负窄双极性脉冲事件的多站观测研究

论文摘要

双极性窄脉冲事件（Narrow Bipolar Events,NBE）因其放电过程中产生的极强HF/VHF辐射、较强而持续时间很短的（10-30μs）VLF/LF双极性脉冲辐射以及可能作为云内放电的起始过程等特征而引起研究学者的关注。而发生在雷暴云顶附近的负极性NBE,由于其和雷暴强对流活动密切相关,可以作为监测全球强对流以及灾害性天气的指示因子,同时对认识对流层与平流层以及中间层之间的物质和能量交换具有重要意义,因此受到学术界的极大关注。本论文利用课题组自主研制的具有多站GPS时间同步的闪电VLF/LF定位系统（江淮地区天电阵列）,对正负极性NBE的现象学特征及放电参数进行了对比统计分析,并结合天基ISUAL同步观测的光学资料,探究了负极性NBE与中高层向上放电之间的时空对应关系,并对产生爆发性负极性NBE母体雷暴的气象学特征进行个例分析和总结。主要结论归纳如下:（1）统计对比分析了江淮地区正负极性NBE的现象学及放电参数特征。发生高度统计结果表明,负极性NBE倾向于发生在13-20 km,平均发生高度16 km,正极性NBE发生在7-20 km之间,平均高度9.7 km,约4%的正极性NBE发生在负极性NBE的发生高度范围。波形特征统计结果表明,负极性NBE的波形时间特征明显小于正极性NBE,归一化到100 km的电场峰值的平均值为12.3 V/m,明显大于正极性NBE的8.7 V/m。放电参量统计结果表明,负极性NBE的平均峰值电流矩为36.0 kA-km,大于正极性NBE的29.6 kA-km,但负极性NBE的电荷矩（0.25 C-km）和正极性NBE（0.27C-km）相差不大。通过对比中低纬度雷暴中负极性NBE的分布特征,发现负极性NBE的产生具有纬度倾向性,相比较于中纬度江淮地区,低纬度地区雷暴中负极性NBE所占比例更大。（2）首次揭示了负极性NBE是蓝色喷流事件的云内起始过程。基于江淮地区天电阵列记录的两次产生较多负极性NBE的雷暴数据,并结合空基ISUAL同步光学资料进行对比分析,发现蓝色喷流事件总是伴随着负极性NBE,在时间尺度上,负极性NBE发生在蓝色喷流事件1ms以内,在空间尺度上,二者水平位置在误差范围内,而且伴随的负极性NBE高度在雷暴云顶位置。这一同步观测结果首次证实了负极性NBE是蓝色喷流事件的云内启动过程,而蓝色喷流事件是负极性NBE的光学表现,该结果重新认识了NBE的发光特性。（3）发现了爆发性负极性NBE的产生总是伴随着雷暴云的对流激增（Convective surge）现象。通过分析不同纬度的三次伴随爆发性负极性NBE的母体雷暴,发现产生爆发性负极性NBE的母体雷暴的对流活动都比较旺盛,雷暴云顶最大高度高于对流层顶高度。从雷达剖面来看,爆发性负极性NBE的产生总是伴随着雷暴的对流激增（Convective surge）现象,和15 dBZ最大高度变化有很好的一致性,说明突然的强上升气流的抬升对负极性NBE的始发起到关键的促进作用。NBE的发生区域表现出一定的选择性,其中负极性NBE更加聚集发生在的强回波区域附近（大于40 dBZ）,而正极性NBE主要发生在强对流核的外围位置（20-30 dBZ）,表明负极性NBE对雷暴强对流位置具有较好的指示跟踪作用。（4）利用NBE波形特征反演电离层D层昼夜变化特征。基于江淮地区天电阵列无缝采集记录到的具有明显电离层反射波的NBE数据,发展了一种利用NBE波形来探测电离层D层等效高度的方法。基于此方法,对两次分别发生在日出和日落阶段的雷暴进行分析,结果表明上述日出日落阶段电离层D层反射高度变化特征呈现显著的不对称性。日出期间D层反射高度随时间线性降低速率为5.9 km/h,而日落期间D层反射高度随时间线性递增速率为8.6 km/h。同时也观测到太阳耀斑期间,D层反射高度会出现较为明显的下降。综合日出、日落期间电离层D层等效高度的特征变化,结果表明太阳辐射对中性大气分子的电离作用在日间D层电子密度变化中占主导地位。本文的研究工作首次揭示了发生在雷暴云顶附近的负极性NBE与中高层放电之间的密切关系,提供了利用电信号来观测中高层大气放电的新观测思路,阐述了爆发性负极性NBE的母体雷暴气象学特征,丰富了学术界对负极性NBE的现象学特征和产生机理的认识。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘非凡

导师: 雷久侯,祝宝友

关键词: 闪电,双极性窄脉冲事件,负极性,蓝色喷流事件,中高层大气放电,深对流抬升,电离层层

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P412.27

总页数: 104

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