云闪放电通道发展及其辐射特征

利用闪电宽带干涉仪系统,对中国南方(广东)地区云闪时空演变特征、辐射及其相应电场变化特征进行分析研究。根据云闪电场变化波形,云闪放电过程可划分成活跃阶段和最后阶段,辐射源定位结果表明,云闪放电起始于向上发展的负击穿过程,通道向上发展的速度约为3～3.3×105m·s-1。云闪放电的主通道在活跃阶段形成,该期间辐射源随时间演变和相应电场变化表明,云内电荷结构具有上正下负的偶极性电荷结构。云闪的最后阶段辐射源主要在早期形成的通道内出现,其辐射源活动特征与地闪的回击过程比较相似;云闪辐射能量主要集中在2～3MHz以下的低频段,且辐射强度随频率增加迅速减弱。     

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。     

宽带干涉仪闪电辐射源三维定位系统

宽带干涉仪闪电辐射源三维定位系统,是一种全闪电宽频带三维定位系统.它能够以微秒级的时间分辨率对闪电击穿过程产生的辐射源实现三维定位,描绘云闪和地闪通道发展的详细三维结构,可用于区域闪电监测和预警;同时,系统能够同步得到闪电通道发展的宽带频谱以及电场变化信息,结合三维定位结果,可以为闪电放电过程物理机制的探讨、雷电物理研究提供丰富的资料.     

青藏高原云闪起始阶段放电特征分析

2003年夏季在青藏高原那曲地区进行了雷电综合观测试验,利用宽带干涉仪系统获取的闪电资料,根据辐射源定位结果和相应的电场变化对云闪放电起始阶段进行了分析,初步分析结果表明:雷暴过境时地面电场为正值的情况下,云闪放电多发生在中部负电荷区和下部正电荷区之间,上部正电荷区一般不参与放电。虽然不同的云闪会有不同的放电发展过程,但放电起始阶段具有相似的特征。云闪放电起始于中部负电荷区,在初始几十毫秒内,辐射源垂直向下发展,云内负流光向下发展速度约为1.14~1.72×105m/s。在下部正电荷区内,闪电通道可以垂直发展,也可以水平发展。且发生在正电荷区的放电过程比较复杂,正电荷区辐射点比负电荷区要多。     

短基线时间差闪电辐射源探测系统和初步定位结果

介绍了一种新型的闪电探测设备———短基线时间差法辐射源定位系统,并选取2002年夏季野外观测实验中的辐射源定位结果,结合电场变化特征分别对两次地闪和云闪进行了分析。结果表明,该系统对地闪先导过程和云闪产生的辐射源能够较好地定位。定位结果的个例分析证实,观测地区的两次云闪放电过程都由起始于云下部负电荷区的负极性击穿引发,然后向上发展到上部正电荷区,通道的发展速度约为1.29×105m·s-1,地闪梯级先导的传播速度约为1.73×105m·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.     

云下部正电荷区与负地闪预击穿过程

三维雷电观测系统LMA(Lightning Mapping Array)是最近发展起来的基于GPS时钟同步的闪电VHF辐射源到达时间差(TOA)定位技术,能以很高的时间分辨率(50 ns)和空间定位精度(50-100 m)展现闪电放电发展过程的三维时空分布,揭示雷暴中电荷结构及其与放电过程的关系.文中利用三维雷电VHF辐射源观测资料分析了负地闪预击穿过程的时空分布特征,讨论了云下部正电荷区对负地闪发生的影响,其结果表明在首次回击之前存在长时间预击穿过程的负地闪中,预击穿过程是云中部负电荷区与下部正电荷区之间的一种云内放电过程,闪电起始于云中部负电荷区,然后向下发展传输,进入正电荷区后闪电通道在云下部正电荷区水平发展,其放电特征与反极性云闪放电一致,云内放电过程最后阶段的K型击穿激发了地闪的梯级先导,梯级先导穿过云下部正电荷区向下发展传输.云下部正电荷的存在是导致负地闪首次回击之前存在长时间云内预击穿过程的主要原因.     

闪电起始过程时空特征的宽带干涉仪三维观测

闪电的起始位置和起始阶段发展速度是闪电研究中的重要问题。2010年夏季,使用架设在广州市从化区的两套甚高频 (VHF) 宽带干涉仪对闪电的起始阶段放电过程进行三维定位观测。对观测数据给出的地闪和云闪的起始高度分布特征以及起始阶段击穿过程的时空发展特征进行统计和对比分析,结果表明:闪电的起始高度分布呈双峰值特征,分别在5.0 km和8.8 km有两个明显的分布峰值,符合雷暴云三极性总体电荷结构的描述。对起始阶段闪电放电发展速度的计算表明,云闪和地闪在起始阶段的前15 ms内的平均发展速度均在104~105 m·s-1量级之间;多数云闪、地闪起始阶段前15 ms内的平均发展速度表现出减速趋势,但云闪个例中起始阶段前10 ms存在减速趋势的比例更高,且其中在前15 ms一直保持减速趋势个例所占比例也大于地闪。云闪和地闪的起始阶段放电过程的发展方向有向上、向下和水平发展3种情形,可用于指示闪电始发位置的环境电场方向。     

闪电放电通道的三维结构特征

通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现,无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构。云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间,也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生,除极性相反之外,其它特征是一致的。云闪过程在最初的10一20ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展,之后转为水平方向的传输。在正电荷区辐射点较多,闪电通道清晰;在负电荷区辐射点较少,且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道。云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期,而且还发生在活跃期,并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉。负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强,继后回击前的直窜先导的辐射较弱。回击之间闪电在云内水平发展,通道以细小的分叉为主要特征,其间不时有没有到地的企图先导过程发生。正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点,在回击之前有一段云内过程,回击之后有更长的云内过程发展,其闪电通道不像负地闪那样精细,在回击之后的最初阶段辐射点较少,而在通道的顶端辐射点反而较多。正负地闪的发生发展特征有很大的不同,表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异。     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。     

Optical Observations on Propagation Characteristics of Leaders in Cloud-to-Ground Lightning Flashes

Using 2 high-speed cameras, we have recorded 14 negative cloud-to-ground (CG) lightning flashes, half of which are natural and the others are artificially triggered. The two-dimensional (2D) propagation speed of different type leaders and the luminosity of lightning channel are analyzed in detail. Bidirectional leader processes are observed during the initial processes of two altitude triggered negative lightning (ATNL)flashes. The analysis shows: the propagation speed of the upward positive leader (UPL) before the initiation of the downward negative leader (DNL) is at the order of 104-105 m s-1; the UPL can be intensified by the initiation and development of the DNL in the way that the luminosity is enhanced and the speed is sped up; after initiation, the DNL in one ATNL flash propagates downward three times intermittently with interval of about 1 ms, while that in the other ATNL flash propagates downward continuously with a speed at the order of 105 m s-1. In the five classical triggered negative lightning (CTNL) flashes, the propagation speeds of the UPLs vary between 0.35×105 and 7.71×105 m s-1, and the variations of their luminosities and speeds are quite complex during the development processes. Among the four observed natural negative lightning flashes occurred on the land, three have only one return stoke (RS) each and all of their DNLs have many branches with an average speed at the order of 105 m s-1; while the another one has 13 RSs.In the CG flash with 13 RSs, the DNL before the first RS has no obvious branch below 1.4 km above the ground, and its speed ranges from 2.2×105 to 2.3×105 m s-1 between the heights of 0.7 and 1.4 km and exceeds 3.9×106 m s-1 below 0.7 km; preceding the 4th RS, an attempted leader is observed with a speed ranging from 1.1×105 to 1.1×106 m s-1 between 0.8 and 1.5 km. As for the three observed natural negative lightning flashes occurred on the sea, each has only one RS, and each DNL preceding the RS has a few branches, two of which have an average propagation speed at the order of 105 m s-1, and the other of 106m s-1, respectively. All the DNLs contained in the observed natural negative lightning flashes, except the attempted leader, propagate with gradually increasing luminosity and increasing speed in whole.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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