基于单站测量低频磁场进行双极性窄脉冲定位外文翻译资料

 2022-11-29 03:11

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基于单站测量低频磁场进行双极性窄脉冲定位

张鸿波,陆高鹏,郄秀书,蒋如斌,樊艳峰,田野,

孙竹玲,刘明远,王志超,刘冬霞,冯桂力

(1.中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京 100029;

2.中国科学院大学,北京,100029;

3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

4.中国气象局气象探测中心,北京 100081;

5.山东省气象局大气探测中心,山东 济南 250031)

摘 要: 本文研发了一种基于单站测量低频(LF,40-500kHz)磁场来定位双极性窄脉冲(NBE)的方法。利用正交磁传感器的测向提供NBE的方位角;利用电离层对闪电的反射来确定距离和高度。我们应用这种方法分析了2013年夏季在山东人工触发闪电实验(SHATLE)期间记录的磁场信号,确定了1475个NBE的三维(3D)位置。我们通过比较两个不同尺寸的中尺度对流系统(MCSs)的雷达发射率和全球闪电定位监测系统的闪电数据,对NBE产生的雷暴背景进行分析。正如以前的研究表明,NBE往往产生于雷达回波相对较强的对流区域(组合反射率ge;30dBZ),但不是所有的强反射率区和闪电活跃区都有利于NBE的产生。根据单站磁定位法定位的正负极性的NBE在高度上也表现出明显的区别,正极性NBE主要发生于7—15km之间,负极性NBE主要发生14km以上。综上所述,比较结果表明,三维定位的精度仍需基于传统的多站时差法,但基于单站磁定位法的NBE定位也具有良好的可靠性。这种方法可以用于追踪800km范围内的雷暴对流运动,特别是在超出气象雷达观测范围的海域(一般<400km),通常多个地面基准站不可行时,可以用来研究海洋雷暴中的NBE。

关键词:双极性窄脉冲;低频磁场;定位技术;电离层反射;单站探测

1 引言

双极性窄脉冲(NBE)是一种独特的脉冲式、云内闪电(IC)放电类型,其特征是窄双极电磁波形(典型的时间尺度为10-20),通常伴随着强大的甚高频(VHF)辐射。根据NBE相关电荷矩变化的典型大小(通常<1Ckm)和NBE的持续时间,推断NBE合理的物理空间范围为300-1000m。近来,宽带VHF干涉仪的二维(2D)映射的11个NBE的垂直尺度在400m至最大1.9km的范围内。虽然NBE以其不同于同一雷暴中其他闪电而闻名(主要是时间尺度上),但一些NBE确实表现为正常双电平IC闪电的初始事件,表明两个极性相反的电荷区之间的强电场为NBE的产生提供有利条件。此外,以前基于地面电场仪测量的NBE表明,不同极性的NBE(即由初始脉冲的极性定义的正极性或负极性)往往决定了不同的高度范围。2004年,史密斯等人利用高层闪电的电离层反射,计算了超过100000个NBE的距离地面的高度,发现正极性NBE大多位于7-15km之间,负极性NBE通常出现在15-20km之间。其他有关于不同雷暴区产生的NBE的研究也证实了不同极性的NBE在高度上的分隔。在闪电的典型电荷结构背景下解释这些观察结果,我们推测正极性NBE出现在主负电荷区和上部正电荷区之间,而负极性NBE主要发生在上部正电荷区和负电荷屏蔽层之间。

统计分析表明,虽然从雷达回波推断的最强对流可能不会产生NBE,但NBE仍然有可能表明雷暴中的最强对流。据推测,NBE速率和源高可以用来预示雷暴中对流上升气流强度的变化。具体而言,负极性NBE的首次出现和频率通常对应着对流强度的增强。NBE的时间和空间分布通常与一般闪电呈现相似的模式,但是它更集中于具有高雷达回波的不均匀区域,并显示出对流发展特定阶段的依赖性;NBE与对流强度之间的相关性没有整个闪电那么强。尽管如此,NBE已经引起了雷电研究界的广泛关注,因为我们可以通过卫星和地面平台来定位NBE发生的聚集点,从而跟踪雷暴对流中心的运动,为监测潜在的灾害性天气系统提供了一种替代方法。

NBE的三维(3D)定位可以通过多站探测相关的脉冲信号来确定,但NBE辐射的磁信号的测量很少报道。本文提出了一种基于两个正交感应线圈记录低频(LF)雷电磁场信号对NBE进行三维定位的单站定位方法。利用两信道波形最佳匹配的测向技术(DF)提供了NBE的方位;与同步雷达的观测值对比消除方位中的180°模糊度。对地球——电离层波导中的一阶电离层反射进行监测,以确定NBE的距离和高度。

与之前的采用单站天波测量来定位闪击的工作相比,我们对NBE进行三维定位的方法的优势在于利用了高分辨率测量闪电天波。以前的工作大多采用相对较低(<10kHz)的频率。我们在相对较高的采样率(本工作中为1MHz或5MHz)下测量NBE相关LF天波时,能够确定NBE的高度。

在本文中,我们将单站磁定位法应用于2013年夏季在中国山东省北部记录的LF天波。本文第二节阐述了测量方法和数据。第三节介绍了单站磁定位法。第四节中,我们把采用此办法在两个不同尺度的雷暴中探测的NBE结果与雷达反射率观测结果和全球闪电定位系统(WWLLN)的探测数据进行了对比。第五节介绍了单站磁定位法在雷达探测距离340km以外跟踪海洋雷暴的初步应用。第六节将本文的主要工作进行了总结。

2 测量方法及数据

这项研究的数据记录于2013年夏季在中国山东省滨州市农村的山东人工触发闪电实验(SHATLE)期间。 如图1a所示,SHATLE站点(37.8284°N,118.1150°E)位于渤海海域的边缘,地面非常平坦,海拔在10米以下,这有利于我们跟踪探测移动到海洋的雷暴。本研究中使用的雷达数据分别来自位于山东省济南(36.803°N,116.781°E)和青岛(35.988°N,120.229°E)的两个S波段雷达(图1a中的黑色三角形)。我们主要利用雷达每6分钟提供的综合反射率进行分析;通过对雷暴的实际观测,两座雷达的探测距离大约为340km。我们的分析还涉及山东章丘探空气球探测的温度曲线。

2.1 磁场的测量

图1b显示了本文使用的磁性传感器在实验室测量的频响曲线,为40-500kHz的3dB带宽。如插图所示,磁性传感器包含两个感应线圈(分别指向东西和南北),连接到预处理放大器,并安装在观察建筑物屋顶上的塑料盒中。两个通道的输出在触发模式下连接PCI-5105数模转换卡(由National Instrument制造),并且触发信号用精确的GPS时间标记(精度为50ns);根据当地雷暴情况,我们使用1MHz和5MHz两个采样率来记录。对于每个触发器,每0.1s时间间隔将数据传输到磁盘。此系统测得的数据已经被用于监测火箭触发闪电的初始连续电流期间和正先导相关的磁脉冲。虽然磁传感器(包括传输电缆和数据采集设备)已经在实验室进行过校准,但SHATLE现场的雷电磁场测量仍受环境地物特征畸变的影响。

图1(a)中国山东省济南和青岛(黑色三角形)的LF传感器(用“x”符号表示)和气象雷达的位置,基于实验室的校准,短划线圈标示雷达的探测范围(约340km);(b)LF传感器的频响曲线(插入图为具有两个正交线圈的组装传感器)

在2013年夏天,我们记录了宽带磁场信号,在触发电平上记录了总共大约27.8万次闪电事件及其相关磁场,其中包括WWLLN探测到的许多事件。一致的测量结果用于验证我们的磁测量性能 (如时间的准确性和测向的准确性)。由于WWLLN系统的传感器主要探测6-19kHz频带的闪电,所以WWLLN很少探测到NBE。在我们的记录中,有六个NBE似乎与WWLLN放电有关,而详细的检查将其全部归因于强烈的云内闪电放电的先导放电。

NBE的信号与其他类型的放电(例如地闪和一般IC放电)明显不同。根据之前对NBE信号特征的研究,我们进一步制定了以下标准来选择适合当前研究的NBE:(1)NBE信号(信噪比ge;10)与其他闪电放电时间间隔至少为1ms(大约是地波与第一电离层反射之间最大可能时间延迟的两倍,这样随后的IC放电(如果存在的话)则不会触发自动程序来计算NBE的范围和高度),所以NBE的触发类型也需要被检查。(2)主脉冲上升沿的时间小于5。(3)仅使用具有良好定义的电离层反射对的NBE信号。最终,我们选择了总共1475个NBE构成本研究的LF天波的数据集。如表格1所示,将2013年测得的所有的8288个NBE和上述标准(1)和(2)相比,具有明显电离层反射对的事件占17.8%。 根据我们的数据,可以在任何一天的任何时间找到具有清晰电离层反射的NBE天波。

在第3节中,我们选择了两个产生最多NBE的雷暴来验证单站磁定位方法的性能。这两次雷暴分别是8月9日—10日(简称为雷暴1)和8月17日—18日(雷暴2)发生的不同大小的中尺度对流系统。在本文中,除非另有说明,否则使用世界协调时间(UTC,将其转换为北京时间增加8小时)。

表格1 利用低频(LF)磁传感器2013年夏季在山东省人工触发闪电实验(SHATLE)期间观测NBE

2013年的日期

NBE数量

时间(UTC)

雷暴类型

总数

清晰的反射对

8月8日

914

105

06:10–23:45

普通风暴

8月9日

48

36

06:35–09:50

中尺度对流系统

8月9 - 10日(风暴1)

1196

171

16:30–24:00

中尺度对流系统

1083

223

00:00–03:25

8月13日

452

174

14:00–21:50

超级单体风暴

8月17 - 18日(风暴2)

3716

696

12:30–24:00

中尺度对流系统

9

4

00:00–00:30

8月18日

132

50

06:50–09:40

孤立的风暴

2.2 NBE的磁场信号

图2a显示了用我们的磁传感器记录NBE的典型天波波形;为了比较在同一雷暴中发生的地闪(CG)和一般的云内(IC)放电,图2的b和c分别绘制二者。 在本文中,我们采用正极性试验电荷转移,正(负)闪电放电向下(上);指向东(或北)的磁场极性定为正的大气电学传统。

我们可以通过磁传感器的两个正交感应线圈的独立测量之间的比率来确定雷电源的方位角(在本文中定义为相对于真北的顺时针角),这是一个已被充分记录的测向(DF)技术。 对于本文所测量的测量结果,通过触发闪电的情况已经验证了DF准确度;通过对在数百公里范围内的远距离雷电放电的测量来进行DF精度的进一步评估。我们检测了世界闪电定位网络(WWLLN)在距SHATLE 4300公里范围内监测到的800多次雷击的方位角。与WWLLN地点的比较,精确度通常为5公里,建议磁DF法通常可以约束<2°不确定度的雷电放电方位,在400公里范围内转化为约14公里的径向不确定性。

图2 低频磁传感器测量的(a)双极性窄脉冲和(b)地闪的波形

3 确定高度和范围的方法

根据相关的LF磁场信号,我们采用Smith等人描述的方法来计算NBE的高度和范围,相似的方法也被Cummer等人应用以确定与地面伽马射线灰烬有关的闪电放电的高度。

图3a和b分别显示了正极性NBE和负极性NBE的天波磁场信号。 我们采用与Nagano和吴等人相似的程序,采用来自电离层反射的地面波峰值时间与前两者的峰值时间之差(分别表示为和)来确定NBE的范围和高度。

由磁传感器接收的针对特定雷电放电的射频信号可以分解成地球—电离层波导中的直接波(地波)和多次反射波。如图3c,我们只考虑图三a和b中的前两个分别与中所示跃点相关的反射。 考虑到地球的曲率,对于位于高度h(在平均密封水平,msl之上)和距离磁传感器的距离d处的NBE,计算从NBE到磁传感器的前两个反射的传播距离,公式如下:

其中H是电离层的虚拟高度,是地球的半径。地面波与前两个反射跃点之间的时间差和,其中,。

从单站磁测量中,我们只能检索和的估计值,而有三个未知量(即d,h和H)需要确定。 此外,电离层的反射高度在一天内随着时间而变化,并且对于不同频率的电磁波。 因此,推测电离层的反射高度(即电离层虚高度)是参照基于由史密斯等人提供的方法。 我们首先导入它们的结果来导出曲线以显示电离层

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