張陽，王敬軒,3，鄭棟，呂偉濤，張義軍，樊艷峰，范祥鵬，姚雯

（1.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院，上海200438；3.成都信息工程大學(xué)，四川 成都610225）

1 引言

閃電監(jiān)測定位?；赩LF/LF信號和VHF信號。雖然閃電放電過程中VHF信號具有更高的豐富程度，基于VHF信號能夠給出精細(xì)的通道定位結(jié)果，但是由于VHF信號直線傳輸?shù)奶匦?，容易受到地物遮擋，同時(shí)其信號強(qiáng)度較弱，容易受當(dāng)?shù)仉姶怒h(huán)境的影響，因此，VHF定位對架設(shè)環(huán)境要求較高，對較低高度的放電活動(如先導(dǎo)、回?fù)舻?的定位能力較差，一般應(yīng)用于較小范圍的重點(diǎn)區(qū)域。而VLF/LF信號強(qiáng)度強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，適合大范圍的閃電活動監(jiān)測。自上世紀(jì)以來，多個(gè)國家及地區(qū)建設(shè)了基于VLF/LF信號的業(yè)務(wù)化地閃定位網(wǎng)，例如，美國的NLDN[1]、中國氣象部門的ADTD[2]以及中國電力部門的定位系統(tǒng)[3]等。本世紀(jì)初原有的部分地閃定位系統(tǒng)正通過升級[4]或者重新研發(fā)[5-7]具備了全閃定位能力，但這些升級后的定位系統(tǒng)對云閃放電事件的探測效率仍較低。

在科研領(lǐng)域，為了獲得更加高效的三維全閃定位，研制了多種低頻三維全閃定位系統(tǒng)，例如，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的天電陣列(LASA)[8-9]，日本大阪大學(xué)的基于快電場的寬帶閃電和雷暴觀測網(wǎng)(BOLT)[10]，中國科學(xué)院大氣物理研究所的多頻段北京閃電探測網(wǎng)(BLNET)[11]，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的7站同步快天線探測網(wǎng)[12]，中國氣象科學(xué)研究院2007年在廣州建設(shè)的基于低頻信號的全閃探測試驗(yàn)網(wǎng)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立的江淮地區(qū)閃電觀測網(wǎng)[13]等。上述系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于雷暴過程及閃電活動的研究，雖然能夠給出比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)更高的探測效率、更準(zhǔn)確的平面及高度上的定位精度，但是由于探測定位效率的制約，其在精細(xì)定位能力方面仍存在不足，難以對閃電基本的發(fā)展傳輸過程進(jìn)行刻畫。而當(dāng)前閃電放電過程的研究已經(jīng)由傳統(tǒng)的宏觀特征認(rèn)識進(jìn)入到了精細(xì)的機(jī)理揭示，閃電如何始發(fā)、通道如何發(fā)展、傳輸過程和雷暴云的配置關(guān)系如何，這些都需要更精細(xì)化的定位數(shù)據(jù)作為支撐。

為了進(jìn)一步提高低頻全閃定位的精細(xì)化程度，不同的研究團(tuán)隊(duì)采用不同的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了更精細(xì)的全閃定位，特別是基于信號波形的定位技術(shù)顯著提升了閃電通道定位能力。例如，美國杜克大學(xué)研發(fā)了一套基于5站高靈敏度磁場探測的閃電成像陣列(LFI-LMA)[14]，基于低頻磁場信號波形、采用近場干涉法和時(shí)差法結(jié)合獲得了對閃電通道的定位。日本岐阜大學(xué)建設(shè)了一套基于快天線的閃電成像陣列(FALMA)，可以重建閃電的三維通道結(jié)構(gòu)[15]。中國科學(xué)院大氣物理研究所、南京信息工程大學(xué)和中國氣象科學(xué)研究院也分別基于低頻磁場和快電場波形實(shí)現(xiàn)了閃電通道定位[16-18]。目前基于波形的低頻定位正成為主要的精細(xì)化定位手段，雖然研究人員從信號濾波、定位計(jì)算、尋峰匹配等方面發(fā)展出了不同的基于波形的定位方法，進(jìn)一步提高了通道定位的精細(xì)化程度，但仍難以實(shí)現(xiàn)雷暴級別閃電活動的通道定位。這些具備通道描繪能力的低頻全閃定位系統(tǒng)，已開始應(yīng)用于閃電放電過程、雷暴電活動規(guī)律等方面的研究[19-20]，揭示了閃電發(fā)展傳輸機(jī)制，深化了對閃電活動和雷暴云動力微物理關(guān)系的理解。

雖然低頻三維全閃定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮了越來越重要的作用，但隨著閃電放電過程研究的進(jìn)一步深入，需要更精細(xì)的、雷暴級別的通道定位資料以及基于精細(xì)定位資料的放電參量，這需要進(jìn)一步研究低頻全閃定位方法以及放電參量反演方法，以更準(zhǔn)確揭示閃電發(fā)展傳輸規(guī)律。中國氣象科學(xué)研究院雷電團(tuán)隊(duì)針對雷暴電活動和放電過程的精細(xì)化觀測需求，自2012年開始研制了高靈敏度的基于低頻信號的全閃探測系統(tǒng)，并發(fā)展了相應(yīng)的定位方法，觀測揭示了新的雷電放電規(guī)律。本綜述將詳細(xì)介紹中國氣象科學(xué)研究院依托中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地(CMA_FEBLS)在低頻全閃定位技術(shù)方面和基于全閃三維定位結(jié)果揭示閃電放電規(guī)律方面的研究進(jìn)展。

2 低頻全閃定位系統(tǒng)

中國氣象科學(xué)研究院的低頻全閃定位系統(tǒng)是張義軍教授于2011年建議研發(fā)，張陽等[21]于2012年和2013年研制了該探測系統(tǒng)的高靈敏度傳感器和無死時(shí)間采集處理系統(tǒng)，并于2014年在中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地建設(shè)形成閃電低頻電場探測陣列(LFEDA)[18]，主要觀測雷暴中三維全閃活動，用于雷暴電學(xué)和閃電放電機(jī)制研究。

2.1 低頻電場探測陣列

該陣列建設(shè)自2014年開始，在廣州從化及周邊地區(qū)架設(shè)了7個(gè)子站并進(jìn)行了預(yù)觀測，2015—2016年增補(bǔ)形成10子站探測網(wǎng)絡(luò)，2017年因電磁環(huán)境噪聲問題將石嶺村(SLC)站整體搬遷至中田村(ZTC)，至此形成了穩(wěn)定運(yùn)行的10子站全閃定位網(wǎng)。如圖1A所示，探測站分布于113.2～113.9°E，23.1～23.7°N之間，基線范圍6～60 km，在至少5站同步探測信號的情況下，基于到達(dá)時(shí)差法可以實(shí)現(xiàn)以CHJ（廣州從化區(qū)氣象局）站為中心100 km×100 km范圍內(nèi)的高精度的全閃三維定位，并且具備一定的通道定位能力(圖1B)。

圖1 低頻電場探測陣列站網(wǎng)布局圖(A)、一次云-地閃的三維定位結(jié)果圖(B)[18] 點(diǎn)的顏色代表時(shí)間。a.放電高度隨時(shí)間的分布；b.放電高度在東西方向的分布；c.隨高度放電事件的個(gè)數(shù)分布；d.放電事件的東西-南北平面分布；e.放電高度在南北方向上的分布。

LFEDA每個(gè)子站主要由高靈敏度快天線、信號采集器和高精度GPS時(shí)鐘源構(gòu)成[18](圖2)，其中快天線靈敏度約為1 V/m，基本原理和LASA的傳感器[8]類似，但采用了正置電容平板接收空間電場變化信號，采用時(shí)間常數(shù)為1 ms的積分電路，經(jīng)過低通濾波后將帶寬為160 Hz～600 kHz信號傳輸?shù)讲杉?。采集器基于PXI平臺，采樣率為10 MS/s，AD12位，通過無死時(shí)間連續(xù)采集、浮動電平分段觸發(fā)記錄的方式獲得信號分段波形，每段采樣長度為1 ms，預(yù)觸發(fā)長度0.2 ms。在采集信號的同時(shí)，采用了PXI背板時(shí)間總線同步GPS時(shí)間的方式，精確標(biāo)記觸發(fā)位置時(shí)間戳，GPS時(shí)鐘源時(shí)間精度優(yōu)于30 ns，最終波形數(shù)據(jù)時(shí)間精度約為100 ns。每個(gè)子站實(shí)現(xiàn)了放電信號的無死時(shí)間捕獲及高精度時(shí)間戳標(biāo)記(多站波形見圖2c)，從而能夠用于雷暴電活動的無遺漏探測和高精度的三維定位。相比于Wu等[15]的FALMA系統(tǒng)，該陣列由于采用了分段觸發(fā)記錄的方式，大大減小了數(shù)據(jù)量，有利于業(yè)務(wù)化推廣應(yīng)用。

圖2 LFEDA子站信號采集器(a)、快天線和GPS天線(b)、多站的同步信號波形(c)

2.2 實(shí)時(shí)低頻電場探測陣列

在LFEDA運(yùn)行的前5年，與國際上一些科研用低頻全閃定位系統(tǒng)類似，實(shí)時(shí)采集記錄每個(gè)子站的信號波形，多個(gè)子站的波形數(shù)據(jù)在上位機(jī)經(jīng)后處理的方式基于TOA方法進(jìn)行定位，給出包括經(jīng)度、緯度、高度、脈放電類型等脈沖放電的定位結(jié)果，而閃電類型需要基于基本定位結(jié)果歸閃后進(jìn)行分類。

為了滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警等應(yīng)用需求，于2020年對LFEDA進(jìn)行了實(shí)時(shí)化升級，形成了實(shí)時(shí)低頻全閃定位網(wǎng)(RT_LFEDA)。研發(fā)了基于FPGA實(shí)時(shí)信號處理技術(shù)的新一代低功耗實(shí)時(shí)探測子站(圖3a)，功耗10～24 W，太陽能供電；每個(gè)子站用以提取放電信號特征(并具備可選擇的原始波形保存的能力)，并將特征通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到中心站。建設(shè)了云中心站，用于實(shí)時(shí)接收子站數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)定位和結(jié)果展示，實(shí)時(shí)低頻全閃定位網(wǎng)于2020年7月開始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了雷暴過程的實(shí)時(shí)三維定位(圖3b)，并具備了初步的實(shí)時(shí)通道定位的能力(圖3c)。

在一輪歷史復(fù)習(xí)中，筆者還想要提醒大家的是，在復(fù)習(xí)開始前一定要制定一份可行性強(qiáng)的復(fù)習(xí)安排，挑選好的參考資料有助于學(xué)生的復(fù)習(xí)。另外，還需要清楚課本和參考資料的關(guān)系，記憶和訓(xùn)練的關(guān)系。通過有效的復(fù)習(xí)措施，在高三最后一年中也可以有一個(gè)驚人的突破。

圖3 新一代低功耗的實(shí)時(shí)探測子站(a)、實(shí)時(shí)低頻全閃定位網(wǎng)中心站對半小時(shí)雷暴電活動的監(jiān)測(點(diǎn)的顏色代表時(shí)間)(b)、一次閃電的實(shí)時(shí)定位結(jié)果(c)

3 低頻全閃定位方法

基于低頻信號的全閃三維定位的精度和精細(xì)化程度也取決于定位算法。目前，低頻全閃定位的基本步驟主要包括脈沖匹配及定位計(jì)算兩個(gè)方面。為了提高低頻全閃三維定位能力，科研人員基于陣列原始分段波形記錄數(shù)據(jù)，從脈沖匹配和定位計(jì)算兩方面開展了深入研究。

4.2.2 基于基準(zhǔn)、粗放和集約利用等三種情景的各類用地面積SD模型仿真結(jié)果中城市土地利用預(yù)測總面積年均增長率分別為0.305%、0.761%和0.163%，且其中年均用地面積占比最大的兩類建設(shè)用地是粗放利用方案中的住宅用地和交通運(yùn)輸用地面積，其值分別達(dá)到12.416%和10.090%；基于三種情景的SD-MOP模型的仿真結(jié)果中預(yù)測用地總面積年均增長率分別為0.743%、2.551%和2.210%，且其中年均面積占比最大兩類建設(shè)用地則為粗放利用情景下的工礦倉儲用地和集約利用情景下的商服用地，其值分別達(dá)到16.924%和13.811%。

3.1 基于簡單脈沖特征的LFEDA定位技術(shù)

高頻噪聲能夠降低尋峰時(shí)間的時(shí)間精度，而復(fù)雜的信號成分則可能降低脈沖信號的匹配能力。為了提高LFEDA的定位能力，可以通過對原始信號進(jìn)行復(fù)雜濾波的方式，以增加脈沖信號的匹配成功率和提高脈沖峰值時(shí)間的精度，從而提高定位精度和精細(xì)化程度。

該算法展示了對云閃和地閃的可靠三維定位和一定的通道刻畫能力。圖1B為對發(fā)生在2015年8月15日的一次自然閃電的定位效果[18]，共定位到322個(gè)放電事件，高度分布在5 km和10 km為中心的兩個(gè)高度層，呈現(xiàn)雙層分布特征，對應(yīng)雷暴云的經(jīng)典分層電荷結(jié)構(gòu)。通過該個(gè)例得到的整個(gè)初始階段的垂直速度是1.32×105m/s，與Yoshida等[10]研究結(jié)果一致。

相比于其它地閃定位系統(tǒng)，基于該算法的LFEDA的定位精度和探測效率都有了明顯提升。根據(jù)76次觸發(fā)閃電回?fù)舻亩ㄎ辉u估效果，對閃電和回?fù)舻奶綔y效率分別為100%和95%，回?fù)羝矫娑ㄎ徽`差平均值為102 m[18]?？紤]到該站網(wǎng)主要集中在廣州從化及周邊地區(qū)，而觸發(fā)閃電位于子站密集區(qū)，因此定位精度較高，而子站較稀疏的GDJ（廣東省氣象局）和ZCJ（廣州增城區(qū)氣象局）周邊地區(qū)，基于蒙特卡羅方法模擬給出的定位精度為200 m左右。而中國電力部門的閃電定位系統(tǒng)閃電和回?fù)籼綔y效率分別為94%和60%，定位誤差的均值為710 m[3]；粵港澳閃電定位系統(tǒng)的閃電和回?fù)籼綔y效率分別為96%和89%，定位誤差均值532 m[22]。

該方法由于僅僅采用峰值時(shí)間和幅度進(jìn)行匹配，在脈沖信號比較豐富的情況下，會出現(xiàn)較多的錯誤匹配，導(dǎo)致較低的定位計(jì)算效率；同時(shí)，采用相似幅度的匹配，也會導(dǎo)致部分放電事件不能有效匹配的情況，需要進(jìn)一步改進(jìn)算法。

3.玉米品種抗性。在國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)有對玉米粗縮病高抗的品種，而國內(nèi)大部分種植的品種均比較容易感染此病毒，比如：西玉3號、掖單2號均為易染病品種。只要在合適的環(huán)境下都有可能大面積發(fā)病，大面積的糧食產(chǎn)量降低，甚至絕收。但也有一些抗病的品種，盡管也會感染上病毒，但發(fā)病程度輕，產(chǎn)量上損失也性比較少，比如：中玉4號、魯單50等，如果結(jié)合一些其他防治措施，有可能達(dá)到理想的防治效果。

3.2 以經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解為特色的LFEDA定位技術(shù)

在早期的LFEDA三維定位中，所采用定位方法與LASA的類似[8]，主要基于簡單的脈沖特征(包括時(shí)間和幅度)進(jìn)行脈沖匹配、通過到達(dá)時(shí)間差方法來定位。定位過程主要包括波形預(yù)處理、尋找脈沖、匹配脈沖以及到達(dá)時(shí)差方法解算最優(yōu)解[18]?；谠疾ㄐ无D(zhuǎn)換的歸一化功率波形進(jìn)行尋峰運(yùn)算，獲得滿足條件的脈沖峰值幅度和峰值時(shí)間；基于兩個(gè)子站間脈沖的峰值時(shí)間差限制條件和幅度相近條件，獲得匹配的脈沖峰值時(shí)間，并結(jié)合子站位置信息，組成到達(dá)時(shí)間非線性方程組，使用最優(yōu)化算法獲得最優(yōu)解。

首先，根據(jù)招標(biāo)文件、施工組織設(shè)計(jì)、企業(yè)定額、市場價(jià)格信息確定直接費(fèi)單價(jià)；其次，計(jì)算相應(yīng)間接費(fèi)、利潤、稅金并考慮風(fēng)險(xiǎn)后確定全費(fèi)用單價(jià)；最后，分別用全費(fèi)用單價(jià)乘以工程量清單上的工程數(shù)量，匯總計(jì)算得出初步標(biāo)價(jià)。

圖4 圖1B相同個(gè)例的采用基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法的定位結(jié)果[23]

由于EMD固有的模式混合和端點(diǎn)效應(yīng)，在處理LFEDA電場脈沖信號時(shí)仍存在噪聲抑制能力不足、多站波形匹配不正確、脈沖信息提取不準(zhǔn)確等問題。為此，F(xiàn)an等[24]進(jìn)一步將集成EMD技術(shù)引入LFEDA定位分析中，并應(yīng)用了雙邊雙向鏡像(DBM)擴(kuò)展方法，有效地抑制了模式混合和端點(diǎn)效應(yīng)，提高了帶通濾波器后信號波形的準(zhǔn)確性[24]。利用該算法的定位進(jìn)一步提高了定位的精細(xì)程度，對上面相同閃電個(gè)例定位點(diǎn)數(shù)量由原來的2296個(gè)提高到2776個(gè)。

對閃電波形的復(fù)雜處理大大增加了運(yùn)算量，獲得一次秒量級的閃電放電精細(xì)化定位的時(shí)間高達(dá)幾十分鐘，限制了在雷暴級別精細(xì)化定位中的應(yīng)用。如何在保證精細(xì)定位的同時(shí)提高定位速度是需要進(jìn)一步解決的重要問題。

3.3 結(jié)合時(shí)間反轉(zhuǎn)方法的定位技術(shù)

上述方法在定位解算部分均采用了到達(dá)時(shí)間差方法，這是針對低頻全閃定位的主要方法。雖然到達(dá)時(shí)間差方法在良好的信號條件下可以達(dá)到高精度的精細(xì)定位效果，但是定位精細(xì)程度和準(zhǔn)確性受脈沖匹配能力和脈沖時(shí)間精度的影響很大。對較遠(yuǎn)距離的閃電放電，其到不同探測子站的傳播路徑和子站空間電磁環(huán)境顯著不同，放電信號信噪比、相位、振幅和波形特征方面存在明顯差異，這將導(dǎo)致錯誤脈沖匹配以及較低的峰值時(shí)間精度問題。

當(dāng)軸流泵以106 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空泡水筒試驗(yàn)段進(jìn)口處的平均流速為4 m/s，中心截面(y=0)處的速度場分布見圖5。由圖5可知，擴(kuò)散段下游和導(dǎo)流片①D下游均產(chǎn)生了流動分離。水流經(jīng)過導(dǎo)流片①C之后，其速度幅值沿z軸的分布較不均勻，此時(shí)軸流泵工作于非均勻流場中，但軸流泵處于水筒底部，壓力較大，葉片未發(fā)生空化。軸流泵下游存在旋轉(zhuǎn)流，速度分布較不均勻，導(dǎo)流片①B附近產(chǎn)生劇烈的流動分離，湍動能較大。

基于上述方法，張驍?shù)萚26]反演獲得了NBE和IBP的放電電流波形。對一次弱NBE事件的反演結(jié)果表明，NBE電流峰值約為35 kA，放電尺度約為494 m，放電速度約為6.5×107m/s，和實(shí)測觀測資料相符[26]。圖6為基于獲得的電流波形反演的CHJ站(距離放電事件8.9 km)和ZCJ(距離放電事件41 km)站的電場波形和實(shí)測電場的對比?？梢钥闯?，兩者在波頭和波尾都具有較好的一致性。同樣，反演IBP給出的放電峰值電流為59 kA，放電尺度約為296 m，放電速度約為1.8×108m/s。

范祥鵬[27]進(jìn)一步研究了非垂直通道的三維空間傳輸線模型，發(fā)展了一種更精確的電流反演方法。該方法使用LFEDA多站波形數(shù)據(jù)，基于3D的MTLK模型，采用粒子群優(yōu)化算法，獲得了爆發(fā)式脈沖簇(RPBs)的電流特征[27]。反演的電流結(jié)果給出，單個(gè)RPBs脈沖對應(yīng)的平均通道長度為201.9 m，云內(nèi)通道中的平均傳播速度為1.22×107m/s，峰值電流強(qiáng)度均值為88.8 kA，與IBP和NBE等電流脈沖相比，其電流特征表現(xiàn)為較小的時(shí)間、空間尺度和發(fā)展速度，與IBPs峰值電流強(qiáng)度相似，根據(jù)Karunarathne等[28]給出的IBPs的電流強(qiáng)度均值為62 kA，張驍?shù)萚26]反演得到的IBPs電流強(qiáng)度為59 kA。

4 基于低頻三維全閃的放電過程和閃電活動研究

4.1 典型放電事件電流波形反演

低頻電場探測陣列能夠提供多站電場波形，適合于科研用途，可用于反演閃電放電電流波形。而大多數(shù)閃電放電路徑比較復(fù)雜，難以精確獲得，很難進(jìn)行精確的電流反演。但考慮到窄偶極性放電事件(NBE)和初始擊穿脈沖(IBP)多以垂直發(fā)展為主，可以采用垂直的傳輸線模型來計(jì)算空間電磁場。在柱坐標(biāo)系下，設(shè)高度z處有一段垂直通道單元dz'，具有時(shí)變電流i(z'，t)，那么在場點(diǎn)P處的電場如公式(1)所示，ε0為真空介電常數(shù)，R為電流元到觀測點(diǎn)的空間距離，dz'距離地面的高度為z'，c為光速，其中的輸入電流i采用Heidler函數(shù)形式，通過和實(shí)測電場波形對比尋優(yōu)獲得放電電流的特征，包括上升沿、下降沿、峰值電流、發(fā)展速度以及通道長度等，具體見文獻(xiàn)[26]。

The median follow-up period for all patients was 34.5(9.9-81) mo. Median follow-up time for group Ⅰ was 37.5 (9.9-74.5) mo and group Ⅱ was 31.2 (10.7-81) mo.Median follow-up was comparable in both groups (P =0.59).

針對上面的問題，Chen等[25]在LFEDA定位中引入了時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)。時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)基本過程如下，首先將接收陣列接收的信號經(jīng)波形時(shí)序反轉(zhuǎn)處理后通過接收陣元再發(fā)射出去，在反向傳播過程中，時(shí)間反轉(zhuǎn)信號的延時(shí)得到補(bǔ)償，陣列中各個(gè)反轉(zhuǎn)信號在空間各個(gè)方向疊加，能量會在來波方向聚焦。Chen等[25]基于LFEDA每個(gè)子站天線接收到的閃電原始波形采用逐步縮減窗口的波形相關(guān)匹配方法獲得匹配脈沖波形，將多個(gè)匹配脈沖的信號在時(shí)間上反轉(zhuǎn)得到時(shí)間反轉(zhuǎn)信號并由子站位置向三維空間虛擬發(fā)射，在傳播過程中的三維空間任意位置疊加，將在實(shí)際放電源位置具有最大強(qiáng)度，即為三維定位位置，通過空間尋優(yōu)的方法可以得到該位置。為了減小運(yùn)算量，可以基于匹配的脈沖峰值時(shí)間和到達(dá)時(shí)差法獲得線性初解，在初解空間附近基于時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)獲得精確解[25]。

圖6 基于反演電流得到的電場和實(shí)測電場的對比

對相同的圖1B中自然閃電個(gè)例的定位效果表明(圖5)，與采用簡單脈沖特征的方法[18]相比，該方法獲得了更豐富的定位結(jié)果，有效定位點(diǎn)數(shù)量達(dá)到1659個(gè)。對比以經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解為特色的定位技術(shù)[23]，該方法在不經(jīng)過復(fù)雜波形處理的情況下仍獲得了較精細(xì)的定位結(jié)果。區(qū)別于其他方法，該方法能夠在最低4站以及較差的信噪比和時(shí)間精度的情況下，獲得更豐富、更準(zhǔn)確的定位結(jié)果，從而有益于實(shí)際遠(yuǎn)距離弱信號(低信噪比信號)的定位和低時(shí)間精度信號的定位。

4.2 NBE和IBP始發(fā)閃電的初始特征

目前，閃電如何始發(fā)已經(jīng)成為雷電物理研究的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的研究將IBP作為閃電始發(fā)放電的標(biāo)志[29]，但最近有研究認(rèn)為NBE放電事件導(dǎo)致了閃電的始發(fā)[30]。閃電始發(fā)放電有哪些類型并有何異同，這些需要進(jìn)一步探討。

針對2015年8月15日廣州的一次雷暴過程，基于LFEDA波形和定位數(shù)據(jù)，張驍?shù)萚31]獲得了可靠的始發(fā)鑒別，研究了閃電始發(fā)放電的特征及始發(fā)階段的放電規(guī)律，不同始發(fā)過程定位如圖7所示，發(fā)現(xiàn)NBE和IBP均是始發(fā)閃電放電的標(biāo)志，在兩百多次閃電中，兩者始發(fā)閃電的比例是15%和85%。相比于始發(fā)IBP脈沖，作為始發(fā)的NBE脈沖，其相對孤立并且具有較大的相對幅度。NBE與后續(xù)緊鄰放電脈沖的時(shí)間間隔約7 ms，幅度比為3.5，而始發(fā)IBP脈沖的對應(yīng)值分別為0.6 ms和0.8[31]。NBE始發(fā)過程的前15 ms平均速度隨初始高度的增大而減小，平均速度略快于IBP始發(fā)過程。正極性NBE和IBP的大多數(shù)始發(fā)了開始向上的閃電，而負(fù)極性NBE和IBP則大多數(shù)始發(fā)了開始向下發(fā)展的閃電。NBE可以出現(xiàn)在始發(fā)位置或閃電過程中，但始發(fā)NBE放電高度明顯低于過程中NBE，這和Wu等[32]的結(jié)果相似。

基于上述考慮，F(xiàn)an等[23]將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)信號處理技術(shù)應(yīng)用到LFEDA波形處理中，實(shí)現(xiàn)多站閃電放電波形的低頻濾波和高頻噪聲降低?；谔幚砗蟮牟ㄐ?，通過逐步縮減窗口進(jìn)行波形相關(guān)匹配后轉(zhuǎn)化形成匹配的功率波形，尋找脈沖獲得匹配的脈沖峰值時(shí)間，并采用傳統(tǒng)到達(dá)時(shí)差方法解算最優(yōu)解[23]。相比于基于簡單脈沖特征匹配的LFEDA定位，該方法明顯提高了定位精細(xì)程度，在相同輸出限制條件下，對圖1B相同個(gè)例給出了2296個(gè)點(diǎn)的定位結(jié)果(圖4)，并且兩種方法通道結(jié)構(gòu)基本一致，放電位置均呈現(xiàn)出明顯的雙層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用EMD的定位方法對較低層放電的定位數(shù)量提高更加明顯(這也導(dǎo)致了脈沖放電事件定位數(shù)量隨高度分布結(jié)果的不同)，分析對應(yīng)的閃電電場波形信號，發(fā)現(xiàn)增加的較低層的定位主要來自于一些低幅度、不規(guī)則的連續(xù)脈沖信號，同時(shí)，對于先導(dǎo)回?fù)舻穆窂蕉ㄎ灰哺逦?。基于一次晴天霹靂地閃放電事件評估給出的定位精度小于60 m。

圖7 閃電始發(fā)過程的定位結(jié)果和對應(yīng)的電場波形

4.3 閃電始發(fā)特征及與雷暴結(jié)構(gòu)的關(guān)系

國內(nèi)外基于始發(fā)過程的精細(xì)化定位結(jié)果開展了多方面的研究，而LFEDA對閃電始發(fā)過程具有很好的定位能力，為始發(fā)過程的進(jìn)一步認(rèn)識提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。

基于廣州的兩次雷暴過程的全閃數(shù)據(jù)，Zheng等[20]研究了始發(fā)階段多種特征，并分析了和發(fā)生高度及始發(fā)位置的相關(guān)性。兩次雷暴共包含了1056次具有明顯始發(fā)通道的閃電，初始先導(dǎo)的持續(xù)時(shí)間中值為11.1 ms，脈沖豐度為1.1 fl/ms，步進(jìn)發(fā)展的垂直步長為179 m，空間步長224 m。始發(fā)階段的垂直(三維)發(fā)展尺度和速度分別約為2.2 km(2.7 km)和1.9×105m/s(2.4×105m/s)，和Wu等[33]的結(jié)果一致；發(fā)展通道以垂直成分為主、與垂直方向夾角為28°。隨著起始高度增加，初始階段持續(xù)時(shí)間和步長增加，發(fā)展速度和脈沖豐度下降。相比于始發(fā)于較弱對流區(qū)的情況，始發(fā)于強(qiáng)烈對流區(qū)時(shí)通常有更大的始發(fā)速度和脈沖豐度，但持續(xù)時(shí)間、發(fā)展距離、發(fā)展步長較小。這些和史東東[34]研究的對流核心區(qū)內(nèi)和對流核心區(qū)外始發(fā)階段的差異性相一致。史東東[34]發(fā)現(xiàn)，閃電主要起始于回波強(qiáng)度30～40 dBZ區(qū)域，對流核心區(qū)內(nèi)始發(fā)高度受對流核心影響較大，分布于對流核心上部(約8.8 km)或下部(約6.6 km)；并且對流核心區(qū)更傾向于短距離的垂直發(fā)展。

我國的普惠金融迅速起步并在城鎮(zhèn)范圍內(nèi)快速發(fā)展起來，但是我國農(nóng)村金融的發(fā)展距離普惠金融的最低要求還有很大的差距,具體表現(xiàn)在農(nóng)村金融機(jī)構(gòu)的覆蓋面較低、農(nóng)村金融機(jī)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展較弱以及減少農(nóng)村貧困的效果有限等方面。因此，中國要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的普惠金融還有很長的路要走,亟需對法律法規(guī)及制度進(jìn)行完善,并加大對軟件、硬件基礎(chǔ)設(shè)施的投資力度,同時(shí)，不斷對農(nóng)村金融體系及服務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行變革和創(chuàng)新,特別是對農(nóng)村來說，其風(fēng)險(xiǎn)管理產(chǎn)品尤為重要，通過金融機(jī)構(gòu)的不斷努力，使客戶的金融能力大大提升，使其有更大的責(zé)任感，去履行社會責(zé)任,改進(jìn)激勵約束機(jī)制。

5 結(jié)論

低頻電場探測陣列及后續(xù)升級的實(shí)時(shí)低頻全閃定位系統(tǒng)是近10年CMA_FEBLS在觀測手段上的重要發(fā)展，不但具備高精度的三維定位能力和一定的通道刻畫能力，而且能夠提供閃電放電波形，在雷電探測技術(shù)、雷電物理過程及雷暴電活動研究中發(fā)揮了重要作用[25-26,34]。

自2015年低頻電場探測陣列連續(xù)運(yùn)行觀測以來，針對該陣列的三維定位方法在不斷發(fā)展中。從最初采用簡單的低頻脈沖特征的TOA定位，到波形精細(xì)化處理、變窗口波形相關(guān)匹配后的TOA定位，獲得了百米的定位精度，定位的精細(xì)化水平提高了數(shù)倍。而融合到達(dá)時(shí)差和時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)的定位算法，則在精細(xì)化定位的同時(shí)提升了抗干擾能力、降低了對站網(wǎng)的要求。上述低頻全閃精細(xì)化定位主要基于放電原始波形的事后處理，處理速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)雷暴級別的全閃活動的實(shí)時(shí)定位應(yīng)用。而升級的實(shí)時(shí)低頻三維全閃定位系統(tǒng)，以FPGA高效脈沖信號處理技術(shù)和云平臺的實(shí)時(shí)三維定位技術(shù)為特色，在具備三維定位能力的同時(shí)，也具備了初步的實(shí)時(shí)通道定位能力。

目前，雖然低頻電場探測陣列通過定位方法的發(fā)展可以獲得精細(xì)的定位結(jié)果，相似研究報(bào)道個(gè)例效果甚至可以和LMA(閃電成像陣列)輻射源定位結(jié)果相比擬[35]，但是，目前的精細(xì)定位只能夠在部分云閃中、針對脈沖信號豐富的放電過程實(shí)現(xiàn)。為了獲得大多數(shù)閃電全過程的放電通道描繪，需要繼續(xù)推進(jìn)基于低頻信號的探測方法研究，從升級傳感器、縮短站網(wǎng)基線、提高靈敏度等多方面著手，獲得高豐富度的閃電放電脈沖信號。另外，目前的低頻全閃精細(xì)化定位算法多基于事后波形定位，實(shí)時(shí)低頻全閃定位系統(tǒng)雖然能夠初步獲得通道定位結(jié)果，但其通道定位能力仍明顯落后于基于波形的事后定位，如何實(shí)時(shí)提取更豐富的特征，獲得更高效率的實(shí)時(shí)精細(xì)化定位能力是需要繼續(xù)研究的課題，也是未來精細(xì)化低頻全閃在業(yè)務(wù)中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

基于低頻三維全閃觀測數(shù)據(jù)的研究，獲得了對閃電放電物理過程的新認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了對典型放電事件的電流波形反演，獲得了兩種始發(fā)放電事件(NBE和IBP)的差異性，研究給出了閃電始發(fā)特征、發(fā)生高度及與始發(fā)位置關(guān)系。低頻電場探測陣列及實(shí)時(shí)低頻全閃定位系統(tǒng)同時(shí)具備的定位能力和放電信號記錄能力，特別有助于推進(jìn)放電參量計(jì)算方面的研究。目前基于低頻全閃觀測數(shù)據(jù)給出了一些典型放電事件的參量反演方法，但是，對于大多數(shù)云內(nèi)放電過程，特別是水平傳輸過程中的放電參量仍難以精確計(jì)算，而這些信息的完善對于全面認(rèn)識閃電活動規(guī)律及物理化學(xué)效應(yīng)非常重要，是亟需解決的重要問題。

康熙二十三年(1684)，康熙帝第一次南巡時(shí)至寄暢園，曾在臥云堂中小憩，問及園主家中長幼情況，并對堂外一株巨樟表達(dá)了喜愛之情。第二次南巡時(shí)，正值梅花盛開，與大紅山茶相映成趣，康熙帝親書“品泉”兩字賞賜??？滴跞四?1699)四月初七，南巡返程途中，康熙帝駐蹕定堰，賜原任左春坊秦松齡御書“山色溪光”“松風(fēng)水月”??？滴跛氖辏滴醯塾钨p寄暢園后書聯(lián)“明月松間照，清泉石上流”??？滴跛氖?，康熙帝游寄暢園后安排秦氏子侄秦道然到九皇子府中教書。

企業(yè)管理是一個(gè)非常復(fù)雜的工作，因而經(jīng)過多年的建設(shè)，企業(yè)形成的各類管理系統(tǒng)具有不同的管理要求服務(wù)。當(dāng)前企業(yè)眾多管理系統(tǒng)影響企業(yè)管理中各部門之間信息交流與共享，影響業(yè)務(wù)與財(cái)務(wù)之間融合。

低頻全閃探測的應(yīng)用也為雷暴電學(xué)的研究開辟了新方向，特別是低頻全閃的通道定位能力，將顯著提升對閃電活動和雷暴云動力、微物理配置關(guān)系的認(rèn)識水平。目前基于低頻全閃觀測數(shù)據(jù)的分析已經(jīng)推進(jìn)了閃電活動的認(rèn)識，比如在閃電的始發(fā)過程方面，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)弱對流區(qū)在始發(fā)的速度、脈沖豐度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)展距離、發(fā)展步長等方面的差異等，但目前基于三維全閃數(shù)據(jù)對雷暴的研究多基于放電的三維位置，隨著精細(xì)化能力的提升、通道刻畫能力的普及，如何通過精細(xì)定位結(jié)果給出更多的閃電放電的特征，特別需要科研工作者進(jìn)一步研究探討。

致謝：感謝中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所的陳紹東、陳綠文、顏旭和杜賽在低頻三維全閃探測試驗(yàn)方面的大力支持。