TELKOM NIKA , Vol.11, No .1, Janua ry 2013, pp. 63 ~72   ISSN: 2302-4 046           63     Re cei v ed Se ptem ber 28, 2012; Revi se d No vem ber  21, 2012; Accepted Novem ber 28, 20 12   The Electrostatic Field Networking in Three Isolated  Thunderstorms      Zhenhui Wa ng* 1, 2,a , Qing feng Ze ng 1, 2,b , Fengxia G u o 2,c , Dongp u Xu 3,d , Hao Wang 2,e   1 Ke y  L abor ator y of Meteor olo g ical D i saster  of Ministr y  of E ducati on, N anj i ng Un iversit y  o f  Information  Scienc e & T e chno log y , N anj i ng 21 00 44, P. R. Chin a   2 School of Atmosph e ric Ph ysi cs, Nanji ng Un i v ersit y  of  Infor m ation Sci enc e &  T e chnol og y, Na nji ng 2 1 0 044,  P. R. China   3 Jiang yi n Mete orol ogic a l Bur e au, Jian g y i n  21 440 0, P. R. China   *corres pon di ng  author, e-mai l a  eiap@n u ist.e du.cn ,  b zengq i ng0 41 9@si na. com,   c  aguo _fx@ ya h oo.com.cn,   b  xudo ng pu@ hot mail.com,  e    w a ngh ao 911 @16 3 .com      A b st r a ct   A metho d  for  netw o rking  at mos p h e ric  ele c trostatic fiel by a  qu asi-n o r m a l  ch arg e  d i s t ributio n   mo de l bas ed  on ra dar a n d  soun din g  dat a in is olat ed  storm ce lls h a s  bee n pro p o s ed. T he ch ar ge   distrib u tion p a r ameters of thun dercl ou d a r e firs t estima ted and i n ver s ed,  and the n  the netw o rk  of  atmos p h e ric e l ectrostatic fiel d  can b e  calc ul ated w i th the  o b tain ed  para m eters. T he  met hod w a s us ed  to  ana ly z e  thr e e  i s olate d  th und e r storms th at p a ssed  thro u g h   the ex peri m ent  site i n   200 9. It w a s show n th at   the e l ectrostati c fiel d n e tw orki ng  an d the  ch a r ge  distrib u tio n  w e re co ncor d ant w i th th e l o cation  of l i g h tni ng  and radar echo. It is revealed  that  the m o del  and obtained param e ters ar e reasonable to some extent and  the method for  netw o rking e l e c trostatic field  usin g radar  an d soun di ng dat a is feasib le.     Key w ords a t m o spheri c  el ectro s tati c field netwo rki ng,  Doppl er wea t her ra dar, isolated sto r m        Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion   Thund erstorms  are  on o f  the maj o r ca use s   of weat her-rel a ted  h u man  inju rie s , death   and treme n d ous lo ss  of  prop erty. Wit h  the  rapi developm ent  of e c ono my and  extensi v e   appli c ation  of electro n ic t e ch nolo g y, lightning  haza r d  traverse  man y   http://www.ici ba.com/inv o lv e/ fields,  su ch a s   a g ric u ltur e, a v iation, infrastru c tu re a nd  telecom m uni cation s.  Hen c e th e works of lightni n g  monitori ng,  f o re ca sting a nd  d e fense have   become in cre a sin g  useful. Lightnin g  acti vity of ten cau s e s  a sig n ificant cha nge o f  EF near the  grou nd. The  EF data can  reflect the charg e of th unde rcl oud q u ickly and it is an impo rta n para m eter u s ed fo cha r g e  dist ributio rese arch  an lightning  fore ca sting. S c ho lars (e.g.  [1-2 ])   attempted to  utilize the EF   data to  cha r g e  dist ri bution  resea r ch  in  th unde rcl oud s. Other schol ars   made  use of  the EF thresh olds [3, 4], 0-1 rel a tion s of  cu rve q u ick j i tter [5] and  p o larity reversal  [4] as metho d s fo r li ghtni ng n o wca s tin g . Some  sch o lars  also tri ed to  fore ca st lightni ng   by  combi n ing EF  data with lig htning lo catio n  [6] or  ra da data [7]. However mo st of them have  used   EF data from  a sin g le-stati on. Thi s  data  can  only refl ect the  cha r g e  situatio n in  a sm all re gi on  around the  field mill and cannot  show the  space and time  characteri stics  of a whole  thunde rsto rm . Therefore  i f  EF can  be  netwo rked,   it is po ssible  to enh an ce  the mo nitori ng  function  an d  enla r ge  the  dete c tion  ra nge  of the fi eld mill. T h e  mo st comm on meth od f o netwo rki ng E F  is sp atial interpol ation  usin limited data. Due to  the eco nomi c  and manp o w er  factors, the si te setting of field  mills are sparse and discrete in  the observation region. There can  be  som e  d e viation b e twe e n  net wo rked  EF with  in terpolation  met hod s a nd  act ual o b servati on  data. Since  EF data ca n  reflect the  charg e  situ ation in a thun derclou d and  the size of the  cha r ge d thu n derclou can   be d e scribed   by ra dar dat a, we can try  to net work the EF data base  on the  existin g  cha r ge  stru cture   wi th thi s  d a ta. Thi s   work therefore p r e s ent s a n  an alysi s  of   EF  netwo rki ng u s ing rada r an d sou ndin g  d a ta bas ed on  a qua si-n orm a l cha r ge di st ribution m ode l.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            TEL K 64 2. O b st ud y with  N is N a obse r Yan g         mill  e mill  m st at o r prop o the s t 11  -1 0 The  A are s A t la s after  field  done  two  p inten s plate s simu l data  the i n the d and  v dete c effec t longi t sit u a t pape whi c h con s i com p of fie l     K OM NIKA  V b serv a tion  m More t y  the law  an d N a n jing new  a nji ng weat h r vation a r ea  g tz e River  D e The E F e lect ric f i eld  m ea su re s E F r  which is  p o rtio nal to E F t ator. T h e al t 0 -12 V and he n A C voltage  s e n t to a  pha s s t the voltag going th rou g The a m E is  as   foll o u s ing th e r e p lates). Firs t s ity bet wee n s  and  t he  p l atio n of  ele c con s ist s  of   o n stallation o f   ata is finally  The E F v ice versa.  D c ted in a ran t  on EF mea t ud e [118.6 0 t ed i n  a n  o p r. Sec o n d ly h  i s  r e st ri ct e d i stent pa tter n p ared, a n d  t h l d mill is ab o ol. 11, No . 1 m ill and  dat a h an 2 5  field  d  ch ara c t e r i s g ene rati on  D h er rada r,  it s is located i e lta.   Figure 1. Lo c F  me ter s   a r e mete r (it i s   w F  c h a n ges   th p ro du ced b y F . The EF v a t ern a ting cu r n ce it is am p s ignals as  w s e sen s iti v e sign al whi g h low-pa ss  f m plification i s o ws : U=kE,  w e lation betw e t , s o me  v o lt a n  the two pl p ote n tiom et e c tric  field is  t h o rdi nal, me a s f field mills,  d stored si mu l F  i s   de fined  D ep endin g   o ge  c l os e   to   2 surement s t w 0 -1 19.25E ],  p e n  a nd fl at  f the EF wa s d  by gl oba a n  [9, 10].  B e h e  re sult sh o o ut 1V/m a n d    , Janua ry 2 0 a   mills have  b t i c of   E F  sp a D o pple r  we a s  scan tim e   n a low-lyi n g c ation of EF  e  of two  kind s w ritten as  fi e roug h a   win d y  the rotatio n a lue can  co n r re nt sign al   o p lified by I-V  w ell as the s y detecto r a n d ch i s   up  t h e f iltering, volt a s  linea hen w he re k  i s   a e e n  voltage   a a ge i s  add e d ates is  kno w e r i s  adj ust e h e sam e T h s ur e d  va lu e s d ata i s  t r an s m l taneo usly  o n he re  as the  o n the ma g n 2 0  k m  an d i t w o  id ea s  ar e which inst a f ield with  n o s  u n ified  an d a nd lo cal  dai l e side s, the  o w that the  s  the accu ra c 0 13 :  63 – 7 2 b een i n sta l l e a ce -time v a ri a ther rad a r s t is 6minute s g  plain a nd    and rad a s t s ; ball oon -b o e ld mill in th e d mill-type d e n  of a mov i n se que ntly  b o n the sen s o conversio n   c y nchro n izi n g d  the  pola r it y  r e qu ir e m en a ge reg u lati o c e  the relati a  cons tant.  T a nd elect r ic  f d  on  tw o   pa w n. Based   o e d until the h e EF data i s s , a c qui sition m itted throu g n  two c o mp u ne gative  c h itude a nd l o t s re spo n se   e  used. First,  a lled in sta o  h i gh  ob jec t d  identified   o y variation  m rationality o s ta nd ar d  d e v c y of EF is  e n 2   e d in  Nanjin g ation. Th e p o t ation a r e s h s  and the d e a thunde rst o t ations in ex p o rn tw sph e e  pape r)  wa s e tec t ion prob i ng film is  c b e cal c ulate d o r chi p  is v e r y c ircuit and  c h g  signal s pr o y  of the EF is t of a nalog - t o n and the o f on b e twee T he  field mi l f ield U = Ed  rallel  plate s   o n this prin c  output of  s  packa ged i n time, motor  g h a  wi rele s s u ters .   h a r ge  if th c o cat i on of   ch time is  1 s .   The EF mill  ndard met e t s aro u nd  t h e o n 0.13 kV/m  m ech ani sm  a f c a librated  v iation  of 8 s t n ough for th e         g  and it s su r o sit i on s of  t h h own in Fi g.1 e tection ra n g o rm pron e a   p eri m ent sit e re s a nd the  f s   use d  in thi e. First, the  c onverted in d  by measuri y  w e ak  re ac h h ange d into  A o d u ce d by p h  identified  u s t o-digital  co n f f s et ci rcuit.  voltage sig n l l bas i c cali b (d is  the dis t a n d fr om t h c iple, the de v t he ele c tri c   n to a frame  a speed and   c s  co nne ct io n c ha r g e  o f  th e a r ge, the  cl o To we aken  at latitude [ 3 e o r ologi cal  o e m, has be e [8] based  o a n d  the me a n data are al s t a t ions i s   s m e  netwo rki n g   ISSN: 230 2 r roundi ng a r e h EF mill to g . The dot in  g e  is 230k m re a kno w a e f ield mill. Th s p a per.  T h e in duced ch a to  voltage  t ng this volt a h ing a value  A C voltage  s h otoele c tric  s s ing this  det e n ve r t e r  i s  ob t n al U  an e b ration p r in c t an c e  be tw e e h e form ula  t h v ice is put  i fi eld devi c e a nd  e a c h  fr a c he ck code s n  to  a   r e c e i v e e  cl oud i s   p o o u d  field co u th e enviro n m 3 1.85-32.2 0 N o bservatori e s e n sel e ct e d   o n t h e fair-w e n  va lu es  oc c u s o measure d m all. The res o  work   2 -4 046   e as  to   g eth e r   Fi g. 1   m . The  a s t h e   e fie l e  field   a r ge o f   t hat is  a ge on  of 1 0 - s i g nal.   s wit c h   e ct ion.   t ained  e le c t r i i p le  is  e n the  h e EF   i n tw o   e  an d   a me of  . After  e r and   o sit i v e   u ld be   m en tal  N ] and  s  an i n th is   e ath e u r i n  a   d  and   o lution   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       The Elect r ost a tic Field Networkin g  in Th ree Isol ated T hund erstorm s  (Zhen hui Wa ng)  65 3. Methodol og y  descriptions  The  cha r ge i n  the thun de rsto rm  can  b e  refle c t by  EF data, whi l e the si ze  o f  the   cha r ge d thu n derclou can   be d e scribed   by ra dar dat a ,  therefo r e  th e mai n   cha r g e  pa ram e ters of  thunde rcl oud  can  be o b tain ed ba se d on  EF, rada r, so undin g  an d the othe r info rmation throu g h   the model, a nd then the  spa c e EF ca n be re ca l c ul ated and n e tworke d acco rding to the s e   obtaine d ch arge paramete r s.    3.1. Quasi-n ormal charg e  distributio n model  In pra c tice, some mete oro l ogical elem e n ts, su ch  a s  temperature  and p r e c ipit ation,  have the feat ure in  som e  frequ en cy  dist ribution, i.e., the freq uen cy  is greate s t in its avera ge a nd  the frequ en cy of both sid e s will  de cre a se g r a dua lly . So many factors, su ch  a s  environme n t a l   temperature,   particl e m o ving  spe ed, p a r ticle  si ze,  fri c tion  rate a nd the  effect  of  coag ulati on,  colli sion, hyd r ometeo rs i n  d i fferent pha se s (su c as li q u id, crystal, snow  and  gra u pel),  will ma ke   a different co ntribution to the pro d u c tio n  and di st rib u tion of cha r ges. In additi on, the transfer  from po sitive  ions to  negati v e and vice v e rsa in el ec t r ification p r o c e ss i s   st ocha stic. The r efore, it  is quite  difficult to describ e the  cha r ge  distrib u tion in  a thund erclo ud. T he  ch arge di stributio n of   thunde rcl oud s i s  ta ken  a s  the  re sults p r odu ce d by  a  num bers  of  “ra ndom ” fa ct ors h e n c e it i s   descri bed  with norm a l or q uasi - no rmal f unctio n  in  this study. The  cha r ge di stri b u tion of a sin g le- polar  cha r g e d  mass in term s of Gau ssi an  function can  be expre s sed  as:      (1)       Whe r e A ( 0 x , 0 y , 0 z ) is ch arg e  co n c entration ce nter of ch arg ed mass, 0 is the cha r ge d e n s ity   at this point a n d , ,  are pa ra meters for th e cha r ge d e n s ity that decrease with di stance   from the ce nter, whi c h is  si milar to the st anda rd deviat i on in Gau s si an functio n .   Acco rdi ng to the kno w le dg e of physics,  becau se  of the balan ce eff e ct of total electri c   field, the ind u ce d charge  will app ear  on the g r ou n d  wh en a th unde rsto rm o c curren ce. T he  electri c  field  near th e grou nd is the j o int  functi on of t he charge in  the clo ud an d  on the g r oun d.  The ele c tri c  field measured nea r the grou nd is  el ectro s tati c field and ca n be de scribe d  by  Coul omb la w and mirror i m age. The  EF intensity  at point (x, y, z) arou nd  the single - p o lar  cha r ge d clo u d  woul d be       (2)     Whe r ,  is an  atmosphe ric  diele c tric  co n s tant an d pa rameters , ,  are the  limi t s for i n tegration calculatio n wh ich  sta n d  for th e 3 - di mensi onal  si ze  of the  cha r ge d ma ss an d is e s ti mated from t he ra dar  ech oes of  the  thunde rcl oud. The  po sition of  cha r ge  de nsit y cente r  A  ( , , )  and  charge  distrib u tion  p a ram e ters  ( , , )  are  al s o   estimated a c cording to the  rada r echo feature s  of clo ud.   Whe n  a cha r ged cl oud m o ve with a certain s pee d to a mill station, the EF at this   station would  chan ge with  time and ca n be cal c ulat ed usi ng Eq. (2) by igno rin g  the sho r t time  variation s  of  cha r ge  in th e  mature, stab le t hund erclo ud. In the  me antime, Eq. (2)  can  be  used   for cal c ulatin g the EF cau s ed by a cl ou d with mu lti-p o lar cha r ge  structu r e afte r modificatio n .   The charge  structu r e of th unde rcl oud i s  not  singl e-p o lar b u t com p licate d  (muti - pola r in practi ce,  and it i s  n e c e s sary to  u s som e   ch arge  st ru cture in the  inv e rsi on  of ch arge   para m eters. Krehbi el  [11]   found that alt houg h the he ights of  the  main ne gative cha r g e  re gion  were differen t  in three  different  are a s, t hey we re i n  t he same te m peratu r zo n e . Although t h e   cha r ge  stru ct ure of thun de rclo ud i s  co m p lex, the  main cha r g e  stru cture  ca n de scribe  as di p o le   or tri pole  in t he mai n   cha r ge a r ea  [12 - 15] in  a m a tu re  conve c tion  zo ne. T he  n u meri cal  re su lts   [16] of three  region s i n   Chi na a nd [1 7]   in  Chi n e s e plat eau re gion   al so co nfirme d this con c lu sio n   and foun d th at the cha r ge  stru cture ca n be de scri b ed as  dipole  or tripol e cha r ge  stru cture  in  mature  sta g e .  The  cha r g e   stru cture research i n   Nanj ing i s  few an d there a r n o  othe r m ean s to   22 2 00 0 0 1 ( , , ) e x p [ ( ( )( )( ) ) ] 2 xx y y z z xy z xy z     x y z 00 0 00 0 22 2 2 2 2 00 0 0 0 0 /2 /2 /2 0 22 2 3 22 2 /2 /2 / 2 '' ' ' ' ' 11 e xp[ ( ( ) ( ) ( ) ) ] e xp[ ( ( ) ( ) ( ) ) ] 22 (, , ) [ 4 [ ( ') ( ' ) ( ') ] [ ( ' ) ( ' ) ( ' ) z z yyx x zz y y x x xx y y z z xx y y z z rr xy z x y z Ex y z xx y y z z xx y y z z               3 ]' ' ' ] dx dy dz [ ( ') , ( ') , ( ') ] rx x y y z z  x y z 0 x 0 y 0 z x y z Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  63 – 72   66 detect di re ctl y . The simpl e  tripole  stru cture  is  us ed  in this m o d e l, i.e. the u pper po sitive, the   central  neg ative and  the  l o we po sitive ch arge  (if  th e lo we r p o siti ve ch arge i s   less o r   ze ro,  it  become  dipol e st ru cture ) The  ration ality of re su lt will be ve rified   by the in dep e ndent EF  dat a,  lightning lo cat i on data an d the inversion  cha r ge d e n s ity.    3.2. EF net w orking   It is shown from Eq. (2) th at if the di sch a rg e  di stributi on (fu n ctio Eq. (1) )  and   the si ze feature  of thu nderclo ud i s   kno w n,  the  space EF di stribution n ear  grou nd can   b e   cal c ul ated with   the model. As mention ed  above, the p a ram e ters  , , , , , , can be   estimated fro m  the differen t  types of data. T he EF dat a is obtai ned  by obse r vatio n  and the r efo r only para m et ers  0  of the three layers are unkno wn. Thi s  ca n be  cal c ulated from t h ree  or mo re  than three E F  value s . Th e pa ramete rs of cha r g e   d ensity is i n ve rse d  a s  follo ws, first, the  EF   values of diff erent  layers i n  si mple  tripo l e st ru ct ure  o f  inversion  st ations are  cal c ulate d   with t he  cha r ge d e n s ity of 1C/km 3  and then the  rea s on able  charg e  den sity range (0-30 C /km 3 ) a nd step   (0.001 C/km 3 ) of ea ch  laye rs are  set to  be  comp osed   of differe nt  charg e  d e n s ity com b inatio n s Finally the tot a l erro r p e rce n tage  and  sta ndard d e viation  b e twee n simulated and  observed   EF of  inversi on stations  u nde different cha r ge den sity  combi nation s  are calcul ated ci rcularly u s ing t he  least  sq ua re  metho d . T he  smalle st  erro r p e rce n tage  of ch arge  de nsity  co mbinatio n s  i s   con s id ere d  a s  optimum. If the error p e rcenta ge bet ween si mulate d and o b serv ed EF whi c is  greate r   th an 100% rea c h 60%  in 6  mi n,  the  p a ra m e ters  , , , , and  will  be   adju s ted  and  simul a ted  a gain. To  verif y  the si m u lat i on p a ra mete rs  obtain ed, t he EF  of oth e r   station a r e simulated with  the model  and t he obta i ned pa ram e ters  and  com pare d  with t h e   observation  d a ta. After a different adju s t m ent, if  there  are no  para m eters satisf ying the abo ve   requi rem ent or  the error b e twee test result an ob servatio ns i s  t oo large,  this simulatio n   of th e   stage i s   con s ide r ed  as  a  failure. If the EF pa ra meters is i n verse d   successfully, the EF  netwo rki ng  n ear gro und will  be re cal c ulated.  W hen  the ob se rvation site s a r e  adeq uate, tim e   synchro n ization data  of di fferent  site are  used in  the solution  o t herwi se  the  data obtai ne d at   different time intervals from  the same  site are u s ed.       4. Case an aly s is and results   The i s olate d   storm  cells of  July  15  (20 0 9071 5), Au gu st 14  (2009 0 814) an d Au g u st 2 4   (200 908 24) i n  2009  which passe d throug h the re sea r ch re gio n s were a n a l yzed. The  EF  measurement  may be affe cted by ch arg e d  pre c ipit atio n and  hen ce  may not refle c t the cha r ge  of  the thunde rcl oud. The r efo r e the EF  data  unde r strong  rada r e c ho i s   not in clud e d  in the process  of inversio n a nd interp olati on. For in sta n ce, NJXJ  st ation whi c was covere d b y  radar e c h o  was   exclud ed in  the ca se of 2009 0814. T he slo w  EF  variation s  (3 00s ave r ag e  value) of time  synchro n ization data  in diff erent  site s was u s e d  in th e 200 908 14  and 2 009 082 4 ca se,  while  the   data from different time intervals in the sam e  site was u s e d  in the 20090715 case. The   variation s  of cha r ge di stri bution in the  time in terval of 10s is ignore d , i.e., a  charge den sity  combi nation i s  calculated  every 10 s. Beca use of  the  simple  tripol e structu r e u s ed i n  the m odel ,   the isol ated  cells a nd th e close d  sta ge  o f  the  ra dar-e cho tightly are  anal yzed  an d networke d  i n   this pap er.      4.1. The cas e of 200 908 1 4   A thunde rsto rm o c curre d   and  develop ed a r ou nd  NJXJ statio n a t  about  074 8  UT August 14, 2 009. The r e were 8 syn c hroni ze d EF  observation  stations (NUIS T , NJQL, NJXJ,  NJTQ, ZJJR, NJJP, NJSH  and Z J EL)  at the experim e n site. To av oid the effect  of pre c ipitatio n,  NJX J  station  whi c h was  co vered by ra d a r echo was  exclud ed wh en inversion  and net worki ng.  The EF ob servation of  NJQL, NJT Q  and  NJLD   wa s the inve rsio n data,  while  NJPK wa indep ende nt test data in this ca se. Before inversi on,  first, with NJXJ station as th e origin an d the   increa se in the dire ction s  of longitude  and latit ude  as X, Y axis se parat ely, the coordina tion   system was  built up, and then the  information of latitude and lo ngi tude, su ch as the site as well  as the thun de rsto rm cl oud  path we re co nverted into  Carte s ia n co ordin a tes.         x y z 0 x 0 y 0 z x y z x y z 0 x 0 y 0 z Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       The Elect r ost a tic Field Networkin g  in Th ree Isol ated T hund erstorm s  (Zhen hui Wa ng)  67 4.1.1. Parameter s e lectio Takin g  into account the charg e  stru ctu r re sea r ch [18,19], the numeri c al si m u lation   results  [16] in China as   well as  the  Chines e inland sounding exper iments [17],this  s t udy   sele cted  the  regio n  b e lo w-5   as the  lowe r p o sitiv e  charge  reg i on of thu n d e rsto rm  and   the   cente r   wa s a bout 0 ; the  regi on  -5   ~ -20   as t he ne gative  cha r ge  re gio n  and  the  ce nter  height was  a bout -1 0 ; the re gion  -2 0  ~ - 40   as up pe r po sitive ch arg e  regio n  and t h e   cente r  h e ight  wa s a bout  -30 . Ambi ent tempe r at ure  height  which th stu d y req u ire d   wa s   estimated  b a s ed  on  the  correspon ding  so undi ng  da ta. Taki ng th e p r o c e s s of  0812  UTC a s  an   example to e x plain ho w to determi ne th e  param eters of the model required.                Figure 2. The radar CAPPI at 0812 UT C on  August14,2009. (a)5km; (b) 7km;(c) 9km.       Accordi ng to the  sounding dat a,  the  radar  CAPPI (Constant Altitude Plan P o sition  Indicatin g ) of  5, 7, 9 km can well re pre s ent  the  rada r e c ho  of lower,  ce ntral and  up per  respectively.  Fig.2 i s   showing  the  radar CAPPI of  5, 7, 9  km  at 0812  UT C on  August  14, 2009.   The di stributi ons of statio ns in Fig.2 a r e con s i s tent with Fig.1 an d t he box around the e c h o  is  ech o   cent rali zed  a r ea. T h e pa ram e ters 0 x , 0 y , and of different laye rs we re  determine d by  the center an d the  scale  of echo  cent rali zed  area  (g re ater tha n  2 5   dBZ in lo we cha r ge  regio n greate r  th an  15 dBZ  in u p per  and  central re gion ) of  corre s p ondin g  hei ght CAP P I respe c tively.  The inte gratio n-limits pa ra meter o f lower po sitive  charge  regio n   we re dete r min ed  by the e c h o   thickne ss  whi c h the e c h o   wa s greater t han 25 dB z b e low 6.5 k (environ menta l  temperatu r e  wa about -5 ). T he pa ramete r o f lowe r po sitive cha r ge re gion was a b o u t 4.5km. Th e integration  limits pa ram e ter o f cent ral  and  upp er  cha r ge  re gio n  were  dete r mined  by ra dar  echo  an sou ndin g  te mperature  p r ofile. The  p a ra m e ter o f central  neg ative ch arge  region -5 ~- 20 )( wa s a b out 2.5 k while u ppe r p o s itive cha r ge  re gion -20 ~- 40 wa s abo ut 3 k m.  The  para m eters , were d e termin ed by the scale of  ech o  centrali zed a r ea whi c wa s greater  than 30 dBZ  (lower  cha r g e  regio n ) o r  2 0  dBZ (u ppe r and central region ). As for the paramet er , many re sea r ch es [14,15, 17,20]  poi nte d  out that it range d from   h undred s of m e ters to 2 k m.  The pa ramet e r o f upper a n d  cent ral re gi on wa s value d  1.5km in th is pap er. The  param eter  of  lower po sitive  ch arg e  reg i on wa d e termined  by e c h o  thickn ess th at the e c h o   was  gre a ter  than 3 5dBZ   belo w  6.5 k m ,  and  it was abo ut 3.5 k m. In ad ditio n , the  echo  thickne s s in   the   simulatio n  proce s s chan g ed little, so  the paramet ers 0 z , , were co nsid ere d  to  be the   x y z z z z x y z z z z z (a )   (b)   (c)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  63 – 72   68 same. Th e pa ramete r 0 z of different laye rs  wa s the cent ral  height of these laye rs a n d  determi ned  by the Nanji ng statio n so undin g  temp erat u r e p r ofil e. Mean while , the param e t ers , , , in the adja c e n t rada r scan  time is con s id ered to be  ch ange d linea rl y in inversion  cal c ulatio n.     4.1.2. The simulated res u lts and co n t ras t  analy s is   The thund erstorm pro c e ss betwee n  08 12-0 830  UT C was  simulat ed and the result are  sho w n i n  fig 3. The  station s  of  NJQL,  NJT Q  and  NJLD  were inve rsi on data, a n d  the   measured an d simulate d EF are in fig 3a,b.  The NJPK was inde pend ent test station, and the  measured a n d  simul a ted E F  values  we re sh own in  Fi g 3a. The  si mulated EF o f  test station  wa cal c ulate d  wi th the mod e l  and the  o b tained  par a m eters. The  coeffici ent  of NJPK  sta t ion   betwe en  me asu r ed  a nd  simulate d EF  wa s 0.86.  T he inve rsion   and i nde pen dent te st EF  all  indicated that  the obse r vat i ons a nd si m u lated EF we re in go od a g ree m ent. It wa s sp eculat e d   that the mod e l  and the  obta i ned p a ra met e rs were  rati o nal to  some  e x tent. Fig 3c i s  the  evolutio n   of  ch arg e  cen t er  d ensity of this ca se.  It  was exhi bited  that the  neg ative ch arg e  d e n sity of  cent ral  regio n  h ad t he la rge s t v a lue  while  p o sitive  cha r g e  de nsity of  lower  and   uppe we re  small  relatively. Especi a lly, the positive  cha r ge de nsity  of  lowe r laye wa s small (m ost of them  were   zero)before 0 824  UT C an d  the stru ctu r e  wa s dip o le a t  this sta ge,  whi c corre s pond ed  with the  developm ent  of thunderst orm; After 0 824 UTC th e  cha r ge d e n s ity of lower layer incre a s ed  grad ually an d the structu r e assum ed a  tripole  cha r g e   stru ctu r e, whi c h corre s pond ed  with the  mature d sta ge of thund ersto r m. Me anwhile, li ght ning lo cation  data indicated that the two   negative fla s hes o c curred  at a bout  08 25  UT (t he  erect  dotted  line  in th Fig 3 c   and  t he  measured EF  in Fig 3a,b)  .The ch arg e  stru cture wa s tripole when  CG lightnin g  occurred. Th EF netwo rki ng characte ristics of 08 18 an 082 5 UT C of  different cha r ge  stru cture  of  thunde rsto rm  resp ectively were analy z e d  in this pap e r                Figure 3. Measu r ed a nd si mulated EF a nd ch arg e  distribution on A ugu st14,20 09 . (a) Mea s u r e d   and sim u late d EF of NJQL  and NJPK; (b) Mea s u r ed  and sim u late d EF of NJL D  and NJTQ; (c)  The ch arge e v olution on Augu st14,20 09 . T he cha r ge  den sity is absolute value.       Figure 4a  an d b a r sho w ing th e val ues  of EF n e tworkin g   wh ich  we re o b tained  by  cal c ulatin g wi th the mod e at 0818  and  0825  UT C re sp e c tively. The rada r e c h o  in this figure is  rada r PPI (pl an po sition i ndicating)  at 14.6° el evation (the  sa m e  belo w ). T h ere  we re n o   CG  x y x y (a )   (b)   (c)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       The Elect r ost a tic Field Networkin g  in Th ree Isol ated T hund erstorm s  (Zhen hui Wa ng)  69 lightning  o c curred  at 08 18  UT and  Fig u re  3  sh owed  that the  charge  st ru cture of  thund erclo u d   wa s dip o le.  Becau s e  the  cha r ge  struct ure  wa s di pol e as well a s   the neg ative  clou d cha r ge  of  central layer  wa s larg e, the EF in radar echo surrou nding a r ea h ad a larg e po sitive value, such   as  Figu re  4a.  The  LLS  disclo sed  that th ere  we re  two  neg ative CG  lightnin g  fla s hes o c curred  at  0825  UT C. In  the me antim e, Figu re 3 c   showed that  th e ch arge  stru cture  chan ge d from  dipol at  0818  UTC to  tripola r  before the lightnin g  happ ened.  Except for the positive EF  region  simila r to   0818  UT C, there  app ea red a n egativ e EF area  a r oun d the  ra dar e c h o  ce nter  which was  resulted f r om  the p o sitive  cha r ge s i n  lo wer pa rt  of t he thu nde rcl oud, a s   sh own in  Figu re  4 b ,c.   Figure 4c i s  the spa c e-d i stributio n of EF net work at 0825 UT C, whi c h ca n exhibit the EF   distrib u tion visually. It is exhibited that the  positive cha r ge a r ea  wa s small an d therefore the  negative  EF  regio n  wa s a l so sm all.  Fig u re   4d   sh o w s the   cha r ge  den sity of  di fferent laye rs in   thunde rcl oud  whe n  the li g h tning o c cu rred, the  filled  cont our ma p in  colo r i s   negative  cha r ge   den sity of ce ntral laye r, th e red  and  bl ack  cont o u rs we re  po sitive charge  den sity of lo we and  uppe r laye r.  The  ch arg e  d ensity di strib u tion in   figure   wa s co mpa r ed with rada echo and   it wa found that the cha r ge  cent er den sity  wa s coi n ci dent  with the rad a r echo. It also  sho w e d  that the   CG li ghtning   occurre d  at t he pla c e  bet wee n  the  ce n t er of n egativ e charge i n  central l a yer  a n d   positive charge in lower la yer, whi c h in dicate d that  locatio n  of lightning was in  accordan ce  with   cha r ge cente r   density.                Figure 4.  The EF netwo rki ng in the ca se of  20090 81 4.(a) T he EF netwo rki ng wi th model at  0818  UTC; (b ) The EF net workin g with  model at 082 5 UTC; (e) Th e EF distributi on at 0825  UTC; (f)Th e  charg e  dist ribu tion at 0825  UTC. Th e ch arge d e n s ity is ab solute val ue.      4.2. The cas e of 200 908 2 4  and 200 90 715   Usi ng th sa me meth od  as  used i n  t he  ca se  200 9081 4, the  case  20 090 82 4 wa reverse d  with   data of  time synchro n ization  of  different s i tes (NJ X J ,  XJ LD,  NJ TQ were used  as   inversi on dat a and  NJQL  wa s used a s  test data), while 200 907 1 5  wa s reve rsed with d a ta of  different time s of the  same  site (thi s thu nderclo ud  wa s be sid e  NJX J  an d NJL D   station, therefo r NJX J   wa s u s ed a s   an inve rsio n d a ta a n d  XJL D   wa use d  a s  te st  data). T he  evolution  of cha r ge   cente r  den sit y  in different layers of the  two ca se s is  sho w n in figu re 5a &b. Th e simulate d a n d   measured EF  values of inv e rsi on a nd te st we re   simila r to the case  of 2009 0814.  Combi ned  wi th   the ra dar  dat a of the two  ca se s,  it wa s found that t he evolutio of cha r g e  ce nter d e n s ity was   simila r to th e ca se  of 2 0090 814  and  the ch ar ge  stru cture eva l uated li ke t h is: the  cha r ge   (b)   (a )   (c)   (d)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  63 – 72   70 stru cture of thund erclou d in  developm e n t phase wa s dipole, the mature d stag e wa s tripole  and   it beca m e di pole  whe n  th e thund erclo ud was  ex tinct. The  cha r ge de nsity e v olution of case   2009 0824  i s   sho w n  in fig u r 5a  and  th e e r ect  dotte d line  ab out  0718  UT C is  the be ginni ng  o f   lightning o ccurred while t he erect d o tted line a bout  0736  UT C is the en d of  lightning. Th ere  occurre d  15 lightning flash e s du ring thi s  stag and  fig.5a indicat ed that  the charg e  structu r durin g the occurre n ce of lightning  was t r ipole. Fi g 5b  is the cente r  char ge de nsity evolution  of  2009 0715  an d there  wa s o ne lightnin g  o c curred  (the  pl ace at the e r ect d o tted lin e) in this  ca se The sa me as in the case s of 2009082 4  and 2009 08 14,  the lightning ch arg e  structure wa s al so   tripole  whe n  the lightnin g  o c curred. Fig u r e 5 c  &d are  sho w in g the  EF netwo rk  o f  200908 24 a n d   2009 0715  wh en lighting  occurre d  re sp e c tively. The  n e tworke d EF  wa s sim u late d acco rdin g to  the model. It is indicated  that the EF netwo rk  and  the rad a r e c ho we re in g ood ag ree m e n t.  Meantime, b e ca use of th e existen c e  o f  positive  cha r ge i n  the lo wer layer, th ere  wa s a n  small   negative EF  area  ben eath  the str ong ra dar echo,  whi c h we re simil a to  the ca se  of  200 908 1 4 Mean while, t he location o f  lighting occurred an d ch arge  den sity distrib u tion  were al so in  g ood   agre e me nt, which  wa s also  the same a s   that in the ca se of 200 908 14.                 Figure 5. Cha r ge an d EF networkin g dist ribut ion in the  case of 2009 0824 a nd 20 0 9071 5.(a Cha r ge evol u t ion in ca se o f  200908 24; (b) Ch arge  ev olution in case of 20090 71 5; (c) T he EF  netwo rki ng wi th model at 0718 UT C in case of  20 090 824; (d ) The  EF netwo rkin g with model  at  0825  UTC in  ca se of 200 9 0715; (e ) The  EF networkin g with Krigin g  interpolatio n method at  0825  UTC in  ca se of 200 9 0715.       (e)   (b)   (a )   (d)   (c)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       The Elect r ost a tic Field Networkin g  in Th ree Isol ated T hund erstorm s  (Zhen hui Wa ng)  71 The su rfa c electri c  field  distrib u tion in  experimenta l  site can be  obtained through   limited ob servation data with spa c e inte rpolatio met hod. Fig 5 e  is the EF network  at 082 5 UT in the case  2009 0715  ba sed  on the  Kriging i n te rp olation meth od. It was  shown that th ere   existed  som e  deviation  bet wee n  mo del  EF network  with the lo catio n  of lig htning   and  rad a r e c ho.  Meantime, th e sa me resul t  was  re ceiv ed in oth e r t hund erstorm s  and  with ot her int e rp olat ion   method s. So we spe c ulate d  that it was result e d  due t o  the inade qu ate intensive  site data.   From t he a n a ly sis of  t h r e e ca se s,  it  wa s sh own that the EF netwo rki ng a nd the  cha r ge  de nsit y distri bution   whi c obtain ed from  rad a r and  soun din g  data  in i s ol ated  storm  cells  were in  ag re ement  with t he lo cation  o f  rada r e c h o es  and li ghtn i ng. Mea n whi l e, the cha r ge   stru ctures of  three thund ersto r m s  we re simila r,  i.e., the charge  stru cture  was dip o le in  the   developm ent, tripole i n  th e mature st age a nd di p o le after m a tured  stag e. It was  also  in   coin cid e n c with the f a ct  that the th ree thu nde rst o rm were o f  the same t y pe. The  ch arge   stru cture of different stage in thunderclo ud al so sho w s t hat the cha r ge st ru cture  of  thunde rcl oud  is compli cate d. It was al so  found that  th e evolution of  rada r e c h o  a nd the  cha r g e   stru cture in th ree thu nde rcloud s were  ba sically con s i s t ent to the re sults of  r e s e a r c h es  [2 1 ]  ab ou t   stron g  upd raf t, electrificati on activity and EF.  Mean while, the lig htning o c curred in the trip ole   stage i n  thre e thund erclo uds  and the  lightning lo cation was b e t ween th e ce nter of po siti ve  cha r ge d e n s ity in lower lay e r and n egati v e charge in  central layer,  whi c h we co n j ectured that the   existen c of positive  cha r ge in th e lo wer laye r of th unde rcl oud  m a y be e a si er  to be ex cited  the   CG lightnin g , becau se the  majority of  CG li ghtnin g  flash beg an  with negative  leader an d the   existen c e of  stron g  EF a r ea cau s ed  by  the lo we r pa rt of thund ercloud  can  ea si ly be excite the   leade r a nd th e spre ad to t he g r ou nd. T h is  re sult  co nforme d to t he  con c lu sio n  abo ut light ning  flashe s an d lowe r po sitive cha r ge [22].       5. Conclusio n   With the help  of the model, EF data and the re lation  of radar reflectivity, thunderstorm   initial feature, firstly the e n v ironme n tal tempe r ature a nd cha r ge  di stributio n a r e  impleme n ted  in  the inve rsio of ch arge  distribution  pa ra meters,  an d t hen th e EF  n e tworkin g   ca n be  calculat ed  with the  mo d e l an d th e p a ram e ters  ob tained.  T h re e  thund erstorms  ob serve d  at the  site   of  experim ent covered by rad a r and field m ills we re  an al yzed in this p aper. Th e re sults sh ow that (1)    There exists  some  deviati on between t he net worke d  EF received  from Krigin g i n terpol ation   method an d the location of lightning and  rada r ech o . We conje c ture that it is resulted fro m   the sparse data of EF. It illu strates the im portance of the layout of EF mill as well.   (2)    The EF net workin g an d  the cha r g e  density whi c h a r e o b tained by the  qua si-n orm a distrib u tion m odel i s  in a c cordan ce  wit h  t he lo catio n  of the rada r e c ho  and  CG lig hting,   whi c h i ndicated the  ratio n a lity of the m odel  and   pa rameters to  some extent. I t  is reveale d   that the method of netwo rked EF usin radar a nd sou nding d a ta is  feasibl e .   (3)    The ch arge structu r e an d cha r ge di strib u tion  of different stage s in  these  ca se s have som e   indication an d referen c e functio n  for the resea r ches about the ch ara c teri stics of  electri c ity  and lighting f o re ca sting.   Becau s e of the absen ce o f  effective means, such as  sou ndin g  EF to detect the cha r ge  stru cture, the cla ssi cha r g e  stru ctu r e is  use d  in mod e l  and at the  same time onl y isolated  sto r cell s are  anal yzed in this  pape r. Furth e r  study is n e eded to ma ke the inversi on pro c e s more   obje c tive so that the retrie vals wo uld b e  more reliab l e and uniq u e .  The shieldi n g effect of clo ud  boun dary  an d the  disch a rge of  lighting  whi c h  b r ing s  so me  errors  to re sult s a r e  igno red.  The s e   deficienci e will be consi dered in the future  study. Meanwhile, the EF  networking with m u lti- polar  (mo r e t han trip ole)  model a s  we ll as mu lti-po lar thun derst orm will b e  carri ed out un der  permi ssion of  study con d itions.       Ackn o w l e dg ements   We a c kno w le dge Professo r Qilin Zh ang  and  Wen’a n  Xiao, and o u r frie nd Mu h a mmad   Ha san Ali bai g and Jame s Wanjo h i Nya ga for their v a luabl e co ntri bution in this  resea r ch wo rk.  The wo rk is sup porte d by China Com m onweal  Ind u stry Re se arch Proj ect (G YHY200 806 0 14)  and P r og ram  for Po stg r ad uates Research In novatio n  of Ji ang su   High er E d u c ation In stitutions  (CXLX1 1_0 6 24).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  63 – 72   72 Referen ces   [1]  Liu  Q , Guo  C M , W ang  CW , Yan  MH.  T h e  surface  e l ectr ostatic fil ed-c h ang prod uce d  by  lig htni ng  flashes  an d th e lov e r p o sitiv e  char ge  layer  of the thu n d e r s torm . Acta M e teoro l og ica S i nica.1 98 7; 45:    500- 504.   [2]  Z hao Y, Z h a n g  YJ, Dong  DS, Z hang  HF , Ch en CP, Z h a ng  T .  Prelimin ar y   ana l y sis of ch a r acteristics o f   light nin g  in the  Nagq u area of  the Qingha i- Xi zang p l ate au.  Chin ese Jo urn a l of Geophys i cs . 2004; 47:   405- 410.   [3]  Liu CQ, Ho JX, Li u K. T h und erstorm  w a rni ng a nd  for e cast w i th  at mosphere  electric field data.  Ningx ia En gi ne erin g T e chn o lo gy . 2010; 9: 20 2–2 05.   [4]  Arang uren  D,  Montan ya  J, S o la G, March  V. Ro mero  D, T o rres H. On the l i ghtn i n g  h a z ard  w a rni n g   usin g el ectrost a tic fiel d: Ana l ysis  of summe r thund erstorm s  in S pai n.  Jo urna l of El ectrostatics . 20 09;   67: 507- 51 2.  [5]  Chai  R, W a n g   Z H , Xi ao W N Yang Z J , Z h a n g  HL, Z h ang   W B . Applicati o n of atmos pher ic el ectric fiel data in l i g h tnin w a rn ing.  Met eoro l og ical Sci ence a nd T e ch nol ogy . 20 09; 37: 724- 72 8.  [6]  Meng Q, Lv W T , Yao W ,   He P, Z hang YJ,   Liu Q, Li  L, Z han g M, Ch an g C.  App licati o n of det ectio n   data from e l ect r ic field m e ter  on gr oun d to l i ghtni ng  w a rn in g techn i q ue.  M e teoro l og ica l  Monthly . 20 05 9: 30-33.   [7]  Gao T C , Huan g Z Y , Z hang P, Yang B. Method of  am al gamate atmos pher ic electric  field d a ta an d   radar d a ta.  Jou r nal of PLA Un i v ersity of Scien c e and T e ch no logy . 20 06; 3: 302- 306.   [8]  Montan ya  J, Bergas J, Herm oso  B. Electric  field me asur e m ents at gr o u n d  lev e l as  a ba sis for lig htni ng   hazar d w a rn in g.  Journa l of El ectrostatics .20 04; 60: 24 1-24 6.   [9]  Che n  W M . 2003. Princip l es of  lightn i ng sci en ce.  Chin a Mete orol ogic a l Pres s , Beijin g.  [10]  Golde R H. Li g h tnin g, Vol. 1,  Acade mic Pres s , Londo n.19 7 7 [11] Krehb iel  PR.  T he el ectrical st ructure of  thun derstor ms, in the eart h s  el ec trical env iron ment . National  Academ y Pres s, W a shingt on,  D.C. 1986; 90- 113.   [12]  Williams E. T h e tripol structure of thun ders t orms.  Journal  of Geophysic a l  Researc h .19 8 9 ; 94: 131 51- 131 67.   [13]  Stolzen bur g M .  An o b serv ati ona l stud of  electric al struc t ure i n  co nvec tive re gio n of Mesosc al e   convectiv e  s y st ems.  Ph D diss, University of Oklahoma , Nor m an.19 96.   [14]  Stolzen bur g M, Rust W D , Marsha ll T C . El ectric al structu r e in thun ders t orm convectiv e  regi ons.1.   Mesoscale convective s y st em s.  Journal of Geop hysica l Res earch.  19 98; 1 03: 140 59- 140 78.   [15]  Stolzen bur g M ,  Rust W D , Marsha ll T C . Electrical  structu r e in  thun derst orm conv ectiv e  reg i o n s. 2.   Isolated storms Journal of Ge ophys i cal R e se arch . 199 8; 10 3: 1407 9-1 409 6.  [16]  Z hang, YJ, Ya n MH, Z hang,  CH, Liu QS. Si mulati ng  ca lcul ation  of charg e  structure in th und erstorm for   different are a s.   Acta Meteorol ogic a  Sinic a . 2 000; 58: 6 17-6 27.   [17]  Z hao Z K , Qie  XS, Z han g T L , Z hang T ,  Z hang HF W ang Y, Yu Y, Sun  BL, W ang HB. Electric field   soun din g s an d the  ch arg e   stru cture  w i t h in  a n   isolat ed t hun de rstorm.  Chi nes e Sci  Bul l . 2 0 0 9 ; 54:  35 32- 353 6.  [18]  W o rkman EJ, Holzer  RE. A prelim in ar y   inv e stigat i on of t he el ectrica l  st ructure of thu nderstorms.   Natio nal Adv i s o ry Co mmittee  for Aerona utics .1942; 8 50: 1-2 9 [19]  Krehb iel PR,  Brook M, McCroc y  RA. An a nal ysis  of the  charg e  structure  of lightn i ng  disch arges to   grou nd.  Jour na l of Geophysic a l Res earch . 1 979; 84: 2 432- 245 6.  [20]  Marshal l T  C, Rust W D. E l ectric  fie l d s o und ings  thro u gh th un derstor ms.  Journ a l of  Geop hysica l   Research .19 9 1 ;  96: 2229 7-22 306.   [21]  Guo F X , Z han g YJ, Yan MH. A numeric al st ud y of  the ch ar ge structure i n   t hund erstorm i n  Nag qu ar ea   of the Qingh ai- X iz an g plat eau Chines e Jour nal of Atmosp h e ric Scie nces . 200 7; 31:28- 36 [22]  Shao  XM,  Li u XS.  A pre limi n ar a nal ys is of  intracl o u d  l i g h t ning  flash e a nd l o w e r p o siti ve ch arge  of  thund erclo ud.  Platea u meteor olo g y . 198 7; 6: 318-3 25.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.