闪电回击通道的电子密度研究

利用无狭缝摄谱仪获得闪电回击过程的光谱,依据Hα线的Stark谱加宽计算了闪电通道的电子密度,同时由Saha方程,通过半经验的方法也获得了通道的电子密度,并对两种方法得到的结果进行了比较、分析;讨论了电子密度与闪电放电特性之间的相关性。为闪电光谱进一步的定量分析,尤其是对闪电放电通道的导电特性、辐射特性及通道结构的研究和有关的理论计算提供了参考数据。     

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。     

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。     

青海地区闪电回击通道的温度特性

用无狭缝摄谱仪获得了青海高原地区云对地闪电回击过程的光谱,在谱线辨认和光谱特征分析的基础上,根据光谱线相对强度和跃迁参数值,用多谱线法,对回击通道不同高度处的温度进行了定量分析。结果表明,通道温度与闪电放电的强度密切相关,一般情况下,闪电放电过程越强,对应的通道温度越高;对通道不同高度处的数据分析发现,同一回击的通道温度随高度的增加略呈减小趋势。     

NI 493.5 nm谱线Stark加宽估算闪电放电等离子体电子密度

依据青海地区一次闪电回击过程的光谱,分析了NI 493.5 nm谱线的Stark加宽效应,得到加宽在1.5～2.5 nm左右,通道不同位置的谱线两边显示出稍有一些不对称性;结合NI 493.5 nm线Stark加宽的半经验参数,对通道不同位置的电子密度进行了定量计算,得到平均电子密度是1.657×1017 cm-2,并与各位置处用Hα谱线半宽得到的电子密度进行了比较,证实用NI 493.5 nm和Hα谱线半宽得到的电子密度基本一致,由NI谱线的Stark加宽估算闪电等离子体电子密度是一种实用可信的方法.数据分析表明:随着通道位置的升高,电子密度略呈减小趋势;电子密度与谱线半宽近似呈线性关系.     

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。     

一次闪电回击过程的通道辐射特性

用无狭缝摄谱仪获得了山东省一次云对地闪电回击过程的光谱,根据光谱信息,计算了闪电通道等离子体温度和电子密度,并分析了闪电通道内部的辐射机制,讨论了闪电通道等离子体中的箍缩效应。由此推断:闪电通道等离子体中的箍缩效应是闪电产生X射线的主要辐射源。最后讨论了闪电通道与激光在大气中激发的等离子体通道的差异。     

闪电首次回击过程的光谱特性

用无狭缝摄谱仪，拍摄了4次云对地闪电首次回击过程390一660nm波长范围的光谱，并将原子结构的理论应用于闪电光谱的研究，用多组态Dirac—Fock方法，系统考虑相对论效应、电子关联、弛豫效应等重要贡献，对光谱的精细结构进行了计算，给出了谱线的波长、振子强度以及相应的上能级激发能量。通过与试验观测谱线的比较分析发现，大多数谱线对应的上激发能在23ev左右。首次回击过程中，闪电通道内NII离子的密度最大，并且大多数处于n＝3的激发态。     

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。     

触发闪电环境下地网冲击接地电阻特征分析

基于触发闪电技术,研究了2019年夏季8次触发闪电44次回击、5次初始连续电流脉冲（ICCP）和24次M分量对冲击接地电阻的影响,探索了冲击接地电阻随雷电流注入的动态变化规律。结果发现：闪电放电ICCP、M分量和回击过程冲击接地电阻均小于工频接地电阻,ICCP和叠加在回击回落之后连续电流上的M分量冲击接地电阻略大于回击过程,平均值分别为11.2Ω和10.8Ω。叠加在回击下降沿上的M分量冲击接地电阻平均值7.8Ω,明显小于回击过程,最小值可达2.4Ω。ICCP和M分量冲击接地电阻随电流增加而减小,回击过程与电流峰值没有明显的相关性。叠加在回击下降沿上的M分量冲击接地电阻随雷电流峰值、背景电流值的增加呈指数衰减关系,还与之前回击电流峰值成一定的反比例关系。随着闪电回击电流的注入,冲击接地电阻呈现动态变化过程,小电流在回击峰值下降后出现一个缓慢增长的过程,大电流在回击峰值下降后出现一个快速下降的过程。闪电不同物理过程火花和电感效应的作用是不同的,两者共同作用决定了土壤的电离程度,从而决定了冲击接地电阻的大小和变化。     

传输线模式与地闪回击电流速度

本文通过分析闪电通道中电离气体的宏观特性，提出闪电回击通道中电流的传输速度近似地等于光速的观点。认为回击锋面只是电流通过后被加速离子间的碰撞所引起的发光及电子雪崩区域的前沿，用光学方法测量的回击速度是其前沿的推进速度。由此出发，并考虑到镜像法的局限性，对闪电回击模式进行了某些改进。由新模型所计算的电场波形及峰值更接近于实际测量结果；其高频段的近似公式可以很好说明Fieux（1978），Djebari（1981）在法国及Weidman（1986）在美国所进行的人工触发闪电实验中测到的电场峰值与电流峰值的关系。     

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。     

闪电通道垂直假定引起回击辐射场峰值计算误差分析

利用高速摄像系统观测的闪电通道和利用分形方法模拟的闪电通道,分析了通道的垂直假定对回击辐射场峰值计算的影响。结果表明,回击电磁场随方位角的变化非常明显,在距闪电通道几百米距离,误差可达2倍;在1km处,闪电通道的垂直假定对时域回击辐射场峰值计算的相对误差最大为50%左右,平均小于10%。随距离的增加,误差逐渐减小。     

分形闪电通道模型的建立及其电磁辐射特征

基于高速摄像系统获取的自然闪电通道形状,利用分形方法构建了分形闪电通道模型,分析计算了闪电通道的弯曲对地面附近不同方位、不同距离处回击电磁场的影响。结果表明,在100m到10km的近距离范围,不同方位的回击垂直电场峰值之比为0．8～2．3;而当距离增加时,这种差别逐渐消失。但无论距离远近,地面水平磁场随方位角都存在较明显的差异,不同方位的回击磁场峰值差异达到2～4倍。与假定通道笔直的回击模型相比,分形闪电通道模型能很好地再现回击过程电磁辐射的高频分量和次峰等细微现象。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.