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。     

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。     

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。     

Optical and Electrical Observations of an Abnormal Triggered Lightning Event with two Upward Propagations

This study investigates an abnormal artificially triggered lightning event that produced two positive upward propagations: one during the initial stage (i.e., the upward leader (UL)) and the other after a negative downward aborted leader (DAL). The triggered lightning was induced in a weak thunderstorm over the experiment site and did not produce a return stroke. All of the intra-cloud lightning around the experiment site produced positive changes in the electric field. The initial stage was a weak discharge process. A downward dart leader propagated along the channel produced by the first UL, ending at a height of approximately 453 m and forming a DAL. Under the influence of the DAL, the electric field at a point located 78 m from the rod experienced a steady reduction of about 6.8 kV m-1 over 5.24 ms prior to the initiation of a new upward channel (i.e., the second upward propagation (UP)). The second UP, which started approximately 4.1 ms after the termination of the DAL and propagated along the original channel, was triggered by the DAL and sustained for approximately 2.95 ms. Two distinct current pulses were superimposed on the current of the second UP. The first pulse, which was related to the sudden initiation of the second UP, was characterized by a more rapid increase and decrease and a larger peak value than the second pulse, which was related to the development of the second UP into the area affected by the DAL. The second UP contained both a similar-to-leader process and a following neutralization process. This study introduces a new type of triggering leader, in which a new upward discharge is triggered in an established channel by an aborted leader propagating along the same channel with opposite polarity and propagation direction.     

人工触发闪电M分量的电流与电磁场特征

利用2008—2010年在广州从化人工触发闪电试验中观测到的闪电通道底部电流、近距离电场以及近距离磁场数据资料,对人工触发闪电M过程的电流和电磁场特征及相关性进行了分析。统计分析结果显示:M分量电场波形持续时间和10%~90%上升时间几何平均值分别为0.49 ms和0.12 ms;电流波形持续时间、10%~90%上升时间和电流变化的几何平均值分别为0.53 ms, 0.11 ms和0.34 kA;磁场波形持续时间、10%~90%上升时间和磁场变化的几何平均值分别为0.65 ms, 0.16 ms和2.76×10-5T。此外,M分量的电流、电场及磁场波形间存在一定的相互关系。相关分析结果表明:M分量的电磁场与电流资料在峰值幅度上具有较显著相关性,几何形状也较为一致,利用电磁场资料反演M分量的电流波形具有可行性。     

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。     

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。     

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。     

Analysis of Channel Luminosity Characteristics in Rocket-Triggered Lightning

A comparison is made of the high-speed （2000 fps） lightning between two techniques. The analysis shows （UPL） in altitude-triggered negative lightning （ATNL） photographic records in rocket-triggered negative that： the initial speed of upward positive leader is about one order of magnitude less than that in classically triggered negative lightning （CTNL）, while the triggering height of ATNL is higher than that of CTNL; the afterglow time of metal-vaporized part of the lightning channel can endure for about 160-170 ms, thus the luminosity of the air-ionized part can reflect the characteristics of the current in the lightning channel better than that of the metal-vaporized part. According to the different characteristics of the luminosity change of the lightning channel, together with the observation of the electric field changes, three kinds of processes after return-stroke （RS） can be distinguished： the continuous decaying type without M component, the isolated type and the continuing type with M component, corresponding to different wave shapes of the continuous current. The geometric mean of the interval of RS with M component is 77 ms, longer than that （37 ms） of RS without M component. And the initial continuous current （ICC） with M component also has a longer duration compared to the ICC without M component. The distinction in the relative luminosity between the lightning channel before RS and that before M component is obvious： the former is very weak or even cannot be observed, while the latter is still considerably luminous.     

初始长连续电流引起的地电位抬升和SPD损坏

在电子电气系统接地领域,地电位抬升对电子设备的破坏效应一直是人们关注的焦点。基于触发闪电技术,开展了地网地电位抬升冲击电涌保护器(surge protective device,SPD)的观测试验,重点分析了触发闪电初始长连续电流过程对SPD的冲击和损坏效应。结果发现,触发闪电注入地网后,闪电的初始长连续电流和继后回击的共同作用下很容易造成额定通流量的SPD损坏,当流经SPD的能量累积达到一定程度时仅初始长连续电流过程也会损坏SPD;冲击SPD的效应与初始长连续电流过程的不同的波形密切相关,当长连续电流过程叠加上升沿较快幅值较大的初始连续电流脉冲(ICCP,initial continuous current pulse)时,流经SPD的能量会迅速增加,是长连续电流过程中SPD损坏的最为关键因子。个例分析发现,当初始长连续电流过程持续时间和平均电流量级达到100 ms和200 A左右,泄放电量为25 C,流经SPD的能量达1000 J左右,易造成标称放电电流20 kA甚至更高的SPD损坏。     

基于LLS的雷电流波头时间分布特征

利用湖北省2007—2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的雷电流相关参数资料,采用数理统计方法,对雷电流波头时间的年、季、月、日变化以及累积概率和概率密度分布进行了统计分析。结果表明,正闪电平均波头时间为4.8μs,负闪和总闪电为3.6μs;一年中,正闪电7月波头时间最短,月变化特征大致呈"V"形;负闪和总闪电5—7月波头时间比其他月份短,月变化特征大致呈"U"形。正闪电波头时间季节、日变化明显,负闪和总闪电季节、日变化不明显。波头时间小于等于10μs时,正闪、负闪和总闪电的波头时间累积概率分别为95.5%、99.7%和99.6%,总闪电95%的波头时间大于1.5μs,50%的大于3.1μs,5%的大于6.0μs。波头时间在2~3μs时,正闪、负闪和总闪电的概率密度最大。气温较低月份,波头时间相对较长,反之,波头时间相对较短,其原因可能与雷电流幅值大小有关,具体原因有待进一步研究。     

雷电研究的回顾和进展

该文从雷电定位技术的研发、北京地区闪电特征和时空分布、闪电活动与强对流天气过程、雷电预警预报研究、雷电物理过程研究和雷暴起电放电数值模式研究6个方面综述了雷电研究的一些结果和近期的研究进展。通过对雷电多方面的研究, 对雷电放电特征有了较系统地了解, 特别是对北京地区的雷电时空分布特征有了较清晰地认识; 在雷电预警预报技术和方法、雷电物理过程等方面也取得了一些重要进展。但由于雷电发生的时空随机性和瞬时性, 对闪电放电物理过程的观测试验和理论研究十分困难, 目前对我国闪电活动规律的认识也仍然不够全面。因此需要对雷暴内动力、微物理和起电放电过程及它们之间的相关性开展深入和长期的基础研究, 加深对雷电发生发展特征的认识和理解, 这将为雷电预警预报以及雷电监测资料在强对流天气过程的监测预警中发挥更重要的作用提供理论基础; 而在雷电激发和传输研究的基础上, 开展地闪连接过程和不同频段雷电电磁辐射对电子设备的破坏效应等雷电成灾机理研究, 将为雷电防护技术的提高提供科技支撑。     

北京地区闪电特征初探

对信息产业部第22所研制的XDD03A雷电探测系统获取的2000～2003年北京地区云-地闪电资料进行了闪电的日变化、月变化、闪电的强度、闪电密度、极性等方面的分析,研究了北京地区的闪电分布特征。结果表明：云地闪中负闪占大多数;正闪的平均强度大于负闪;闪电的发生有明显的日变化,呈双锋双谷形式;最多闪电日数出现在7月和8月,几乎每天都出现闪电,而闪电次数最多则出现于8月份。北京地区闪电分布主要集中于4个区域,闪电的空间分布与地形及下垫面的性质有关。     

2009—2012年中国闪电分布特征分析

运用全国雷电监测定位系统ADTD获取的2009年1月至2012年12月云地闪电资料,对我国闪电的时空分布特征进行统计分析。结果表明:地闪中负地闪占闪电总数的94%以上,正地闪占5%左右,我国闪电主要发生在5 9月,7、8月是闪电高发期,同雨带的推进有较好的对应关系。随着季风的推进,闪电从南向北,从东向西逐渐增多。闪电在夏季达最大,春秋季次之,冬季最小;闪电频次日变化主要呈单峰分布,全国闪电多发时段在16 17时,同强对流天气多发时段相对应。闪电总体分布南部比北部多,东部沿海比西部内陆多;闪电密度分布呈明显的地域性差异,其中华南地区、中东部地区以及四川盆地为我国闪电密度高值区;闪电白天主要发生在江浙以及广东沿海一带,夜间则主要发生在云贵、川渝内陆地区。午后至傍晚(14—20时)闪电最活跃,上午(08—14时)最不活跃。三个闪电高发区的闪电峰值所在月份不同,华南地区主要在6月,四川盆地主要在7月,而中东部地区则在8月出现最大值。春季闪电最活跃的区域是华南,这和该区域的前汛期降水密切相关。正负闪电强度主要集中在10~40kA,累计概率在60%以上的正、负地闪电强度分别小于60 kA和35 kA;累计概率在90%以上的正、负地闪强度分别小于140 kA和65 kA,闪电强度的低值区主要分布负闪,而正闪主要分布在闪电强度的大值区。     

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     

雷电强度客观分级方法探讨

利用2007—2016年湖北省雷电监测系统获得的雷电资料,经过统计分析雷电流幅值、雷电陡度的特征,建立了雷电强度等级评估模型。采用对称不等间隔四级法,将雷电强度分为弱(Ⅰ)、中等(Ⅱ)、强(Ⅲ)和极强(Ⅳ)4个等级,并计算出各等级划分阈值。检验了分级阈值的合理性,同时用雷电灾害情况对分级结果作了进一步检验,结果表明雷电强度分级方法是客观可行的,能够为雷电灾害评估和等级划分、雷电预报预警等工作提供重要的参考。     

武汉地区云地闪电特征及防护效率研究

采用武汉地区2006年3月至2009年2月云地闪电资料,统计分析了武汉地区云地闪电特征及其直击雷防护效率,为该地区的雷电防护工程设计和雷击风险评估提供参考依据。统计分析表明,武汉地区年平均云地闪电次数为45693次;负闪电占闪电总数的96.0%,平均负闪电强度为32.6 kA;正闪电占闪电总数的4.0%,平均正闪电强度为38.3 kA。4-8月闪电占全年闪电总数的96.9%,其中7-8月闪电占全年闪电总数的70.8%,9月至次年3月闪电仅占全年闪电总数的3.1%。正、负闪电强度主要集中在10-50 kA,平均陡度为12 kA/μs左右。通过统计分析,拟合出适合武汉地区大于某一雷电流幅值累计概率方程。武汉市新洲区西南部与黄陂区东南部交接地区和江夏区东部地区是闪电高密度中心,年平均闪电次数在8.5次/km~2以上。武汉地区建筑物直击雷保护范围按照1、2、3类防雷类别设计时,其绕击率分别为1.3%、3.3%和11.5%,反击率分别为0.1%、0.2%、1.6%。     

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.     

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。