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两种类型M分量物理特征和机制对比

谢盟 张阳 张义军 吕伟涛 郑栋

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两种类型M分量物理特征和机制对比

Comparative Analysis on Characteristics and Mechanism for Two Types of M-component in Triggered Lightning

  • 摘要: 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。
  • 图 1  试验设备示意图

    Fig.1  Experimental equipment diagram

    图 2  触发闪电电流示例

    (a) 电流波形,(b) 电流脉冲主要参数

    Fig.2  Current for artificial triggered lightning

    (a) current waveform, (b) parameters of current pulse

    图 3  M分量基本特征分布

    Fig.3  Distribution for M-component characteristics

    图 4  两类M分量的基本特征分布

    Fig.4  Distribution of M-component characteristics

    图 5  两类M分量幅值与回击到M分量时间差的关系

    Fig.5  Relationship between M-component amplitude and the lag between return stroke and M-component

    图 6  第1类M分量 (a) 和第2类M分量 (b) 的电流波形

    Fig.6  Current waveform of Type 1(a) and Type 2(b) M-component

    图 7  第1类M分量 (a) 和第2类M分量 (b) 与测量电场一致性最佳的电场计算结果

    Fig.7  Calculated result for Type 1(a) and Type 2(b) M-component, which is most consistent with measured field

    表 1  不同地点人工触发闪电M分量基本特征的统计结果

    Table 1.  Statistical results for M-component characteristics from different experiment sites

    特征量 中国广东从化 中国山东滨州[19] 美国佛罗里达[20]
    幅值/A 301 276 136
    上升时间/μs 341 251 353
    半峰值宽度/μs 662 242 612
    转移电荷量/C 0.207 0.101 0.129
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    表 2  第1类和第2类M分量特征比较

    Table 2.  Comparison of two types of M-component

    特征量 第1类M分量 第2类M分量
    幅值/A 191 2005
    上升时间/μs 452 105
    半峰值宽度/μs 866 216
    转移电荷量/C 0.176 0.407
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-11-24
  • 修回日期:  2015-02-09
  • 刊出日期:  2015-07-31

两种类型M分量物理特征和机制对比

  • 1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室,北京 100081
  • 2. 成都信息工程大学,成都 610225

摘要: 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。

English Abstract

    • 闪电是大气中的超强、超长放电现象,它具有随机性、瞬时性特点[1-2]。M分量是闪电连续电流过程中电流的扰动或暂态增强[3-4],通常人们认为它与雷电通道微弱发光时,通道亮度瞬时性增强相对应[5-6],其电流强度和光强度随时间变化具有一定对称性[7-11]。虽然关于M分量的研究很多,但以往研究主要集中在M分量的总体特征方面,包括波形特征、光学特性等。如Thottappillil等[4]分析了人工触发闪电的通道底部电流,统计发现M分量的幅值范围为100~200 A,上升时间范围为300~500 μs,转移电荷量范围为0.1~0.2 C。Qie等[11]对触发闪电中63次M分量的电流波形特征进行统计,幅值、持续时间、转移电荷量的几何平均值分别为276 A,1.21 ms,101 mC。肖桐等[12]统计了人工触发闪电M分量对应电流和电磁场波形的特征,发现M分量电磁场和电流在峰值幅度上具有较显著的相关性,几何形状也比较一致。

      随着技术手段进步和研究深入,近年对M分量机制探讨逐渐增多,也出现了对特殊M分量的关注。如研究发现千安量级的大幅值M分量,其强度和较弱的回击相当[13];部分M分量的幅值超过5 kA,上升时间低于2 μs,它们的波形接近较小的继后回击,并认为这类M分量是在某一条通道分支流过连续电流时,另一正在衰退的通道分支中流过直窜先导与其叠加形成的[14];蒋如斌等[15]分析了6次幅值达到几千安量级的M分量,给出了波形统计特征 (幅值为3.8~7.0 kA,上升时间为12~72 μs),且通过物理模型的反演计算,认为该类M分量和通常的M分量有不同的物理机制,其产生与雷电通道状态有一定的关系。上述研究虽然给出了大幅值M分量的描述,但未明确给出其与通常M分量的具体统计差异,也未比较其放电过程的差别。

      本文分析了2008—2013年广东闪电综合观测试验 (GCOELD) 的人工触发闪电电流资料,得到31次M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量等数值特征。采用将M分量分为两类的方法,对特殊M分量和通常M分量分别进行特征统计,并进行全面比较。最后通过M分量的双波模型反演了两类M分量的电场,对它们物理机制上的异同进行探讨。

    • 本研究所涉及的资料包括通道底部电流资料和近距离慢电场资料,均来自广东闪电综合观测试验。

      自然闪电的发生具有较强随机性,很难实现定点观测[16]。人工触发闪电技术通过在适宜的雷暴条件下将闪电人为引发到地面,具有时间和地点的可预知性[17-18]。如图 1所示,当闪电成功触发时,电流经同轴分流器流入地面,同轴分流器能够在大电流下维持较恒定的阻值,因此,其两端电压和电流呈线性关系,HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik) 电光转换将同轴分流器的电压信号转化为光学信号,由光纤传输到控制室内,再通过HBM电流记录设备中的光电转换模块重新转换为电信号。HBM在记录雷电流的同时通过一个输出端口将信号传输至横河DL850示波器,同时,该示波器也在采集慢电场资料 (由慢电场天线测量,带宽200 Hz~2 MHz,时间常数为2 ms,距离引流杆约90 m),示波器各路的采样率均为10 MS/s。在通过HBM获得精细雷电流波形的同时,也实现了电流、电场的同步采集。

      图  1  试验设备示意图

      Figure 1.  Experimental equipment diagram

      本文所分析的M分量来自2008—2013年广东闪电综合观测试验,共成功触发45次,获得电流资料共包含59次回击。若M分量波形相互重叠,M分量发生时连续电流很不平稳,将无法得到准确的波形特征,这里仅对未与其他波形叠加且连续电流比较平缓的M分量进行统计,共计31个样本。

      图 2a给出了一次触发闪电获得的电流波形片段 (编号20130603)。电流在20 ms附近从突变到数千安,对应了触发闪电的一次回击 (通常情况下,M分量的幅值为几百安,因此,这里所给出电流波形为2 kA量程,回击的峰值通常在几千安到几十千安,2 kA量程下,电流会达到饱和)。回击后电流并未立刻恢复初始的状态,而是经过约100 ms才缓慢下降到背景值,这是由于回击之后,雷电通道中发生了连续电流,它是一种持续的低频过程。连续电流上出现了几次小波动,这些电流脉冲对应M分量过程。参考过去对于雷电流资料的分析方法[4],本文首先找到回击电流脉冲,确定回击后发生连续电流,再从连续电流波形上找出相对平稳时的电流扰动,即M分量。当连续电流相比之前的电流水平出现初始扰曲,这一时刻被认定为M分量的起始点;当M分量脉冲下降到和连续电流波形无法分辨时,这一时刻被认定为M分量的终点[4]。参考文献[17]对回击各参量的定义,图 2b给出了M分量幅值、上升时间、半峰值宽度的定义:M分量幅值是M分量峰值与M分量起始点连续电流强度的差值,上升时间是上升沿10%和90%值处的时间差,半峰值宽度为波形上升沿和下降沿50%值处的时间差。转移电荷量为图 2b中波形由起始点到终点对时间的积分。本研究主要关注M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度和转移电荷量。

      图  2  触发闪电电流示例

      Figure 2.  Current for artificial triggered lightning

    • 表 1列出了M分量的统计特征,幅值、上升时间、半峰值宽度和转移电荷量的几何平均值分别为301 A,341 μs,662 μs,0.207 C。由表 1可以看出,中国广东触发闪电M分量幅值的几何平均值与中国山东的结果比较接近;上升时间几何平均值与美国佛罗里达的结果接近,皆在350 μs左右;半峰值宽度几何平均值与美国佛罗里达的结果接近,均超过600 μs。不同的是,中国广东转移电荷量的几何平均远高于以往的统计结果,约是其他两地结果的2倍。总体而言,中国广东触发闪电M分量的强度和中国山东滨州的强度相近,时间参数与美国佛罗里达结果相似,转移电荷量远大于其余两地的统计结果。

      表 1  不同地点人工触发闪电M分量基本特征的统计结果

      Table 1.  Statistical results for M-component characteristics from different experiment sites

      特征量 中国广东从化 中国山东滨州[19] 美国佛罗里达[20]
      幅值/A 301 276 136
      上升时间/μs 341 251 353
      半峰值宽度/μs 662 242 612
      转移电荷量/C 0.207 0.101 0.129

      图 3给出了M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度及转移电荷量的分布。半数以上 (21/31) 的M分量幅值低于400 A,但部分 (5/31) M分量幅值为1400~2200 A,最高达3200 A。M分量的上升时间主要分布于0~600 μs (23/31),过半数 (19/31) 的M分量上升时间小于400 μs。大部分 (21/31) M分量的半峰值宽度小于1000 μs,1200 μs以上仅在1400~1600 μs区间有多个样本 (5/31)。M分量的转移电荷主要分布在100~300 mC (19/31)。

      图  3  M分量基本特征分布

      Figure 3.  Distribution for M-component characteristics

      M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量的分布中,有一些M分量表现出了不同特性。图 3中有6个M分量的幅值大于1 kA,最高超过3 kA。结合特殊M分量研究[14-15, 21],本文推断这6个M分量的物理机制与通常的M分量有所区别。因此,本文将按幅值大于等于或小于1 kA对M分量进行分类,深入分析M分量的特征和物理机制。

    • 本文将M分量按照幅值大小分为两类:第1类幅值小于1 kA,第2类幅值大于等于1 kA,并分别获得了两类M分量各参量的几何平均值,结果见表 2。可以看出,第2类M分量的幅值大约是第1类M分量幅值的10倍,其上升时间和半峰值宽度约是第1类M分量的1/4。

      表 2  第1类和第2类M分量特征比较

      Table 2.  Comparison of two types of M-component

      特征量 第1类M分量 第2类M分量
      幅值/A 191 2005
      上升时间/μs 452 105
      半峰值宽度/μs 866 216
      转移电荷量/C 0.176 0.407

      图 4给出了第1类M分量和第2类M分量分布。第2类M分量的上升时间均小于400 μs,其中过半数小于200 μs,第2类M分量的上升时间普遍小于第1类M分量。第2类M分量的半峰值宽度均小于400 μs。上升时间与半峰值宽度中,第2类M分量的波形不仅陡度较大,波形也较窄。第1类M分量电荷转移量多为100~300 mC,第2类M分量的转移电荷量的分布较为随机,但整体较大,半数以上的转移电荷超过了400 mC。

      图  4  两类M分量的基本特征分布

      Figure 4.  Distribution of M-component characteristics

      对M分量进行分类后,两类M分量特征表现差异较大。第2类M分量比第1类M分量的幅值更高,上升时间更短,半峰值宽度更小,转移电荷量更大,两类M分量的产生机制可能存在区别。

      图 5给出了两类M分量幅值与回击到出现M分量时间差的关系。可以看出,回击到第2类M分量出现时间普遍较短 (时间差最大为22.56 ms),回击发生50 ms以上时,出现的M分量均属于第1类M分量。这说明,在长连续电流的中后期 (150 ms后),仍具备产生第1类M分量的条件,而第2类M分量似乎只出现在回击发生后不久,可能由于回击发生后的一段时间内 (几十毫秒),通道的状态更容易产生内部击穿[21],或在这段时间内通道存在更多分支所导致[14]

      图  5  两类M分量幅值与回击到M分量时间差的关系

      Figure 5.  Relationship between M-component amplitude and the lag between return stroke and M-component

      第2类M分量的幅值远大于第1类M分量几百安培的幅值,达到数千安量级。本文研究发现,6次M分量背景值均低于100 A,而多数第1类M分量的背景值约为200 A,蒋如斌等[15]分析了幅值较大的M分量和典型的M分量,并发现在幅值较大的 (第2类) M分量发生前,电流呈现逐渐减小的趋势,而在较典型 (第1类) M分量发生前,连续电流较明显,未呈下降趋势。连续电流状态侧面反映,当第2类M分量发生时,通道的电离程度较低,状态较差,而在第1类M分量发生时,通道内有可观的连续电流,通道状态相对较好,这与图 5所得结果一致。前一时刻通道的物理状态,是影响其后所发生物理过程的重要因素[15], 根据通道状态的差异,可以推测第2类M分量的产生机制和第1类M分量有一定区别。

    • Rakov等[6]提出了M分量的双波物理机制,机制假设雷电电流波在通道底部会发生反射,M分量由下行入射电流波和上行反射电流波叠加产生。双波物理模型已被用于M分量物理机制研究,在未考虑M分量分类的情况下,有研究对M分量产生的电场进行反演,所得计算电场和测量电场有较好的一致性,但在波形下降沿有较大差别[7, 15]。模型假设如下:电流的反射系数为+1;入射波和反射波在通道中匀速传播,且不发生任何畸变;电荷的反射系数为-1,通道与地面垂直。本文针对特征上具有差异的两种M分量,采用双波模型进行反演计算验证,以期获得对这两类M分量的更深入认识。

      在采用双波模型对M分量电场进行反演的研究中,电流波的入射速度和反射速度通常设为相等[7, 15, 19]。事实上,电流入射波和反射波速度并不一定相等,这可能是之前研究中测量电场和计算电场在下降沿出现差别的原因。Chen等[22]通过甚高频干涉仪观测触发闪电时发现,部分 (1次) M分量的物理过程对应了从云到地的较快下行过程 (6.2×106 m/s) 及由地到云的较快上行过程 (2.2×106 m/s)。下行过程沿云中电荷的击穿通道进入雷电通道,再经过雷电通道流入地面,上行过程则沿下行过程的路径反向传播。多数M分量 (7次) 对应了发生在云中的击穿过程,这样的击穿过程一般发生在分支通道的末端。Shao等[21]也提出,部分M分量是通道上部出现的正极性流光反射形成的,而反冲流光的速度比正极性流光更快。因此,本文尝试将电流波的入射、反射速度分别设为v1v2,参考Rakov等[6]等给出的电流表达式,通道中某高度某时间的电流如式 (1) 所示:

      (1)

      式 (1) 中, H为雷电通道的总高度,Z对应通道中某处的高度,t为时间,v1v2为电流波的入射和反射速度,这是一个以电流波发生反射的时刻作为分界点的分段函数。反射前,任意高度电流只与[t-(H-Z)/v1]时刻通道顶部的电流强度I(H, t-(H-Z)/v1) 有关,而在电流波传播至通道底部后,通道中入射电流波和反射电流波开始叠加,I(H, t-(H+Z)/v2) 对应t时刻高度Z处的反射电流波强度。通过电荷密度和电流的关系,M分量电场的垂直分量和电流的关系可表示为

      (2)

      式 (2) 中, D为电场测量点到雷电通道的水平距离,试验场的平板天线距离接闪杆约为90 m。R,上面的表达式可以分为3部分,它们分别对应了静电场、感应场、辐射场。通常假设通道高度H=5 km。

      这里分别选出1个第1类M分量波形和1个第2类M分量波形进行电场反演,两个M分量的电流波形如图 6所示。其中,第1类M分量的波形来自2014年6月20日触发闪电第3次回击对应的连续电流,第2类M分量的波形来自2014年6月3日第7次回击对应的连续电流。为了减小电流噪声对反演结果的影响,本文对波形进行了滑动平均处理。

      图  6  第1类M分量 (a) 和第2类M分量 (b) 的电流波形

      Figure 6.  Current waveform of Type 1(a) and Type 2(b) M-component

      本文尝试了v1v2取值为1×106~40×106 m/s的多种组合,图 7a给出了第1类M分量的最佳计算电场波形,对应v1=2×106 m/s, v2=4×106 m/s。图 7b给出了第2类M分量的最佳计算电场波形,对应v1=9×106 m/s, v2=4×107 m/s,两类M分量在一致性较好时的参数设置并不相同,第1类M分量对应的v1/v2=1/2,而第2类M分量一致性最佳时v1/v2=9/40,这说明了两类M分量的放电过程存在差别。计算电场和测量电场被表示在同一坐标系下,以便比较,设初始电场为0。

      图  7  第1类M分量 (a) 和第2类M分量 (b) 与测量电场一致性最佳的电场计算结果

      Figure 7.  Calculated result for Type 1(a) and Type 2(b) M-component, which is most consistent with measured field

      有研究也佐证了本文的推测。Shao等[21]通过无线电干涉仪观测云地闪发现,通常情况下,M分量是云中电荷通过击穿过程汇入雷电主通道,并经该通道流入地面的物理过程。但存在部分M分量,它们对应了由通道上部产生正极性流光,并沿回击通道 (非该M分量所对应回击的通道) 传播,在分支末端发生反冲,并以更快的速度沿分支通道返回,再经主通道流入地面。在验证不同速度下M分量计算电场和测量电场的一致性时,两类M分量的v2均大于v1,但第2类M分量的v1v2相差更大。因此,第1类M分量对应了通常情况下云中电荷击穿汇入主通道的过程,而第2类M分量对应了正极性流光-反冲流光过程。

      通道上部击穿引发的M分量可能是由于回击发生后,通道分支中存在未能完全中和的电荷 (可能是由于这条分支的导通性较差),且有分支通道发生连续电流,维持主通道的电离状态。若残余电荷经过短时间的积累,发生击穿,有可能重新导通分支通道和主通道,产生上面所述的“特殊”M分量。通道上部击穿引起的流光速度较快 (2×107~4×107 m/s,云中电荷击穿为1×107 m/s),根据Shao等[21]的观测数据,这类M分量出现在回击之后不久[21],与图 5中第2类M分量到回击的时间较小的结果一致。文献[14]认为,通常情况下, M分量的发生需要一条接地的、有连续电流的通道,而上升时间较短、峰值较大的M分量还需要一条不完全导通的、衰退的通道。通常情况下,M分量和连续电流发生在同一个通道分支中,而上升时间较短、峰值较大的M分量则需要闪电有多个分支通道,这类M分量是在一个分支发生连续电流的同时,另一个分支发生类似于直窜先导与回击的物理过程,两者同时汇入主通道而形成的。回击发生后,更短的时间通常意味着更多的残余电荷和同时存在的分支通道,结合文献[14, 21],本文认为,电流波入射和反射速度与距离回击的时间与M分量的类型有着密切的联系,第1类M分量和第2类M分量物理机制存在一定差异。

    • 本文分析了触发闪电中M分量的幅度、上升时间、半峰值宽度和转移电荷量,并对中国广东、中国山东和美国佛罗里达的触发闪电统计特征进行了比较, 得到以下结论:

      1) 通常情况下,M分量的幅值低于400 A,上升时间小于400 μs,半峰值宽度小于1 ms,转移电荷量为0.1~0.3 C。但在幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量的分布中,均有部分M分量表现出不同的特性。

      2) 第2类M分量的幅值约为第1类M分量的10倍,半峰值宽度和上升时间约为第1类M分量的1/4,转移电荷量约为第1类M分量的2倍,两类M分量的参数分布也有较大差别。

      3) 采用双波放电模型对两类M分量的模拟计算表明:当模拟电场和测量电场较一致时,第1类M分量的入射速度与反射速度的比例大于第2类M分量的,反映了两类M分量形成的物理机制有一定差异。

参考文献 (22)

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