第1章雷电天气系统探测技术及协同观测
　　雷电天气系统（通常称为“雷暴”）是指产生雷电（也称“闪电”）的一类强对流天气过程，通常伴随强降水、冰雹、大风、下击暴流，甚至龙卷风等，局地性和突发性强，是一种高影响灾害性天气事件。
　　以强烈的上升气流、下沉气流和水平风切变等为特征的动力过程，以各类水成物粒子增长和相变为特征的微物理过程，以起电和闪电为特征的电过程是雷暴天气系统中同时存在的几类重要过程，它们密切相关，相互影响。雷电作为雷暴系统的特征性过程，强烈地依赖于雷暴中的动力和微物理过程。动力过程尤其是上升气流是云内水汽输送、水成物粒子形成和增长的必要条件，水汽和水成物粒子相变引起的潜热释放又进一步促进了上升运动的发展。动力和微物理过程进一步通过云内各类水成物粒子，特别是冰相粒子之间的碰撞和相对运动等共同作用影响云内的起电过程，并促进荷电粒子的分离和不同电荷区域的形成。同时，起电和放电过程也通过电场力的改变和能量的释放等反过来影响云内的流场和微物理特征的演变。因此，对雷电天气系统的科学认识不仅要包括对其大尺度环境场，局地热、动力条件的认识，更应该包括雷暴系统本身的动力、微物理和电过程的认识，并充分认识雷暴生命史中这些多尺度、多过程的演变特征以及他们之间复杂的相互作用，这是揭示雷电重大灾害天气系统的生消和演变机理的重要基础，对提高雷电、雷暴和强对流天气灾害精细化短临预报也十分重要。
　　北京西邻太行山脉，北接燕山山脉，东南面向渤海，南部则为华北平原。这种西高东低、北高南低的特殊地形配置，以及独*的下垫面条件和大城市热岛效应，造成北京夏季常发生强烈的雷暴天气，带来局地暴雨、雷电、短时大风和冰雹等强对流天气灾害，也是实际业务工作中的难点（陈明轩和王迎春，2012；孙继松等，2013；Xiao et al.，2017）。为了解华北地区的雷暴天气系统，特别是北京地区致灾性雷暴的发生、发展和机理，国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理”（简称“雷暴973”）在北京组织实施了为期五年的雷暴强对流天气系统的暖季协同综合观测实验（郄秀书等，2020）。本章主要介绍雷电的高时空分辨率测量技术、雷暴云电场探空技术、基于X波段多普勒双线偏振雷达的水成物粒子识别方法，以及以这些技术为基础开展的雷电天气系统协同观测，利用这些观测资料对北京地区几个代表性雷暴的闪电特征进行分析，并给出北京地区的闪电时空分布特征。在后面几章中将利用北京协同观测资料和已有历史资料在不同方面开展分析研究。
　　“雷暴973”项目在北京地区开展综合观测实验的同时，为了解高原特殊的雷暴云电荷结构和闪电特征，还在青海大通开展了观测实验，有关工作在第4章介绍。同时，项目还在山东滨州、广东从化开展人工引雷实验，并在广州和北京开展高塔或高建筑物雷电观测实验，以研究雷电的物理机制、影响及雷电灾害的防护等，有关的实验和研究结果将在第5章介绍。
　　需要说明的是，本书重在对“雷暴973”项目取得的一些创新性成果进行总结，与闪电和雷暴电学有关的一些专业术语和基本知识，可以参见张义军等（2009）和郄秀书等（2013）。除特殊说明外，本书所用时间均为北京时间，高度基于黄海高程。
　　1.1雷电全闪三维定位网
　　通常可以将闪电分为地闪和云闪两大类。发生于云体与大地之间的云对地的放电称为地闪；发生在雷暴云内正负电荷区之间、不同云之间以及云与空气之间等所有未击地的放电统称作云闪。平均而言，地闪占闪电总数的比例小于1/3，而云闪则占2/3以上。
　　由于地闪对地面物体和人民生命财产的直接影响，国际上从20世纪80年代就开始发展地闪定位网（Krider et al.，1980），并不断发展完善，到90年代，包括北美和欧洲国家在内的大部分国家都已安装了区域性的地闪定位网，并以美国国家闪电网为代表（National Lightning Detection Network，NLDN）（Orville，1994；Cummins et al.，1998；Orvilleetal.，2001）。80年代，中国科学院原兰州高原大气物理研究所（后更名为寒区旱区环境与工程研究所）就从美国Arizona大学进口了*早的三站闪电定位系统，并先后在甘肃和北京开展闪电定位观测研究（郄秀书等，1990；Yanetal.，1992；Qie et al.，1993）。90年代末以来，我国电力、林业和气象部门都相继开始建设以地闪为探测对象的闪电定位网。目前中国气象局的全国闪电定位网（Advanced TOAand Direction system，ADTD）、国家电网广域闪电监测网（简称“电网地闪网”）实质上都是在此基础上发展的一种地闪定位网，可以对地闪发生时间和落地点位置进行定位，由于只对具有地闪回击特征的电磁波进行探测和定位，因此理论上不具有对云闪的探测能力。
　　由于自然界中的云闪次数远高于地闪，而且雷暴单体中第一个闪电通常总是云闪，可以更好地指示强对流天气的发生和发展，因此研发具有可同时探测云闪和地闪的全闪定位技术，不仅是雷电物理与雷暴云电荷结构研究的迫切需要，也是强对流天气灾害监测预警和一些重要场所（如航天发射场、油库等）雷电快速定位监测的国家重大需求。为对包括云闪和地闪在内的全闪放电过程进行探测和定位，“雷暴973”项目发展了一套宽频段闪电定位网（Broadband Lightning NETwork，BLNET），并在北京布网观测，下面主要介绍其站网布局、测站设备、定位算法以及探测性能和评估等。
　　1.1.1北京宽频段闪电定位网的布站和设备
　　为在雷暴尺度上研究闪电活动，2008年开始，中国科学院大气物理研究所在北京建设宽频段闪电全闪三维定位系统，并在“雷暴973”项目支持下建设完善，被称为北京宽频段闪电定位网。
　　闪电探测一般是被动接受闪电产生的电磁波信号，而京津冀大城区群区域具有十分复杂的电磁环境，例如，如广播、通信、测量、测试等无线电信号，对闪电探测常造成严重干扰，选择不受电磁环境干扰的测站十分困难，因此建设之初BLNET只有7个测站，主要传感器为低频（LF）快天线和慢天线闪电电场变化仪（分别简称为快天线、慢天线）以及大气平均电场仪（简称电场仪）。为减小无线电干扰的影响，经过长期测试和站址调整，并相继采用接地、降低增益、滤波等措施，在北京市气象局支持下，2013年BLNET扩充到10个测站（王宇等，2015；武智君等，2016a，2016b），主要传感器改为快天线、慢天线和甚高频（VHF）闪电探测仪。2014年又增加5个测站（Wang et al.，2016；Srivastava et al.，2017），并将部分测站的慢天线换为LF磁天线。
　　2015年开始，共有16个测站和一个中心站稳定运行，基本形成了一个同时具有云闪和地闪定位能力，研究和业务相结合的局域性闪电三维定位网。多频段、多传感器的配置既是闪电物理研究的需要，也是期望通过多频段的配置尽量降低无线电背景干扰对闪电探测的影响。如图1.1所示，BLNET的16个测站分别位于大气所（DQS）、大兴（DX）、房山（FS）、古将（GJ）、怀柔（HR）、密云（MY）、南苑（NY）、平谷（PG）、上甸子（SDZ）、三河（SH）、石景山（SJS）、顺义（SY）、通州（TZ）、香河（XH）、延庆（YQ）、真顺（ZS），大部分位于北京市各区县气象局或人工影响天气炮点，2个探测子站XH和SH站位于河北省境内。探测网的覆盖范围大约为东西110km，南北120km，平均基线长度约45km，属于短基线定位系统（注：极短基线：几十至几百米；短基线：几十公里；长基线：几百至上千公里），系统*远有效探测半径约200km，可覆盖北京、天津及河北部分地区。
　　表1.1给出了BLNET各测站主要探测仪器的性能参数。四套仪器涵盖了云闪和地闪大部分放电过程的主要频段，可以反映不同的闪电放电过程。各测站利用授时精度优于50ns的GPS确定闪电电磁脉冲的到达时间。
　　大气所站是观测主站，也是数据汇交和定位计算中心，数据存储和实时定位计算均在此进行。此外，在大气所还架设了大气平均电场仪和高速摄像、全视野视频拍摄光学设备，光学资料既可以用以雷电物理研究，也可以对BLNET的探测性能进行评估。BLNET各测站可实现对所有闪电信号的高速同步观测及数据存储。快天线和磁天线的采样率为5MS/s，VHF信号采样率15MS/s，垂直分辨率12bit，记录时间1s，采用预触发方式，时间通常设为200ms。BLNET雷电实时定位以自动触发模式进行，根据噪声水平，合理设置各测站的触发阈值，当快天线信号超过所设阈值时，所有通道的信号一同被采集和记录。
　　1.1.2BLNET的定位算法和流程
　　BLNET采用到达不同测站时间差（TOA）的定位原理。如图1.2所示，假设t时刻，空间（x，y，z）处发生一闪电，放电过程产生电磁辐射信号，地面上i个测站（xi，yi，zi）在ti时刻接收到一个脉冲辐射信号，其中i=1，2，3， ，n，代表测站数，则可得到如下非线性方程组：
　　式中，c为电磁波在空气中的传播速度。该方程组中包含4个未知数（x，y，z，t）。理论上，利用4个测站测量闪电信号到达的时间ti，得到如上4个方程构成的非线性方程组，则可确定闪电发生的时间和位置。但由于存在测量误差以及电磁波在传播路径上的畸变等因素，实际上对闪电辐射源进行三维（3D）定位的测站数n应有冗余，通常n≥5。
　　对上述方程组进行非线性*小二乘法拟合求解，使得拟合优度*小的一组解（x，y，z，t），即为闪电辐射源的三维空间位置和发生时间，其中：
　　（1.2）
　　BLNET采用无线通信领域的Chan和Ho（1994）算法和常用的Levenberg-Marquardt（LM）算法相结合的协同定位算法，前者为后者提供初值，后者通过多次迭代拟合得到*优解。通过和其他闪电定位算法比较，发现该协同定位算法能够更加快速有效地保证定位结果的收敛（Wang et al.，2016）。三维定位通常利用5站同步的数据进行定位计算。对发生在站网之外的闪电，一般可用的测站信号可能较少，如果有3站信号，可进行二维定位，但是在这种情况下，无法对定位结果进行*优估计，定位误差可能较大。
　　BLNET对闪电辐射脉冲的定位流程分为脉冲寻峰，脉冲匹配和定位计算三步。对于BLNET各个站点记录的电场波形来说，一般采用100μs的时间窗口来搜寻*大幅值脉冲，得到高于噪声水平的离散脉冲的峰值时间。根据背景噪声的大小，应用动态阈值技术来决定每次寻峰时的阈值标准。脉冲类型识别技术可以将每个脉冲区分为云闪脉冲和正、负地闪脉冲。寻峰结束后，可以得到每一测站各脉冲的GPS时间以及脉冲类型。
　　脉冲匹配过程则是以脉冲*早到达或信噪比较高的站点为基准站，对基准站中的脉冲依次与其余测站中满足“三角形”法则的所有脉冲分别进行匹配，即基准站的脉冲与所匹配脉冲的时间差必须小于闪电产生的电磁信号在相应两个测站间传播所需的时间差。
　　1.1.3BLNET的探测性能
　　BLNET基于闪电（地闪和云闪）辐射的电磁脉冲到达不同测站的时间差进行定位。在射频频段，一次闪电放电过程可以产生多个，甚至成千上万个辐射脉冲，BLNET可以对多测站同时接收到的系列闪电辐射脉冲进行闪电放电通道可分辨的三维动态定位，给出一次闪电过程放电通道的动态演变信息，包括每个脉冲的发生时间、位置、脉冲类型以及对通道放电电流强度（电流峰值）估计，同时还包括x2大小以及参与定位的测站数，若是回击脉冲，则还包含回击的极性。对一次闪电能够定位出的辐射脉冲数目越多，对放电通道的描述越精细。
　　1.BLNET的三维定位结果
　　BLNET实时定位的数据源主要来自快天线探测到的闪电辐射脉冲，高时间分辨率的闪电放电过程成像（mapping）定位也可以利用甚高频和磁天线信号。由于快天线的闪电辐射脉冲容易识别，因此快天线信号是BLNET*常用的闪电辐射脉冲定位数据来源。下面首先给出基于快

目录
前言
第1章 雷电天气系统探测技术及协同观测 1
1.1 雷电全闪三维定位网 2
1.1.1 北京宽频段闪电定位网的布站和设备 2
1.1.2 BLNET的定位算法和流程 4
1.1.3 BLNET的探测性能 5
1.1.4 BLNET的探测效率和定位误差 13
1.1.5 基于雷达回波对BLNET实时定位结果的评估 17
1.2 雷暴云电场-气象综合探空技术 17
1.2.1 静电感应及双金属球电场探空的原理 19
1.2.2 双金属球电场探空仪的设计和探空系统集成 20
1.2.3 探空数据分析方法 23
1.2.4 雷暴云电场-气象综合探空实验及分析 23
1.3 X波段多普勒双线偏振雷达和多探测系统协同观测 27
1.3.1 雷电天气系统协同观测实验基地和观测设备 27
1.3.2 多探测设备的协同加强观测 28
1.4 基于X波段双线偏振雷达的衰减订正和水凝物粒子反演 31
1.4.1 X波段双线偏振雷达资料的去噪和衰减订正 32
1.4.2 基于X波段双线偏振雷达的水成物粒子识别 37
1.5 典型雷暴系统生消演变过程的雷电及对应的雷达回波特征 41
1.5.1 北京地区的雷暴天气系统类型 42
1.5.2 飑线系统中闪电与雷达回波特征 42
1.5.3 超级单体雷暴系统的闪电与雷达回波特征 52
1.5.4 MCS过程中闪电与雷达回波特征研究 56
1.6 北京地区的闪电时空分布特征 60
1.6.1 雷暴和闪电的月分布特征 61
1.6.2 闪电密度时空分布特征 62
1.6.3 闪电的日变化特征 65
1.6.4 城市高建筑物的周围闪电活动 68
1.6.5 北京地区的地闪回击特征 72
第2章 雷电天气系统的动力过程与闪电活动 76
2.1 孤立雷暴的对流触发机理 76
2.1.1 个例简介及天气背景场 76
2.1.2 云分辨尺度模拟研究 79
2.1.3 对流触发机理的敏感性试验分析 80
2.2 弱天气背景下北京地区雷暴下山的增强机理 84
2.2.1 资料与个例挑选 85
2.2.2 下山增强的统计特征 86
2.2.3 下山增强与消亡雷暴的环境场 87
2.2.4 下山增强与消亡雷暴的中尺度特征 88
2.3 两次飑线系统的闪电特征与动力场的关系 93
2.3.1 两次飑线过程简介 93
2.3.2 前部对流线和尾部层云区的闪电特征 98
2.3.3 对流单体的合并过程及闪电特征 103
2.3.4 闪电活动与动力场结构的关系 107
2.4 雹暴的闪电活动与雷暴结构和降雹的关系 110
2.4.1 雹暴过程的地闪比例、地闪极性等特征 110
2.4.2 闪电活动与雷暴结构和降雹的关系 112
2.4.3 部分雹暴过程中的两次闪电活跃阶段 119
2.5 一次强飑线系统的模拟及其结构的时空演变特征 125
2.5.1 强飑线过程简介 125
2.5.2 模拟设计与验证 126
2.5.3 飑线系统的三维结构 128
2.5.4 飑线系统中冰相粒子与地闪的关系 132
2.6 雷暴系统中闪电与降水的关系以及环境场的影响 133
2.6.1 暖季闪电活动与短时降水事件的关系 133
2.6.2 环境场对雷暴系统闪电和降水活动的影响 144
第3章 雷电天气系统的云微物理过程及其对电过程的影响 151
3.1 雷电天气系统微物理结构和演变特征的雷达探测研究 151
3.1.1 一次飑线冰雹云过程中不同云区降水粒子的演变特征 151
3.1.2 一次多单体雷电天气过程过冷水垂直分布特征 156
3.1.3 一次单体雷暴云过程水凝物粒子时空分布与演变特征 158
3.2 雷暴云微物理过程的参数化方案改进及数值模拟 164
3.2.1 非球形冰晶粒子增长的参数化改进及数值模拟 165
3.2.2 非球形冰晶粒子凝华增长的四参数方案 174
3.3 雷电天气系统中水凝物粒子分布与起电区域的时空演变特征 176
3.3.1 闪电与不同相态降水关系的数值模拟 176
3.3.2 电荷结构形成与粒子分布特征的模拟 181
3.3.3 龙卷风过程的闪电和电荷结构模拟 189
3.4 气溶胶对雷暴云起电和闪电活动的影响 195
3.4.1 闪电活动与气溶胶光学厚度的关系 195
3.4.2 气溶胶对雷暴云微物理、起电过程及电荷结构的影响 200
3.4.3 气溶胶对雷暴云放电过程的影响 207
3.4.4 气溶胶对超级雷暴单体微物理和电过程的影响 213
第4章 雷暴云内电荷分布及对闪电放电特征的影响 223
4.1 青海大通地区闪电VHF辐射源三维定位系统 224
4.1.1 闪电VHF辐射源三维定位系统站点布设 224
4.1.2 闪电VHF辐射源三维定位系统的定位误差 225
4.1.3 雷暴电荷结构的判定 226
4.2 雷暴云内电荷结构及其多样性 227
4.2.1 雷暴电荷结构的演变 228
4.2.2 雷暴云电荷结构多样性变化与闪电类型 233
4.2.3 雷暴电荷结构与闪电VHF辐射源脉冲功率分布特征 237
4.3 闪电的云内初始击穿传播过程与辐射脉冲特征 241
4.3.1 闪电云内始发过程的光电特征 242
4.3.2 闪电初始预击穿过程传播方向与辐射脉冲极性相关性 246
4.3.3 闪电初始预击穿过程辐射脉冲电流模型和计算 258
4.4 云内NBE 与雷暴电荷结构的关系 261
4.4.1 NBE事件及其电场波形特征 262
4.4.2 NBE的极性及其发生高度 265
4.4.3 NBE的伴生闪电现象及其互相影响 267
4.4.4 NBE与雷暴对流活动的关系 273
4.4.5 NBE与雷暴电荷结构的关系 283
4.5 雷暴云内电荷结构对闪电的影响 285
4.5.1 不同非感应起电参数化方案对电荷结构的影响 285
4.5.2 边界层参数化方案对电荷结构的影响 287
4.5.3 雷暴云内电场力对起电和电荷结构的影响 290
4.5.4 雷暴云电荷分布对闪电放电的影响 292
第5章 雷电发展传输的物理过程及其成灾机理 297
5.1 人工引发雷电实验 297
5.1.1 人工引发雷电技术 297
5.1.2 山东沾化人工引雷实验基地 299
5.1.3 广东从化人工引雷实验基地 301
5.2 人工引雷的近距离低频磁场及通道电流反演 302
5.2.1 不同观测距离处初始阶段磁场信号总体特征 303
5.2.2 人工引雷初始电流脉冲及其电磁辐射效应 304
5.2.3 爆发式磁场脉冲辐射机制 307
5.2.4 利用近距离磁场测量反演人工引雷中的连续电流过程 313
5.3 基于人工引雷和高塔闪电的先导发展传输特征 316
5.3.1 上行正先导梯级发展传输的光学证据 317
5.3.2 上行负先导初始梯级和分叉特征 318
5.3.3 人工引发雷电已电离通道中的双向先导发展传输特征 321
5.4 高建筑物雷电连接过程的先导特征及其模拟 325
5.4.1 广州高建筑物雷电研究平台 325
5.4.2 高建筑物引发雷电的下行先导特征 326
5.4.3 高建筑物引发雷电的三维通道重构 334
5.5 多接地点雷电发展特征 336
5.5.1 多接地点雷电的光学发展特征 337
5.5.2 基于雷电VHF定位的多接地点雷电形成机制 339
5.6 雷电电磁辐射场及其传播特征 343
5.6.1 规则建筑物周围雷电电磁场分布 343
5.6.2 分形粗糙陆地对雷电电磁传播影响的数值模拟 349
5.6.3 基于FDTD分形粗糙陆地对雷电电磁传播的影响 356
5.7 雷电对架空电缆和电子通信设备的影响 359
5.7.1 人工引雷试验场架空配电线路布置和测试设备 360
5.7.2 雷电引起的架空输电线路过电压波形特征 361
5.7.3 近距离引发雷电对电子设备及SPD 的影响 364
5.7.4 雷击通信铁塔时的通信天线电磁耦合效应 370
第6章 雷电观测资料同化及监测预警方法 375
6.1 雷电与云内冰相粒子和雷达回波的关系 376
6.1.1 资料与方法 376
6.1.2 基于TRMM卫星的闪电与云内冰相粒子的关系 377
6.1.3 地基观测的闪电与雷达回波之间的关系 381
6.2 WRF-GSI云分析同化多普勒雷达及闪电资料的试验研究 385
6.2.1 GSI中云分析系统及WRF-ARW数字滤波初始化 385
6.2.2 数据及试验设计 388
6.2.3 分析与结果讨论 389
6.3 物理初始化同化地闪资料试验 395
6.3.1 物理初始化方法介绍 395
6.3.2 数据及试验设计 397
6.3.3 结果分析 398
6.4 综合调整水物质含量的总闪资料Nudging同化方法 402
6.4.1 同化方案介绍 403
6.4.2 闪电数据来源和处理 404
6.4.3 对北京20150727飑线过程的模拟对比 405
6.5 基于三维变分的总闪电资料同化方法 409
6.5.1 三维变分同化方法介绍 409
6.5.2 反演算子介绍 410
6.5.3 个例介绍 412
6.5.4 试验方案 412
6.5.5 结果分析 416
6.6 基于四维变分的总闪资料同化方法 424
6.6.1 基于四维变分的雷暴资料同化方法介绍 424
6.6.2 闪电资料的处理 425
6.6.3 同化闪电资料后的*优分析场结果 425
6.6.4 预报模式的设定和模拟个例天气背景介绍 429
6.6.5 试验的预报结果 430
6.7 雷电临近预警系统建立及应用 432
6.7.1 雷电临近预警系统整体框架 432
6.7.2 雷电临近预警系统流程 434
6.7.3 雷电临近预警系统产品 435
6.7.4 中尺度雷电预警预报系统的建立 436
6.8 中尺度起电放电模式的建立与短时闪电预报方法 438
6.8.1 模式及设置 438
6.8.2 资料及方法 440
6.8.3 预报结果定性分析 442
6.8.4 预报结果定量检验 443
参考文献 446