大气探测和雷电研究进展

大气探测和雷电研究进展

2015年大气探测与科学试验中心围绕核心任务和优势重点研究方向，基于野外观测试验，将理论和实际应用相结合，在雷达观测技术和雷电活动等方面开展了大量卓有成效的研究工作，取得了丰硕的成果。2015年新申请批准项目8项，包括国家自然科学基金重点项目1项、留学人员科技活动择优资助项目1项、气象行业专项课题1项、中国气象局气象关键集成项目1项、贵州省人工影响天气办公室合作项目1项以及气科院基本科研业务费面上项目3项等；中心的科研成果“雷电临近预警系统的研发和应用”获得2015年气象科学技术进步二等奖；2015年共发表期刊论文34篇，其中SCI（E）收录论文14篇；申请国内发明专利3项、国际发明专利1项、实用新型专利2项；获得软件著作权授权1项；授权专利2项，其中国家发明专利1项、实用新型专利1项。具体成果主要体现在以下几个方面。1……2015年野外观测试验

2015年，大气探测和科学试验中心在广州组织了广东闪电综合观测试验（GCOELD），在重庆组织了三维（3D）闪电探测试验，在拉萨组织了闪电放电过程观测试验。上述试验均达到了预期目的，获得了丰富的观测资料，推动了闪电探测和分析技术的发展。

1.1 广东闪电综合观测试验（GCOELD）

GCOELD 在广州野外雷电试验基地开展，从5月上旬持续到9月上旬，是自2006年以来的第10年外场试验。触发闪电是GCOELD 的重要内容，也是开展其他试验的重要手段，2015年共实现触发闪电20次，成功率达到80%，均创历年新高。5月30日成功触发了一次负先导始发的闪电，这是在我国南方首次获得该类型的触发闪电，对闪电放电特征的认识具有重要价值。在该年度的试验中，进一步发展了闪电声、光、电、磁等综合观测手段，完善了多参量并行同步采集技术，提高了数据采集的精度、长度和动态范围，保证了触发闪电和自然闪电放电过程物理参量的高效率和高精度采集。2015年，在持续开展多项雷电防护测试试验的基础上，广州野外雷电试验基地与石化部门合作首次开展了针对DCS 仪表系统和UPS 电源系统的雷电防护测试，与华为公司合作开展了雷电计数采集器的测试试验，这些合作研究扩展了GCOELD 的应用范围和影响力。该年度还扩建了广州高建筑雷电观测站，新观测站大大扩展了室内面积，增强了设备安装和互联能力，显著提高了对广州高建筑物雷电接闪过程的观测水平。此外，作为GCOELD 试验的一部分，在广州开展了基于低频电场探测阵列（LFEDA）的闪电观测试验，2015年增加了增城和花都2个子站，使得探测站点数量达到11个。试验获取了大量闪电放电子过程的精细观测资料，提高了对广州野外雷电试验基地周边雷暴闪电活动的探测能力（图1～2）。（郑栋，张阳）

1.2 重庆三维（3D）闪电探测试验

2015年重庆三维（3D）闪电探测试验始于3月1日。基于VLF/LF、VHF 双频段3D 闪电定位网对发生在重庆周边的雷暴闪电活动开展了高精度3D 观测试验。根据上一年的站网运行状况，2015年对站点布局做了适当调整并增加了一些外围站点，扩展了站网尺度，扩大了站网的有效探测范围，形成了以大气探测与雷电防护Atmospheric Sounding and Lightning Protection

重庆气象局XPZ为中心站，包含14个子站，站网直径达到100 km量级的闪电探测网，探测精度也获得提高。此外，2015年观测试验中对采集软件进行了较大的修改，利用双频段闪电探测仪的独特优势，在软件中引入对VLF和VHF信号进行触发校验的方法，有效抑制了环境噪声可能频繁误触发闪电探测器的问题（图3）。（郑栋，刘恒毅）

1.3 拉萨闪电放电过程观测试验

拉萨“闪电放电过程观测试验”主要针对“布达拉宫雷电灾害防御基础研究”项目的任务，按照计划实现了布达拉宫附近的雷电放电活动的光信号和电磁信号的高速和连续采集，积累了丰富的观测数据。（郑栋，张阳）

2……高建筑物雷电光学观测试验

2.1 高建筑物雷电连接过程的三维（3D）光学观测和特征分析

对在广州观测到的一次高建筑物雷电（编号F1215）首次回击前的连接过程中先导的三维（3D）发展特征进行了分析。结果表明，在F1215回击前的2 ms内，下行先导的3D发展速率的变化范围为（1.3～6.8）×105 m/s（平均值为2.7×105 m/s），对应的二维（2D）速率的变化范围为（1.1～4.9）×105 m/s（平均值为2.1×105 m/s）。除了回击前的200 μs内，下行先导的发展速率随时间无明显的变化趋势。F1215的上行连接先导的3D发展速率变化范围为（0.8～13.7）×105 m/s，平均值为4.5×105 m/s。在下行先导的影响下，高建筑物顶部起始的上行先导的发展速率随时间有明显的增加趋势，特别是回击前的1 ms内。下行先导与上行先导3D发展速率的比值随时间逐渐降低，从2.2减小到0.2，说明在回击前上行先导的发展速率会明显超过下行先导的发展速率（图4）。（吕伟涛，马颖）

2.2 一次双极性自然下行地闪的光学特征分析

基于电场变化、高速摄像以及闪电连接过程观测系统的同步观测资料，对观测到的一次双极性自然地闪的先导发展特征及回击光强脉冲波形进行了分析。该次闪电包含正极性首次回击和5次负极性继后回击，所有回击均沿着由首次回击之前的下行正先导开辟的通道进行。首次回击之前的下行正先导发展通道无分叉现象，平均2D发展速度为2.5×106 m/s，在发展过程中其光强出现明显的梯级脉冲变化，在被击中建筑物的顶部观测到了2D长度约为80 m的负极性上行连接先导。各次负极性直窜先导的平均2D发展速度在（4.0～12.4）×106 m/s之间；首次回击和各次继后回击的回击速度差别不大，在（1.0～1.3）×108 m/s之间，回击光强脉冲的10%～90%上升时间在2.2～3.2 μs之间，半峰值时间在53.4～81.6 μs之间。整个闪电过程持续时间约为864 ms，首次正回击和第1次负极性继后回击的间隔时间（大于150 ms）明显大于各次负极性继后回击的间隔时间（13～70 ms），在首次回击和继后回击发生后均存在数次明显的M过程（图5）。（吕伟涛）

3……地基全天空云检测方法

传统的二维（2D）红蓝通道算法广泛应用在全天空云检测方法中，但现有方法对太阳周边区域云检测和天边区域都有较大的误差。通过分析彩色CCD相机的成像原理，提出了一种基于绿色通道的全天空云检测算法。算法首先基于太阳定位算法计算出太阳中心在全天空图像中的坐标，并根据太阳的高辐射特性判断出图像中的太阳是否被云遮挡。再基于彩色全天空图像的绿色通道，通过数学形态学方法模拟出全天空背景亮度，并结合太阳是否被云遮挡的信息对模拟出的背景在太阳区域和天边区域进行亮度调整，通过背景去除就能得到云的初步检测结果，再去除晴空太阳未被云遮挡时太阳区域的