闪电回击过程物理机制研究

阐述了云地闪发生的物理过程,并根据国外一些类比实验对云地闪发生的物理机制进行了分析,主要就先导过程中电晕套的形成机制和回击过程中电晕套中空间电荷的中和机理作出解释。     

近距离地闪电场变化及对通道电荷密度分布的响应

一般认为,如果回击过程将先导通道的电荷完全中和,则几十米到几百米范围内的近距离先导电场与回击电场的大小相同,否则,二者之间则存在一定的差异。为了对上述观点进行分析,将源电荷先导模式和MTLL回击模式组合建立了先导-回击模式(这两个模式的组合意味着先导通道的电荷被回击完全中和),对近距离先导-回击电场变化的"V"形结构进行了模拟分析。结果表明,即使假定先导电场被回击完全中和,在近距离30—550m范围回击电场与先导电场强弱关系并不确定。另外,根据进一步的讨论,上述模拟结果几乎不受其他因素,如土壤湿度(该因素直接决定土壤电参数)和地形起伏的影响。因此,在回击开始几十微秒内,基于地面测量的先导-回击电场之差来判断先导通道电荷是否被回击完全中和可能存在一定的不确定。     

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。     

云—地闪电的传输线模式及回击电流速度

利用Ｍａｘｗｅｌｌ‘ｓ方程组及回击产生的电磁辐射场的谱特征，给出了垂直于非完全导体地面之上的回击通道产生的地表电场垂直分量表达式，从而克服了由镜像法的不适用带来的误差。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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     

甘肃中川地区雷暴地闪特征的初步分析

本文分析了1987年6月28日甘肃中川地区一次雷暴过程中地面4个测站的电场资料,并定量估算了4个地闪的8个回击所中和的电荷量及其高度。负地闪回击所中和的电荷离地高度为4km左右(对应的环境温度为-11.2℃),而正地闪回击所中和的电荷离地高度为2km左右(环境温度+4.9℃)。负地闪大多发生在云闪后的电场恢复阶段,且在开始时往往具有持续几百毫秒的云内放电过程。其激发过程可能是首先在云底部正电荷区产生向上传输的持续正流光,导致云中部负电荷向下移动,并引发向下传输的负先导,最终导致地闪回击的发生。     

非开挖技术在降低防雷接地电阻中的应用研究

以武宣县110KV旺村变电站地网改造工程为例,对非开挖技术在防雷接地中实际应用进行探讨,得出：将非开挖技术应用于防雷接地施工,可以有效降低防雷接地电阻,节省施工成本.为在高土壤电阻率地区又要求接地低电阻值的建（构）筑物的防雷设计和施工提供了一种新的思路.     

闪电先导静电场波形理论分析

通过对地闪电先导过程静电场变化波形的理论分析指出，先导所致静电场时间变化率dE/dt是一个比静电场变化ΔE更能反映先导传播特性的物理量。利用dE/dt时变曲线可以较精确地确定先导开始位置、接地附近先导传播速度以及接地瞬时的先导电流，同时利用dE/dt极值点的特征可以揭示通道传播过程中倾斜、弯曲特征。     

0.1~40 MHz地闪、 云闪及NBE事件的辐射场频谱特征分析

利用宽带傅立叶分析法对2008年7月30日和8月4日两次雷暴过程中, 距离观测点5~20 km范围内的55次负地闪回击过程, 33次云内闪电过程以及20次双极性窄脉冲事件（NBE）的电磁辐射信号进行了观测分析, 得到地闪回击、 云闪放电初始阶段以及双极性窄脉冲事件在0.1~40 MHz频带宽度下的电磁辐射能量谱密度。结果表明, 这三类闪电放电过程的辐射频谱波形均呈现出随频率增加、 幅值减小的趋势, 但在辐射强度和衰减速率上存在一定的差异。负地闪回击幅频波形在6~28 MHz频段上衰减速率相对缓慢; 云闪初始阶段在全频带上始终遵循f-1.2~f-1.4之间的衰减率递减, 且其频谱幅值与地闪回击的辐射能量谱幅值相差不大; NBE事件在0.1~40 MHz频带中辐射能量谱幅值基本都明显大于其他两类闪电放电过程, 特别是在10 MHz以上的HF、 VHF频带上其差异可达到20 dB。     

闪电定位和雷达观测资料在云分析中的应用及数值试验

本文针对2016年6月山西、山东地区一次强对流活动,通过GRAPES（Global/Regional Assimilation andPrediction Enhanced System）云分析系统融合了多普勒雷达反射率三维组网拼图资料和ADTD（Active DirectoryTopology Diagrammer）闪电定位资料,对模式初始场的云水、云冰等云微物理变量进行了调整和分析,并对这次强对流过程设计了3组数值试验。结果表明:（1）云分析系统在加入雷达反射率资料以后,能在模式初始场中较准确的计算模式的初始水物质;（2）闪电定位资料转换成的替代雷达反射率对原有的雷达反射率有一定的补充作用,使模式的初始场与真实状况更接近;（3）从模式降水的角度看,在加入雷达资料以后,GRAPES云分析可以显著提高6小时以内降水的模拟效果,而闪电定位资料的加入,对中雨以上量级的降水模拟有进一步的改进作用。     

负地闪不规则脉冲簇事件的宽带干涉仪三维观测

利用宽带干涉仪的三维观测数据,对发生在负地闪继后回击前的不规则脉冲簇事件CPT进行了研究.首先对CPT事件快电场时域波形特征进行了分析,然后,研究了CPT事件的辐射源时空发展特征,并对这些CPT事件、梯级先导和直窜先导在30～290 MHz频段辐射信号的功率谱密度进行了对比分析.结果表明,10次CPT事件的快电场脉冲间隔平均值和标准差分别为5.3～9.0μs和2.7～4.9 μs.CPT事件的击穿过程为负极性击穿,其发展特征与直窜先导或企图先导没有明显区别.10次CPT辐射源发展速度的统计结果表明,平均发展速度在3.23×106～1.93×107 m·s-1之间,平均值为1.02×107 m·s-1,与企图先导或直窜先导的速度统计结果相当.10次CPT事件在30～290 MHz频段的功率谱密度平均值分别比同次地闪中的梯级先导和直窜先导强1.8～11.6 dB和2.4～12 dB.     

基于双多普勒雷达及闪电资料分析一次强降水过程

为进一步了解多普勒雷达及闪电资料在中小尺度天气系统方面的应用以及降水系统动力结构的研究,利用合肥和阜阳两部S波段多普勒雷达资料,通过两步变分反演法反演双雷达,并采用模糊逻辑算法进行云类型识别,再结合垂直累计液态水含量VIL、降水和闪电分布特征,分析了2010年6月7-10日发生在安徽合肥和阜阳的一次持续性强降水过程。结果表明:此次持续性强降水过程与风场的低层辐合和高层辐散、风场的气旋性旋转以及水平风切变相关;此次降水过程是以层状云降水为主的积云混合云降水;另外,以降水为主的层状云,其闪电频数低且以负闪为主,闪电之后20 min左右出现强降水;此次暴雨的VIL值不是很大,强降水区对应的VIL值基本3 kg·m-2;云识别结果、降水区、VIL值与雷达回波强度之间的对应关系较好。     

高压线路雷击故障分析

2007年6月27日上午10：30左右,沧州市出现强雷雨天气过程。沧州供电公司2条高压线路被雷电击断,造成2人死亡的事故。