一次多回击负地闪放电过程的甚高频辐射和传输特征分析

利用短基线时间差甚高频(VHF)辐射源定位系统对一次多回击负地闪放电过程进行详细研究发现, 负地闪的预击穿、梯级先导、直窜先导及回击后云内放电过程伴随有较强烈的VHF辐射。结合同步观测的闪电快、慢电场变化资料, 分析VHF辐射源时空发展特征发现, 预击穿阶段辐射源在云中的放电通道为双向发展, 平均速度均在104 m s-1量级, 预击穿下行分支直接转化为梯级先导, 并产生多个分支通道同时向地面发展, 先导平均速度在105 m s-1量级。继后回击之前先导过程均产生多个分支通道, 直窜先导平均速度在105～106 m s-1量级, 新开辟的梯级先导速度在105 m s-1量级。闪击间及地闪后期云内放电活动较为复杂, 主要表现为辐射源从闪电起始区域发展, 进一步延伸云内闪电通道。地闪后期多次负极性K变化过程(Kitagawa and Kobayashi, 1958)主要表现为负极性流光沿之前的正极性电离通道快速发展, 平均速度在106 m s-1量级。     

负地闪不规则脉冲簇事件的宽带干涉仪三维观测

利用宽带干涉仪的三维观测数据,对发生在负地闪继后回击前的不规则脉冲簇事件CPT进行了研究.首先对CPT事件快电场时域波形特征进行了分析,然后,研究了CPT事件的辐射源时空发展特征,并对这些CPT事件、梯级先导和直窜先导在30～290 MHz频段辐射信号的功率谱密度进行了对比分析.结果表明,10次CPT事件的快电场脉冲间隔平均值和标准差分别为5.3～9.0μs和2.7～4.9 μs.CPT事件的击穿过程为负极性击穿,其发展特征与直窜先导或企图先导没有明显区别.10次CPT辐射源发展速度的统计结果表明,平均发展速度在3.23×106～1.93×107 m·s-1之间,平均值为1.02×107 m·s-1,与企图先导或直窜先导的速度统计结果相当.10次CPT事件在30～290 MHz频段的功率谱密度平均值分别比同次地闪中的梯级先导和直窜先导强1.8～11.6 dB和2.4～12 dB.     

一种正地闪触发过程观测和分析

利用2008年夏季在山东滨州获得的无线电窄带干涉仪及同步快慢电场资料,对发生于2008年6月29日的一次具有2次回击的正地闪进行了波形特征分析及定位处理。结果表明,正地闪预击穿过程起始于云中部负电荷区域,有持续时间长达163ms的预击穿过程,并在预击穿后期产生很多双极性脉冲。通过与负地闪的比较,发现云下部正电荷区的浓度对云中触发闪电的极性有一定的影响。正先导的触发和传输过程需要长时间的云内放电过程来提供能量,正流光传输是非阶梯型,结合同步观测的快电场三维定位结果的结合,得到正地闪首次先导速度约为4.1×105 m.s-1,首次回击的速度约为9×107 m.s-1,直窜先导的速度约为4.7×106 m.s-1,继后回击的速度约为9.6×107 m.s-1。正地闪的回击速度偏小,可能是由于干涉仪通道是二维的,且有一定的误差,还讨论了正地闪继后回击产生的原因是由于下部正电荷区很强,不同于一般的正地闪且只有1次回击过程。在该个例中还观测到正先导传输过程中的VHF辐射,这可能是由于雷暴过程下部正电荷区域很强。     

首次回击具有双接地点的地闪光学和电学特征的个例分析

利用成像率为1000幅／s的数字化高速摄像系统和时间分辨率为1μs的快、慢天线闪电电场变化测量仪在广州附近观测到一次首次回击具有两个接地点的负极性地闪。两个分支到达地面的时间间隔约为30μs;在发生回击R2时,其中一个分支的直窜先导发展成为企图先导。观测发现M一分量的发光要比梯级先导强;回击间的K一变化与云中的在击穿和通道的延伸有关,但不引起云地间通道的发光。光学和电场变化的同步观测证实了直窜一梯级先导的发展速度与前一次回击的时间间隔有关,较快的先导发展速度对应于较短的回击时间间隔,较慢的发展速度对应于较长的回击时间间隔。另外,本文在资料分析的基础上,提出了产生双接地点的四种可能原因。     

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。     

多回击负地闪先导通道的辐射和光学特征

利用闪电VHF窄带干涉仪辐射源定位系统和高速摄像系统,对青海大通地区一次有5次回击的负地闪放电过程进行了同步观测,对比分析了通道传输过程的辐射和光学特征.结果表明,光学通道亮度能补充VHF干涉仪定位先导通道的电流特征,VHF干涉仪定位弥补了光学设备拍摄弱放电和云内流光通道的不足;在通道分枝结构上,干涉仪定位的通道和光学通道呈现出很好对应.干涉仪定位分枝通道的辐射源点较明显,但分枝光学通道的出现明显落后于干涉仪定位辐射源通道.对用两种不同观测手段探测的先导通道进行速度计算,发现两者计算的直窜先导和直窜梯级先导速度量级一致,均为106m·s-1,但干涉仪在时间的获取及精确量化上有优势,干涉仪定位计算先导速度的精确度高于光学通道定位.     

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。     

广东一次雷暴过程负地闪先导的电学特征分析

利用 0 .0 8μs时间分辨率的大容量慢天线电场变化测量系统在广东从化地区一次雷暴过程中观测得到的 44次负地闪电场变化波形 ,对负地闪回击前 2 0 0 μs内的先导电场变化波形进行了分析。发现负地闪首次回击前的先导电场变化波形 ,按最后一个先导脉冲与相应回击间电场变化特征大致可分为三类。通常负地闪先导过程由若干脉冲式变化组成 ,首次回击前先导脉冲间的平均时间间隔为 1 5.8μs(均方差 5.3μs) ;继后回击前直窜 -梯级先导脉冲间的平均时间间隔为 9.4μs(均方差 5.5μs)。首次回击前最后一个先导脉冲与首次回击间的平均时间间隔为 1 2 .7μs(均方差 7.8μs) ,最后一个先导脉冲幅值与回击峰值之比的平均值为0 .1 (均方差 0 .0 4 ) ,且两者之间有很好的相关性 ,并用回击传输线模式对这一关系进行了解释。     

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。     

Optical and Electrical Observations of an Abnormal Triggered Lightning Event with two Upward Propagations

This study investigates an abnormal artificially triggered lightning event that produced two positive upward propagations: one during the initial stage (i.e., the upward leader (UL)) and the other after a negative downward aborted leader (DAL). The triggered lightning was induced in a weak thunderstorm over the experiment site and did not produce a return stroke. All of the intra-cloud lightning around the experiment site produced positive changes in the electric field. The initial stage was a weak discharge process. A downward dart leader propagated along the channel produced by the first UL, ending at a height of approximately 453 m and forming a DAL. Under the influence of the DAL, the electric field at a point located 78 m from the rod experienced a steady reduction of about 6.8 kV m-1 over 5.24 ms prior to the initiation of a new upward channel (i.e., the second upward propagation (UP)). The second UP, which started approximately 4.1 ms after the termination of the DAL and propagated along the original channel, was triggered by the DAL and sustained for approximately 2.95 ms. Two distinct current pulses were superimposed on the current of the second UP. The first pulse, which was related to the sudden initiation of the second UP, was characterized by a more rapid increase and decrease and a larger peak value than the second pulse, which was related to the development of the second UP into the area affected by the DAL. The second UP contained both a similar-to-leader process and a following neutralization process. This study introduces a new type of triggering leader, in which a new upward discharge is triggered in an established channel by an aborted leader propagating along the same channel with opposite polarity and propagation direction.     

建筑物群中多上行先导三维模型的建立

为实现对地闪过程中多上行先导现象的模拟,在已有三维随机放电参数化方案基础上,植入多先导始发与发展模块以建立高建筑群多上行先导模型,利用电场并行计算技术提高模拟效率。将新模型应用于实际地闪模拟并就统计数据与先导形态特征同观测数据进行对比。结果表明:上行未连接先导长度为12~709 m,起始高度为360~600 m,距连接点水平距离为255~1026 m,距下行先导最近分支的距离为326~589 m,与观测统计结果具有较高的一致性;形态上再现了实际地闪个例F1215中上行未连接先导始发时间早,通道笔直的特点,也能够模拟下行先导与单上行先导头部、单上行先导侧面、多上行先导中连接先导头部、多上行先导中连接先导侧面4种已有观测记录的连接情况,为后续研究提供基础模型。分析模拟结果初步得出结论:最高的广州塔能够对附近一定范围建筑起保护作用且能吸引较远处的下行先导分支;多先导的始发与最后一跳的连接受地面高建筑物群分布、高度以及下行先导位置综合影响。     

Comparative analysis of the initial stage in two artificially-triggered lightning flashes

The initial discharge stages of two flashes during the Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment (SHATLE) are analyzed based on the synchronous data of the current and close electromagnetic field. For a lightning flash, named 0503, the wire was connected, not electrically, but via a 5 m length of nylon, with the lightning rod; while for another, named 0602, the wire was connected with the rod directly. Results show that the discharge processes of the initial stage (IS) in flash 0503 are quite different from that of the usual classical-triggered flash 0602 and altitude-triggered flashes. A large pulse with a current of about 720 A resulted from the breakdown of the 5 m air gap during flash 0503, and the corresponding electric field at 60 m from the lightning rod was 0.38 kV/m. The upward positive leaders (UPLs) propagated continuously from the tip of the rocket after this breakdown. The geometric mean (GM) of the UPL peak current was 23.0 A. Vaporization of the wire occurred during the initial continuous current (ICC) stage and the largest current pulse was about 400 A. Compared with triggered flash 0503, the discharge processes of IS in flash 0602 were simple, only two large pulses similar to each other occurred before dart leader/return stroke sequences. The peak current of the first pulse was 2.1 kA and its corresponding electric field and magnetic field at a distance of 60 m from the lightning rod were 0.98 kV/m and 7.03 μT, respectively. During the second pulse, the wire disintegrated. The current decreased to the background level at the moment of the wire disintegration. The current of the second pulse in triggered flash 0602 was 2.8 kA, and the corresponding electric field and magnetic field at 60 m from the lightning rod were 1.22 kV/m and 9.01 μT, respectively.     

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。     

Fine-resolution simulation of cloud-to-ground lightning and thundercloud charge transfer

2-D 12.5 m-resolution simulations of cloud-to-ground (CG) lightning discharge processes have been performed using an improved stochastic lightning model for different types of cloud charge distributions, such as dipole, tripole, bi-dipole and multi-layer charge structures produced from the numerical simulation of thundercloud electrification. The modelling produced the fine branched channel structure of CG lightning and the results illustrate the relations between CG lightning channel propagation and cloud charge distribution. The simulated features of CG lightning are associated with the observed results. The simulation studies are essential in our understanding of complex charge transfer processes caused by CG lightning discharges in thunderclouds. The induced charges of opposite polarity are deposited or embedded in the local volumes where the bidirectional leaders passed during a CG lightning discharge. Although the embedding affects charge structure only in a pair of significant positive and negative charge regions closest to the ground, the electric field strength acutely weakens and electrostatic energy in thunderclouds is significantly consumed when the discharge terminates. In addition to simulating the upward and downward breakdown of the initial leader to ground and the ensuing return stroke (RS), the simulation assumes that current continues to flow in the channel to ground and determines the upward breakdown until the end of the discharge. For the subsequent discharge sub-process, the upward leader channel tends to transfer the charges with the same polarity as the RS, while the downward leader channel favors transfer of opposite charge to ground. In the sub-processes of a few CG flash simulations, the magnitude of the opposite charges from the downward leader exceeds that of charges with the same polarity from the upward leader so that the net charges transferred to the ground have a reversed polarity to the RS. The simulation presents similar features of CG lightning as those observed in realistic bipolar CG lightning.