The time and power spectrum density analysis of different lightning components based on electric field waveforms from 2014 thunderstorm season recorded in the south-eastern part of Poland

• Autorzy: Karnas G. , Barański P. , Masłowski G. , Sobolewski K.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2016.02.40

Warianty tytułu

PL

Czasowa oraz widmowa analiza różnych składowych wyładowania atmosferycznego w oparciu o przebiegi pola elektrycznego zebrane w południowo-wschodniej części Polski w 2014 roku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper is focused on the Power Spectrum Density analysis of the lightning electric field signatures collected in Subcarpathian part of Poland, in 2014. Lightning records were carried out in two different ways. The slow electric field sensor (TLF-ELF), the mill, was used for observation of lightning activity during entire thunderstorm lifetime. The second recording mode was the acquisition of fast electric field changes (0.3 Hz to 3 MHz) associated with different types of cloud-to-ground (CG) and inter-, intra-cloud (IC) type discharges. The registration process was synchronized with microsecond time precision. This allowed to relate lightning stroke detections to these reported by the LINET, the commercial lightning location system. Different lightning stroke components, as e.g. the preliminary breakdown (PB), the return stroke (RS) and the continuing current (CC) were identified with application of the Short-Time Fourier Transform. The spectral analysis might be adapted to improve in future some detection algorithms used in lightning location systems. Such lightning CG stroke discrimination is not applied as yet by any lightning location system routinely operated in Europe.

PL

W artykule skupiono się na analizie spektrogramów widmowej gęstości mocy wyznaczonych dla różnych przebiegów piorunowego pola elektrycznego zebranych w południowo-wschodniej części Polski w 2014 roku. Dane zostały zebrane z wykorzystaniem dwóch sensorów pola elektrycznego. Sensor pola elektrycznego pracujący w zakresie TLF-ELF umożliwił obserwację aktywności burzowej w długofalowym okresie czasu. Drugi typ rejestracji obejmował akwizycję szybkich zmian pola elektrycznego (0.3 Hz do 3 MHz) pochodzących of różnych typów wyładowań doziemnych oraz wewnątrz-, między-chmurowych. Proces rejestracji został zsynchronizowany z mikrosekundową precyzją. Pozwoliło to na porównanie własnych rejestracji z detekcjami LINET-u – komercyjnego systemu lokalizacji wyładowań. Różne składowe wyładowania takie jak wyładowania wstępne, udar główny oraz prąd długotrwały zostały zidentyfikowane z wykorzystaniem krótkoczasowej transformaty Fouriera. Analiza spektralna może w przyszłości zostać wykorzystana w usprawnieniu algorytmów detekcji wyładowań. Taki rodzaj identyfikacji wyładowań doziemnych nie został jak dotąd zaimplementowany w żadnym systemie lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracującym regularnie w obszarze Europy.

Słowa kluczowe

EN

lightning electric field; thunderstorm; lightning location system; short-time Fourier transform; power spectrum density

PL

piorunowe pole elektryczne; burza; system lokalizacji wyładowań atmosferycznych; krótkoczasowa transformata Fouriera; gęstość widmowa mocy

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 92, nr 2
• Strony: 144--147
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Karnas G.

• Rzeszow University of Technology, Department of Electrical Engineering Fundamentals ul Wincentego Pola 2, 35-959 Rzeszów

autor

Barański P.

• Institute of Geophysics, Polish Academy of Sciences, ul. Księcia Janusza 64, 01-452 Warszawa

autor

Masłowski G.

• Rzeszow University of Technology, Department of Electrical Engineering Fundamentals ul Wincentego Pola 2, 35-959 Rzeszów

autor

Sobolewski K.

• Warsaw University of Technology, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa

Bibliografia

• [1] Rakov V. A.: Electromagnetic Methods of Lightning Detection, Surv. Geophys., 34, 2013, s. 731–753
• [2] Betz H., Schmidt K., Laroche P., Blanchet P., Oettinger W., Defer E., LINET – A New Ligthning Detection Network in Europe, 13-th International Conference on Atmospheric Electricity, 2007, Beijing, China
• [3] Loboda M., Betz H.D., Baranski P., Wiszniowski J., Dziewit Z., New Lightning Detection Networks in Poland – LINET and LLDN, The Open Atmospheric Science Journal 01/2009, 3:29-38
• [4] MacGorman, D.R., Rust W.D.: The electrical nature of storms, Oxford University Press, New York, 1998, s. 49-53
• [5] Rakov V.A., Uman M.A., Lightning: Physics and Effects, Cambridge Univ. Press, 2003, New York
• [6] Oppenheim, Alan V., Ronald W. Schafer, and John R. Buck. Discrete-Time Signal Processing. 2nd Ed. Upper Saddle River,NJ: Prentice Hall, 1999
• [7] Rabiner, L.R., and R.W. Schafer, Digital Processing of Speech Signals, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1978
• [8] Maslowski G.: Lightning E-field measurement and fast video recordings station at the Rzeszow University of Technology, Poland, Konferencja: 21st International Conference on Electromagnetic Disturbances EMD 2011, Białystok 28-30.09.2011, s.181-182
• [9] Baranski P., Loboda M., Wiszniowski J., Morawski M. (2012), Evaluation of multiple ground flash charge structure from electric field measurements using the Local Lightning Detection Network in the region of Warsaw, Atmospheric Research, 117, 99-110, doi: 10.1016/j.atmosres.2011.10.011
• [10] Karnas G., Maslowski G., Baranski P., Berlinski J., Pankanin G.: Instrumentation and data analysis process at the new lightning research station in Poland, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 6/2013, s. 217-220
• [11] Maslowski G., Baranski P., Karnas G., Electric Field Frequency Spectra of Multiple Cloud-to-Ground Lightning Flashes Recorded in the Warsaw Region by Local Lightning Detection Network, XIV International Conference on Atmospheric Electricity, 2011, Rio de Janeiro, Brazil
• [12] Masłowski G., Barański P., Karnas G.: Spectral characteristics of the electric field related to the preliminary breakdown stage of cloud-to-ground lightning flashes, Proceedings of the 15-th International Conference on Atmospheric Electricity, ICAE 2014, Norman, Oklahoma, USA
• [13] Karnas G., Maslowski G., Preliminary measurements and analysis of lightning electric field recorded at the observation station in the South-east part of Poland, Przeglad Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R.90, no.4, 2014
• [14] Oliveira P.M., Barroso V., Uncertainty in the Time-frequency Plane, Statistical Signal and Array Processing, Proceedings of the Tenth IEEE Workshop, 7803-5988-7/00/$10.00, pp.607-611, 2000

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.