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利用VLF / LF电场记录确定云内闪电和电离层高度的方法

摘要：[1]洛斯阿拉莫斯天电阵列（LASA）记录了1998年至2001年期间超过一千万次雷电放电的VLF / LF电场变化信号。使用三个或更多台站记录的雷电不同的到达时间，确定放电源的纬度和经度。在有利的几何条件和电离层传播的情况下，除了标准的地波传播以外，传感器还获得了来自闪电放电的电离层反射的天波信号。在所有波形的大约1％中，自动处理识别具有时延和两跳特点的反射路径以此来指示云内（高度大于5km）雷电源起点。对于这些事件，可以确定地面上的源的高度和电离层的虚拟反射高度。电离层高度与公布的60至95公里的值以及预期的昼夜变化很好地一致。 100,000次以上的云内闪电事件的源高度测定范围为7至20 km AGL，负极性事件发生在_15 km以上，正极性事件发生在_15 km以下。负极性事件处于极高的高度，并且可能与风暴的上部电荷层和暴风雨之上的电荷屏蔽层之间的放电相关。大约100个具有LASA高度测定的云内事件也由FORTE卫星上的VHF接收机记录。基于直接和地面反射无线电发射之间的延迟的独立FORTE源高度估计显示与VLF / LF估计的极好相关性，但是对于VLF / LF高度测定具有 1km偏差。

关键词：云层内闪电、决定高度、电离层传播

1.引言

[2] 高能的云内（IC）放电是在雷暴中发生的孤立的光照事件，并且产生非常强大的HF / VHF辐射和特有的窄双极电场变化脉冲。 这些事件的初步地面观察由Krider等人[1975]，LeVine [1980]，Willett等人 [1989]，和Medelius 等人 [1991]。 这些放电事件是近年来人们高度关注的一个话题，已经被Black-beard卫星有效载荷研究[Holden等人，1995; Massey和Holden，1995; Massey等人，1998]，FORTE卫星[Jacobson等人，1999,2000]，新墨西哥科技闪电映射阵列（LMA）[Rison等人，1999]，Los Alamos 天电阵列（LASA） [Smith等人，2002]，以及其他地面宽带接收系统[Smith，1998; Smith et al。，1999a，1999b]。

[3] 高能的IC（或EIC），因为放电将在本文中提及，其以前被称为袖珍云闪（CID）[史密斯，1998; Smith等人，1999b]、能量双极（Krehbiel，私人通信）和双极事件[Rison等人，1999]。 它们的低频和高频发射也被赋予了各种名字。 Willett 等 [1989] 将场变化波形描述为窄正双极性脉冲和窄负双极性脉冲（NPBPs和NNBP）。 EIC VHF发射，当从空间与地面反射记录时，被Holden[1995]等人称为穿越电离层脉冲对（TIPP）。

[4] 尽管存在术语，但是通过几个显著的特性可将高能的IC与其他闪电事件区分开来，包括以下几点：

1.放电是HF和VHF无线电频带中最强大的雷电辐射源[LeVine，1980; Willett等人，1989; Holden等，1995; Massey和Holden，1995; Smith等人，1999a; Jacobson等，1999; Rison等人，1999; Jacobson和Shao，2001]。

2. 在至少几毫秒的时间尺度上，高能的IC通常与其它可检测的放电在时间上是不同的，但它通常表现为另外的“正常”的云内闪电的初始事件[Smith，1998; Rison等人，1999; Jacobson和Light，2003]。 Jacobson [2003]公布了关于高能的IC和其他VHF检测得到的脉冲之间的闪电背景的研究。

3. Willett 等[1989]和Medelius 等 [1991]指出高能的IC在正极和负极都发生。在Smith [1999a]等人的早期工作中没有观察到负极性事件（最有可能是因为研究的NBE事件很少），但自从[Smith等人，2002]以来一直被观察到，并且是本文的主题。

[5] FORTE卫星和Los Alamos天电阵列是用于研究高能的IC的两种资源。本文介绍了一种根据多站电场变化数据确定放电高度的方法。该方法由Smith等人[1999b]描述的方法发展得到。Smith等人[1999b]描述的方法是利用电离层和地面反射相对于地波信号的延迟来确定源和电离层高度。改进的方法包括考虑球形地球几何并利用天波反射的建模来精确地确定天波信号的到达时间。该方法应用于数十万个事件，而先前的方法应用于数十个事件。本文还介绍了通过天电阵列（使用VLF / LF无线电发射）和FORTE卫星（使用VHF无线电发射，如Jacobson等人[1999]所所述）确定的放电高度的比较。使用在3年的合作观测期间记录的100个重合的云内闪电事件进行比较。 IC雷电高度是有意义的，因为它们提供了放电源区域的气象条件的情况。 IC放电比云对地放电更为普遍，并且也更多地指示雷暴的气象演变（及其相关危险，例如微爆，冰雹或龙卷风）。对源高度进行两个大体独立的评估建立了高度确定的可信度，并且还提供了两种源高度确定方法的验证。

2. Los Alamos 天电阵列

2.1. 背景

[6] Smith Alamos 天电阵列（LASA）已经由Smith[2002]等人详细描述。简而言之，LASA是自1998年5月以来一直运行的场变化测量仪（测量垂直电场的瞬态变化）的集合。阵列的地理焦点已经发展到利用其他气象仪器或研究，并且包括在新墨西哥州，佛罗里达州，科罗拉多州，德克萨斯州和内布拉斯加州的20个不同地点设置（在不同时间）的多达11个电场变化测量仪。在300Hz和300kHz之间这些站点具有合理的恒定响应。站点的灵敏度由局部噪声条件设置，但在传感器处通常为约1V / m。用于电场变化测量的极性规定是负的云对地放电具有初始负向电场变化记录。全天候，阵列站点记录和时间标签（使用绝对精度优于2ms的GPS时钟）触发场变化波形。每天一次，来自所有站的波形时间被比较以识别巧合。重合波形通过互联网传输到洛斯阿拉莫斯国家实验室，这个实验定位、分类和表征闪电事件。在4年多的运行期间，阵列已经处理了超过700万次雷电放电。

2.2. 定位VLF/LF源方法

[7] 与来自雷电过程的其他VLF / LF发射相比，由EIC产生的窄双极性场变化脉冲都较窄（持续小于20ms）且独立（通常至少几百ms）[Smith等人，1999b]。使用双极性作为应用于这些波形的描述性术语的一部分比“双极性”的典型使用更严格，这表明：直接脉冲具有每个极性的单脉冲，对波形具有非常小的其它贡献。由于这些特性，通常可以在由LASA最常记录的8毫秒天电波形中明确地识别来自电离层和地球的它们的VLF / LF反射。图1给出了由4个阵列站点记录的NPBP的示例。在每个波形中的反射是明显的，其按照源和LASA接收器之间距离由近及远的顺序排列。将反射延迟之间的系统关系构造成范围的函数：随着范围的增加，因为缩短了不同路径的长度，从地波脉冲到两个反射的延迟减小。图2中展示出了VLF / LF反射对的几何结构，其还示出了由卫星从地球的电离层外部接收VHF信号的情况的几何结构（稍后在本文中讨论）。注意，图1中反射的前沿的极性在_150和_200km之间的范围内变化。在图3中更好地示出了极性移位和范围/延迟关系，其给出了在良好电离层条件下的几个范围在不同场合（仅夜间）由传感器记录的干净的天电波形（不是来自相同的放电）的示例。源的高度为12公里，电离层虚拟高度为86公里情况下，穿过波形的两条曲线表示了对天波反射电离层延迟的预测。测量的延迟与预测很好地吻合，并且前缘极性反转在150至200km的范围之间是明显的。

图1：在1999年9月30日的04：47：27.085323的NPBP的4站点阵列观测。给出了4个记录站的名称以及天电阵列确定的位置和每个站之间的大圆距离。电离层和地-电离层反射脉冲由小箭头指示。注意在近站和更远的站之间的反射脉冲的极性反转。在距离源更远的距离处，反射通过导致极性反转的电离层反射而经历准布鲁斯特角效应。

图2：展示出云内脉冲到达电场变化记录站点的直接，电离层反射和地-电离层反射路径。还指示了FORTE直接和地-电离层反射几何形状。（出于清楚的目的，源高度h相对于电离层高度H被放大）。

图3：该图示出了距源的距离对反射脉冲的延迟的影响。这两条曲线是对于在12公里高度和电离层虚拟高度为86公里的源的电离层和地-电离层脉冲的理论曲线-地球延迟。波形来自多个NNBP，其源和电离层高度分别在12千米和86千米的plusmn;1千米误差范围内。虽然所有波形的初始脉冲为负，但对于更远的站的反射的脉冲极性发生反转。为了显示的目的，电场波形的幅度被任意地缩放。注意，两跳电离层反射在两个最远的波形中也是明显的。

[8] 以前已经使用低频闪电天电的多次地面和电离层反射来确定到远处的雷电回击的距离和电离层的有效反射高度。 Kinzer [1974]使用单个感测站和平地几何形状，从相对于地波到达时间的一跳和两跳反射延迟的测量来确定源范围和电离层高度。 McDonald等人[1979]通过引入球形几何形状和使用第二感测站来验证范围以改进和验证Kinzer的技术。 Smith [1998]和Smith 等[1999b]扩展了以前的技术，以允许确定具有足够短的持续时间的脉冲的云内源高度，使得它们的反射彼此之间以及与地面波是可区分的。该方法对于高能的云内事件最有效地工作，因为场变化脉冲是强大的，独立的，并且持续时间短。自动化程序需要改进以确定其它IC的一系列脉冲或者与CG事件相关联的先导脉冲的高度。即使对于EIC事件，脉冲的误识是该方法的主要误差源。

[9] 在Smith [1998]和Smith等人[1999b]描述的先前的工作中，通过人工识别电离层反射以确定地波脉冲与随后的天波反射之间的延迟时间。 此外，假定平地几何形状以简化对源和电离层高度的确定。 为了达到本文所描述的工作的目的，引入了来自Volland [1995]的电离层反射模型，以保证一个确定反射延迟和自动识别出的反射波形的一致的、定量的方法。

[10] 球形地球和平坦地表模型之间的差异随着距离的增加而增加，并且在相对近的距离上可能相当显著。例如，假定EIC为11公里，平地模型在100公里的距离处引入小于1公里的几何误差，在300公里距离处引入4公里误差，在700公里范围内引入12公里误差， 在1900公里范围内的24公里误差。 类似地，给定电离层高度为80km，对于100km距离的EIC，平地模型几何误差为2km，对于300km的EIC为5km，对于700km的EIC为16km，对于1900km的EIC几何误差超过60km。

[11] Volland [1995]开发了一种方法来确定通过给定地面电导率、有效电离层电导率和电离层/地球入射的适当角度的地-电离层波导的长波天电的传递函数。该模型考虑低于100 kHz的频率的波传播。假设地面和电离层有效电导率分别为5.0times;10^-4和2.2times;10^-6 S/m [Volland，1995; Wait and Spies，1974; Field等，1985]。传递函数描述了由于频率制约电离层反射引起的波形的失真。这种现象与电导率的平方根成反比。用于模型的电导率中的任何误差导致在所观察的电场变化相互相关的模型波形中的小失真。对EIC或电离层高度测定的影响可以忽略不计。多跳路径的垂直电场的传递函数是频率的复函数，其依赖于地 - 电离层空腔的几何形状和地球和电离层的有效电导率。传递函数准确地模拟观察到的反射波，包括在给定距离处的前沿极性反转。

图4：说明确定电离层和地-电离层反射延迟的方法。子图1是电场变化记录的窗口式地波部分的曲线图。子图2显示了Volland模型的天波输出（具有任意时间偏移）。子图3是电场变化记录的800微妙部分的图。子图4显示了模型天波与数据的互相关系。互相关系的第一和第二峰值（由星号表示）对应于时间标记的天波脉冲。

[12] 天波模拟以及相互关系在图4中示出。所示的事件发生在1999年8月22日02：47：49.797并且由坦帕-佛罗里达站在269km的范围记录。对于NBE的常规处理，地面和第一反射天波在LASA电场变换记录中在时间上是不同的。图1,3和4的时间尺度都具有相同的零参考时间，而图2没有包括任何传播延迟，因此，零参考时间是任意的。该图的第1个子图示出了在plusmn;120ms的时间尺度上的EIC脉冲的缩放视图。为了最小化噪声的有害影响并在建模之前将地波波形与记录的其余部分隔离，地波波形用64点汉宁窗口开窗，窗口居中在触发点的右侧6点。子图2显示了使用前面提到的电导率和电离层入射角（从已知距离到源）计算的Voland模型产生的天波反射（注意与地波相比，减小的振幅尺度）。

[13]子图3显示了包括子图1中所示的地波脉冲和天波脉冲（分别在_140和_175 ms的延迟）的原始正弦波形的较长摘录。子图4示出了模拟的天波脉冲（子图2）与子图2的天电波形的相互关系的结果。 注意，两个互相关峰大约出现在天波脉冲的时间。峰值的时间（由星号表示）是脉冲到达时间的最佳估计。

[14] 所有的计算都是在假定地球是球形的几何条件下进行的。地波和1跳电离层反射之间的路径长度差d ₁：

其中d是源和接收器之间的弧距，r_E是地球半径，h₁和h₃是电离层和源的高度，Phi;₁是源和电离层反射点（从地球中心测量）之间的射线路径所对的角，Phi;₂是电离层反射点对接收机的地心角。类似地，地波与地电离层1跳

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