雷电轨道科研和业务工作进展

中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室在2006年开展了大量科研和业务工作，主要进展如下：     

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。     

地面电场资料在雷电预警技术中的应用

论述利用地面电场仪的探测资料对雷电预警预报的技术方法，以大气电场测量为基础，利用地面电场仪的组网，实现自动、连续、实时监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等，提供监测范围内雷暴强电荷活动中心的发生发展演变特征和整个雷暴过程中雷电活动位置和发展信息。同时结合闪电定位系统的观测，为雷电的监测和预报提供更充分的信息。     

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。     

广州两座高建筑物上闪击距离的二维光学观测

利用广州高建筑物雷电观测站的高速摄像机在2012—2018年拍摄到的发生在两座尖顶建筑物广州塔(600 m高,12次)和广晟国际大厦(360 m高,9次)上的21次下行地闪光学数据,结合广东电网闪电定位系统提供的回击峰值电流数据,统计建筑物高度和回击峰值电流强度对闪击距离的影响,并探讨闪击距离与上行连接先导起始时间的相关性。结果表明:更高的建筑物上雷电的闪击距离更长,广州塔闪击距离的中位数约是广晟国际大厦闪击距离中位数的2倍;对于确定高度的建筑物,闪击距离有随着回击峰值电流增强而变长的趋势,且建筑物越高,对应的回击峰值电流也越强;在下行与上行先导连接前0.1 ms内,二者的平均速率之比小于4,且速率比值在0~1这一区间的样本最多,占比约65%。     

粤港澳闪电定位系统对高建筑物雷电的探测

基于2016—2017年广州高建筑物雷电观测站获取的资料对粤港澳闪电定位系统(简称定位系统)的性能进行评估,并根据2014—2018年定位系统历史资料对广州高建筑物区域的雷电活动特征进行初步分析,结果表明:定位系统对闪电的探测效率为93%(214/229),对回击的探测效率为93%(449/481),对下行闪电首次回击、继后回击及上行闪电回击的定位误差的平均值(中值)分别为361 m(188 m)、252 m(167 m)和294 m(173 m);当接地点高度低于200 m(不低于200 m)时,定位系统对下行负极性闪电首次和继后回击的云闪/地闪识别正确率分别为99%(80%)和93%(35%),有83%的上行负地闪回击被定位系统误判为云闪,广州高建筑物区域内绝大部分负云闪定位记录实际是高建筑物地闪;对定位系统得到的孤立高建筑物闪电密度中心进行分析后发现,广州塔(600 m)闪电密度中心200 m半径范围内年均回击次数约为中信广场(390 m)和广发证券大厦(308 m)的5倍,推测广州塔闪电的主要类型为上行闪电,而中信广场和广发证券大厦则为下行闪电。     

一次触发闪电地电位抬升引发的氧化锌电涌保护器损坏事件分析

基于触发闪电开展了电流注入地网后地电位抬升反击氧化锌电涌保护器的试验研究。结合真实雷电环境下测量的电涌保护器两端残压和流经电流的数据, 对一次触发闪电引发的氧化锌电涌保护器损坏事件进行了分析。分析发现, 电流注入地网后, 回击过程瞬间的大能量和长连续电流过程累积的能量相互叠加共同作用损坏了氧化锌电涌保护器。回击发生时, 较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段, 氧化锌电涌保护器内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易遭到局部破坏, 形成穿孔, 电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过, 氧化锌电阻片失去钳制作用, 而当电压缓慢下降时, 电压在氧化锌电涌保护器内部晶界层的分布趋于均匀, 没有损坏的晶界结构又恢复了氧化锌电涌保护器的钳制功能。长连续电流过程形成的残压较小, 但其持续时间很长, 可达几十甚至上百毫秒, 事件中多次致使SPD钳制功能的失效。4次回击过程地电位抬升反击流经氧化锌电涌保护器的电流峰值最大为7.1 kA, 平均值5.4 kA, 占触发闪电注入电流的28.9%。流经SPD的电量范围0.15~0.58 C, 平均值0.44 C, 其值大于8/20 μs标称放电电流20 kA单脉冲释放的电量(0.37 C)。      

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。      

双接地负地闪VHF辐射源放电通道和光学通道的对比分析

利用闪电VHF辐射源三维定位和闪电光通道高速摄像同步资料,对一次双接地负地闪放电通道作定位和亮度特征进行对比分析,并仔细分析了其通道发展和连接,详细讨论了一次负地闪双接地的形成过程.结果表明,在预击穿阶段,通道击穿作用很强,但电流小,其载体主要是雪崩电荷;在回击激发阶段,通道电流迅速增大,其载体除了雪崩电荷外,还有大量来自云内电荷区的电荷.在整个过程中,主通道有较高亮度(云外),即主通道中有较强电流运动,而分叉通道电流较弱.研究表明近地面向上发展的辐射源可能是源于地面尖端产生的向上先导.     

粤港澳大湾区两套闪电定位系统地闪探测性能的对比分析

根据2014—2018年粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)和广东电网地闪定位系统(GDLLS)两套闪电定位系统的观测资料, 对粤港澳大湾区范围内二者的地闪探测性能进行评估和对比, 结果表明, 在粤港澳大湾区, 对于地闪回击记录, 从各月份记录和空间密度的分布上来看, GDLLS的探测数都多于GHMLLS, 二者的比值为1.24;两套系统总回击、负回击、正回击的月分布和日变化特征基本一致; 两系统地闪回击的匹配记录在大湾区大部分区域内的偏差量都在1.5 km内; 对于匹配后的负、正回击电流峰值, 二者有较强的相关性, 相关系数分别为0.99和0.98, GDLLS的负、正回击电流峰值分别为GHMLLS的1.47倍和1.45倍。