GRL:基于甚高频辐射源定位的闪电通道形态特征与电荷结构的配置关系分析
发布时间: 2022-08-11


雷暴云中电荷的空间分布决定着闪电通道的形态特征和发展传输过程,但云中电荷的分布难以测量。目前具有高时空分辨率且可以描绘三维闪电通道形态的测量技术能够被用于揭示闪电通道的发展传输特征及其与电荷结构的关系。

2022世界杯(卡塔尔)买球入口/大气科学研究院的李雨芮博士生、张义军教授联合中国气象科学研究院张阳研究员与美国新墨西哥矿业技术大学合作,基于LMALightning mapping array)对6次自然闪电的三维辐射源定位资料,研究了闪电通道形态表征方法,得到了分形维数的空间分布,发现分形维数分布不但客观反映了闪电通道形态,也和通道发展传输特征有一致的时空对应关系:

1)分形维数和通道形态及辐射特征密切相关。一方面通道分支较多和发展传输方向改变的区域分形维数较大,而通道的单向延伸区域的分形维数较小;另一方面,分形维数大的区域对应着功率密度的大值区,分形维数小的区域对应着功率密度的小值区(图1)。

2)分形维数表征的通道形态和先导发展速度存在相关性,当先导在水平电荷区发展的过程中,会在分形维数和功率密度较大区域加速,达到开始速度的2.5-4倍;而在分形维数和功率密度小的区域传播的先导速度较小(图2)。

3)分形维数、功率密度和通道发展速度较大区域可能对应电荷密度大的区域,也揭示了局部强电场位置,在形态上分叉和转向位置很可能存在小区域的电荷密集区(pocket charge)(雷暴云电荷结构与闪电通道形态的概念模型见图3),这为利用闪电形态信息来揭示雷暴云中闪电通道路径上的电荷分布提供了新方法。


论文信息Li, Y., Zhang, Y., Zhang, Y., & Krehbiel, P. R. (2022). Analysis of the configuration relationship between the morphological characteristics of lightning channels and the charge structure based on the localization of VHF radiation sources. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099586. https://doi. org/10.1029/2022GL099586


1. (a)通道形态叠加分形维数,(b)通道形态叠加功率密度分布。黑色线代表拟合通道;灰度图代表分形维数分布;蓝色方框表示拐点位置;红色方框表示分叉位置;黄色方框表示通道单向延伸区域。


2. (a) Flash1的时间-高度图;(b) flash1的平面投影;(c)(a)中彩色部分的局部放大图;(d)先导速度随时间的变化;(e) VHF辐射源叠加0.25*0.25 km拟合通道的分形维数;(f)VHF辐射源叠加能量分布。灰色点表示了整个flash的分布,彩色点表示分析的区域,灰度图表示分形维数分布和能量分布。


3.雷暴云电荷结构与闪电通道形态的概念模型。红色"+"和蓝色"-"分别代表正电荷区和负电荷区;密集程度代表电荷密度的大小;黑色圆点表示辐射源。


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