闪电VLF/VHF辐射源定位和云内电荷分布反演方法研究

A three-dimensional (3D) lightning location network, composed of 11 dual band VLF/VHF detection sites and 2 broadband interferometers - all synchronized by GPS, is used to observe the VLF/LF and VHF signals from lightning. A software-based floating threshold trigger system that avoids false or missing triggering is used to consecutively obtain VLF/LF and VHF radiative waveforms in relatively short period, which guarantees there is no deadtime between triggering and recording. Using the Time-of-Arrival (TOA) technique, the captured pulse peaks within pre-defined time windows enable us to determine the locations of lightning discharge events, the 3D mapping of channel development, and the discharge types. Combined with Doppler radar observations, those comprise a relatively complete datasets of severe weather systems. The initial occurrence, the initial channel development, and the temporal and spatial evolution of VHF radiative sources provide effective retrievals of charge distributions within clouds. Combining different characteristics (including occurrence origins, frequency, time-overlapping of occurring both VLF/LF and VHF radiation, heights of VHF sources, 3D discharge channel, and the corresponding radar echo evolutions) of different types of discharge, a comprehensive analysis of lightning activities and the discharge theories within deep convective system is reached.

利用由GPS同步的11个VLF/VHF双频段闪电探测站点和2个闪电宽带干涉仪站点构成的三维闪电定位网络来实现闪电VLF/LF和VHF辐射信号的多站同步观测。基于浮动电平触发方式，连续分段获取闪电VLF/LF和VHF辐射脉冲波形。通过提取固定时间窗内脉冲峰值和时间，采用TOA定位技术，实现放电事件位置、通道发展特征的3D定位及放电类型识别；结合多谱勒天气雷达观测，获取一批比较完整的强对流天气过程三维闪电定位和雷达回波特征的资料集。通过分析闪电始发位置、初始通道发展、以及VHF 辐射源时空演变特征，研究利用VHF辐射源定位结果反演云内参与放电的电荷区分布特征的方法；结合天气雷达回波特征，综合分析不同类型、极性闪电（云闪、地闪、NBEs）发生频数、始发位置、VLF/LF和VHF辐射发生时间一致性、以及VHF辐射源高度演变等特征，深化对强对流天气过程中闪电活动特征及其放电机理的认识和理解。

摘要：本项目基于建立在重庆市的由多个LF/VHF 双频段闪电探测站点和2个闪电宽带干涉仪站点构成的三维全闪电定位系统展开。通过执行本项目，进一步发展完善了重庆VLF/LF、VHF双频段全闪电定位系统。该系统通过高低频信号互相验证，提高了探测仪的抗干扰能力；基于浮动电平算法的触发机制，改善了探测仪的灵敏度及波形捕获效率；特别是探测仪实时软件实现了闪电放电特征参数提取与波形捕获的双线程独立运行，在实现了局地闪电活动的实时监测同时，可连续分段获取闪电VLF/LF 和VHF 辐射脉冲波形，这些波形数据是极有价值的科研资料，较好的兼顾了业务和科研需求。项目执行期间，也收集了相应的雷达资料，初步形成一个相对完整的雷暴天气过程的三维全闪电定位、雷达数据资料集；特别是收集到了十多个目前比较少见的、发生在某个站点上空（水平距离小于5km）的NBEs放电事件多站同步的VLF/LF、VHF波形数据，这对闪电激发机理研究具有重要价值。根据研究计划，开展了雷暴云电荷结构反演方法研究及软件实现，以及VHF 干涉法和时差法综合定位算法等研究内容。利用所获取数据，进行了云、地闪电和NBEs事件始发位置与闪电通道发展特征及放电参量估算研究，结果表明：闪电的起始高度分布在5.0 km和8.8 km有两个明显的分布峰值，呈双峰值特征；在起始阶段的前15 ms内的平均发展速度均在104～105 m/s量级之间，且平均发展速度表现出减速趋势；对NBEs事件的研究表明，正NBEs主要分布于7～15 km高度处，归一化到100 km处的VLF/LF电场变化峰值平均值为13.4 V/m，平均VHF辐射功率为73.5kW。负NBEs可在16～20 km和4～8 km两个高度范围发生。统计结果表明，在VLF/LF频段上部负NBEs的辐射强度普遍强于正NBEs和下部负NBEs；但在VHF频段，上部负NBEs的辐射强度与正NBEs基本相当下部负NBEs在两个频段的辐射通常弱于正NBEs。对两次NBEs事件的模拟研究表明高功率NBEs事件起因于快速正击穿过程，其峰值电流分别为-41.5和-56.8kA, 传输速度分别为4.4107ms-1 和4107ms-1，击穿通道总体延伸长度分别为422m和328m，表明这种击穿发生在局地强电场区域，并不产生导电通道，似乎构成了一个正流光的体积分布系统（类似于流光）的活动。