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基于单站低频磁场的闪电双极性脉事件的定位
摘要：我们发展了一种基于单站低频磁场（40-500kHz）测量的闪电双极性脉冲事件的定位方法。其中双轴磁棒的方向发现提供了NBEs相对于测站的方位角。在相关的雷击天电的电离层反射对被用来确定范围和高度。我们运用这种方法去处理2013年夏天在山东沾化人工引雷基地探测到的1475例NBEs的磁场信号以得到它们的三维坐标。通过对不同地区的两次中尺度对流系统的雷达反射观测和全球闪电定位网数据的比较来评估风暴中NBE的探测情况。根据之前的研究发现，NBEs主要产生在强雷达回波区域（反射强度要大于等于30dBz）。虽然不是所有雷达强回波区域和积极闪电产生区域都能产生NBE。通过单站磁信号定位出来的NBEs位置也能用来揭示正负极性NBEs发生高度的偏差。正极性的NBEs主要产生在7-14km,负极性的NBEs主要产生在14km以上。虽然单站磁定位的方法还需要传统的多站定位去评估，但是总体上来说，和其它方法相比的结果表明单站磁定位具有很高的可信度。这种方法可以用来追踪1000km以内的对流风暴的运动轨迹，尤其当他们移动到超出气象雷达探测距离（通常小于400km）的海洋上时，这种方法使得对那些无法架设多站的海洋雷暴的探测具有很大的意义。
关键词：双极性窄脉冲事件；低频磁场；方向定位技术；电离层反射对；单站探测技术。
- 引言
双极性脉冲事件是一种独立的脉冲型云中闪电放电类型，它具有一种双极性的电磁脉冲波形(通常时间尺度为10-20micro;s),并且它们通常伴随着很强的甚高频辐射[Smith et al., 1999, 2002; Wang et al., 2012]。典型的NBE相关的电荷矩改变量大小和NBEs的长短显示NBEs物理上合理的空间尺度是300-1000m。最近，甚高频宽带干涉仪的两维（2D）的映射结果约束了11例NBEs的垂直刻度从400m到最大1.9km [Liu et al., 2012]。
尽管在同一次雷暴中，NBEs与其他类型的闪电在时间上是显著分离的，但是NBEs确实作为bi-level云闪的始发事件，这也暗示了NBEs发生的有利条件位于两块极性相反的强电场区域。此外，之前的地基电场NBE的观测揭示了不同极性的NBEs趋向于发生在不同的高度上（正负极性是由初始脉冲的极性决定的）。使用一定高度闪电源的电离层反射对来估算NBEs的高度发现正极性的NBEs大约发生在7-15km上，负极性的通常发生在15-20km上。这种不同极性NBEs发生高度的分离证实了对不同区域雷暴中产生的NBEs的研究[Jacobson and Heavner, 2005; Zhu et al., 2010, Nag et al., 2010; Wu et al., 2011, 2012; Wang et al., 2012]。结合雷暴中典型的电荷结构来分析这些观测[e.g., Stolzenburg et al., 1998a, 1998b]，正极性的NBEs主要发生在上正下负的电荷区域中，而负极性的NBEs主要发生在上负下正的电荷区域中[Wu et al., 2012]。
尽管雷达回波中的强对流区不一定产生NBEs，但是基于统计意义上的分析可以将NBEs作为雷暴中的强对流区的指示标识[Wiens et al., 2008]。NBEs的比率和源发生的高度已经被证实可以作为雷暴中对流区上升气流强度的指示标识[Suszcynksy and Heavner, 2003]。尤其是，首次出现以及负极性NBEs的频率总是和对流强度相一致[Liu et al., 2014]。NBEs的时间和空间分布通常展现出与普通闪电类似的模式，但它更集中在具有高的雷达回波的对流区，并显示出对对流发展特定阶段的依赖性，而且NBEs与对流强度之间的相关性不强以至于我们使用总闪电速率[Jacobson and Heavner, 2005; Wiens et al., 2008]。尽管如此，NBEs已经吸引了来自雷电研究界的广泛关注，因为我们可以从卫星和陆基平台定位得到的NBEs发生集群位置来追踪雷暴强对流核心的运动，以此来提供一种可供选择的监测潜在的致灾天气系统的手段。
NBEs的三维位置可以通过多站相关电场脉冲探测到[Smith et al., 1999; Wu et al., 2011; Luuml; et al., 2013; Liu et al., 2014]，与NBEs相关的磁信号的测量是很少被报道的。在这篇文中,我们提出了一种单站方法去推算NBEs的三维位置，该方法利用两根正交的磁圈来记录低频闪电磁信号。侧向技术使用两通道波形的最佳匹配提供NBEs的方位[Krider et al., 1976];同时段雷达的观测结果被用来消除定向上180度的不确定度。地球电离层波导的一阶电离层反射对被检测以此来估算NBEs的高度与范围。
通过与之前使用单站天电测量来定位闪电回击位置研究的对比，我们估算NBEs位置的方位具有高分辨率的低频天电测量优势。之前的大多数工作使用的是低频带（lt;10kHz）的闪电信号[e.g., Rafalsky et al., 1995; Brundell et al., 2002]。与NBE相关的低频天电采用相对较高的采样率来测量（1MHz或5MHz）可以保证我们确定NBEs的高度。
在这篇文中中，我们将要采用单站磁定位技术去记录2013年夏天发生在中国山东省北部的低频天电事件。在这篇文中中使用到的数据和测量方法将在文中第二部分介绍。单站磁天线定位方法的细节介绍将在第三部分说明。在第四部分，利用单站磁定位对不同地区的两次雷暴中的NBEs进行探测的方法就被检测，我们通过与雷达反射观测和全球闪电定位网的探测数据对比，以此来评估这种方法的特性[Hutchins et al., 2012]。在第五部分，对于超出雷达探测范围的海洋上的雷暴，单站磁定位法将在这里做初步应用。第六部分，我们将对这篇文章的主要工作进行总结。
- 方法与数据
这篇文中的数据是2013年夏天在中国山东省滨州郊外的人工引雷基地纪录到的。正如图1所示，人工引雷基地位于（37.8284°N, 118.1150°E）位于渤海边，该方法为探测雷暴移动到海洋上提供了一种可能。其中使用的雷达是两台S波段雷达，分别位于山东济南和青岛。我们采用每6分钟一次的平扫来获得雷达数据。通过对雷暴的准确观测，两台雷达的探测距离大约为340km。我们的分析同时也参考了山东省章丘的探空探空气球测得的温度廓线数据。
图1.(a) 低频磁天线的位置（用'times;'来表示），中国山东省济南和青岛气象雷达的位置（黑色的三角）。虚线圈来表示雷达的探测范围（340km）。(b)低频磁天线的频率响应（插图显示了带有两根正交磁圈的集成传感器）
2.1 磁场数据测量
NBEs信号与其他类型的闪电是显著分离的(例如,地闪和普通的云闪放电) [Smith et al., 1999; Wiens et al., 2008]。根据之前对NBE信号额特性研究，我们补充下面的标准来帮助从其他闪电中识别出NBE信号：(1)NBE信号（具有很好的信噪比）与其他类型的闪电信号至少有20ms的时间间隔；(2):主脉冲的上升沿时间小于5mu;s[Smith et al., 1999; Luuml; et al., 2013; Wu et al., 2014]; (3)只有NBE信号中的具有明确定义的电离层反射对。最终，我们探测得到了1475例NBEs作为此次研究的数据集。正如表1所示，通过与7886例NBEs进行对比，其中具有明显电离层反射对的只占到18.7%。根据我们的结果，天电中的NBE在一天的中的任何时候都可以被探测到。
|
Date of 2013 |
Number of NBEs |
Time (UTC) |
Storm type |
|
|
Total |
With clear reflection pairs |
|||
|
August 8 |
914 |
105 |
06:10--23:45 |
Ordinary storm |
|
August 9 |
48 |
35 |
06:35--09:50 |
Mesoscale convective system |
|
August 9-10 |
1196 |
177 |
16:30-24:00 |
Mesoscale convective system |
|
1083 |
223 |
00:00--03:25 |
||
|
August 13 |
452 |
174 |
14:00--21:50 |
Supercell storm |
|
August 16 |
538 |
12 |
22:40-24:00 |
Ordinary storm |
|
August 17-18 |
3716 |
700 |
12:30--24:00 |
Mesoscale convective system |
|
9 |
4 |
00:00-00:30 |
||
|
August 18 |
120 |
47 |
06:50--09:40 |
Isolated storms |
表1.2013年夏天山东省人工引雷实验低频磁天线观测得到的NBE。
在第三部分，我们选择两个典型的雷暴，一次发生在2013年8月9-10号，一次发生在2013年8月17-18号，其中包含许多次NBEs，通过这个我们来介绍单站磁天线三维定位的工作方法。整片文章中，除非另有说明，否则采用世界时（比当地的北京时间提前8小时）。
-
- NBEs的磁场信号
图2a展现了一张典型的利用我们磁天线测得NBEs的波形图；图2b是一张明显的地闪回击图；图2c是普通的云闪图。
图2.(a)是宽带低频磁天线测得的NBE；(b)是一次地闪回击。
通过从磁传感器的两个正交感应线独立测量值之间的比，我们可以定位出闪电源的方位，这就是已经成熟的方向定位技术[e.g., Krider et al., 1976]。对于本文测量的研究，方向定位技术已经被一个触发闪电个例所验证[Lu et al., 2014]；通过数百km范围初的远距离闪电的测量，进一步的方向定位技术被发展。我们对距离人工引雷实验基地300km外的全球闪电定位网探测到的800例闪电回击事件的方位角进行检测。通过与全球闪电定位网的定位结果（精度通常小于50km）比较，磁方向定位技术通常能将闪电方位角的误差约束到2度范围内[Krider et al., 1976; Cummins et al., 1998]，将它转换到径向上400km范围上的不确定度为14km。
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确定范围和高度的方法 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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