Simultaneous optical and electrical observations on the initial processes of altitude-triggered negative lightning

Using a high-speed camera system and two electric field antenna systems, we have documented the initial processes of an altitude-triggered negative lightning (ATNL). The optical records clearly show that ATNL begins with the inception and propagation of an upward positive leader (UPL) and then a simultaneous propagation of UPL and downward negative leader (DNL), known as the bidirectional leader process, follows. Based on the optical records, it is inferred that (1) the triggering height is about 371 m; (2) the two-dimensional (2D) propagation speed of the UPL in its inception phase is about 3.8–5.5 × 10⁴ m s^− 1 during its propagation from about 393 to 452 m above the ground; (3) the grey levels of the DNL are about one order of magnitude higher than that of the UPL in their inception phase; (4) a discharge phenomenon propagating along the elevated triggering wire part of the lightning channel occurs after the mini-return stroke (MRS), with a 2D propagation speed of about 1.6–2.0 × 10⁵ m s^− 1. Combined with the simultaneous electric field change records, it is further inferred that (1) the UPL incepts about 932 μs earlier than the unstable DNL and about 4.1 ms earlier than the stable DNL; (2) the unstable DNL propagates downward intermittently three times with a time interval of about 1 ms, and each propagation contains a different number of steps with an average step length of about 7 m; (3) the stable DNL incepts at the tip of the unstable one, with a 2D propagation speed of about 1.9 × 10⁵ m s^− 1, an average step length of about 3 m, and a stepping time interval varying from 6 to 31 µs with a mean value of 15 µs.     

Analysis of Channel Luminosity Characteristics in Rocket-Triggered Lightning

A comparison is made of the high-speed （2000 fps） lightning between two techniques. The analysis shows （UPL） in altitude-triggered negative lightning （ATNL） photographic records in rocket-triggered negative that： the initial speed of upward positive leader is about one order of magnitude less than that in classically triggered negative lightning （CTNL）, while the triggering height of ATNL is higher than that of CTNL; the afterglow time of metal-vaporized part of the lightning channel can endure for about 160-170 ms, thus the luminosity of the air-ionized part can reflect the characteristics of the current in the lightning channel better than that of the metal-vaporized part. According to the different characteristics of the luminosity change of the lightning channel, together with the observation of the electric field changes, three kinds of processes after return-stroke （RS） can be distinguished： the continuous decaying type without M component, the isolated type and the continuing type with M component, corresponding to different wave shapes of the continuous current. The geometric mean of the interval of RS with M component is 77 ms, longer than that （37 ms） of RS without M component. And the initial continuous current （ICC） with M component also has a longer duration compared to the ICC without M component. The distinction in the relative luminosity between the lightning channel before RS and that before M component is obvious： the former is very weak or even cannot be observed, while the latter is still considerably luminous.     

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%。     

火箭触发闪电通道的亮度特征分析

利用成像速率为2000幅/s的高速摄像资料,对采用不同触发方式的两次负极性闪电进行了对比分析,结果表明:空中触发方式的上行正先导的起始速度比经典触发方式的低一个量级左右,而前者的触发高度要比后者的高;闪电通道中金属导线汽化部分的余晖时间可达160—170 ms,相对来说,空气离化部分的亮度信息更能真实体现闪电通道中的电流特性。依据闪电通道亮度变化特性的差异,并结合电场变化的观测,可以将回击之后的过程分为3种类型,没有M分量的为连续衰减型,有M分量的可分为独立型和延续型两种,能够与不同类型的延续电流波形相对应。总体上看,有M分量的回击间隔比没有M分量的要长,几何平均值分别为77 ms和37 ms,有M分量的初始连续电流也会比没有M分量的持续更长的时间。回击和M分量发生前闪电通道的相对亮度存在明显的差异,回击前闪电通道的相对亮度很弱,甚至观测不到任何发光现象,而M分量发生前闪电通道仍有较强的发光。     

Luminosity characteristics of leaders in natural cloud-to-ground lightning flashes

Using high-speed cameras, we have recorded the leaders contained in four natural negative cloud-to-ground (CG) lightning flashes in the summers of 2006 and 2007 at Conghua, Guangdong, China. It was found that the downward negative leaders preceding the first return stroke could propagate at quite different speeds. In one flash, the average speed of the downward negative stepped leader with no branches is about 2.2 × 10⁶ m s^− 1, while that of the other 3 flashes are all of the order of 10⁵ m s^− 1 with multilevel branches. The luminosity of the leaders shows an increasing tendency in propagating downward to the ground. For the leaders preceding the subsequent strokes, although all of them exhibit high speeds as reported previously. One subsequent leader exhibits an increasing speed from 5.2 × 10⁵ m s^− 1 to 1.7 × 10⁶ m s^− 1 during its propagation from about 1.26 to 0.36 km above the ground, and its luminosity also increased. The speed and luminosity of a leader between subsequent strokes of a natural lightning appear to decrease as it developed downward. Its speed ranges from 1.1 × 10⁶ to 1.1 × 10⁵ m s^− 1, with a height between 1.15 and 0.81 km above the ground.     

闪电先导三维自持发展模式的建立

为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用,该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时,进行自持发展模拟,计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中,其速度呈逐渐增加趋势,临近最后一跳发生前,上行正先导速度增加明显,整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级,电流强度随时间也具有逐渐增加趋势,该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。     

云闪K过程的三维时空特征

K过程是闪电放电过程中的一种放电事件。该文使用两套VHF宽带干涉仪2010年夏季在广州从化地区获取的3次云闪三维闪电辐射源定位数据,分析其中的K过程时空发展特征与地面电场特征。结果表明:宽带干涉仪观测到的K过程主要由快速发展的负极性放电事件组成,按定位结果的分布可划分为3个阶段:负极性反冲先导发生在云闪起始区域下方,沿正先导一端已有路径向闪电起始区域传播;部分反冲先导能进入之前负先导建立的通道并快速发展;反冲先导将原有通道激活后进一步促进负先导继续发展。同时使用辐射源三维定位数据计算了8次反冲先导的平均发展速度,反冲先导的发展速度为106~107 m·s-1量级,与负地闪中的负极性直窜先导相似,但均小于回击速度。     

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。     

空中人工引发雷电的正负先导特征研究

通过对 1998年 8月 2 2日空中引发雷电先导过程的光、电观测资料的综合分析发现 ,在空中引发雷电的先导系统中存在三个先导过程。①向下发展的负先导在起始阶段呈小阶梯特征 ,阶梯之间的时间间隔约为 2 0 μs ,阶梯的上升时间小于 1μs,随着负先导的下行发展 ,梯级增长。②金属导线上端向上发展的正先导在负先导接地之后 ,表现出明显的阶梯特性 ,阶梯之间的时间间隔平均为 15 μs。③从地面向上发展的连接正先导由多个振荡脉冲组成 ,脉冲之间的时间间隔约为 13μs,连接先导的发展也是梯级的。电场快变化中的高频分量随着距离的增加衰减很快。最强的发光是由向下的负先导接地时形成的小回击产生的 ,强光只集中在空气离化而形成的放电通道部分 ,光强则随着高度的增加很快衰减 ,其传播速度约为 2 .1× 10 8m·s-1。在小回击发生之前 ,向下发展的负先导在接地之前有较强的发光 ,而金属导线上端向上发展的正先导没有明显的发光。在小回击发生之后 ,金属导线上端向上正先导的发光强度被增强 ,其向上的传播速度约为 2 .4× 10 6m·s-1。金属导线部分在小回击发生之后约 2 2 0μs逐渐开始熔化发出强光 ,并向上发展而与前面向上发展的正先导的发光相并合 ,其传播速度约为 1× 10 6m·s-1     

人工触发闪电通道的发光特征

利用成像率为１０００幅／秒的高速数字化摄像系统在３８０ｍ的极近距离对人工触发闪电通道的发光特征进行了观测的研究。人工引发闪电除了采用的火箭地带接地导线的触发方式外还发展导线下端不接地的空中触发闪电的新技术。结果表明,闪电通道的发光截面基本上呈对称型。     

雷暴云内电荷水平分布形式对闪电放电的影响

为了定量探究雷暴云内电荷水平分布形式对闪电类型和先导传播行为的影响,建立了典型雷暴云电荷结构模型,引入控制电荷水平分布的参数,利用改进的随机放电参数化方案,开展二维高分辨率模拟试验。结果表明:主正电荷区电荷水平分布不均匀且向中心聚集时,产生的闪电类型多为正地闪和正极性云闪,随着电荷水平分布趋于均匀,闪电类型转变为负地闪;主负电荷区电荷水平分布趋于均匀时,闪电类型由负地闪向正极性云闪再向正地闪转变;闪电先导传播特征有较大差异,电荷分布密集不均匀时,先导被束缚在电荷高密度中心,主要在电荷区内发展,当电荷分布单一均匀时,先导能穿出电荷区并水平延伸十几至二十多千米。分析两个电荷区之间的电位分布发现,电荷区电荷水平分布趋于均匀时,位势线向电荷密度中心集中,整个位势阱水平延展,闪电触发点的初始电位值有较大差异,有利于闪电类型和先导传播行为的改变。     

空中触发闪电的下行先导及其接地行为

１９９６年夏季在江西南昌附进行的人工触发闪电野外实验中,用新开发的不接地的火箭－导线技术成功地在雷暴云下的负环境电场中触发了云对地产偿电。我们用一套成像率为１０００幅／秒的高速数字化摄像系统对下行负先导进行了观测。     

双向先导正端突然延展现象的高速摄像观测

基于广州高建筑物雷电观测站的观测设备,于2016年6月4日在广州塔上发生的一次上行闪电过程中观测到双向发展的直窜先导正端在回击前、后突然延展的现象。利用高时间分辨率的光学和电场变化同步数据,分析双向先导正端突然延展现象的细节特征。结果表明:回击前直窜先导双向发展时正端可能会出现多次突然延展的现象;突然延展现象有时由双向先导的正端与已有的悬空先导序列相连而引发,并促使双向先导正端传输至未击穿空气中;在一次继后回击后,通道正端头部也观测到两次突然延展现象,但未沿回击前正端伸展通道传输,而是通过开辟新通道进入了未击穿空气;回击前直窜先导正端三次突然伸展的二维平均速率约为2.3×106 m·s-1,伸展长度平均值约为115 m;回击后通道头部两次突然延展的二维平均速率约为4.3×106 m·s-1,伸展长度平均值约为212 m。     

一次特大暴雨过程三维和二维系统闪电特征对比分析

利用三维(ADTD-2C)和二维(ADTD)闪电定位系统资料, 对比分析了湖北省一次特大暴雨过程中两套系统闪电活动特征, 得出以下结论: (1)本次过程中地闪多于云闪, 二者均以负极性为主。(2)三维系统正地闪在地闪中的占比低于正云闪在云闪中的占比, 高于二维系统正地闪在地闪中的占比。(3)三维系统雷电流幅值集中分布在0~30 kA, 较二维系统(10~50 kA)更集中, 三维系统的雷电流累积概率较湖北省多年统计结果明显偏小, 二维系统的雷电流累积概率略高于统计值。(4)两套系统总地闪和负地闪活跃时段基本一致。(5)两套闪电定位系统地闪密集区基本一致, 且和云闪密集区基本重合, 闪电分布集中程度高, 主要分布在槽前正涡度平流区。三维系统地闪密度大于二维系统, 最大值分别为5.78 fl/(km2·d)和2.39 fl/(km2·d)。三维系统中正、负闪电交错分布, 二维系统中正、负地闪局部存在空间分离现象。(6)云闪密度大小与二维地闪相当、水平分布特征与三维地闪一致。垂直方向上, 云闪主要发生在10 km以下, 其中2~4 km云闪分布密集, 占总云闪的47.24%。      

Characteristics of negative lightning flashes presenting multiple-ground terminations on a millisecond-scale

By using a high-speed video camera system (1000 frames s^− 1) in correlation with fast and slow antenna systems, the negative cloud-to-ground (CG) flashes that struck the ground with more than one termination have been analyzed. This kind of stroke, named as multiple-ground terminations stroke (MGTS), was produced by different branches of the same stepped leader during quite a short time. Based on optical images, the 2D progression speed of leader branches was estimated to be in the range (0.9–2.0) × 10⁵ m s^− 1. The distance between adjacent striking points of MGTS was from 0.2 km to 1.9 km. The percentage of flashes with multiple-ground terminations occupied about 15% (9 out of 59) of the total negative CG flashes, with a range of 11%–20% in different areas in China. The time intervals between the two adjacent peaks ranged from 4 μs to 486 μs based on the E-field change caused by the MGTS. The flashes which had multiple striking points on the ground during quite a short time may be a common phenomenon in the lightning discharge process. It might produce more serious damage to facilities on the ground and should not be neglected in the design of lightning protection.     

雷暴天气过程中降水结构与闪电活动特征个例研究

为深入分析四川雷暴天气过程中降水和闪电活动特征,运用统计与对比方法,对四川东南部一次雷暴过程中闪电活动及降水结构之间的特征进行研究。结果表明,强降水易发生在低层辐合,高层辐散的流场中,局部地区最大降水强度发生在2~5km高度。降水开始1h后,地闪频数达到最高,地闪主要以负地闪为主,正地闪不活跃。对闪电活动与亮温分布关系知,闪电活动主要发生在低于220K降水云内,闪电活动发生的区域与降水落区一致。对总闪与地闪的分布知,负地闪主要分布在总闪的外围。通过对四川雷暴过程的研究,对雷暴预报有一定的指导意义。     

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。     

基于光学资料的广州塔附近下行地闪特征

利用2009—2014年广州高建筑物雷电观测站的光学观测资料,结合雷声和电磁场变化波形,对广州塔（高度为600 m）西北部60°扇形区域3 km范围内的119次下行地闪分布特征进行统计分析,结果表明:43.7%（52/119）的地闪发生在区域内4个最高的建筑物上;除了直接击中广州塔的20次地闪（16.8%）,距离广州塔附近0~1 km的区域未观测到地闪,观测到的距广州塔最近的地闪离广州塔约1.2 km;距广州塔1~2 km的区域共观测到35次地闪（29.4%）,其中每个高度低于300 m的建筑物被击中的次数不超过1次;距离广州塔2~3 km区域共观测到64次地闪（53.8%）,其中有些高度低于300 m的建筑物被地闪击中1次以上,最多达5次。广州塔对附近区域下行地闪的吸引作用使其附近1 km左右范围内未观测到地闪,且1~3 km范围内随距离增加下行地闪密度（扣除击中其他高度不低于300 m的建筑物的地闪）有逐渐增加趋势,说明高建筑物对下行地闪的吸引作用随着距离的增加而逐渐减弱。     

Sampling of Chemical Constituents in Electrically Active Convective Systems: Results and Cautions

On flights of a P3-B turboprop and a WB-57F jet aircraft within thunderstorm systems, short term spikes (1–2 sec or less in duration) in NO and O₃ were recorded and are attributed to hot or cold discharges occurring on the aircraft fuselage or air sampling inlets. One such spike of only ∼300 msec duration reached 325 ppbv of NO on the flight of the jet aircraft while at 13.8 km altitude. In a lightning flash to the P3-B aircraft, production of NO (expected) and NO₂ (unexpected) were directly observed. The NO production was ∼ 1.7 x 10²² molecules/m of flash length. In the P3-B flight at 5.5 km altitude and over a distance of ∼ 275 km within a highly electrically active thunderstorm complex in the equatorial central Pacific Ocean, there was no evidence of production of O₃ or CO by lightning flashes or by any type of hot or cold discharge involved in the development of free-air lightning flashes.