一次多回击闪电过程的物理特性分析

利用西藏那曲无狭缝光栅摄谱仪获得的一次多回击云对地闪电光谱,研究了各放电通道的温度及其变化。结果表明,一次闪电不同回击过程的通道温度有明显差异,闪电前期的温度通常较高,之后呈逐渐降低趋势。将闪电光谱与同步电学观测资料相结合,讨论了光谱特征、通道温度与闪电放电特性、电流热效应的相关性。数据分析显示,光谱总强度与辐射电场的变化幅度成正比;光谱总强度与放电电流的大小成正比;通道温度与回击过程传输的能量为正相关。     

闪电放电通道输运系数的演化和热量传输特性的研究

利用无狭缝光栅摄谱仪在青海大通地区获得的闪电回击过程的时间分辨[2]光谱资料,依据谱线辨认和光谱特征分析、基于等离子体传输理论,用谱线的Stark加宽计算了电子密度,并在此基础上探讨了闪电回击过程中,放电通道的热导率以及热扩散系数随时间的演化特征。由计算得到的闪电峰值电流阶段通道温度沿径向的分布、初步分析了沿通道径向的热量传输。闪电回击初始时刻单位长度通道沿径向向外传输的热量达104J/m数量级。计算所得闪电放电通道的传输特性参数值都在合理的范围。结果分析表明:闪电通道的热量输运系数与通道温度和电子密度密切相关。回击峰值电流之后,通道温度缓慢降低,输运系数呈非线性单调衰减趋势。越靠近电流核心通道,温度梯度越大,沿径向向外传输的热量越多。     

青海地区闪电回击通道的温度特性

用无狭缝摄谱仪获得了青海高原地区云对地闪电回击过程的光谱,在谱线辨认和光谱特征分析的基础上,根据光谱线相对强度和跃迁参数值,用多谱线法,对回击通道不同高度处的温度进行了定量分析。结果表明,通道温度与闪电放电的强度密切相关,一般情况下,闪电放电过程越强,对应的通道温度越高;对通道不同高度处的数据分析发现,同一回击的通道温度随高度的增加略呈减小趋势。     

地闪回击通道几何结构对VLF/VHF辐射场特征的影响

云地闪电回击通道分叉或者曲折引起的电流传播方向改变可以在回击辐射波形上面引入一系列次峰结构乃至影响其VHF辐射特征。本文用回击传输线模式探讨了回击通道几何结构对回击VLF／VHF辐射场的影响，结果显示：(1)VLF信号波形次峰幅度与通道片断的尺度以及取向有关，尺度为100m量级且具有较大的垂直分量的电流变化过程可以在回击波形下降沿上面引入与回击幅度相当的次峰结构，而小尺度(1m量级或者更小)的通道曲折在回击波形上面引入的次峰幅度只有回击主峰幅度的10％以下。水平方向的电流传播过程几乎不在回击波形上面产生可以辨别的次峰结构。曲折通道的所有曲折片段的平均长度是描述曲折通道的一个重要参数，次峰时间间隔与幅度均与平均曲折尺度成正相关。(2)曲折通道能够明显增加回击高频辐射分量的能量，出现最大辐射能量增加的频率相当．于波长等于曲折尺度的电磁波频率的1／8。小尺度的曲折或者分叉结构能够使得回击高频分量的强度提升一个数量级，但是这一强度的增加仍比我们实际测量的VHF辐射强度小一个数量级，说明通道曲折和分叉很可能不是回击过程VHF辐射产生的主要原因。     

北京地区负地闪回击转移的电荷量

负地闪是闪电危害的主要来源,其对地转移电荷源特征和电荷量不仅对闪电放电机理的研究有重要意义,而且对雷电防护也具有重要的实际应用价值。为了研究具有典型城市下垫面环境的北京地区的闪电活动特征和放电强度,利用北京地区2011年两次雷暴过程的多站GPS(Global Position System)同步闪电地面电场变化定量观测资料,在考虑消除场地和环境因素对电场变化观测资料影响的基础上,基于蒙特卡洛数据处理方法和非线性最小二乘法拟合反演算法,定量研究了负地闪回击中和的电荷源位置和电荷量,并对回击特征与回击转移电荷源之间的关系进行了讨论,得到如下结果:(1)单次回击中和的电荷量为1.1~27.6 C,平均为8.6±5.2 C,不同序数回击转移电荷量的最小值基本不随回击序数的上升而变化,最大值和均值随回击序数的上升而减小;一次负地闪中和的总电荷量随着回击数的增加而增加。(2)负地闪回击数和回击时间间隔都呈对数正态分布,其中负地闪总数70.4%的多回击负地闪其回击间隔平均为99±95 ms,不同序数回击的时间间隔最小值随回击序数的上升基本不变,时间间隔最大值和均值随回击序数的上升而减小。(3)回击转移电荷量的均值随回击间隔的增加呈波动形式的逐渐上升;相邻回击转移电荷源的空间距离均值随回击间隔的增加而增大。     

一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

基于自主研发的闪电连续干涉仪,对2019年6月11日在中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工引雷试验场成功触发的一次多回击闪电放电全过程进行观测,结合通道底部电流数据和电场变化数据,共同揭示触发闪电全放电过程:连续干涉仪能够定位到最小为8 A的不连续的先驱电流脉冲辐射信号,初始先驱电流脉冲(IPCP)的平均转移电荷量约为先驱电流脉冲(PCP)的2倍;上行正先导连续发展后为初始连续电流(ICC)过程,最初正流光通道以105 m·s-1量级的速度继续发展延伸,之后出现反冲先导放电;在ICC阶段出现的经典M分量,可由向前的106 m·s-1量级速度的正流光(先导)产生,也可由已有通道头部产生的反冲先导产生,且整个M分量过程中,多个反冲先导维持了放电过程的持续;之后的回击间过程以反冲先导为主要放电形式,回击电流脉冲之前存在多次反冲先导过程,但多数未发展到接地通道,只处于企图先导阶段,直至成功的先导回击产生;而前两次回击具有超短的时间间隔,约为4.5 ms,这是由于两次回击前的先导来源于云内不同分支的反冲先导过程。     

一次闪电回击过程的通道辐射特性

用无狭缝摄谱仪获得了山东省一次云对地闪电回击过程的光谱,根据光谱信息,计算了闪电通道等离子体温度和电子密度,并分析了闪电通道内部的辐射机制,讨论了闪电通道等离子体中的箍缩效应。由此推断:闪电通道等离子体中的箍缩效应是闪电产生X射线的主要辐射源。最后讨论了闪电通道与激光在大气中激发的等离子体通道的差异。     

山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征

山东人工引发雷电实验 （SHATLE) 自2005年开始, 六年来共成功引发负极性雷电22次, 包含大电流回击过程88次, 实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、 高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明, 回击峰值电流的几何平均值为12.1 kA, 最大值为41.6 kA, 最小值为4.4 kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1～68 μs之间, 电流10%～90%峰值的上升时间几何平均值为1.9 μs, 中和电荷量为0.86 C, 作用积分（action integral, 或称比能量) 为2.6 ×103A2?s。人工触发闪电峰值电流约16.5 kA的回击在30 m处产生的电场变化可达56.0 kV/m, 60 m处的磁场几何平均值为52 μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105 m/s。     

人工触发闪电放电过程分析：I.先导放电过程

利用人工触发闪电电场,电流和闪电通道亮度高速摄像观测资料,分析了第一次回击前衔导过程的放电特性,结果指出,对于空中触发,先导传输具有“双向”特征,由于下行先导发展,先导通道电流分布具有不均匀性,连接导线汽化都发生在上行先导阶段。人工闪电第一次回击虽然与自然闪电继后回击特性十分相似,但两者放电特征仍有差别,前者具有曾长的连续电流过程。     

基于不间断闪电波形采集的一次皖北雷暴负地闪特征观测

利用具有不间断信号记录能力系统记录的闪电波形资料,借助人工识别判定各次地闪的回击过程,研究了2012年7月9日发生在安徽淮北地区一次夏季雷暴过程的连续负地闪活动特征。该次雷暴3141次负地闪中,单回击地闪占15.5%,最大回击次数为18次,每次地闪平均回击次数为4.2次;在整个雷暴期间,单回击地闪比例和每次地闪平均回击次数存在显著的大小变化。负地闪过程平均持续时间为363.7 ms,相邻回击间隔时间的几何平均为75.3 ms,雷暴成熟期的回击间隔明显小于其它阶段。总体上后继回击强度远弱于首次回击,10031例后继回击与首次回击峰值强度之比几何平均为0.49,但是强于首次回击的后继回击过程并不罕见,34.8%的多回击地闪至少有一次后继回击强度大于首次回击,全部后继回击中有19.7%的强度超过首次回击。后继回击强度和回击间隔呈明显的随回击序号的系统性变化特征。约有38.6%的负地闪伴随可辨的双极性脉冲活动,该脉冲活动与首次回击之间的时间间隔几何平均为23.2 ms。     

基于LLS的多回击地闪及其雷电流幅值分布特征

为进一步研究多回击地闪参数分布特征, 以便为雷电防护工程设计和雷电物理研究提供参考, 根据湖北省雷电定位系统(LLS)2007年1月—2018年12月监测资料, 采用计算机编程处理和数理统计方法, 对多回击地闪次数、多重回击次数和不同类型多回击地闪雷电流幅值等参数进行了统计分析。结果表明: 多回击正地闪、负地闪和总地闪次数占其地闪总数的百分比分别为2.06%、34.76%和32.64%, 多重回击次数分别占其回击总数的0.01%、0.42%和0.40%, 多回击负地闪回击次数占多回击总地闪回击总数的99.69%。首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪分别占多回击地闪总数的82.52%和57.87%;在多回击地闪后续回击中, 正地闪约有9%的后续回击强度大于首次回击强度, 负地闪约有20%的后续回击强度大于首次回击强度。多回击正地闪和负地闪中值电流分别为59.30 kA和35.10 kA, 首次回击分别为90.90 kA和40.00 kA, 后续回击中分别为43.90 kA和33.00 kA。首次回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率分别为44.06%和4.64%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率最大分别为52.21%和7.94%;后续回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率分别为41.80%和69.92%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击负地闪, 雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率最大为77.71%。多回击正地闪和负地闪后续回击与首次回击中值电流的比值分别为0.48和0.83。拟合得出的不同类型的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值累积概率公式, 拟合效果显著; 拟合公式中a值附近的雷电流幅值累积概率与b值呈显著正相关关系。      

Analysis of the Spectral Characteristics of Triggered Lightning

The spectra with wavelength range of 390 nm to 660 nm of triggered lightning were observed in Guangdong Area using a slitless spectrograph. The characteristics of the lightning spectra during the initial continuous current and return strokes were analyzed, and the differences between the metal section and air section of the lightning channel were compared. The results showed that the metal spectra were contained in the metal section during the initial continuous current. As for the lightning channel of the return strokes, the line spectra for both the metal section and the air section were identical; neither of the two sections contained the metal spectra, but the relative intensity of its emission spectrum was different. Owing to different radiation mechanisms, the spectral structures and luminance of the two sections were not the same. Combined with the current data, it was found that there was a good positive correlation between the total spectral strength and the transferred charge. The total intensity of the lightning channel spectrum increased with the height of the channel, indicating that the radiation sequence of the lightning channel was different. High temporal resolution observations showed that the spectral line duration could be divided into three categories, in which the lines with higher excitation energy appear first and decay rapidly, while those with lower excitation energy appear later but last longer.     

人工触发闪电连续电流过程与M分量特征

在广州野外雷电试验基地,对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个M分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析。结果表明:M分量的电流、快慢电场变化和亮度变化波形均近似对称;触发闪电连续电流过程的持续时间、转移电荷量、电流平均值的几何平均值分别为22 ms,6.0 C和273 A;M分量的幅度、转移电荷量、半峰值宽度、上升时间、持续时间的几何平均值分别为409 A,205 mC,520 μs,305 μs和1.6 ms;连续电流持续时间与M分量的个数、相邻M分量之间的时间间隔均存在显著的正相关关系。     

基于ADTD资料的浙江地区多回击地闪特征分析

利用2007—2018年浙江省ADTD闪电定位资料,分析了该地区多回击地闪分布及相关参数特征。结果表明:浙江省多回击地闪占总地闪的26.74%,其中正闪以单回击地闪为主;正、负闪平均回击数分别为1.04次和1.65次,最大回击数分别为5次和21次。回击数和地闪数存在较为一致的年际变化,正、负多回击地闪日变化分别呈多峰和单峰分布。正、负多回击地闪电流强度算术平均值分别为72.06kA和-36.89kA,回击平均强度随回击数的增加而下降,约40%的地闪过程中至少有1次继后回击强度比首次回击强;首次回击和继后回击的强度分布呈对数正态分布,集中在15～45kA之间。正、负地闪回击间隔时间算术平均值分别为125.47ms和138.14ms,几何平均值分别为56.73ms和98.95ms,回击间隔时间呈对数正态分布,平均回击间隔时间随回击数的增大而减小。多回击地闪继后回击与首次回击之间距离与回击数呈准正态分布,集中在距离为1km范围内。     

基于ADTD型闪电定位数据的江门闪电特征

利用广东省ADTD(active divectory topology diagrammer)闪电定位系统资料,分析2017-2019年江门地区地闪回击的时空分布特征.结果表明:地闪密度大值分布在江门北部及西部,中部地闪回击密度最低.正地闪回击频次占总回击频次的3.36％,负地闪回击频次占总回击频次的96.64％;月分...     

揭阳地区雷电流幅值特征及累积概率公式分析

为研究揭阳地区雷电流幅值特征,本文利用2017－2020年揭阳地区雷电流数据,通过数理统计和matlab拟合工具箱,研究分析了雷电流幅值时间分布规律及幅值累积概率特征。结果表明：近4年揭阳地区共发生地闪回击62806次,其中0－200 kA幅值的回击次数占比约为99.81 %,正、负地闪回击频次随雷电流幅值变化整体呈现先增加后减少趋势。正地闪回击幅值大值区月份出现在3月和11月,负地闪回击幅值大值区月份为3月和10月,随着季节的推移,正地闪回击幅值大值区的出现时段逐渐推迟;负地闪回击电流幅值的大值区多出现在00:00－10:00。对比分析了IEEE和DL/T幅值累积概率推荐公式曲线,IEEE推荐公式曲线与实际值分布曲线基本重合,并得出了揭阳地区雷电流幅值累积概率拟合公式,与实际值的误差值介于-0.006－0.0005,为揭阳地区的防雷减灾工作提供参考。     

广州高建筑物雷电回击光脉冲特征分析

为了深入认识负地闪放电过程中光辐射信号的特性, 对广州高建筑物雷电观测站所获得的回击光脉冲波形进行了分析。对观测到的88例负地闪事件中的184次回击(包括60次下行闪电首次回击、58次下行闪电继后回击、66次上行闪电继后回击)的光脉冲特征进行了统计分析, 结果表明: 下行闪电首次回击光脉冲10%~90%上升时间T₁的算术平均值/中值为32.5/31.4μs, 20%~80%上升时间T₂的算术平均值/中值为22.6/22.4μs, 半峰宽度T₃的算术平均值/中值为131.1/117.0μs。下行闪电继后回击光脉冲T₁的算术平均值/中值为30.4/27.7μs, T₂的算术平均值/中值为19.5/17.6μs, T₃的算术平均值/中值为153.6/142.6μs。在21例下行多回击负地闪事件中, 光脉冲回击间隔时间在12.6~368.6 ms范围之间, 算术平均值为78.7 ms, 有14%闪电事件存在继后回击光脉冲峰值大于首次回击的情况。上行闪电继后回击光脉冲T₁的算术平均值/中值为27.5/24.3μs, T₂的算术平均值/中值为17.0/15.7μs, T₃的算术平均值/中值为132.2/124.5μs。总体上, 下行闪电首次回击的光脉冲上升时间最长、下行闪电继后回击次之、上行闪电继后回击最小; 下行闪电继后回击脉冲半峰宽度比下行闪电首次回击及上行闪电继后回击的更大。      

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

一次多回击自然闪电的高速摄像观测

2006年8月1日在广东省从化市利用成像率为5000幅/s的高速摄像系统观测得到了一次包含有13个回击过程的自然负地闪, 其梯级先导的传播速度为106 m/s的量级; 一次企图先导的传播速度随高度的降低而减小; 一次直窜先导的传播速度随高度的降低而增加。有3次继后回击相对积分亮度的峰值大于首次回击相对积分亮度的峰值。研究发现:此次自然闪电的继后回击及紧跟其后的连续电流过程的发光总量与该次继后回击之前闪电通道的截止时间有关, 较大的发光总量对应于较长的截止时间, 较小的发光总量对应于较短的截止时间, 但两者没有固定的比例关系。