吳 亭，董萬(wàn)勝，李良福，覃彬全

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院雷電物理與防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 重慶市氣象局，重慶 401147

3 重慶市防雷中心，重慶 401147

基于電離層反射的袖珍云閃（CID）三維定位研究

吳 亭1，董萬(wàn)勝1，李良福2，覃彬全3

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院雷電物理與防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 重慶市氣象局，重慶 401147

3 重慶市防雷中心，重慶 401147

袖珍云閃是一類區(qū)別于常規(guī)閃電放電過(guò)程的特殊放電現(xiàn)象，能夠同時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的高頻和低頻輻射信號(hào)，其低頻輻射信號(hào)在電離層與地面之間反射后能夠在電場(chǎng)變化波形上形成電離層反射脈沖對(duì).電離層反射信號(hào)與原信號(hào)的時(shí)間差包含著放電三維位置和電離層高度的信息，而借助于多站閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的同步觀測(cè)就能夠反演這些信息.基于這一規(guī)律，本文發(fā)展了一種對(duì)袖珍云閃實(shí)現(xiàn)三維定位的新方法.這種方法不僅能夠?qū)Υ蠓秶鷥?nèi)的袖珍云閃實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的三維定位，同時(shí)還能夠反演電離層的高度，是一種潛在的研究電離層相關(guān)性質(zhì)的有效手段.通過(guò)將定位結(jié)果與雷達(dá)回波比較，證明這種方法具有較高的精度.利用這種方法，計(jì)算了5489例正極性袖珍云閃和1400例負(fù)極性袖珍云閃的放電高度，發(fā)現(xiàn)正極性袖珍云閃主要集中在7～14km，而負(fù)極性袖珍云閃達(dá)到了15～18km.負(fù)極性袖珍云閃的放電高度總體上與對(duì)流層頂高度相當(dāng)，其數(shù)量相比于正極性袖珍云閃明顯偏少，因此很可能產(chǎn)生于較為罕見的極旺盛的雷暴過(guò)程中.

袖珍云閃，雙極性窄脈沖，電離層，云內(nèi)放電，三維定位

1 引 言

袖珍云閃是一類較為特殊的云內(nèi)放電過(guò)程，由于其放電通道的空間尺度一般僅為幾百米［1－2］，相比于常規(guī)的放電過(guò)程明顯偏?。?－4］，故將其稱為“袖珍云閃”（Compact Intracloud Discharge）［1，5］.根據(jù)其輻射場(chǎng)的波形特征，它有時(shí)也被稱為“雙極性窄脈沖”（Narrow Bipolar Pulses）［6－7］.相比于各種熟知的云閃和地閃過(guò)程［8－9］，袖珍云閃在最近幾年才開始被人們廣泛關(guān)注，對(duì)其最早的觀測(cè)是在三十年前，當(dāng)時(shí)Le Vine觀測(cè)到了一類產(chǎn)生最強(qiáng)HF／VHF輻射的放電事件［10］，但當(dāng)時(shí)他認(rèn)為這僅僅是一種較為特殊的云閃K過(guò)程.一直到1989年，Willett等［11］才意識(shí)到這類放電事件的特殊性，將其與常規(guī)的放電過(guò)程區(qū)分開來(lái).1999年，Smith等［1］首次對(duì)袖珍云閃進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)袖珍云閃產(chǎn)生寬度極小的輻射場(chǎng)脈沖，一般僅為10μs左右，而其產(chǎn)生的電場(chǎng)變化峰值卻與地閃回?fù)粝喈?dāng)，同時(shí)，袖珍云閃的一個(gè)顯著特征是其通常孤立地發(fā)生，Smith等［1］猜測(cè)袖珍云閃本身就可以看作是一個(gè)完整的放電過(guò)程.另外，Smith等［1］首次利用電場(chǎng)變化觀測(cè)研究了袖珍云閃產(chǎn)生的電離層反射脈沖對(duì)，并利用其特征估算了袖珍云閃的放電高度.袖珍云閃產(chǎn)生的高頻輻射能夠穿過(guò)電離層被衛(wèi)星探測(cè)到［12］，而近些年大量的研究證明袖珍云閃與對(duì)流系統(tǒng)之間存在一定的聯(lián)系［7，13－14］，因此其有望成為從太空監(jiān)測(cè)對(duì)流系統(tǒng)的一種有效手段.國(guó)內(nèi)對(duì)袖珍云閃的研究還很缺乏，祝寶友等［6］根據(jù)在上海地區(qū)觀測(cè)到的78例袖珍云閃計(jì)算了脈沖寬度、幅度、放電高度、放電電流等基本參數(shù)，吳亭等［15］利用在廣州從化地區(qū)的多站探測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)到了上萬(wàn)例袖珍云閃，并對(duì)比分析了正、負(fù)極性袖珍云閃的電場(chǎng)脈沖波形的特征，吳亭等［16］進(jìn)一步對(duì)比了正、負(fù)極性袖珍云閃多方面的特征，并證明負(fù)極性袖珍云閃具有更為特殊的性質(zhì).

對(duì)于袖珍云閃一個(gè)頗具爭(zhēng)議的問(wèn)題是其發(fā)生的高度，由于這方面的研究大多開展于美國(guó)中部和南部，對(duì)其他地區(qū)袖珍云閃放電高度的觀測(cè)和計(jì)算還很少，因此還存在很多的疑問(wèn).Smith等［17］計(jì)算了數(shù)萬(wàn)例袖珍云閃的放電高度，發(fā)現(xiàn)正極性袖珍云閃主要發(fā)生在7～15km，而負(fù)極性袖珍云閃主要發(fā)生在15～20km，少數(shù)負(fù)極性袖珍云閃甚至高達(dá)30km，Nag等［18］也計(jì)算得到多例袖珍云閃的放電高度在20km以上.由于通常情況下赤道附近的對(duì)流層頂高度在16km左右，高緯地區(qū)對(duì)流層頂更低，因此對(duì)流系統(tǒng)很難發(fā)展到20km以上的高度，那么這個(gè)高度上的袖珍云閃是如何產(chǎn)生的就很難解釋.Jacobson等［13］認(rèn)為有部分結(jié)果可能是因?yàn)橛?jì)算誤差造成的，但仍然有一部分袖珍云閃可能發(fā)生于對(duì)流層頂之上，這些袖珍云閃可能與高空放電［19－20］有關(guān)，也可能是在對(duì)流云頂暫時(shí)地沖破對(duì)流層頂時(shí)產(chǎn)生的.為了進(jìn)一步研究這個(gè)問(wèn)題，我們利用多站閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)在重慶地區(qū)對(duì)正、負(fù)極性袖珍云閃進(jìn)行了大量觀測(cè)，并且發(fā)展了一種利用其產(chǎn)生的電離層反射脈沖對(duì)實(shí)現(xiàn)三維定位的方法，這種方法能夠大大提高對(duì)袖珍云閃的定位精度，同時(shí)也可以利用此方法來(lái)反演電離層高度.以此定位結(jié)果為基礎(chǔ)，我們對(duì)比分析了正、負(fù)極性袖珍云閃放電高度的特征.

對(duì)袖珍云閃的判定通?；谄潆妶?chǎng)變化波形的脈寬及信噪比兩個(gè)條件［16，21］，但由于本文中討論的袖珍云閃波形均帶有反射脈沖對(duì)，其信噪比會(huì)明顯偏小，因此本研究中首先自動(dòng)識(shí)別脈寬小于10μs的波形，再?gòu)闹惺謩?dòng)挑選帶有反射脈沖對(duì)的袖珍云閃.

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 重慶VLF／LF多站閃電定位系統(tǒng)各子站分布（黑點(diǎn)代表各子站）Fig.1 Distribution of observation stations of Chongqing VLF／LF lightning location network（black point represents each station）

2010年夏季，包含9個(gè)子站的VLF／LF閃電探測(cè)系統(tǒng)在重慶地區(qū)建成并投入運(yùn)行，各子站的分布如圖1所示.各子站的傳感器運(yùn)行在200Hz～500kHz頻段，能夠探測(cè)各種閃電放電過(guò)程產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)變化，探測(cè)到的電場(chǎng)變化信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器以2Msps的采樣速率數(shù)字化后存入計(jì)算機(jī).為了避免背景噪聲的干擾，采用基于軟件的浮動(dòng)觸發(fā)算法，實(shí)現(xiàn)隨背景干擾信號(hào)浮動(dòng)的雙極性觸發(fā)功能，同時(shí)，借助于從采集卡至計(jì)算機(jī)內(nèi)存的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，該系統(tǒng)能夠捕獲每一個(gè)觸發(fā)信號(hào)而沒(méi)有任何死時(shí)間.記錄的脈沖波形時(shí)間長(zhǎng)度可調(diào)，本次實(shí)驗(yàn)中均設(shè)為1ms（考慮到計(jì)算效率的問(wèn)題，實(shí)際每段數(shù)據(jù)記錄2048個(gè)點(diǎn)，即1.024ms）.各站記錄到的觸發(fā)信號(hào)由高精度GPS時(shí)鐘提供一個(gè)時(shí)間戳，并利用到達(dá)時(shí)間差法計(jì)算輻射源的三維位置.同時(shí)，通過(guò)波形識(shí)別，系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別云閃、地閃及袖珍云閃［22］.

整個(gè)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑約30km的區(qū)域，而實(shí)際觀測(cè)表明其對(duì)袖珍云閃的有效探測(cè)距離達(dá)到300km，對(duì)于一些極強(qiáng)的袖珍云閃，其探測(cè)距離可達(dá)400km以上.本次實(shí)驗(yàn)從2010年6月27日起至8月23日，共探測(cè)到36442例正極性袖珍云閃及7893例負(fù)極性袖珍云閃.本文中電場(chǎng)極性采用“物理學(xué)定義”，即頭頂負(fù)電荷的減少產(chǎn)生負(fù)向的電場(chǎng)變化.

3 電離層反射的基本特征

袖珍云閃產(chǎn)生的低頻輻射在電離層D層［23］和地面之間會(huì)部分地發(fā)生反射，雖然在傳輸和反射過(guò)程中會(huì)有一部分能量的損耗，但可以將其簡(jiǎn)單地理解為鏡面反射，如圖2所示.圖3為兩例在不同距離探測(cè)到的負(fù)極性袖珍云閃的脈沖波形及其電離層反射脈沖對(duì)，袖珍云閃產(chǎn)生的低頻輻射直接被測(cè)站記錄到形成脈沖0，其經(jīng)過(guò)一次電離層反射再被記錄到則形成脈沖1a，先經(jīng)過(guò)一次地面反射再經(jīng)過(guò)電離層反射而被記錄到則形成脈沖1b，脈沖1a和1b形成一組電離層反射脈沖對(duì).圖3b中出現(xiàn)了兩組電離層反射脈沖對(duì)，這是因?yàn)楫?dāng)距離較大時(shí)，輻射信號(hào)在電離層與地面之間經(jīng)過(guò)了兩輪反射而被記錄到.

圖2 袖珍云閃脈沖信號(hào)的電離層反射示意圖Fig.2 Illustration of ionospheric reflection of radiation signals of CIDs

圖3 兩例負(fù)極性袖珍云閃的脈沖波形可以清楚地看到電離層反射脈沖對(duì)，R值代表放電位置與測(cè)站的水平距離.Fig.3 Electric field waveforms of two negative CIDsIonospheric reflection pairs are obvious.Rrepresents the distance between the CID and the observation station.

比較圖3中兩例袖珍云閃產(chǎn)生的電離層反射脈沖對(duì)的特征，首先較為明顯的差異在于距離較遠(yuǎn)處的袖珍云閃（圖3b）產(chǎn)生相對(duì)更大的反射脈沖.令A(yù)0為袖珍云閃產(chǎn)生的直達(dá)脈沖的幅度，A1為反射脈沖1a、1b的平均幅度，令兩者比值為

則從圖3中看，r值有隨距離變大而減小的趨勢(shì)，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們對(duì)觀測(cè)到的每一例伴有電離層反射脈沖對(duì)的袖珍云閃計(jì)算其r值，結(jié)果如圖4所示.由圖可見，隨著距離變大，r值整體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).這是因?yàn)楫?dāng)距離變大時(shí)，電離層反射時(shí)的入射角變大，反射率也隨之變大，這樣反射脈沖的幅度A1也相對(duì)地變大，致使r值隨距離的增大而減小，直到距離足夠大時(shí)，袖珍云閃產(chǎn)生的脈沖本身（脈沖0）無(wú)法被探測(cè)到.另外注意到圖4中只有極少的點(diǎn)出現(xiàn)在距離小于65km的區(qū)域，這是因?yàn)楫?dāng)距離較小時(shí)，電離層反射時(shí)的入射角也較小，這種情況下大部分輻射能量都被電離層吸收，因而無(wú)法產(chǎn)生明顯的電離層反射信號(hào).r值的變化特點(diǎn)實(shí)際上就表征了一個(gè)測(cè)站能夠探測(cè)到伴有電離層反射脈沖對(duì)的袖珍云閃的距離范圍，由圖4可見，本實(shí)驗(yàn)中此距離范圍大約為65～350km，少數(shù)極強(qiáng)的袖珍云閃在距離400km左右處被探測(cè)到.

圖4 探測(cè)到的每一例伴有電離層反射脈沖對(duì)的袖珍云閃的r值及其與測(cè)站的距離每例袖珍云閃一般由多個(gè)測(cè)站同時(shí)觀測(cè)到，圖中每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)測(cè)站的觀測(cè)，r值定義見（1）式.Fig.4 Scatterplot of the value r and the distance between the CID and the observation station for each CIDEvery CID is observed by multiple stations，so each point represents the observation of one station.The definition of ris in Eq.（1）.

另外從圖3中可以觀察到的一個(gè)特征是脈沖0、1a、1b之間的時(shí)間差變化的關(guān)系，可以看到脈沖0和1a之間的時(shí)間差明顯在圖3b中更小，而脈沖1a和1b之間的時(shí)間差在圖3b中也要稍小.這些關(guān)系也可以簡(jiǎn)單地從圖2中三條傳播路徑的幾何關(guān)系定性地看出來(lái).事實(shí)上，根據(jù)圖2中的關(guān)系，脈沖0、1a、1b三者之間的時(shí)間差決定于袖珍云閃的高度、與測(cè)站的距離以及電離層的高度，而通過(guò)多個(gè)測(cè)站對(duì)袖珍云閃的同步觀測(cè)，就可以利用三個(gè)脈沖之間的時(shí)間差的關(guān)系反演袖珍云閃的三維位置以及電離層高度.基于這一規(guī)律，下文具體分析了脈沖0、1a、1b之間的時(shí)間差與袖珍云閃三維位置及電離層高度之間的關(guān)系并進(jìn)行了計(jì)算.

4 袖珍云閃三維位置及電離層高度的計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

Smith等［1］曾提出一種利用電離層反射的性質(zhì)計(jì)算袖珍云閃放電高度的方法，利用這種方法，在已知袖珍云閃的放電高度、水平距離和電離層高度三個(gè)量中的任一個(gè)量時(shí)，即可求出其余兩個(gè)量，他們進(jìn)而在已知袖珍云閃的水平距離的條件下計(jì)算了放電高度和電離層高度.祝寶友等［6］利用類似的方法在假定電離層高度的條件下計(jì)算了袖珍云閃的放電高度和水平距離.但這些計(jì)算僅能給出兩個(gè)未知量，無(wú)法確定袖珍云閃的三維位置，而借助于多站同步觀測(cè)，該方法可以發(fā)展為能夠同時(shí)計(jì)算袖珍云閃的三維位置及電離層高度四個(gè)量，不僅可以有效定位袖珍云閃，同時(shí)可以反演電離層高度.

參照?qǐng)D2，令tia為第i號(hào)測(cè)站接收到的反射脈沖1a與直達(dá)脈沖0之間的時(shí)間差，tib為脈沖1b與0之間的時(shí)間差，則根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系，在忽略地球曲率的條件下，可以得到如下兩個(gè)關(guān)系式：

其中c為光速，H為電離層高度，zi為第i號(hào)測(cè)站的高度，h為袖珍云閃的放電高度，ri為袖珍云閃與第i號(hào)測(cè)站的距離.ri可由（4）式給出：

其中R為地球半徑，x0、y0分別為袖珍云閃放電位置的緯度和經(jīng)度，xi、yi分別為第i號(hào)測(cè)站的緯度和經(jīng)度.

將（4）式代入（2）、（3）式，則兩式中共有四個(gè)未知量，分別是袖珍云閃的三維位置x0、y0、h及電離層高度H，而每個(gè)測(cè)站都可以給出這樣兩個(gè)方程，那么理論上最少只要有兩個(gè)測(cè)站的同步觀測(cè)就可求出一組解.而在實(shí)際觀測(cè)中，通常有5至9個(gè)測(cè)站同時(shí)觀測(cè)到一次放電事件，這種情況下，根據(jù)（2）、（3）式構(gòu)造以下函數(shù)：

其中n為同時(shí)觀測(cè)到某次放電事件的測(cè)站個(gè)數(shù).利用最優(yōu)化方法［24］求出函數(shù)（5）的最小值，即可得到一組解，也可借助于MATLAB的函數(shù)庫(kù)直接進(jìn)行求解.雖然理論上只需兩個(gè)測(cè)站的同步觀測(cè)就可求解，但由于采用最優(yōu)化方法時(shí)需要給出初值，當(dāng)只有兩個(gè)測(cè)站的觀測(cè)時(shí)（即四個(gè)方程求解四個(gè)未知量），最終收斂的結(jié)果受初值影響極大，因此在實(shí)際計(jì)算中只考慮n≥3的情況.

注意到（2）、（3）式是在忽略地球曲率的條件下成立，由于在400km距離內(nèi)忽略地球曲率造成的誤差不超過(guò)300m［1］，而本實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的袖珍云閃絕大多數(shù)在350km距離內(nèi)，因此忽略地球曲率是一個(gè)合理的假定，這能夠極大地簡(jiǎn)化計(jì)算.另外注意到兩輪反射形成的脈沖2a、2b（圖3b）沒(méi)有利用到上述的計(jì)算中，這是因?yàn)檫@類反射脈沖只在很少的情況下觀測(cè)到，同時(shí)因?yàn)榻?jīng)歷了兩輪反射，其傳播距離更長(zhǎng)，受到各種環(huán)境因素的影響更大，脈沖波形容易發(fā)生畸變而不易于識(shí)別.

4.2 計(jì)算結(jié)果

利用上述方法，首先計(jì)算了一部分袖珍云閃的三維位置及電離層高度，圖5是7月15日一次雷暴過(guò)程中某一時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率并疊加了6min內(nèi)發(fā)生的袖珍云閃，袖珍云閃的經(jīng)緯度坐標(biāo)即根據(jù)上述方法利用電離層反射計(jì)算得到.此時(shí)雷暴距離探測(cè)網(wǎng)絡(luò)約150km，由圖可見，袖珍云閃的位置與雷達(dá)回波總體上對(duì)應(yīng)得較好，證明上述方法是有效可行的.當(dāng)然，有少數(shù)定位點(diǎn)明顯偏離了雷達(dá)回波中心，說(shuō)明以上方法的計(jì)算也存在一定的不穩(wěn)定性.為了控制計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的誤差，在下文對(duì)袖珍云閃的放電高度和電離層高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，首先將其定位位置與雷達(dá)回波對(duì)比，并排除那些明顯偏離雷達(dá)回波中心的定位點(diǎn)，如圖5中定位于白色和深藍(lán)色區(qū)域的袖珍云閃明顯包含有較大的誤差，因此不會(huì)被用于統(tǒng)計(jì)放電高度和電離層高度的分布.

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，共挑選出447例正極性袖珍云閃和5例負(fù)極性袖珍云閃，其放電高度與相應(yīng)的電離層高度如圖6所示.由圖可見，5例負(fù)極性袖珍云閃的放電高度比絕大多數(shù)正極性袖珍云閃都要高，大多在16～18km，而正極性袖珍云閃的放電高度大多在7～14km，這一結(jié)論與Smith等［17］的計(jì)算符合得較好.計(jì)算得到的電離層高度主要在88～95km范圍內(nèi)，由于在本次實(shí)驗(yàn)中，伴有電離層反射脈沖對(duì)的袖珍云閃都是在夜間觀測(cè)到的，這一結(jié)果與Smith等［17］的計(jì)算以及與電離層相關(guān)的研究結(jié)果［25］也較為一致.這也證明此方法可以用于反演電離層的高度，如果能夠結(jié)合反射脈沖幅度的變化特征，則有望成為一種研究電磁波在電離層反射的規(guī)律及能量變化特征的方法.

4.3 電離層高度設(shè)為定值時(shí)的計(jì)算

圖5 7月15日一次雷暴過(guò)程中雷達(dá)組合反射率與6min內(nèi)袖珍云閃定位點(diǎn)的疊加圖袖珍云閃的位置根據(jù)其電離層反射脈沖對(duì)計(jì)算得出.黑色三角代表袖珍云閃的定位點(diǎn)，紅色圓點(diǎn)代表探測(cè)網(wǎng)絡(luò)各子站，紅色“＊”代表雷達(dá)站.Fig.5 Composite radar reflectivity with locations of CIDs within six minutes in a thunderstorm on July 15Locations of CIDs are computed using their ionospheric reflection pairs.Black triangles represent locations of CIDs.Red dots represent observation stations of the location network.Red“＊”represents the radar station.

圖6 447例正極性袖珍云閃和5例負(fù)極性袖珍云閃的放電高度及對(duì)應(yīng)的電離層高度Fig.6 Scatterplot of discharge height and corresponding ionospheric height of 447positive CIDs and 5negative CIDs

圖7 同圖5，袖珍云閃的位置由4.3節(jié)中的計(jì)算方法得出Fig.7 As in Fig.5，but locations of CIDs are computed by the method in Section 4.3

以上方法雖然可以得出較為合理的結(jié)果，但從圖5中的定位結(jié)果可以看到該方法仍然存在一定的不穩(wěn)定性.在實(shí)際的研究中，電離層高度通?？梢钥醋饕粋€(gè)定值，并且通過(guò)許多非常成熟的研究，我們已經(jīng)知道電離層對(duì)不同波段電磁波的反射高度［25］.在上述計(jì)算中，得出的電離層高度與相關(guān)研究的結(jié)果相符，證明了上述方法的合理性.而在具體的針對(duì)于袖珍云閃的研究中，我們只需要對(duì)袖珍云閃進(jìn)行三維定位，并不關(guān)心電離層高度，因此可以根據(jù)以往的研究結(jié)果將其設(shè)為一個(gè)定值，這樣只用求解三個(gè)未知量，定位精度能夠得到顯著提高.

本研究中，伴有電離層反射脈沖對(duì)的袖珍云閃只在夜間觀測(cè)到，在夜間，電離層高度變化不大，為90km左右［17，25］，因此，令（5）式中H＝90，則

式（6）中只有三個(gè)未知量，即袖珍云閃的三維位置，與4.1節(jié)中類似，利用最優(yōu)化方法即可通過(guò)多站的同步觀測(cè)解出三個(gè)未知量.為了保證計(jì)算精度，同樣只考慮n≥3的情況.

為了與4.1節(jié)中的計(jì)算進(jìn)行比較，這里計(jì)算了與圖5同一時(shí)刻的袖珍云閃位置并與雷達(dá)組合反射率疊加，結(jié)果如圖7所示.由圖可見，定位效果明顯比圖5更優(yōu)，幾乎所有定位點(diǎn)都與雷達(dá)回波較好地對(duì)應(yīng)，原來(lái)明顯偏離雷達(dá)回波中心的定位點(diǎn)也都定位于更為合理的位置，說(shuō)明將電離層高度設(shè)為定值后的計(jì)算明顯具有較高的精度和穩(wěn)定性.

利用此計(jì)算方法，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)期間觀測(cè)到的所有伴有電離層反射脈沖對(duì)的袖珍云閃的三維位置，并同樣通過(guò)類似于4.2節(jié)中與雷達(dá)回波對(duì)比的方法剔除誤差較大的結(jié)果，最后挑選出5489例正極性袖珍云閃和1400例負(fù)極性袖珍云閃，放電高度分布如圖8所示.由圖可見，正、負(fù)極性袖珍云閃明顯發(fā)生于兩個(gè)不同的高度上，正極性袖珍云閃主要集中在7～14km，幾何平均值為9.9km，而負(fù)極性袖珍云閃主要集中在15～18km，幾何平均值為17.5km.這進(jìn)一步證實(shí)了Smith等［17］的結(jié)論，即正、負(fù)極性袖珍云閃發(fā)生于明顯不同的兩個(gè)高度上.

圖8 在電離層高度設(shè)為定值的情況下計(jì)算得到的5489例正極性袖珍云閃和1400例負(fù)極性袖珍云閃的放電高度分布Fig.8 Distribution of discharge heights of 5489positive CIDs and 1400negative CIDs computed when the ionospheric height is set as a constant

值得注意的是1400例負(fù)極性袖珍云閃的最大高度為20.0km，而之前的一些研究得出少量袖珍云閃的高度遠(yuǎn)超過(guò)20km甚至達(dá)到30km這樣難以解釋的結(jié)果［17－18］，從本研究中對(duì)大量的袖珍云閃的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，放電高度遠(yuǎn)大于20km的結(jié)果很可能是由計(jì)算誤差造成的，而本文的計(jì)算中未出現(xiàn)這樣的結(jié)果則是因?yàn)槲覀儗?duì)計(jì)算誤差進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，即通過(guò)對(duì)比雷達(dá)回波來(lái)挑選定位點(diǎn)，這能夠保證較高的定位精度，同時(shí)，多站的同步觀測(cè)提供了至少6個(gè)約束方程來(lái)計(jì)算袖珍云閃的三維位置，這也保證了計(jì)算結(jié)果不出現(xiàn)大的誤差.

5 討論和結(jié)論

利用袖珍云閃的低頻輻射在地面與電離層之間傳播能夠產(chǎn)生電離層反射脈沖對(duì)這一特性，本文提出了一種對(duì)袖珍云閃實(shí)現(xiàn)三維定位的新方法，利用這種方法，能夠?qū)艽蠓秶鷥?nèi)的袖珍云閃實(shí)現(xiàn)較為精確的三維定位.4.1節(jié)中提出的方法不僅可以定位袖珍云閃，還可以計(jì)算電離層的高度，其潛在的應(yīng)用就是將袖珍云閃作為一個(gè)強(qiáng)大的輻射源來(lái)遙測(cè)電離層對(duì)電磁波的反射特征，國(guó)際上也已經(jīng)有類似的研究［26］.而當(dāng)電離層的高度設(shè)為定值后利用4.3節(jié)中的方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于需要求解的只有袖珍云閃的三維位置這三個(gè)量，而我們的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)通常有5個(gè)以上測(cè)站同時(shí)探測(cè)到同一放電事件，也就提供了10個(gè)以上方程，這就保證了計(jì)算結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，這一點(diǎn)從圖7中的定位效果可以明顯地反映出來(lái).

本文提出的定位方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其有效定位范圍非常大，通常在距離測(cè)站80km與330km之間都能對(duì)袖珍云閃準(zhǔn)確地定位，距離過(guò)近時(shí)，輻射信號(hào)無(wú)法在電離層有效反射形成反射信號(hào)（圖4），而當(dāng)距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，袖珍云閃本身也就無(wú)法被有效探測(cè)到.傳統(tǒng)的到達(dá)時(shí)間差法只能對(duì)產(chǎn)生于站網(wǎng)以內(nèi)及附近的放電事件準(zhǔn)確定位，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的探測(cè)系統(tǒng)而言，當(dāng)放電事件距離站網(wǎng)超過(guò)100km時(shí)，定位誤差會(huì)非常顯著.因此，本文提出的定位方法與傳統(tǒng)的到達(dá)時(shí)間差法互為補(bǔ)充，利用這一方法，可以在半徑約300km的范圍內(nèi)準(zhǔn)確定位袖珍云閃，這為進(jìn)一步細(xì)致研究袖珍云閃各方面的特征提供了一個(gè)基礎(chǔ).

基于以上方法，我們計(jì)算并統(tǒng)計(jì)了數(shù)千例正、負(fù)極性袖珍云閃的放電高度，發(fā)現(xiàn)負(fù)極性袖珍云閃放電高度顯著地高于正極性袖珍云閃，主要在15～18km范圍內(nèi)，很可能對(duì)應(yīng)于雷暴云內(nèi)上部正電荷區(qū)和云頂屏蔽層之間的區(qū)域，而正極性袖珍云閃的放電高度主要在7～14km范圍內(nèi)，很可能對(duì)應(yīng)于主負(fù)電荷區(qū)與上部正電荷區(qū)之間.負(fù)極性袖珍云閃的放電高度總體上與對(duì)流層頂高度相當(dāng)，而其數(shù)量比正極性袖珍云閃要少得多，那么可以猜想負(fù)極性袖珍云閃是當(dāng)雷暴發(fā)展得極其旺盛，其云頂暫時(shí)地接近甚至沖過(guò)對(duì)流層頂時(shí)產(chǎn)生的.Zipser等［27］總結(jié)了TRMM衛(wèi)星七年的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)40dBz反射率高度少數(shù)情況下可達(dá)16km以上，那么云頂高度肯定更高，因此負(fù)極性袖珍云閃放電高度在17km左右也就是合理的，而之前的研究計(jì)算得到少量袖珍云閃的放電高度甚至達(dá)到30km［17－18］，這就沒(méi)有辦法將其認(rèn)為是雷暴云內(nèi)的放電事件，而只能將其與高空放電聯(lián)系起來(lái)，但如果袖珍云閃與高空放電有關(guān)的話，其絕大多數(shù)應(yīng)位于對(duì)流層頂之上［28］.本文的大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)高度最高的袖珍云閃也僅為20.0km，因此之前的研究得到的高度接近30km的袖珍云閃很可能只是由于計(jì)算誤差造成的.綜合以上分析，可以認(rèn)為正、負(fù)極性袖珍云閃均為產(chǎn)生于雷暴云內(nèi)的放電事件，但負(fù)極性袖珍云閃放電高度更高，很可能只產(chǎn)生于發(fā)展極其旺盛的雷暴過(guò)程中，這種極強(qiáng)的雷暴過(guò)程相對(duì)不易形成并長(zhǎng)時(shí)間維持，因此負(fù)極性袖珍云閃的數(shù)量也相應(yīng)地明顯少于正極性袖珍云閃.

（References）

［1］ Smith D A，Shao X M，Holden D N，et al.A distinct class of isolated intracloud lightning discharges and their associated radio emissions.J.Geophys.Res.，1999，104（D4）：4189－4212.

［2］ Nag A，Rakov V A.Compact intracloud lightning discharges：2.Estimation of electrical parameters.J.Geophys.Res.，2010，115：D20103，doi：10.1029／2010JD014237.

［3］ 張義軍，Krehbiel P R，劉欣生等.閃電放電通道的三維結(jié)構(gòu)特征.高原氣象，2003，22（3）：217－220.Zhang Y J，Krehbiel P R，Liu X S，et al.Three dimensions structure of lightning discharge channel.Plateau Meteorology（in Chinese），2003，22（3）：217－220.

［4］ 董萬(wàn)勝，劉欣生，陳慈萱等.用寬帶干涉儀觀測(cè)云內(nèi)閃電通道雙向傳輸?shù)奶卣?地球物理學(xué)報(bào)，2003，46（3）：317－321.Dong W S，Liu X S，Chen C X，et al.Broadband Interferometer observations of the bi－directional breakdown process in natural lightning.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2003，46（3）：317－321.

［5］ Nag A，Rakov V A.Compact intracloud lightning discharge：1.Mechanism of electromagnetic radiation and modeling.J.Geophys.Res.，2010，115：D20102，doi：10.1029／2010JD014235.

［6］ 祝寶友，陶善昌，譚涌波.伴隨超強(qiáng)VHF輻射的閃電雙極性窄脈沖初步觀測(cè).氣象學(xué)報(bào)，2007，65（1）：124－130.Zhu B Y，Tao S C，Tan Y B.Initial observations of the lightning narrow bipolar pulses with very powerful VHF radiation.Acta Meteorologica Sinica（in Chinese），2007，65（1）：124－130.

［7］ Suszcynsky D M，Heavner M J.Narrow Bipolar Events as indicators of thunderstorm convective strength.Geophys.Res.Lett.，2003，30（17）：1879，doi：10.1029／2003GL017834.

［8］ 張義軍，董萬(wàn)勝，張廣庶等.空中人工引發(fā)雷電先導(dǎo)過(guò)程的特征分析.地球物理學(xué)報(bào)，2003，46（4）：446－449.Zhang Y J，Dong W S，Zhang G S，et al.Characteristics of the leading processes to the artificial induced lightning in the air.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2003，46（4）：446－449.

［9］ 孔祥貞，郄秀書，趙陽(yáng)等.青藏高原一次地閃放電過(guò)程的分析.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49（4）：993－1000.Kong X Z，Qie X S，Zhao Y，et al.An analysis of discharge processes of one cloud－to－ground lightning flash on the Qinghai－Xizang Plateau.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2006，49（4）：993－1000.

［10］ Le Vine D M.Sources of the strongest RF radiation from lightning.J.Geophys.Res.，1980，85（C7）：4091－4095.

［11］ Willett J C，Bailey J C，Krider E P.A class of unusual lightning electric field waveforms with very strong highfrequency radiation.J.Geophys.Res.，1989，94（D13）：16255－16267.

［12］ Holden D N，Munson C P，Devenport J C.Satellite observations of transionospheric pulse pairs.Geophys.Res.Lett.，1995，22（8）：889－892.

［13］ Jacobson A R，Heavner M J.Comparison of narrow bipolar events with ordinary lightning as proxies for severe convection.Mon.Wea.Rev.，2004，133：1144－1154.

［14］ Wiens K C，Hamlin T，Harlin J，et al.Relationships among Narrow Bipolar Events，“total”lightning，and radar－inferred convective strength in Great Plains thunderstorms.J.Geophys.Res.，2008，113：D05201，doi：10.1029／2007JD009400.

［15］ 吳亭，董萬(wàn)勝，劉恒毅.雙極性窄脈沖電場(chǎng)波形特征.高原氣象，2011，30（3）：823－830.Wu T，Dong W S，Liu H Y.Characteristics of electrical waveform of narrow bipolar event.Plateau Meteorology（in Chinese），2011，30（3）：823－830.

［16］ Wu T，Dong W S，Zhang Y J，et al.Comparison of positive and negative compact intracloud discharges.J.Geophys.Res.，2011，116：D03111，doi：10.1029／2010JD015233.

［17］ Smith D A，Heavner M J，Jacobson A R，et al.A method for determining intracloud lightning and ionospheric heights from VLF／LF electric field records.Radio Sci.，2004，39：RS1010，doi：10.1029／2002RS002790.

［18］ Nag A，Rakov V A，Tsalikis D，et al.On phenomenology of compact intracloud lightning discharges.J.Geophys.Res.，2010，115：D14115，doi：10.1029／2009JD012957.

［19］ Wescott E M，Sentman D，Osborne D，et al.Preliminary results from the Sprites94aircraft campaign：2.Blue jets.Geophys.Res.Lett.，1995，22（10）：1209－1212.

［20］ 吳明亮，徐寄遙.時(shí)變的準(zhǔn)三維“紅閃”電場(chǎng)模式研究.地球物理學(xué)報(bào)，2005，48（3）：480－486.Wu M L，Xu J Y.A time－dependent quasi－three－dimensional QEF model of red sprites.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2005，48（3）：480－486.

［21］ Hamlin T，Light T E，Shao X M，et al.Estimating lightning channel characteristics of positive narrow bipolar events using intrachannel current reflection signatures.J.Geophys.Res.，2007，112：D14108，doi：10.1029／2007JD008471.

［22］ 劉恒毅，董萬(wàn)勝，王濤等.閃電電場(chǎng)變化波形時(shí)域特征分析及放電類型識(shí)別.氣象，2009，35（3）：49－59.Liu H Y，Dong W S，Wang T，et al.A time－domain analysis on waveform change of lightning electric field and identification of discharge types.Meteorological Monthly（in Chinese），2009，35（3）：49－59.

［23］ 黃文耿，古士芬.雷暴云準(zhǔn)靜電場(chǎng)對(duì)夜間電離層D區(qū)的影響.地球物理學(xué)報(bào)，2003，46（2）：162－166.Huang W G，Gu S F.The effect of thunderstorm cloud quasi－electrostatic（QE）field on the nighttime ionospheric D－region.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2003，46（2）：162－166.

［24］ Nocedal J，Wright S J.Numerical Optimization（Second Edition）.Springer，2006.

［25］ Bracewell R N，Budden K G，Ratcliffe J A，et al.The ionospheric propagation of low－and very low－frequency radio waves over distances less than 1000km.Proc.Inst.Electr.Eng.，1951，98（53）：221－236.

［26］ Jacobson A R，Holzworth R，Shao X M.Low－frequency ionospheric sounding with Narrow Bipolar Event lightning radio emissions：energy－reflectivity spectrum.Ann.Geophys.，2008，26（7）：1793－1803.

［27］ Zipser E J，Cecil D J，Liu C T，et al.Where are the most intense thunderstorms on earth？Bull.Amer.Meteor.Soc.，2006，87：1057－1071.

［28］ Pasko V P.Recent advances in theory of transient luminous events.J.Geophys.Res.，2010，115：A00E35，doi：10.1029／2009JA014860.

3Dlocation of compact intracloud discharge based on its ionospheric reflection pair

WU Ting1，DONG Wan－Sheng1，LI Liang－Fu2，QIN Bin－Quan3
1 Laboratory of Lightning Physics and Protection，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081，China
2 Chongqing Meteorological Bureau，Chongqing401147，China
3 Chongqing Lightning Protection Center，Chongqing401147，China

Compact intracloud discharge（CID）is a special type of lightning discharge event that is different from regular lightning discharge processes.CIDs can produce powerful radiation on both HF and LF bands.The LF radiation signals can produce ionospheric reflection pairs on electric field change waveforms by propagating between the ionosphere and the ground.The time differences between reflection signals and the direct signal are determined by the 3Dlocation of the CID and the height of the ionosphere，so these values can be retrieved by simultaneous observations of lightning detection network.Based on this relationship，a new method for determining 3Dlocations of CIDs is developed.This method can not only accurately determine 3D locations of CIDs but also calculate the virtual height of the ionosphere，which is potentially an effective way to study the characteristics of the ionosphere.By comparing locations of CIDs with radar echoes，this method proves to have high accuracy.Discharge heights of thousands of bothpositive and negative polarity CIDs are computed，and it is found that positive CIDs mostly occur at the height of 7～14km，while negative CIDs are much higher，mostly in the range of 15～18km.Discharge heights of negative CIDs are generally comparable to the height of the tropopause，and they are much fewer than positive CIDs，which indicate that negative CIDs are probably produced in extremely vigorous，though relatively rare，thunderstorm processes.

Compact intracloud discharge，Narrow bipolar event，Ionosphere，Intracloud discharge，3Dlocation

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.004

P427

2010－12－27，2012－03－21收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41075022）和科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)（2008EG137292）資助.

吳亭，男，1985年生，在讀碩士，主要從事雷電物理的研究.E－mail：wuting25＠gmail.com

吳亭，董萬(wàn)勝，李良福等.基于電離層反射的袖珍云閃（CID）三維定位研究.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（4）：1095－1103，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.004.

Wu T，Dong W S，Li L F，et al.3Dlocation of compact intracloud discharge based on its ionospheric reflection pair.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1095－1103，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.004.

（本文編輯 何 燕）