2006—2011年广州人工触发闪电

2006—2011年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 (GCOELD)。试验期间,针对人工触发闪电进行了近距离声、光、电、磁特征等综合测量,对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行了观测和分析,并对广东省地闪定位网的探测效率和定位精度与人工触发闪电进行了比对和校验。试验结果表明:人工触发闪电回击峰值电流范围为-31.93~-6.67 kA,回击电流波形的半峰宽度的范围为6.18~74.19 μs,10%—90%的上升时间范围为0.24~2.25 μs。触发闪电的上行正先导的发展速度在104~105 m/s量级;人工触发闪电的回击过程在架空电源线路 (1200 m长,2 m高) 上产生的感应过电压可达十几千伏;广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件的探测效率为95%,平均定位误差为759 m,闪电定位系统反演得到的电流峰值与实际测量的电流峰值平均相对偏差为16.3%。     

闪电定位真实地表修订算法的检验评估

采用2017年中国气象局雷电野外科学试验基地的广东闪电综合观测试验(简称:GCOELD)的人工触发闪电观测数据,对粤港澳大湾区的闪电定位探测误差进行评估,并进一步检验真实地表的地形修订算法的可靠性。结果表明:(1)针对36次人工触发闪电事件的回击过程,粤港澳闪电定位网的探测效率为61.11%;距离探测误差平均值约为348.7 m,雷电流在(0～5 kA]的回击,探测精度最低。(2)利用人工触发闪电数据对真实地表修订算法进行检验,发现真实地表修订算法对闪电定位误差的修订效果明显,平均修正误差为145.7 m,修订后的位置更接近真实的闪电发生的位置。     

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。     

粤港澳闪电定位系统探测效率及精确度评估

为客观评估粤港澳闪电定位系统性能参数,将闪电定位资料与广州人工触发闪电试验及高建筑物自然闪电观测试验的观测结果进行了对比分析。结果表明,2007 2011年期间对真实闪电事件的闪电探测效率和回击探测效率分别为74%和40%,定位误差的算术平均值和几何平均值分别为2660 m和1500 m;2012年闪电探测效率和回击探测效率分别为97%和90%,定位误差的算术平均值和几何平均值分别为950 m和470 m。2008 2011年期间闪电定位系统的回击电流幅值约为真实值的0.7倍,而2012年约为真实值的4倍。总体上,2012年粤港澳闪电定位系统探测子站大幅度增加后,探测效率和定位精度均有明显提升,但对回击电流幅值的估算呈现系统性偏大。     

广州高建筑物雷电观测与研究10年进展

作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分,广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)始建于2009年,迄今已积累数百次高建筑物雷电资料。对于雷电连接过程,高建筑物会起到“放大镜”的作用:TOLOG的观测在国际上首次发现了连接过程中负-正先导之间“头部-侧面”连接的现象,给出了先导连接行为的两种基本形态;揭示了负先导梯级发展过程的精细化结构,给出了下行先导和上行先导的二维/三维发展特征;估算了不同高度建筑物上雷电的闪击距离。高建筑物对雷电电磁场具有“放大器”的作用,且建筑物越高增强效应越显著。高建筑物是下行和上行闪电的“汇集点”:对下行闪电的吸引作用可保护高建筑物附近的其他物体免遭雷击;正地闪的回击、延续电流和云内放电过程均可在高建筑物上触发负极性上行闪电。另外,高建筑物区域可作为闪电监测系统的“标校场”,TOLOG的观测资料在地闪定位系统探测效率和定位精度的评估方面也得到了应用。     

基于自然闪电下的限压型SPD残压特征分析

选取2017年6月15日和7月8日的2次人工引雷试验人工触发闪电数据,对采集系统记录了2次有明显残压波形的数据进行分析,结果表明:2次人工触发闪电的平均回击雷电流幅值为11.00kA,平均雷电流波形10%~90%的上升时间为0.24μs,平均雷电流的半峰宽度为10.98μs,平均雷电流的回击波形10%~90%的上升陡度38.20GA/s。2次人工触发闪电的平均残压持续时间为387.1μs,残压峰值平均值为969.4V,残压平均值为759.6V。自然闪电通常具有多回击、回击间隔时间短、放电过程复杂多样等特点,有可能破坏SPD热稳定性,加速老化,甚至可能被击穿;而该试验中SPD没有被损坏,主要是因为:人工触发闪电造成架空线路近距离发生闪电感应,尽管SPD的残压值高,但是电流比较小,所以SPD承受的能量不大。     

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。     

一次正地闪触发两个并发上行闪电的光电观测

广州高建筑物雷电观测站光电同步观测系统于2017年6月16日记录到一次峰值电流达+141 kA的单回击正地闪触发两个并发上行闪电过程。利用高速摄像、普通摄像和电场变化数据分析了触发型上行闪电的始发特征和机理。结果表明:正地闪回击后约0.8 ms内,在距正地闪接地点约3.9 km的广州塔（高600 m）和4.1 km的东塔（高530 m）分别有上行闪电始发。正地闪回击过程中和大量正电荷以及之后可能有云内负先导朝高塔方向快速伸展造成塔顶局部区域的电场发生突变是两个上行闪电激发的原因。两个上行闪电在353 ms内发生7次回击,其中6次在广州塔上,仅1次在东塔上,且广州塔回击峰值电流平均值（-21.4 kA）约为东塔回击峰值电流（-7.3 kA）的3倍,表明广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量（或电荷密度）更大的负电荷区。两个上行闪电先导的二维速率变化范围为9.4×104~1.8×106 m·s-1,平均值为6.9×105 m·s-1。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

广东地区野外雷电观测和人工引发雷电试验获得成功

为促进雷电科研和业务的发展，中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室与广东气象局联合于2006年7月3日至8月31日在广东从化地区进行了野外雷电观测和人工引雷试验。试验在3个场地同时进行，其中两个场地以人工引雷及其观测为主，另一个场地以自然闪电观测为主，同时在远距离对人工引雷试验进行辅助观测。试验中利用了大量先进的观测及采集设备，对自然闪电和人工触发闪电的电场、磁场、电流、辐射场、频谱和光学等特征进行了同步测量，     

A review of advances in lightning observations during the past decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 kA was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices (i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.     

A Review of Advances in Lightning Observations during the Past Decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 k A was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices(i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.     

中国南北方雷暴及人工触发闪电电特性对比分析

通过对我国南北方雷暴及人工触发闪电电特性的对比分析，发现南北方雷暴及人工触发闪是电特性有很大差异。北方雷暴电荷结构呈三极性，人工触发闪电是在地面电场为正的情况下成功的。主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，最大放电电流为１ｋＡ，中和电葆量只有几库仑；南方雷暴则为偶极性，触发闪电由连续电流和我次回击组成，电流峰值在于１０ｋＡ。触发闪电时地面电场均为负极性，其中在４ｋＶ／ｍ以上；触发高度在北方最低为２６     

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。      

基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料,评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System,GHMLLS)性能,结果表明:GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265),回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m,193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程,GHMLLS探测的回击电流峰值(I_LLS)全部偏低,与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(I_DM)相比,I_LLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%),但I_LLS和I_DM相关系数为0.93,存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平);截距为0的线性拟合结果表明I_LLS与I_DM存在65%的比例关系,利用该系数校正I_LLS,结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中,16次定位结果为云闪,判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的I_DM更低,可用于定位的站点数量更少,定位误差更大,I_LLS的精度更低。     

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。