利用无线电窄带干涉仪定位系统对地闪全过程的观测与研究

利用VHF无线电窄带干涉仪定位系统对一次包含有19次回击的地闪全过程产生的甚高频辐射源进行了定位研究,该系统基于双基线正交5天线阵列,采用直接高频放大检相,降低了采用变频电路时带来的系统误差,提高了整个系统的精度;系统采用交互式的图像分析程序来处理干涉仪本身存在的条纹模糊问题,以1μs的时间分辨率连续确定闪电辐射源发生的二维位置（仰角和方位角）,直观地再现了闪电放电随时空发生和发展的全过程．利用窄带干涉仪系统并结合同步观测的VHF辐射强度和快电场变化资料,对一次负极性地闪发生和发展的全过程研究发现,负地闪预击穿过程起始于负电荷区,先向下后向上发展;梯级先导辐射强且连续,且首次回击开始若干毫秒内辐射强度更大;直窜先导辐射相对离散且强度弱,由于通道电离程度的变化,梯级先导和直窜先导可以相互转化;初始梯级先导速度约为10^5m／s,直窜先导的平均速度约为4．1×10^6m／s,梯级一直窜先导的平均速度约为6．0×10^6m／s;M过程伴随有活跃的爆发式辐射,产生勾状电场变化,击穿发展最终沿着导电性良好的主放电通道迅速到地,其平均速度约为7×10^7m／s,大于直窜先导和梯级直窜先导平均速度;K变化和企图先导与先导本质上是一样的,只是没有到达地面而引发回击．     

正地闪发展的时空结构特征与闪电双向先导

利用闪电VHF辐射源定位系统的观测资料, 对正地闪三维时空发展特征进行了分析, 结果表明正地闪过程大致可分为三个阶段, 在回击之前有较长的云内发展过程, 平均持续时间为370 ms, 传输速度为10⁵ m/s量级, 辐射强度与负地闪梯级先导辐射强度相当, 这一期间闪电是以负极性击穿过程在云中正电荷区发展, 通道沿水平方向延伸, 较少分叉;回击之后闪电在云内快速传输, 比回击前的发展速度快约2倍, 辐射点较少且比较弥散, 但辐射强度增强, 对应于连续电流过程, 并包含有多个正极性快脉冲;在闪电的最后阶段, 传输速度与回击前的传输速度相当, 辐射点主要集中在闪电通道的顶端. 与负地闪的时空发展特征存在明显的差异. 正地闪的辐射点均发生在云内正电荷区, 没有探测到回击之前的正先导过程所产生的辐射. 正地闪持续时间平均为730 ms, 持续时间在500~600 ms的闪电占总数的43%. 90%正地闪只有一次回击, 最多有4次回击, 回击电流峰值最大为70 kA, 最小为11.5 kA, 平均为36.5 kA, 大于40 kA的约有40%.     

用宽带干涉仪观测云内闪电通道双向传输的特征

利用闪电宽带干涉仪系统对闪电的观测表明，地闪和云闪的云内闪电通道都存在双向发展的特征. 闪电在云中负电荷区域初始激发以后，在通道两端发生向不同方向同时发展的击穿过程. 这两种击穿过程均产生较强的辐射，且辐射频谱特征十分相似，表明云内闪电通道两端发生的击穿过程可能均为负击穿过程. 相应电场变化表明闪电通道双向发展期间伴随着负电荷的向上转移. 这一观测事实与Kasemir早期提出的闪电通道双向发展的概念有一定的差异.     

地闪先导放电三维数值模拟

为探索地闪先导放电规律以满足新型雷电防护理论与技术研究的需要,在Amoruso和Lattarulo提出的带电圆盘雷云荷电解析模型框架下,利用三维WZ模型构造了地闪先导放电数值模拟算法,第一次实现了50 m空间分辨率的地闪先导放电三维数值模拟.在解析模型框架下,求解空间大幅缩小,使高分辨率模拟成为可能.模拟过程中采用了SOR法求解七点差分格式的拉普拉斯方程,提出了双概率指数建模思想,对WZ模型进行了修正,反映了真实先导主通道的延伸性与丰富分岔的分形特征.进行了不同发展阈值下的模拟实验,得到了精细的地闪双向先导三维放电图样与先导激励下的地面电场分布,结果在一般观测范围内.     

地闪对崇明地震台地球物理观测的干扰

通过对比崇明地区地闪及崇明地震台地球物理观测资料,发现受地闪引起的电磁场变化的直接作用或对仪器元件的间接作用,地磁、地电、电磁扰动和水位观测干扰比例较高,干扰幅度与地闪距离及形成的电流强度有关。具体干扰形态如下:①对电磁扰动干扰表现为单向突跳和测值的整体抬升;②对地磁测项干扰表现为正负方向的单点突跳;③对大地电场干扰表现为大幅震荡;④对水位观测干扰表现为大幅突跳。     

地闪对崇明地震台地球物理观测的干扰

通过对比崇明地区地闪及崇明地震台地球物理观测资料,发现受地闪引起的电磁场变化的直接作用或对仪器元件的间接作用,地磁、地电、电磁扰动和水位观测干扰比例较高,干扰幅度与地闪距离及形成的电流强度有关。具体干扰形态如下：①对电磁扰动干扰表现为单向突跳和测值的整体抬升;②对地磁测项干扰表现为正负方向的单点突跳;③对大地电场干扰表现为大幅震荡;④对水位观测干扰表现为大幅突跳。     

基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation, LER)多点观测结果. 基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System, TEROS), 在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件, 结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料, 对3次事件的高能辐射特征进行研究. 分析发现: 3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到, 是典型的X射线暴, 且均具有MeV能量的单光子, 最大能量超过2.2 MeV; 伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs, 伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs, 主要与先导发展速度有关; 相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量, 随着接近回击时刻, 该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势, 表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素; 随到达强度降低, 高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变, 呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征, 更多乃至所有的爆发过程无法被探测到, 高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

     

起伏地形下井-地电阻率观测装置的异常特征研究

在实际的地球物理勘探过程中,如何根据实际的勘探环境选择合适的观测方式和观测装置一直是地球物理勘探的重要问题之一.本文采用井.地三极和地.井三极联合电阻率观测装置对起伏地形下典型地质体模型进行正演模拟,正演响应的结果表明井-地联合装置比单一地表装置大大提高了对目标地质体位置的分辨能力.当采用井-地三极装置进行观测时,地形会导致异常响应的位置发生偏移,形态无明显改变;而采用地-井三极装置进行观测时,地形会很大程度上改变异常响应的形态和位置,很难有效推断目标地质体位置.