问题

气象站统计的闪电次数怎么得到的?怎么界定一次?

回答
你想了解气象站是如何统计闪电次数的,以及“一次闪电”是怎么界定的,对吧?这个问题挺有意思的,也牵扯到很多专业知识。我来给你详细讲讲,争取让你听明白。

气象站是怎么知道闪电的?

现在气象站统计闪电,主要靠的是一个叫做“闪电定位网络”的系统。这可不是人拿个望远镜盯着天上数,而是非常高科技的玩意儿。

闪电定位网络(Lightning Location Network, LLN): 这就像一个由遍布全国的很多“耳朵”组成的系统,这些“耳朵”就是专门用来捕捉闪电信号的探测器。
探测原理: 闪电发生的时候,不仅仅是那一瞬间的强光和雷声,它还会释放出一种叫做“电磁脉冲”(Electromagnetic Pulse, EMP)的能量。这种能量会以电磁波的形式向四周传播,就像你在水里扔一块石头会产生涟漪一样。我们用的探测器就是专门捕捉这种电磁脉冲的。
多站协同: 单个探测器只能告诉你“附近有闪电”,但它很难精确知道闪电在哪儿。所以,闪电定位网络的核心就是“多站协同”。当一场闪电发生时,不同地理位置的探测器都会接收到这个电磁脉冲。因为闪电的信号到达不同探测器的距离不一样,所以它们到达的时间也会有细微的差别。
三角定位(或者多边定位): 气象站的计算机系统会接收来自多个探测器的数据,通过计算这些信号到达不同探测器的时间差,就可以利用三角定位(或者更准确说是多边定位)的原理,计算出闪电发生的精确位置(经纬度)和发生时间。这就像你同时听到远处有两个喇叭发出的声音,根据声音到达你耳朵的时间差,你就能大概猜出喇叭在哪儿。探测器越多,计算出来的位置就越精确。
探测器类型: 早期可能是一些感应线圈式的探测器,现在更多的是利用方向探向器(Direction Finder, DF)或者干脆利用电场和磁场变化来判断闪电的方向和强度。有些先进的系统还能分辨出云闪(云内或云间放电)和对地闪(云对地面放电),对地闪通常是我们最关心的。

气象雷达的辅助作用: 虽然闪电定位网络是主力,但气象雷达也能提供一些辅助信息。雷达可以探测到大气中的水汽和降水情况,也就是“对流云”的发展。闪电往往发生在这些发展旺盛的对流云中。通过雷达数据,气象人员可以预判哪些区域可能有闪电活动,为闪电定位网络提供一个大致的监测范围。

怎么界定“一次闪电”?

这个问题稍微复杂一些,因为闪电本身就是一个非常复杂的过程。我们怎么“数”它,取决于我们关注的是什么。

从电磁信号的角度:
单次脉冲: 最基本的单位是“一次放电”。闪电并不是一瞬间就完成的,它通常是由一系列短暂的电脉冲组成的,这些脉冲的间隔可能很短,比如几十毫秒到几百毫秒。
一次“闪击”的定义: 通常来说,我们界定“一次闪电”或者“一次闪击”,是指在非常短的时间内(通常是几百毫秒以内)发生的一系列放电过程,但这些放电过程在空间上是关联的,并且形成了一个我们肉眼可见的“闪光”或者一系列连续的闪光。
系统如何判断: 闪电定位系统通过对接收到的电磁信号进行分析。如果多个探测器在非常接近的时间内(比如几百毫秒内)检测到类似的电磁信号模式,并且这些信号可以被定位到同一个区域,那么系统就会将它们判定为同一“次”闪电事件。
“闪击”与“回击”: 闪电主要由“先导”(leader)和“回击”(return stroke)组成。先导是闪电通道的形成过程,回击是真正强大、发光发热的电流回涌。我们通常监测和统计的是那些能够被定位的、强度较高的回击。一个完整的闪电过程可能包含多次回击。
多重回击: 有时候,一个闪电通道在一次完整的闪电过程中会发生多次放电,这叫做“多重回击”。如果这些回击间隔很短,例如在几百毫秒之内,系统会将其归为“一次闪电事件”。比如,你看到的“闪电”可能实际上是电闪雷鸣了好几下,但系统可能只记录为“一次闪电事件”,因为它在短时间内连续发生且属于同一放电通道。

从气象监测和用户角度的定义:
以“次”为单位: 气象台站发布的闪电统计通常是以“次”为单位。这个“次”指的是一次独立的大气放电事件,无论它内部包含多少个细小的放电过程(回击)。
对地闪优先: 在很多统计中,我们更关注的是“对地闪”,也就是闪电直接击中地面的情况。对地闪的危害性更大,也更容易被定位。云闪(只发生在云内部或云与云之间)虽然也可能被探测到,但在很多公开的统计数据中可能不会被单独分开统计,或者会与对地闪一起统称为“闪电”。
定位精度和阈值: 系统的定位精度是很关键的。一个闪电可能发生在几公里以外,也可能就在头顶。系统会有一个设定好的精度范围,并且会设定一个最小的信号强度阈值,只有满足这些条件的信号才会被认为是有效的闪电事件并被记录下来。
时间窗口: 系统在判定“一次闪电”时,会有一个时间窗口。比如,如果一个放电过程在100毫秒内发生了一系列信号,它可能就被算作一次。如果间隔时间超过了这个窗口(比如超过半秒或一秒),那就会被算作是另一次闪电。

总结一下:

气象站统计闪电次数,主要依靠遍布各地的闪电探测器组成的“闪电定位网络”。这些探测器捕捉闪电产生的电磁脉冲,通过多站协同定位技术,计算出闪电发生的精确位置和时间。

而“一次闪电”的界定,是从电磁信号的角度来看,是在一个很短的时间内(几百毫秒内),在同一地点发生的一系列关联放电过程,我们通常将其视为一个独立的大气放电事件。系统会根据信号强度、发生时间以及定位的准确性来判定并记录下每一次有效的闪电。对于公众来说,气象站报告的“一次闪电”,通常是指一个相对独立的闪电活动过程。

这整个过程,从捕捉信号到最终发布统计数据,都充满了精密的技术和复杂的算法,远不是肉眼能比拟的。希望我这样说能让你更清楚明白。

网友意见

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其实来说,闪电次数的统计并不是监测的雷电研究人员关注重点,而设立雷电观测仪器的目的也主要是为了关注闪电发生的位置、强度、陡度(放电时间)等等一系列的参数。

而在以上参数都得到情况下,自然而然的就可以得到在一段时间内闪电发生的总次数以及每个闪电发生的时间。

而在讲具体的监测方法前,需要知道闪电的简单分类。

最简单的闪电分类方法就是看它有没有接地。如果闪电接地了就被称之为地闪,如果没有接地就被称为云闪

一次地闪过程

而闪电监测,其实主要就是监测地闪

我写这篇回答时候的全国地闪实况,可以看见南方在副高西侧控制下的闪电群,而北方则是由于新生蒙古气旋下的倒槽影响激发出雷电群,来源于中国气象局。右下角CG代表地闪总数,PCG代表正地闪,NCG代表负地闪。

中国的闪电定位网主要是由华云ADTD闪电定位系统承担的。

闪电定位仪,外面的是保护罩。来源:

cnhyc.com 的页面

而具体闪电定位方法通常采用的是射频定位技术,而采用射频定位技术的地面雷电观测系统就被称为地基射频雷电定位系统,例如著名的北美闪电探测网(NALDN)就是一个地基射频雷电定位系统。

而射频定位技术中主要分为两类:磁场定向法(磁向法,MDF)脉冲时间到达法(时差法,TOA),无论是NALDN还是ADTD两种方法全部采用了。下面分别介绍。

一、磁场定向法

最基础的磁场定向法就是将两个菱形线圈呈东西、南北向垂直放置。

示意图(绘图水平比较糟糕,意思到了就可以~)

当某处发生闪电时候,闪电相当于一根垂直导线,即可以激发水平磁场,而根据南北环接受到的信号,即可以解出闪电发生地的方向。

闪电发生的俯视图

所以最少要两个测站,就可以知道闪电发生的位置,这与地震监测有着十分相像的地方。

二、脉冲时间到达法

我们知道,可以认为电磁波以光速c的速度传播。

而高中就有这样的数学题目,从A点发出的信号经过时间

到达B点,而经过时间

到达C点,A点发出的信号到达BC点的时间差即为

。 则A点可能的轨迹就是以B、C为焦点的双曲线。貌似叫双曲定位法

所以,这种方法至少需要3个测站,即可以定位出闪电发生的位置。

三、成网

就像是监测地震,监测地闪为了将误差最小化,成网的观测是最好的选择。

例如中国就建成了一个较为密集的雷电监测网。

截至2011年,全国地闪监测站分布图 [1]

最后再次说明内容:

1、闪电监测中主要监测地闪

2、主要监测的是地闪的位置

3、得到位置之后就可以统计出一段时间内地闪发生的总次数


[1] 王飞. 中国大陆地区地闪活动特征 — 基于2008~2010年全国地闪定位网监测数据的分析[A]. 第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C]. 2011

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