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1、分类号：TN972 U D C：密 级：公 开 编 号：20060211316成都信息工程学院学位论文地闪与降水的相关性论文作者姓名：申请学位专业：雷电防护科学与技术申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
2、作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个
3、人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日内容摘要随着我国闪电监测系统的建立和闪电数据的积累，许多科学工作者进行了闪电活动与降水、灾害性冰雹、大风天气的统计分析研究。
4、本文对四川省2009年1月2009年12月全年的闪电定位系统资料和相关气象台站的降雨量观测资料进行分析，完成了如下任务：1. 地闪与所有降水过程的相关关系。2. 结合雷达资料统计对流性天气过程，分析地闪与对流性降水过程的相关关系。验证上述结论。3. 通过非线性回归近似拟合，以期得到平均雨强与对应时段内地闪数的回归方程。关键词：闪电探测技术；闪电定位系统；对流性降水；近似回归摘要将你的研究背景、研究方法和结论说清清楚就行。目 录1引言61.1研究的目的和意义61.2国内外研究现状61.3本课题的研究方法72闪电探测技术的发展情况72.1地基闪电定位技术72.2星载甚高频（VHF）雷电定位技术83
5、所有降水过程及发展情况83.1对流雨83.2地形雨93.3锋面雨93.4台风雨104气象台站降雨量资料记录方法114.1气象站简介114.2气象站降雨量记录格式124.3四川省降雨量观测站简介124.3.1XYL-1翻斗式雨量传感器的原理及工作方式134.3.2XYL-1翻斗式雨量传感器主要技术指标135闪电定位系统的应用145.1闪电定位系统介绍145.2四川省闪电定位系统介绍145.3闪电定位系统的具体应用155.3.1闪电定位系统对闪电的监测和分析155.3.2闪电定位系统对闪电的预警166地闪与降水量的相关关系176.1四川省闪电次数与降雨量月变化规律176.1.1四川省闪电总次数月变
6、化176.1.2四川省降雨量月变化186.1.3闪电与降雨量月变化的相关性196.2地闪与对流性降水过程的相关关系206.2.1对流性天气过程206.2.2地闪与对流性降水过程的关系206.3分析出现差异原因24结 论25参考文献26致 谢27声 明281 引言1.1 研究的目的和意义雷电是发生在大气中的声、光、电物理现象，雷电灾害是一种自然灾害，是联合国公布的干旱、洪水、地震、风暴、瘟疫、森林火灾、火山、海啸等十种最严重的自然灾害之一1。古人曾对其的产生进行过许多神奇的猜想，古希腊人称闪电是“宙斯的神剑”，我国古代的神话小说中将其想象成为雷公电母手中降妖伏魔的法宝。从17世纪富兰克林进行了其
7、著名的“风筝实验”，并成功的揭示了雷电的电学本质以来，人类对雷电的研究就从未停止过。随着现代科技的不断进步，闪电的观测手段也不断丰富。从磨盘式大气电场仪，到VLF/LF无线探测设备，从地基的闪电定位仪，到卫星上的闪电成像传感器，从单站的闪电观测到现在区域性的闪电监测网络（如美国的国家闪电监测网），可以说，现代科技在人们认识雷电的过程中发挥了十分重要的推动作用，从而使雷电在人类面前显得不再那么神秘。各国科学家提出了各种闪电起电、放电的理论，尽管还有待证实，但还是能够比较合理的解释闪电产生的原理，这些理论的发展和完善也为人们认识和利用闪电打下了坚实的基础。四川位于中国西南部，为亚热带气候，由于复杂
8、的地形和不同季风环流的交替影响，气候复杂多样，雷电活动较频繁，造成的经济损失也越来越大。本文利用四川省2009年1月2009年12月所获取的闪电资料，分析其分布特征，并结合四川省有关气象台站的降雨量观测资料，通过非线性回归分析，建立闪电活动与降水的关系。1.2 国内外研究现状降水和起电有密切关系，但它们的因果关系尚不清楚2。闪电和降水属于同一个雷暴的两种不同现象，必然具有一定的时空对应关系。一些研究注意到降水和闪电的空间关系，Soula等3在西班牙山区雷暴研究发现地面强降雨区的位置与高空的地闪密度有较好的一致性，此外在雷暴前进的过程中，地闪强度的中心区保持与最强降雨的核心区相一致。国外有关专家
9、4研究表明，对流系统的闪电活动对降水有时是很好的“指示器”，并且正地闪对应的降水量较负地闪高。我国有关研究者56利用1988-1989年“京津冀地区中尺度气象实验”期间的地闪定位系统对北京地区雷暴中的闪电特征进行了观测研究，发现正地闪多发生在雷暴的发展阶段和消散阶段，雷电资料不仅可用来确定对流过程及其发展趋势和强度，而且有可能用来预报对流活动的发生和发展。周筠珺7等则讨论了对流和降水特征的相关性，认为强烈的闪电活动与强降雨有很好的对应关系，而与一般性降雨对应关系较差。1.3 本课题的研究方法本论文包含了如下几个方面：1) 介绍闪电探测技术的发展情况。2) 降水的种类及其发展情况。3) 简单介绍
10、中国气象台站的降雨量观测方法和数据、资料格式。4) 利用闪电定位系统对闪电进行监测、分析和预警预报的方法和手段。5) 通过非线性回归分析，建立四川省闪电总次数与降雨量的变化的关系。2 闪电探测技术的发展情况短暂的闪电放电辐射出自VLF至UHF很宽频的电磁脉冲，频率方位从极低频到超高频，其中以VLF/LF辐射为最强。闪电通常分为地闪和云闪，地闪过程一般包含一次或多次先导-回击过程，中和云内电荷量达到几库伦到几十库仑。与空气击穿相联系的云内预击穿过程、梯级先导过程、云闪等过程的辐射能量主要集中在1MHZ以上的高频段；与回击过程的辐射相比，这些过程在甚高频、超高频段辐射较强。闪电定位技术是通过对闪电
11、辐射的声、光、电磁场信息的测量，进而确定闪电放电的空间位置和放电参数。目前采用的主要手段有声、光和电磁场3类。2.1 地基闪电定位技术闪电电磁脉冲辐射场探测手段在地基闪电定位技术上的应用最为广泛。甚低频段一般采用磁向法（MDF）、时差法（TOA）以及磁向和时间差联合法（IMPACT）；甚高频段一般采用窄带干涉仪定位法（ITF）或者时差法（TOA）。从探测站点布设方式上可分为单站定位和多点联合定位。2.2 星载甚高频（VHF）雷电定位技术星载的VHF-UHF定位技术（TOA和干涉仪）可以区别云闪和地闪，目前有两种卫星VHF-UHF定位系统正在研制、试运中。一种是利用目前的GPS卫星系列，搭载类似
12、FORTE上的VHF接收机、利用DTOA技术，实现全球闪电的定位监测。另一种则是利用干涉仪天线阵列，探测和定位闪电VHF辐射的ORAGES。虽然利用这两种技术实现星基闪电定位的计划还在试验阶段，鉴于星载VHF-UHF定位技术的优势，这方面技术的发展、研究将是未来雷电星基探测的一个重要方向8。3 降水的种类及发展情况3.1 对流雨大气对流运动引起的降水现象，习惯上也称为对流雨，也叫热雷雨。近地面层空气受热或高层空气强烈降温，促使低层空气上升，水汽冷却凝结，就会形成对流雨。对流雨来临前常有大风并伴有闪电和雷声，有时还下冰雹。对流雨主要产生在积雨云中，积雨云内冰晶和水滴共存，云的垂直厚度和水汽含量特
13、别大，气流升降都十分强烈，可达2030米/秒，云中带有电荷，所以积雨云常发展成强对流天气，产生大暴雨。雷击事件、大风拔木、暴雨成灾常发生在这种雷暴雨中。 对流雨以低纬度最多，降水时间一般在午后，特别是在赤道地区，降水时间非常准确。早晨天空晴朗，随着太阳升起，天空积云逐渐形成并很快发展，越积越厚，到了午后，积雨云汹涌澎湃，天气闷热难熬，大风掠过，雷电交加，暴雨倾盆而下，降水延续到黄昏时停止，雨后天晴，天气稍觉凉爽，但是第二天，又重复有雷阵雨出现。在中高纬度，对流雨主要出现在夏半年，冬半年极为少见。 赤道地带全年以对流雨为主。我国对流雨最多地区是海南岛和南岭山区，就季节而言，以夏季最多，春季和秋季
14、次之。就日变化而言，陆上（指平原地区）多出现在下午到傍晚，海上和盆地区域多出现在夜间。3.2 地形雨当潮湿的气团前进时，遇到高山阻挡，气流被迫缓慢上升，引起绝热降温，发生凝结，这样形成的降雨，称为地形雨。地形雨多降在迎风面的山坡（迎风坡）上，背风坡面则因空气下沉引起绝热增温，反使云量消减，降雨减少。地形雨如不与对流雨或气旋雨结合，雨势一般不会很强。 在世界上，最多雨的地方，常常发生在山地的迎风坡，称为雨坡；背风坡降水量很少，成为干坡或称为“雨影”地区。如我国台湾山脉的北、东、南都迎风，降水都比较多，年降雨量2000毫米以上，台北火烧寮达8408毫米，成为我国降水量最多的地方。一到西侧就成为雨影
15、地区，降水量减少到1000毫米左右。印度的乞拉朋齐年降水量11418毫米，也是因为位于喜马拉雅山迎风坡的缘故，成为世界年降雨量最多的地方。而处于背风坡的青藏高原，年降水量却为200400毫米。3.3 锋面雨两种性质不同的气流相遇，它们中间的交界面叫锋面。在锋面上，暖、湿、较轻的空气被抬升到冷、干、较重的空气上面去。在抬升的过程中，空气中的水汽冷却凝结，形成的降水叫锋面雨。锋面雨主要产生在雨层云中，在锋面云系中雨层云最厚，又是一种冷暖空气交接而成的混合云，其上部为冰晶，下部为水滴，中部常常冰水共存，能很快引起冲并作用。因为云的厚度大，云滴发展过程中经过的路程长，有利于云滴增大，雨层云的底部离地面
16、近，雨滴在下降过程中不易被蒸发，很有利于形成降水。雨层越厚，云底距离地面越近，降水就越强。 锋面降水的第一个特点是水平范围大，常常形成沿锋而产生大范围的呈带状分布的降水区域，称为降水带。随着锋面平均位置的季节移动，降水带的位置也移动。例如，我国从冬季到夏季，降水带的位置逐渐向北移动，5月份在华南，6月上旬到南岭-武夷山一线，6月下旬到长江一线，7月到淮河，8月到华北；从夏季到冬季，则向南移动，在8月下旬从东北华北开始向南撤，9月即可到华南沿海，南撤比北进快得多。 锋面降水的另一个特点是持续时间长，因为层状云上升速度小，含水量和降水强度都比较小，有些纯粹的水云很少发生降水，有降水发生也是毛毛雨。
17、但是，锋面降水持续时间长，短则几天，长则10天半个月以上，有时长达1个月以上，“清明时节雨纷纷”就是我国江南春季的锋面降水现象的准确而恰当的描述。 我国东部地区的降水主要是由夏季风带来的。当夏季风的暖气流登陆北上，与北方南下的冷空气相遇时，因暖空气轻，冷空气重，较轻的暖湿气就会被抬升到冷空气之上。形成了锋面雨。每年夏初，长江中游地区的冬夏季风势均力敌，这条雨在此徘徊，阴雨连绵长达一个月之久，此时正值梅子黄熟的时节，所以人们又称之为梅雨季节。等到、月份，梅雨季节刚过，随着冬季风的北退，雨带移出长江中下游地区，出现晴朗干旱的这种天气，这种在伏天发生的干旱又被称为伏旱。3.4 台风雨台风雨是热带海洋
18、上的风暴带来的降雨。这种风暴是由异常强大的海洋湿热气团组成的，台风经过之处暴雨狂泻，一次可达数百毫米，有时可达1000以上，极易造成灾害，称为台风雨。台风雨不但带来大风，而且同时伴随降水。台风中有上升气流的整个涡旋区，都有降水存在。但是以上升运动最强的云墙区降水量最大，螺旋云带中降水量已经减少，有时也形成暴雨，台风眼区气流下沉，一般没有降水。台风区内水汽充足，上升运动强烈，降水量常常很大，台风到来，日降水量平均在800毫米以上，强度很大，多属阵性。台风登陆常常产生暴雨，少则200300毫米，多则在1000毫米以上。台风登陆后，若维持时间较长，或由于地形作用，或与冷空气结合，都能产生大暴雨。我国
19、东南沿海，是台风登陆的主要地区，台风雨所占比重相当大。4 气象台站降雨量资料记录方法4.1 气象站简介自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备，主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成。随着气象要素值的变化，各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选，得出各个气象要素值。自动气象站观测项目主要包括气压、 温度、湿度、风向、风速、雨量等要素，经扩充后还可测量其它要素。数据采集频率较高，每分钟采集并存储一组观测数据。自动气象站根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为
20、有人自动站和无人自动站。自动气象站网由一个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成的。中国气象局通过几十年的业务发展与建设，在全国范围内初步建立了能基本满足实时气象业务需要的台站网。目前共有地面气象观测站点2500个左右。太阳辐射观测站98个，高空气象探测站120个。大气本底监测站4个，酸雨观测点82个，农业气象试验站70个，农业气象基本站672个。拍发绘图天气报站点650余个，为军队、民航等部门拍发各类航空危险天气报的站点每年约1000个左右，402个站的地面报和90个站的高空报参加全球(或区域)气象情报交换，每天发报量约达12万份，每月编制近万份各种气象观测记录月报表。许多台站还承担拍发省内
21、小图天气报、台风加密报、雨量报等任务。我国的地面气象观测站按承担的观测任务和作用分为如下三种9：国家基准气候站，简称基准站。是根据国家气候区划，为获取既有充分代表性的长期、连续气候资料而设置的气候观测站，是国家气候站网的骨干。国家基本气象站，简称基本站。是根据全国气候分析和天气预报的需要所设置的地面气象观测站，大多担负区域或国家气象信息交换任务，是国家天气气候站网中的主体。国家一般气象站，简称一般站。主要是按省行政区划设置的地面气象观测站，获取的观测资料主要用于本省（区、市）和当地的气象服务，也是国家天气气候站网中的主体。4.2 气象站降雨量记录格式地面气象要素数据文件名为ZIIiiiMM.Y
22、YY，简称Z文件。文件名中，Z为指示符；IIiii为区站号；MM为月份，不足两位时，前面补“0”；YYY为年份的后3位。Z文件的第1条记录为本站当月基本参数，每项参数长为5个字节，内容如下表：序号参数字长序号参数字长1区站号5字节6观测场拔海高度5字节2年5字节7自动站型号标识5字节3月5字节8雨量传感器标识5字节4经度5字节9感雨器标识5字节5纬度5字节10中国气象局对降雨量数据存储规定： 经度和纬度的分保留两位，高位不足补“0”，如北纬32度02分存“3202”。 观测场拔海高度：保留一位小数，扩大10倍存入。 自动站型号标识：I型自动站存入“1”、型自动站存入“2”,milos系列自动站
23、存入“3”。4.3 四川省降雨量观测站简介四川省地面气象观测站经过50多年的发展，地面观测体系已经建立起来。目前有地面观测站158个，其中国家基准站7个，基本站35个，一般站116个，按这些测站均匀分布，每万平方公里约3.28个站，比全国每万平方公里2.7个站略高。但是高原地区的站网密度低于全国平均水平，凉山州每万平方公里3.83个站，阿坝州每万平方公里1.57个站，甘孜州每万平方公里1.18个站，可以看出网站分布主要集中在经济较发达地区，这使得观测精度及覆盖率不能全部达到世界气象组织的要求10。四川省降雨量测量仪器型号不唯一，但是所有的仪器数据记录都是按照国家气象局规定的格式，避免了因格式不
24、同造成的统计难度。由于资料有限，现在对常用的一种仪器做简单的介绍。4.3.1 XYL-1翻斗式雨量传感器的原理及工作方式XYL-1翻斗式雨量传感器采用0.5、1毫米分辨力，特别适用于防洪、供水调试、电站水库水情管理为目的水文自动测报系统、自动野外测报站，为降水测量传感器。它是由承水口、过滤网、上筒、连接螺钉、磁钢、干式舌簧管、下筒、翻斗、限位螺钉、锁紧螺母、底座、水准泡、调平螺钉等主要部分所组成。承水口收集的雨水，经过上筒（漏斗）过滤网，注入翻斗计量。翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的三角斗室。它是一个机械双稳态结构，当一斗室接水时，另一斗室处于等待状态。当所接水容积达到预定
25、值（6.28、15.7、31.4ml）时，由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一斗室处于工作状态。当其接水量达到预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻倒时从干式舌簧管旁扫描，使两个干式舌簧管轮流通断。即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便送出一个开关信号（脉冲信号）。这样翻斗翻动次数用磁钢扫描干式舌簧管通断送出脉冲信号计数，每记录一个脉冲信号，便代表0.2、0.5、1毫米降水，实现降水遥测的目的。4.3.2 XYL-1翻斗式雨量传感器主要技术指标11：（1）承水口径：2000.6mm；（2）测量降水强度： 4mm/min在8mm/min可以工作；（3）分辨力：0.2、
26、0.5、1mm(6.28、15.7、31.4ml)；（4）误差：3%（室内静态测试，雨强为2mm/min）；（5）输出信号：单干式舌簧管通断；双干式舌簧管通断，常态时一通一断；（6）工作温度：050；（7）贮存温度：-1050。5 闪电定位系统的应用5.1 闪电定位系统介绍闪电定位仪是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的一种自动化探测设备。在探测技术上，闪电监测定位方法有声学法、光学法和电磁场法。现代闪电定位系统起源于1796年美国人克瑞德等人成功地对原双阴极示波器闪电探测仪的改进。在此基础上研制出了智能化的磁方向闪电定位系统。从这以后，世界上各发达国家和地区都开始布设
27、闪电监测定位网12。目前国际上应用的雷电定位系统主要有三种，一种是磁方向探测系统，一种是时差法系统，另一种是时差测向混合法，通过测量闪电的方位角和时间差，进行不同组合的联合定位，并采用最小二乘法进行误差订正。混合定位法测量精度远远高于前两者，是目前主流的闪电定位探测设备13。5.2 四川省闪电定位系统介绍我国的闪电定位技术是从八十年代末开始发展起来的，目前有几百个VLF-LF闪电定位系统的观测站，主要由气象、电力、电信、民航等部门和军队建设和使用。这些系统在雷电及对流性灾害天气过程的监测、人工影响天气作业指挥、雷电防护等多方面得到了广泛应用。据统计，目前我国有26个省（自治区、直辖市）气象局建
28、设了以测量云地闪电为主的雷电定位系统，探测站总数为150多个。其中，北京（3个）、山东（13个）、江苏（9个）、广西（6个）、江西（12个）、福建（9个）、黑龙江（22个）、四川（20个）、湖南（5个）、陕西（9个）、甘肃（4个）、湖北（13个）、安徽（10个）、云南（13个）、新疆（8个），且多为覆盖全省市的联网系统，并生产了一些区域性的监测产品，这大大提高了对闪电探测的精度和效率。四川省气象局闪电定位系统采用了ADTD闪电定位仪。ADTD闪电定位仪是一个基于嵌入式微处理器的电磁波探测和数据采集系统，由电场天线、磁场天线、电子电路、GPS接收机和电源等组成。主要功能是探测闪电回击发生时辐射的
29、电磁波以及测量回击电磁波到达的精确时间，并对接收数据进行处理。探测的参数有：地闪每次回击过程的时间、位置、极性、闪电强度、闪电陡度等。单站的探测范围为150180，一共有四种定位方式：二站振幅、二站混合、三站混合、四站算法。四川省闪电定位系统共有红原（3120，10750）、壤塘（3170，10144）、甘孜（3102，10043）、小金（3121，10275）、巴塘（3002，9911）、理塘（3036，9992）、康定（2960，10157）、九龙（2894，10184）、越西（2856，10166）、木里（2913，10110）、西昌（2783，10191）、会理（2668，10228）
30、、绵阳（3102，10568）、温江（3079，10376）、广元（3234，10639）、南部（3132，10604）、达川（3092，10749）、遂宁（3050，10595）、雅安（3089，10270）、自贡（2907，10520）共20个子站组成。具体位置见图5-1所示。图5-1 四川省闪电定位网5.3 闪电定位系统的具体应用5.3.1 闪电定位系统对闪电的监测和分析闪电可以分为：云闪（包含云与云、云与空气、云内放电）、云地闪、诱发闪电、球闪等多种，其中对地面设施危害最大的是云地闪电。云地闪电又可以细分为：正闪（正电荷对地的放电）和负闪（负电荷对地的放电）。闪电定位系统其核心是通过几
31、个站同时测量闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的电流参数。用Maxwell方程组和特殊路径上的传播影响，将两者联系起来。目前，ADTD闪电定位仪主要用来探测云地闪，并且能区分闪电正负极性。ADTD闪电定位仪的特点如下14：1. 当二个探测站接收数据时，也能进行较高精度的定位，定位误差一般也能保证在几公里以内。2. 当三个探测站接收数据时，采用测向数据剔除时差法的假解，定位精度和时差系统一样。3. 当四站及以上的多站网时，主要用时差探测数据定位，测向数据的意义在于：可以用时差定位结果，校正测向数据的系统误差，以便提高二站和三站的定位精度。时差测向混合闪电定位系统既可以和测向系统联合使用，又可以和时
32、差系统联合使用，有很好的兼容性。总之，时差测向混合闪电定位系统既能保证较少数目探测网有定位结果，又能保证较高的定位精度，是一种比较实用的雷电监测定位系统，其定位精度一般在几百米到1公里之间。ADTD闪电定位仪是高精度雷电定位系统，可以得到每次回击放电辐射的电磁脉冲的下列参量：回击的放电时间、回击发生的位置、100公里处回击波形的强度峰值、100公里处回击波形陡度值、100公里处回击波形陡点时间、100公里处回击波形前沿上升时间、100公里处回击波形宽度。另外，根据100公里处辐射场的波形，可以近似计算出回击的放电电荷、辐射能量。5.3.2 闪电定位系统对闪电的预警众所周知，静电场是由电荷建立的
33、，闪电的发生来源于雷云内部的电荷累积。这意味着只要能够准确检测空间静电场的变化，就可以间接了解雷云电荷累积的情况。根据多年来世界各地所记录的相关气象资料表明，闪电的发生需要一定条件，并且具有规律性：以在平地距地面约1.5m处设立的检测点为例，在一个无云天气检测到的平均场强约250V/m，而当场强检测值达到2KV/m以上时，通常意味着该地点上方雷云已经产生；如果场强持续增大至4kV/m，发生闪电现象的可能性就将超过90%；闪电发生时，场强会增大至14KV/m以上。一般情况下，独立雷云（对流雷云）或雷云群的产生需要至少约20分钟。闪电定位系统对闪电的预警正是基于上述原理设计的，它能够实时检测其所在
34、位置的静电场场强变化，并排除或修正其它非雷云电场的干扰，然后通过对其信息的处理，以确定警报等级。6 地闪与降水量的相关关系本文所用的闪电次数数据由四川省气象局防雷中心提供（放在文献最后）。四川省的闪电定位系统由分布在全省范围内的20个ADTD闪电定位仪组成。由四川省闪电定位网图可以看出，四川省的闪电定位仪分布不均匀，在经济发达和海拔较低的地区分布密集，而在海拔较高的地方和经济欠发达地区分布稀少。这给四川省闪电监测以及对四川省闪电规律分析带来了一定的困难。本文所用的降雨量数据由四川省气象局气象信息中心提供。四川省的自动气象站基本普及到县，现在全省共有地面观测站158个，其中国家基准站7个，基本站
35、35个，一般站116个。但是，气象站分布不均匀，特别在甘阿凉等欠发达地区自动气象站严重不足。希望有关方面加强对薄弱地区的建设。6.1 四川省闪电次数与降雨量月变化规律6.1.1 四川省闪电总次数月变化从2009年1月到2009年12月期间，四川省气象局闪电定位系统共监测到738417次地闪，其中负地闪703092次，正地闪35325次，负地闪占总地闪的95.2%。观测结果符合雷暴云的荷电结构，即下部为负电荷，上部为正电荷。这样的雷暴云下部的负电荷结构，离地面近，与大地间的放电相对容易。由图6-1可以看出，四川省的闪电集中在6-9月，其中6月闪电总次数为144870次，7月闪电总次数为14508
36、6次,8月闪电总次数为274370次，9月闪电总次数为145556次，最大值出现在8月。这4个月的闪电总次数占到全年闪电总次数的96.1%，这些数据也证明了在夏季陆地温度高，空气湿度大，对流比较旺盛，容易产生对流性天气。图6-1 闪电次数月变化图6.1.2 四川省降雨量月变化从2009年1月到2009年12月期间，四川省气象局158个地面气象观测站测得全省的降雨量为142272.1。由图6-2可以看出，四川省的降雨集中在6-9月，其中6月份降雨量为21836.6，7月份降雨量为32035.9，8月份降雨量为27643.3，9月分降雨量为18685.1，最大值出现在7月。这4个月降雨量占全年总降
37、雨量的70.4%，出现这样的原因还有待进一步研究。图6-2 降雨量月变化图6.1.3 闪电与降雨量月变化的相关性2009年1月-2009年12月期间，以每一个月作为一个独立样本，一共有12个样本。四川省2009年闪电与降雨量月份闪电次数F实测降雨量R（）计算降雨量R（）误差百分百1511262.73.93958.4-24.1%2911569.34.511547.3-1.5%326173907.57.877732.497.9%4102079146.59.2311583.426.6%5949011343.49.1611357.70.13%614487021836.611.8821318.3-2.4
38、%714508632035.911.8921324.6-33.4%827437027643.312.5224101.9-12.8%914555618685.111.8921338.314.4%1037479037.68.238672.7-4.1%1122942213.47.742400.88.5%12381590.83.64712.955.2%表6-1 四川省2009年闪电与降雨量数据表由表6-1可以看出，（对表中的lnF加以说明）2009年1月-12月期间，闪电总次数与降雨量都集中在6-9月份。两者的走势基本一样，即闪电少的月份，降雨量也相应少。不过两者的最值出现时间不同：闪电总次数的最小值
39、出现在12月份，最大值出现在8月份；而降雨量的最小值出现在1月份，最大值出现在7月份。出现这样的原因，可能是由于只有一年的统计资料。具体的原因有待进一步的研究。线性回归方程直线的公式为：y = mx + b。因变量 y 是自变量 x 的函数值。m 值是与每个 x 值相对应的系数，b 为常量使用最小二乘法来判定最适合数据的模型。当只有一个自变量 x时，m 和 b 是根据下面的公式计算出的： 式6-1 式6-2其中 x 和 y 是样本平均值。（公式不清楚，如6-1、6-2、6-3）相关系数是确定两种属性之间的关系。相关系数的计算公式为： 式6-3 式6-4其中 x 和 y 是样本x和y平均值。由以
40、上表中的12个独立样本数，通过非线性回归近似拟合可以得到四川省2009年闪电总次数与降雨量月变化的回归方程：r=0.9211R= 式6-5式中R为降雨量，F为闪电总次数，r为相关系数。式6-5的判定系数为，说明式6-5的估计值与实际值之比，范围在 0 到 1 之间，样本有很好的相关性，估计值与实际值之间没有差别。显然有回归方程得到的降雨量与地面实测的降雨量的相关性较好。由表6-1可以看出，用闪电总次数反演降雨量得到的结果与实际观测得到的结果存在误差。但是通过闪电定位系统得到的闪电数据简便易行，且无需要人员值班监测，在人烟稀少的地方比其他观测方法更易实行。总之，用闪电总次数对降雨量的观测不失为一
41、种好方法。6.2 地闪与对流性降水过程的相关关系6.2.1 对流性天气过程在暖季，当大气层结处于不稳定状态、空中有充沛水汽、并有足够对流冲击力的条件下，大气中对流运动得到强劲的发展，其所形成的天气系统称为对流性天气系统，如雷暴、龙卷、冰雹等。这些天气系统不见尺度小、生命期短，而且气象要素水平梯度很大、天气现象剧烈，具有很大破坏力，往往是一种灾害性天气系统。对流性天气不仅对国民经济各部门影响很大，还对军事活动的影响也很大。因此即使是一般的雷雨天气也会对其造成危险。所以做好对流性天气的预报，预防对流性天气的突然袭击，对于防灾、抗灾、保障国民经济和国防建设都有十分重要的意义。“雷暴”即积雨云中所发生
42、的雷电变作的激烈放电现象。因其一般伴有阵雨，所以常与“雷雨”通称。雷雨是夏季常见的降水形式。通常把只伴有降雨的雷暴称为“一般雷暴”。有的雷暴会伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等严重的灾害性天气现象。一般把伴有这些严重灾害性天气现象之一的雷暴叫做“强雷暴”。 对流性降水在PPI上显示的回波强度特征为：在雷达回波中通常由许多分散的回波单体组成。这些回波单体随着不同的天气过程排列成带状、条状，里散状或其他形状。回波单体结构紧密，边界清晰，菱角分明，回波强度强，通常在40dBZ以上，持续时间变化大，单体水平尺寸一般在几千米到几十千米15。6.2.2 地闪与对流性降水过程的关系下列组图为四川省气象局CINRA
43、D/SC型多普勒天气雷达（天线高度为597m，探测范围125，分辨率为500m），于2009年7月30日-31日观测的一次强对流性天气过程（此图源自于中国天气网）。此过程开始于2009年7月30日20：58：49，结束于2009年7月31日16：28：05。由图可以看出，这一次对流性天气开始于2009年7月30日20:58:49，乐山市出现一小块回波，中心回波在30dBZ，向成都方向移动，并且在移动过程中回波不停变大，并且迅速发展（图6-3）。 至22：00：47中心雷达回波强度为45dBZ，范围则增大到眉山地区（图6-4）；至22：29：26仁寿地区也出现了回波（图6-5）。这以后对流性天气
44、开始迅速发展，范围这扩大到乐山市、眉山市和资阳市这三个地区。至23：31:39绵阳市和邛崃市也出现了对流性天气，在青神和眉山雷达回波强度达到45dBZ，并且也向成都方向迅速发展（图6-6）。在7月31日01：01：56的时候，由乐山市、邛崃市和仁寿县发展的对流性天气合并在一起，回波范围更大，回波结构更加清晰（图6-7）。此时，在仁寿县、青神县和眉山市与邛崃市交界处雷达回波达到50dBZ。7月31日03：29：32此次强对流性天气发展到顶峰，双流县与龙泉驿区一线性回波带上，雷达回波的中心强度达到了55dBZ；中江县的雷达回波达到了50 dBZ（图6-8）。这以后强对流性天气范围开始变小，并向西北方向移动。7月31日07:59:28,强对流天气出现了一个转折点，以前开始减弱的对流性天气，这时又开始发展（图6-9）。但是，这一次对流性过程明显不如前一次能量大，范围也明显减小，雷达回波强度也不大。至2009年7月31日16：28：05此次对流性过程结束（图6-10）。图6-3 图6-4图6-5 图6-6图6-7 图6-8图6-9 图6-10图6-11（图片的大小应一致，图与图之间应分开）根据四川省气象局提供的2009年7月31日闪电次数与降水量（见表6-2），发现雷达回波强度40dBZ的个别地区，没有出现闪电。例如图6-11所示，7月30日21:32:10，在乐山市夹江县
