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     

地面电晕离子对空中引雷始发过程的影响

利用已建立的“地面电晕离子的演化模式”对甘肃省平凉地区一次雷暴过程的空中电荷密度和环境电场的演化情况进行了模拟,发现地面尖端产生的电晕离子如果不被俘获便可在１ｍｉｎ左右内到达５００ｍ的高度上。对空中引雷火箭发射前的空中电场分析表明,引雷成功的关键除有足够长的导线以使导线两端的电场产生畸变外,另一个重要的条件是火箭－导线系统顶端能处于强的环境电场中以满足顶部流光的产生和持续传输。另外,低空较强的环境电场对火箭－导线系统下端下行流光的发展和空气间隙的击穿有重要的促进作用。一次空中引雷触发高度上的电场大于５０．０ｋＶ／ｍ,火箭－导线系统下行正流光持续传输的电场值为１９．０ｋＶ／ｍ,放电过程首先起始于火箭－导线系统下端正流光的产生。根据多年的实验资料,建议实际引雷试验时,以５００ｍ高度上的电场为参考来决定火箭的发射时刻,北方雷暴大于５０ｋＶ／ｍ,南方雷暴大于２５ｋＶ／ｍ。     

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。     

人工引雷的数值模拟

本文通过一个二维平面对称模式，针对甘肃地区雷暴云的特点，计算了在不同电荷分布情况下人工引雷成功时的触发高度、火箭发射点的地面电场值以及能成功引发闪电的范围大小。并对甘肃地区雷暴云在负电场区很难引雷成功的原因和在偶极性电荷分布的雷暴云下人工引雷的结果进行了一些分析。结果表明，下部小正电荷中心的高度、电量的大小对能成功引雷的范围、触发高度都有较大影响。整个云体的高度对触发高度有较大的影响，但对能触发闪     

正环境电场中闪电先导的始发和传播

为了研究中国内陆高原雷暴正极性闪电放电的特点,中日两国科学家于１９９７年７～８月在甘肃省平凉市联合进行了人工触发闪电野外实验。利用设在离触发点约３．５ｋｍ处的高速数字化摄像系统结合在闪道底部的电流测量记录,对在正环境电场中触发的两次闪电的初始先导的发生和发展特点进行了研究。资料分析表明,这两次触发闪电都是由火箭顶部始发的上行负先导传输入云而形成短暂的连续电流放电过程,整个放电持续时间分别只有１７和２６ｍｓ。先导在垂直方向的传输速度随时间而增加,平均值约为３．５×１０５ｍ／ｓ。正环境电场中的先导在向云底传输过程中可能产生多个分枝,但它们一般只存在几毫秒时间就消亡了,只有少数分枝能够发展入云。主通道的亮度综合反映了各分枝亮度的变化,而它本身又与在闪道底部测量记录到的闪电放电电流变化存在很好的对应关系。     

雷暴下近地面电特性及其对人工引雷的影响

利用已建立的一维时变模式，对雷暴下近地面的电特性进行了计算。计算结果表明：由于地面的不规则性所产生的电晕电流密度可达２．０ｎＡ／ｍ＾２，由此而形成的空间电荷密度在１００ｍ密度以下可达１．１ｎＣ／ｍ＾３，传导电流可达３．５ｎＡ／ｍ＾２，并可延伸到１０００ｍ高度，形成０．１ｎＣ／ｍ＾３和１．０ｎＡ／ｍ＾２的电荷密度和电流密度。     

空中人工触发闪电试验及特性分析

利用１９９６年南昌人工引雷试验观察测资料,分析了空中触发电的放电特征,估算了火箭上升时的电参数。结果表明：空中触发闪电的触发高度比地面触发闪电的蟹良高速度约大２倍。在火箭上升阶段,空中触发闪电在地面引起的电场变化为负,地面触发闪电在地面引直民的电场变化为正。     

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。     

新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果

成功研制了一种新型的人工引雷专用火箭, 火箭箭体结构采用了新型复合材料, 质量轻, 并具有空中抛伞和放线功能。利用新型火箭和全新的雷电流及同步电磁场测量技术, 在2009年的山东人工引雷实验 (SHATLE2009) 中成功引发负极性云对地放电过程3次, 共包括6次大电流回击过程, 采用0.5 mΩ的大功率同轴分流器和宽带光纤传输技术测量到了0.1 μs时间分辨率的雷电流波形、以及距雷电通道30 m、60 m和480 m处的电磁场和6000 f/s的高速摄像观测资料。6次回击的电流峰值分布范围为11.2～16.3 kA, 几何平均值12.8 kA; 半峰值宽度为7.4～34.9 μs, 几何平均值21.6 μs; 10%～90%峰值的上升时间为0.5～1.4 μs, 几何平均值1.0 μs。成功的人工引发雷电实验证明新型引雷火箭安全性能好、可靠性高, 其成功研制为雷电物理过程和效应的研究, 以及雷电流波形资料的积累提供了重要的技术手段, 对制定具有我国自主知识产权的雷电防护标准等具有重要的应用价值。     

雷暴云下地闪先导通道中的电荷分布

利用不荷电双向传输先导模型 ,考虑近地面空间电荷层对地表垂直电场的影响和云电荷的转移 ,在一定的雷暴云电荷结构假定下 ,对地闪先导通道中的电荷分布进行了模拟计算。结果表明 ,先导接地瞬间通道上的平均电荷密度约为 1.5× 10 - 3C·m- 1 ,通道中的总电荷量约为 14 .8C ,其中平均感应电荷密度仅占总电荷密度的 2 0 % ,约为 0 .34× 10 - 3C·m- 1 ,先导通道中的电荷主要来源于云中电荷的转移     

Analysis of the Spectral Characteristics of Triggered Lightning

The spectra with wavelength range of 390 nm to 660 nm of triggered lightning were observed in Guangdong Area using a slitless spectrograph. The characteristics of the lightning spectra during the initial continuous current and return strokes were analyzed, and the differences between the metal section and air section of the lightning channel were compared. The results showed that the metal spectra were contained in the metal section during the initial continuous current. As for the lightning channel of the return strokes, the line spectra for both the metal section and the air section were identical; neither of the two sections contained the metal spectra, but the relative intensity of its emission spectrum was different. Owing to different radiation mechanisms, the spectral structures and luminance of the two sections were not the same. Combined with the current data, it was found that there was a good positive correlation between the total spectral strength and the transferred charge. The total intensity of the lightning channel spectrum increased with the height of the channel, indicating that the radiation sequence of the lightning channel was different. High temporal resolution observations showed that the spectral line duration could be divided into three categories, in which the lines with higher excitation energy appear first and decay rapidly, while those with lower excitation energy appear later but last longer.     

Characteristics of Lightning Discharges and Electric Structure of Thunderstorm

Progresses in the research on physical processes of lightning discharge and electric structure of thunderstorm in the last decade in China have been reviewed. By using the self-developed lightning detecting and locating techniques with high temporal and spatial resolution, the characteristics and parameters of lightning discharge in some representative areas in China have been obtained. Observations on lightning activity were conducted for the first time in the Qinghai-Tibetan Plateau in 2002-2005, and the special characteristics of the thunderstorm and lightning activity in the plateau were revealed. The lightning spectra in the band of visible light were recorded, and the spectral lines were identified in detail with introduction of modern theories of atomic structure. The techniques on artificially altitude triggered lightning and related measurements under a harsh electromagnetic environment have been well developed. Evidences of bi-directional leader propagation were observed by means of optics and VHF radiation during the triggered lightning discharges. Some lightning protection devices have been tested using the artificial lightning triggering techniques. In addition, the correlation between lightning activities and weather and climate was preliminarily studied.     

基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料,评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System,GHMLLS)性能,结果表明:GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265),回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m,193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程,GHMLLS探测的回击电流峰值(I_LLS)全部偏低,与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(I_DM)相比,I_LLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%),但I_LLS和I_DM相关系数为0.93,存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平);截距为0的线性拟合结果表明I_LLS与I_DM存在65%的比例关系,利用该系数校正I_LLS,结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中,16次定位结果为云闪,判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的I_DM更低,可用于定位的站点数量更少,定位误差更大,I_LLS的精度更低。     

人工触发闪电先驱电流脉冲波形特征及模拟

2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验,通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析,进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲 (precursor current pulse) 为双极性振荡型,火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性,其中单极性脉冲电流峰值、10%~90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A,0.33 μs,2.3 μs,27 μC,双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A,0.24 μs,2.1 μs,54 μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍,而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型,模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型,而钢丝通道底部电流波形呈单极性,这与实际测量的结果比较一致,推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致,在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。     

放电后电荷重置对雷暴云电荷结构及闪电行为的影响

为探究放电后电荷重置对雷暴云电过程的影响,在已有的三维雷暴云起、放电模式中分别加入两种不同的电荷重置方案:一种是植入法即放电后闪电通道上的感应电荷与原空间电荷叠加(简称ZR方案);另一种是中和法即放电后直接按一定比例降低闪电通道处的空间电荷浓度(简称ZH方案)。利用长春一次探空个例进行敏感性试验,发现放电后重置方式的不同会导致闪电特征存在明显差异:1)ZR方案下的云闪发生率比ZH方案下的云闪发生率少。闪电放电后ZR方案在云中植入异极性电荷,对雷暴云中电荷的中和量比ZH方案多,摧毁云中电场的能力更强;2)ZR方案下的正、负地闪发生率均比ZH方案多。相对于ZH方案,ZR方案中主正电荷区的分布范围大于主负电荷区,导致其出现了更多的正地闪;ZR方案中的云顶屏蔽层与主正电荷区的混合程度高,混合时间长,导致ZR方案在主正电荷区与主负电荷区之间触发了更多的负地闪;3)ZR方案下的闪电通道长度比ZH方案下的闪电通道长度短。ZR方案在云中植入异极性电荷,导致云中难以形成大范围同极性电荷堆,闪电通道传播局限在一对较小的异极性电荷堆内,而ZH方案不改变云中电荷分布,存在大范围同极性电荷堆,闪电通道传播范围较大。     

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。     

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...     

一次触发闪电金属汽化通道的亮度与电流特征

2022年夏季在广州从化人工引雷试验场的一次触发闪电过程中, 获取了近距离的高分辨率图像、通道底部电流波形和高速摄像数据。此次触发闪电的高分辨率图像清晰展现了多回击过程金属汽化通道段的空间位移, 汽化通道在连续电流过程中呈现类似火焰的发光特征。结合高速摄像与通道底部电流数据, 研究回击与连续电流过程中金属汽化通道段亮度与电流强度的相关性, 结果表明:相比于回击峰值电流, 其平方与回击峰值亮度的相关性更强, 相关系数分别为0.940和0.955(均达到0.001显著性水平)。对于伴随长连续电流的回击过程, 回击下降部分与之后连续电流过程光电线性相关性拟合的斜率有明显差异。叠加在长连续电流过程上的多个M分量脉冲亮度峰值相对于电流峰值时间滞后, 较小的脉冲峰值电流对应较大的亮度峰值滞后时间。