区域的侧边。为了统一标准,这里认为它们均分布在对流核心区域之外。其余209例正NBE所在格点的雷达反射率因子小于5 dBZ,将这些个例作为第3类。

    图  5  雷达反射率因子垂直剖面与6 min内NBE定位点的叠加图(a)第1类正NBE,(b)发生在上部对流区域外侧、未发生在对流核正上方的第2类正NBE,(c)发生上部对流区域外侧、对流核正上方的第2类正NBE,(d)发生在对流核斜上方的对流云顶的第1类负NBE,(e)发生在对流核正上方的对流云顶的第1类负NBE,(f)第2类负NBE
    (蓝色星形代表正NBE,红色星形代表负NBE,填色代表雷达反射率因子)
    Figure  5.  Vertical sections of radar echoes with locations of NBE within 6 min (a)the first group of positive NBE, (b)the second group of positive NBE occurring outside the upper convection region on the inclined top of convective core, (c)the second group of positive NBE occurring outside the upper convection region on the top of convective core, (d)the first group of negative NBE occurring on the inclined top of convective core, (e)the first group of negative NBE occurring on the top of convective core, (f)the second group of negative NBE
    (blue stars represent positive NBE, red stars represent negative NBE, shaded areas present radar reflectivities)

    82例负NBE按照发生高度分为两类。第1类负NBE发生在16 km以上(图 5d图 5e),共72例。这类负NBE全部发生于30 dBZ回波顶高大于18 km的雷暴单体的对流云顶及其附近,与Wu等的研究一致[22]。这里,有的负NBE发生在对流核的斜上方(图 5d),有的发生在对流核的正上方(图 5e),均为第1类负NBE。因为雷暴单体发展越高,会将正电荷带到更高高度处,从而与屏蔽层的感应电荷发生放电[44]。第2类负NBE发生于10 km以下,共10例(图 5f)。它们全部发生于对流核内部,位于最大反射率因子区域的上方,而且这类NEB所在的对流单体的发展高度要低于第1类负NBE所在的单体。图 5f中的雷达反射率因子高值区域可能对应携带正电荷的冰相粒子所在的下部正电荷区[45],也说明了这类负NBE发生在主负电荷区与下部正电荷区之间。

    本文还对NBE是否孤立发生进行了区分。如果NBE发生后的VLF/LF电场波形在10 ms内有其他放电事件, 则认为NBE激发了闪电,否则将其归类为孤立发生。根据前文给出的有关NBE发生位置的类别划分,每一类NBE中激发地闪和云闪的个例数量如表 1所示。由表 1可以看到, 正NBE是否激发闪电与其在雷达回波中的位置没有明显的相关性。但通过比较激发闪电的正NBE与孤立发生的正NBE的放电高度发现,前者全部发生于10.5 km以下,这与Wu等[11]的研究结果基本一致。而对于负NBE来说,只有部分发生于低处的负NBE激发了其他闪电,发生于上层正电荷区和屏蔽层之间的负NBE全部孤立发生。

    表  1  NBE孤立性特征
    Table  1.  Isolation characteristics of NBE
    孤立性特征 正NBE 负NBE
    第1类 第2类 第3类 第1类 第2类
    起始云闪 6 40 44 0 3
    起始地闪 1 3 6 0 2
    孤立发生 42 307 169 72 5
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    分析NBE的发生位置后,计算NBE的辐射强度,结果如表 2所示。首先计算了608次正极性NBE和82次负极性NBE的VLF/LF电场变化峰值。图 6a是NBE的电场变化峰值与分布高度的对应关系。计算得所有正NBE在100 km处的平均电场变化峰值为13.4 V·m-1。按照之前的分类,第1类正NBE的平均值为15.4 V·m-1,最大值为39.5 V·m-1,最小值为3.5 V·m-1。第2类正NBE的平均值为13.8 V·m-1,最大值为35.8 V·m-1,最小值为1.5 V·m-1。第3类正NBE的平均值为12.3 V·m-1,最大值为34.6 V·m-1,最小值为1.5 V·m-1。从3类正NBE统计结果看,对流核内部的正NBE的快电场变化峰值倾向于大于外部的正NBE。从高度分布看,低处和高处的正NBE的电场变化峰值比较小,而发生在中部的个例电场变化峰值分布范围较大,出现了很多大于20 V·m-1的个例。通过分析发生于对流核内部的正NBE的高度发现,它们全部分布于中部6~13 km高度之间。

    表  2  NBE辐射强度的计算结果
    Table  2.  Calculation results of NBE radiation strength
    辐射强度 统计量 正NBE 负NBE
    第1类 第2类 第3类 第1类 第2类
    VLF/LF电场变化峰值/(V·m-1) 最大值 39.5 35.8 34.6 59.4 7.6
    最小值 3.5 1.5 1.5 1.9 1.5
    平均值 15.4 13.8 12.3 42.7 2.7
    VHF辐射功率/kW 最大值 261.4 250.7 232.0 219.9 60.3
    最小值 7.8 1.7 1.3 1.3 1.0
    平均值 83.7 81.8 57.6 76.9 18.2
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    图  6  正、负NBE的辐射强度和高度分布(a)正、负NBE的VLF/LF电场变化峰值和高度分布,(b)正、负NBE的VHF辐射功率和高度分布
    Figure  6.  Altitudes of positive and negative NBE versus their radiation strength (a)altitudes of positive and negative NBE versus their VLF/LF electric field change peaks, (b)altitudes of positive and negative NBE versus their VHF radiant powers

    发生在两个高度范围的负NBE辐射强度差别较大,需分开统计。16 km高度以上的第1类负NBE的平均电场变化峰值为42.7 V·m-1,最大值为59.4 V·m-1,最小值为1.9 V·m-1。10 km高度以下的第2类负NBE的平均电场变化峰值为2.7 V·m-1,最大值为7.6 V·m-1,最小值为1.5 V·m-1。由此可知,发生于上部正电荷区和屏蔽层之间的负NBE所产生的电场变化峰值通常大于发生于雷暴云电荷区之间的NBE。这些负NBE的发生环境可能与常规的NBE存在差异,有待进一步研究。

    研究中很少发现低处的负NBE,这可能是由于下层正电荷区比较小,由此产生的负NBE的电场变化也比较小,所以不易被识别。Zhu等[13]计算67例正NBE和10例负NBE的快电场变化峰值的平均值,分别为13.4 V·m-1和20 V·m-1。Wu等[14]的研究中计算了7882例正NBE的平均快电场变化峰值为353 DU,3994例负NBE的平均值为506 DU,观测到的负NBE均发生于上部正电荷区和屏蔽层之间的个例,研究结果说明上部负NBE产生的电场变化强度要大于正NBE。

    在VHF频段,将NBE辐射强度用实际辐射功率表示。图 6b是VHF辐射功率与发生高度对应关系。所有正NBE的平均辐射功率为73.5 kW。其中,发生于对流核内部的第1类正NBE的平均功率为83.7 kW,最大功率为261.4 kW,最小功率为7.8 kW。第2类正NBE的平均功率为81.8 kW,最大功率为250.7 kW,最小功率为1.7 kW。第3类正NBE平均值为57.6 kW,最大值为232.0 kW,最小值为1.3 kW。从统计结果看,对流核内部正NBE的VHF辐射功率也要大于外部的正NBE。同样,低处和高处的正NBE的辐射功率比较小,发生在中部的辐射源的功率分部范围较大。在负NBE样本中,发生于16 km高度以上的第1类负NBE的平均功率为76.9 kW,最大功率为219.9 kW,最小功率为1.3 kW。10 km高度以下第2类负NBE个例的平均功率为18.2 kW,最大功率为60.3 kW,最小功率为1.0 kW。可以看到,发生于上部正电荷区和屏蔽层之间的负NBE的VHF辐射功率也大于下部的负NBE,但与正NBE辐射功率分布差别不大。正NBE的统计范围涵盖张广庶等[16]和Rison等[15]的计算结果,但未出现LMA探测到的大于300 kW[6]的个例,且整体分布范围小于Wang等[17]的统计结果。无论是哪一类NBE,起始闪电的个例与孤立发生的个例在两个频段的辐射强度没有发现明显差别。

    利用重庆双频段闪电定位网络和多普勒天气雷达的探测数据分析一次雷暴过程中NBE的高度分布特征、所处雷暴环境和辐射强度。结果表明:

    1) 正NBE产生于上部正电荷区和中部负电荷区之间,约7~15 km的垂直高度处;负NBE分布于两个高度范围,一部分产生于上部正电荷区和屏蔽层之间,约16~20 km高度处,它们主要发生在发展旺盛的对流云云顶及附近;还有一小部分负NBE产生于中层主负电荷区和下部正电荷区之间,约4~8 km高度处,且全部发生在雷达反射率因子大于30 dBZ的对流核内部。

    2) 对于正NBE,发生于对流核内部的个例在两个频段的辐射强度均略强于发生于对流核外部的个例。对于负NBE,发生于雷暴云上部正电荷区和屏蔽层之间的个例在两个频段的辐射强度明显强于发生于中层主负电荷区和下部正电荷区之间的个例。总体上,正NBE在VLF/LF频段的辐射强度介于两类负NBE之间,在VHF频段的辐射强度与上层负NBE相当。

    NBE是一类特殊的放电事件,在两个频段的辐射强度均强于常规云闪。文中所统计的NBE在两个频段的辐射强度未表现出明显的相关性。两个频段信号的强度可能受到放电环境、发生和电磁波传输机制等多种因素的影响。因此,需要通过进一步观测得到更多的相关信息建立物理模型解释。

  • 图  1   站网布局及垂直定位误差的蒙特卡洛模拟结果(a)时间测量误为200 ns、高度为12 km时垂直定位误差的蒙特卡洛模拟与NBE定位点叠加图,(b)时间测量误为50 ns、高度为12 km时垂直定位误差的蒙特卡洛模拟

    (黑色线代表行政区边界;黑色菱形代表观测站,蓝色点代表正NBE,红色点代表负NBE;填色代表误差的分布)

    Figure  1.   Layout of the network and the vertical estimated errors given by Monte Varlo simulation (a)the vertical estimated errors given by Monte Varlo simulation at altitude of 12 km when the timing error is 200 ns with locations of NBE, (b)the vertical estimated errors given by Monte Varlo simulation at altitude of 12 km when the timing error is 500 ns

    (black lines represent the boundary of the administrative regions; black rhombuses represent the observation sites, blue dots represent positive NBE, red dots represent negative NBE, contoufs represent the distribution of errors)

    图  2   NBE的VLF/LF电场波形和VHF功率波形图(a)北碚站探测到的1次正NBE的波形图,(b)铁山坪站探测到的1次负NBE的波形图

    Figure  2.   VLF/LF electric waveforms and the received VHF radiant power waveforms of NBE (a)waveforms of a positive NBE detected by Beibei Site, (b)waveforms of a negative NBE detected by Tieshanping Site

    图  3   VHF接收机在260 MHz的测试频率下的标定结果

    Figure  3.   The calibration of VHF receivers in the test frequency of 260 MHz

    图  4   正、负NBE的发生高度分布图

    Figure  4.   Altitudes of positive and negative NBE

    图  5   雷达反射率因子垂直剖面与6 min内NBE定位点的叠加图(a)第1类正NBE,(b)发生在上部对流区域外侧、未发生在对流核正上方的第2类正NBE,(c)发生上部对流区域外侧、对流核正上方的第2类正NBE,(d)发生在对流核斜上方的对流云顶的第1类负NBE,(e)发生在对流核正上方的对流云顶的第1类负NBE,(f)第2类负NBE

    (蓝色星形代表正NBE,红色星形代表负NBE,填色代表雷达反射率因子)

    Figure  5.   Vertical sections of radar echoes with locations of NBE within 6 min (a)the first group of positive NBE, (b)the second group of positive NBE occurring outside the upper convection region on the inclined top of convective core, (c)the second group of positive NBE occurring outside the upper convection region on the top of convective core, (d)the first group of negative NBE occurring on the inclined top of convective core, (e)the first group of negative NBE occurring on the top of convective core, (f)the second group of negative NBE

    (blue stars represent positive NBE, red stars represent negative NBE, shaded areas present radar reflectivities)

    图  6   正、负NBE的辐射强度和高度分布(a)正、负NBE的VLF/LF电场变化峰值和高度分布,(b)正、负NBE的VHF辐射功率和高度分布

    Figure  6.   Altitudes of positive and negative NBE versus their radiation strength (a)altitudes of positive and negative NBE versus their VLF/LF electric field change peaks, (b)altitudes of positive and negative NBE versus their VHF radiant powers

    表  1   NBE孤立性特征

    Table  1   Isolation characteristics of NBE

    孤立性特征 正NBE 负NBE
    第1类 第2类 第3类 第1类 第2类
    起始云闪 6 40 44 0 3
    起始地闪 1 3 6 0 2
    孤立发生 42 307 169 72 5
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    表  2   NBE辐射强度的计算结果

    Table  2   Calculation results of NBE radiation strength

    辐射强度 统计量 正NBE 负NBE
    第1类 第2类 第3类 第1类 第2类
    VLF/LF电场变化峰值/(V·m-1) 最大值 39.5 35.8 34.6 59.4 7.6
    最小值 3.5 1.5 1.5 1.9 1.5
    平均值 15.4 13.8 12.3 42.7 2.7
    VHF辐射功率/kW 最大值 261.4 250.7 232.0 219.9 60.3
    最小值 7.8 1.7 1.3 1.3 1.0
    平均值 83.7 81.8 57.6 76.9 18.2
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图(6)  /  表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-30
  • 修回日期:  2018-01-18
  • 纸刊出版:  2018-03-30

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