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。     

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。     

人工触发闪电中的M分量特征

利用2005-2008年期间在山东开展的人工触发闪电试验中所观测到的通道底部电流、不同距离垂直电场及高速摄像光学资料,对人工触发闪电10次回击之后的33次M分量电流波形进行了分析.结果表明,典型的M分量电流波形具有较对称的结构特征,峰值电流的几何平均值为743 A(标准偏差为0.55);波形10%～90%上升时间的几何...     

回击电流及热效应与闪电光谱和通道温度的相关性分析

依据在青海地区由无狭缝光栅摄谱仪获得的2次多回击云对地闪电的光谱,结合同步辐射电场变化资料,计算了放电等离子体的温度、光谱总强度以及回击通道的峰值电流和作用积分。对观测结果和这些参数进行对比分析,结果表明:(1)同一次地闪的不同回击过程中,光谱总强度与放电电流的大小呈正相关;(2)相邻2次回击的时间间隔较长时,等离子体通道的温度与电流作用积分基本成正比;当相邻2次回击的时间间隔较短时,通道温度与作用积分不再线性相关。     

闪电放电通道输运系数的演化和热量传输特性的研究

利用无狭缝光栅摄谱仪在青海大通地区获得的闪电回击过程的时间分辨[2]光谱资料,依据谱线辨认和光谱特征分析、基于等离子体传输理论,用谱线的Stark加宽计算了电子密度,并在此基础上探讨了闪电回击过程中,放电通道的热导率以及热扩散系数随时间的演化特征。由计算得到的闪电峰值电流阶段通道温度沿径向的分布、初步分析了沿通道径向的热量传输。闪电回击初始时刻单位长度通道沿径向向外传输的热量达104J/m数量级。计算所得闪电放电通道的传输特性参数值都在合理的范围。结果分析表明:闪电通道的热量输运系数与通道温度和电子密度密切相关。回击峰值电流之后,通道温度缓慢降低,输运系数呈非线性单调衰减趋势。越靠近电流核心通道,温度梯度越大,沿径向向外传输的热量越多。     

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。     

人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91 μC。     

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。     

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。     

两种类型M分量物理特征和机制对比

综合分析人工触发闪电通道底部的电流数据和电场变化数据,获得对M分量的新认识。M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量的几何平均值分别为301 A,341 μs,662 μs,0.207 C。但发现有两种类型的M分量,其统计特征和分布特征均体现了较大差别。第1类M分量幅度较小,半峰值宽度较大,上升时间较长;第2类M分量则幅度较大,半峰值宽度较小,上升时间较短,两类M分量和回击的时间间隔有较大差异。采用双波放电模型,通过设定不同入射电流波速度和反射电流波速度,对两类M分量进行从电流到电场的反演。结果表明:当模拟电场和测量电场比较一致时,第1类M分量的入射速度和反射速度的比值大于第2类M分量,即两类M分量的放电机制具有一定差异。     

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%。     

地闪回击通道几何结构对VLF/VHF辐射场特征的影响

云地闪电回击通道分叉或者曲折引起的电流传播方向改变可以在回击辐射波形上面引入一系列次峰结构乃至影响其VHF辐射特征。本文用回击传输线模式探讨了回击通道几何结构对回击VLF／VHF辐射场的影响，结果显示：(1)VLF信号波形次峰幅度与通道片断的尺度以及取向有关，尺度为100m量级且具有较大的垂直分量的电流变化过程可以在回击波形下降沿上面引入与回击幅度相当的次峰结构，而小尺度(1m量级或者更小)的通道曲折在回击波形上面引入的次峰幅度只有回击主峰幅度的10％以下。水平方向的电流传播过程几乎不在回击波形上面产生可以辨别的次峰结构。曲折通道的所有曲折片段的平均长度是描述曲折通道的一个重要参数，次峰时间间隔与幅度均与平均曲折尺度成正相关。(2)曲折通道能够明显增加回击高频辐射分量的能量，出现最大辐射能量增加的频率相当．于波长等于曲折尺度的电磁波频率的1／8。小尺度的曲折或者分叉结构能够使得回击高频分量的强度提升一个数量级，但是这一强度的增加仍比我们实际测量的VHF辐射强度小一个数量级，说明通道曲折和分叉很可能不是回击过程VHF辐射产生的主要原因。     

一次多回击闪电过程的物理特性分析

利用西藏那曲无狭缝光栅摄谱仪获得的一次多回击云对地闪电光谱,研究了各放电通道的温度及其变化。结果表明,一次闪电不同回击过程的通道温度有明显差异,闪电前期的温度通常较高,之后呈逐渐降低趋势。将闪电光谱与同步电学观测资料相结合,讨论了光谱特征、通道温度与闪电放电特性、电流热效应的相关性。数据分析显示,光谱总强度与辐射电场的变化幅度成正比;光谱总强度与放电电流的大小成正比;通道温度与回击过程传输的能量为正相关。     

Continuing current in multiple channel cloud-to-ground lightning

In this study we analyze the effects of continuing current initiated by strokes following a new channel to ground in multiple stroke flashes using high-speed video records, electric field measurements from a fast antenna and lightning detection network data. We observed that the long continuing current initiated by a stroke that follows a new channel also obeys the pattern in the initiation of long continuing current suggested by Rakov and Uman [Rakov, V.A., Uman, M.A., 2003. Lightning: Physics and Effects, 687pp., Cambridge Univ. Press, New York.]. We also verify that the statement of Rakov and Uman [Rakov, V.A. and Uman, M.A., 1990. Some properties of negative cloud-to-ground lightning flashes versus stroke order, Journal of Geophysical Research. 95, 5447–5453.] reporting that: “...strokes initiating long continuing currents tend to have lower initial electric field peak than regular strokes” is valid for strokes that create a new channel to ground and are followed by long continuing current (CC). Apparently the reduction of peak current value (I_p) when the stroke is followed by a long CC is stronger than the I_p increase that is commonly observed when strokes follow a new channel. We also find that the “exclusion zone” proposed by Saba et al. [Saba, M.M.F., Pinto, O. Jr., Ballarotti, M.G., 2006a. Relation between lightning return stroke peak current and following continuing current, Geophysical Research Letters 33, L23807, doi:10.1029/2006GL027455.] is valid for new channels initiating CC, and finally we verify that a number of strokes in the same channel larger than four or the existence of a long CC current do not always consolidate the channel in a multiple stroke flash.     

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。     

北京地区正地闪时间分布及波形特征

为了给雷电防护及机理研究提供必要的基础数据,利用闪电定位资料和电场快慢变化资料,对北京地区正地闪的时间分布规律及波形特征进行了统计分析。结果表明:北京地区正地闪分布随月份而不同,较大频次出现在5—7月,较高比例出现在春、秋季(3—5月和10—11月);而一天内的正、负地闪分布具有反对应关系,正地闪在傍晚(15:00—21:00,北京时)具有较大的频次和较高的比例,且该比例随闪电频次增大而呈减少的趋势;正地闪多为单次回击,多回击正地闪数占正地闪总数的3.89%;正地闪波形上升沿时间分布范围为5～28μs,平均为11.55μs,慢前沿时间分布在2.8～23.6μs之间,平均值为9.41μs,慢前沿幅度与回击峰值比为53%,过零时间为43.97μs,负反冲深度均值为20.75%,辐射场归一化到100 km的回击场强峰值为13.66 V/m;正地闪连续电流持续时间平均值为113 ms,具有连续电流的正地闪比例高达69.2%,其中48.7%具有长连续电流过程。     

2011—2012年广州高建筑物雷电磁场特征统计

为研究不同高度的建筑物对雷电磁场的影响,对2011年7月—2012年8月广州高建筑物雷电观测试验中获取的雷电磁场波形数据进行统计分析,共选取击中14个高建筑物的40次雷电 (均为负极性雷电) 的磁场数据,结果表明:高建筑物对回击磁场峰值有增强作用,且建筑物越高对回击磁场峰值的增强作用越大,高度在200 m以上的建筑物上雷电首次回击磁场峰值的几何平均值是高度在200 m以下的建筑物上的2.4倍;高建筑物雷电回击的磁场波形呈多峰特征;观测到的20次击中200 m以下高建筑物的雷电中,有13次 (65%) 雷电首次回击的磁场波形出现后续峰值比初始峰值大的现象,击中200 m以上高建筑物的14次雷电中有8次 (57%) 出现该现象;40次高建筑物雷电中有22次 (55%) 为多回击雷电,135个回击间隔时间的几何平均值为69.1 ms, 多回击高建筑物雷电中有10次 (45%) 出现继后回击的磁场峰值大于首次回击磁场峰值的现象。     

Wavelet multiresolution based multifractal analysis of electric fields by lightning return strokes

Lightning can be seen as a large-scale cooperative phenomenon, which may evolve in a self-similar cascaded way. Using the electric field waveforms recorded by the slow antenna system, the mono- and multifractal behaviors of 115 first return strokes in negative cloud-to-ground discharges have been investigated with a wavelet multiresolution based multifractal method. The results show that the return stroke process, in term of its electric field waveform, has apparent fractality and strong degree of multifractality. The multifractal spectra obtained for the 115 cases are all well fitted to a modified version of the binomial cascade multifractal model. The width of the multifractal spectra, which measure the strength of multifractality, is 1.6 on average. The fractal dimension of the electric field waveforms ranges from 1.2 to 1.5 with an average of 1.3, a similar value to the fractal dimension of the lightning channel obtained by others. This suggests that the lightning-produced electric fields may have the same fractal dimension as its channel. The relationship between the peak current of a return stroke and the charge deposition in its channel is also discussed. The results suggest that the wavelet and scaling analysis may be a powerful tool in interpretation of the lightning-produced electric fields and therefore in understanding lightning.