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一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

张阳 陈泽方 王敬轩 樊艳峰 郑栋 吕伟涛 张义军

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一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

    通信作者: 张阳, zhangyang@cma.gov.cn
  • 资助项目: 国家重点研究发展计划(2017YFC1501501),国家自然科学基金项目(41775009,41905004),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z003)

Observation of the Whole Discharge Process During a Multi-stroke Triggered Lightning by Continuous Interferometer

    Corresponding author: Zhang Yang, zhangyang@cma.gov.cn
  • 摘要: 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。
  • 图 1  人工引雷试验场观测布局

    Fig.1  Observation layout in the triggering lightning site

    图 2  触发闪电全过程辐射源分布、通道电流(红线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.2  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during the whole triggered lightning (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 3  PCP和IPCP的电流峰值分布(a)和脉冲宽度分布(b)

    Fig.3  Distribution of peak current(a) and distribution of pulse width(b) for PCP and IPCP

    图 4  ICC阶段辐射源分布、通道电流(红线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.4  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during ICC stage (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 5  1002~1004 ms辐射源分布、通道电流(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.5  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during 1002-1004 ms (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 6  1004~1015 ms的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.6  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during 1004-1015 ms (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 7  一个M分量的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.7  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during a M discharge (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 8  1285~1305 ms M分量的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.8  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during M discharge during 1285-1305 ms (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 9  第1、2次回击间放电的辐射源分布、电流波形(红线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间,指向RS1和RS2的箭头分别代表第1和第2次回击前的发展路径)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.9  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during the 1st RS and the 2nd RS (colors of radiation sources corresponding to time, arrows to RS1 and RS2 represent development paths before the first return stroke and the second return stroke)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    图 10  第6次回击前放电的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

    (a)慢电场波形, (b)辐射源时间-仰角分布和对应电流波形, (c)辐射源半球投影, (d)辐射源方位角-仰角分布

    Fig.10  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform before the 6th RS (colors of radiation sources corresponding to time)

    (a)waveform of slow electric field change, (b)elevation of radiation sources versus time and the corresponding current waveform, (c)hemispherical projection of radiation sources, (d)elevation of radiation sources versus azimuth

    表 1  先驱放电过程的电流参量

    Table 1.  Current parameters during precursor current pulse stage

    发展阶段 脉冲样本量 持续时间 平均峰值/A 脉冲宽度/μs 平均转移电荷/μC 整体转移电荷/μC
    PCP 39 650 ms 26.8 3.0 21.0 824
    IPCP 18 400 μs 23.9 4.9 41.3 743
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    表 2  回击过程电流参量

    Table 2.  Current parameters during return stroke stage

    回击次序 时间间隔/ms 峰值/ kA 转移电荷量/C
    1 0 10.57 0.59
    2 4.5 5.66 0.48
    3 87.6 12.69 0.66
    4 30 13.73 0.66
    5 70 13.82 0.73
    6 100 20.86 1.66
    7 90 16.55 0.90
    8 190 36.45 5.32
    平均值 71 16.29 1.37
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 修回日期:  2020-01-17
  • 刊出日期:  2020-03-31

一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

  • 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. 复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院, 上海 200438
  • 通信作者: 张阳, zhangyang@cma.gov.cn
资助项目: 国家重点研究发展计划(2017YFC1501501),国家自然科学基金项目(41775009,41905004),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z003)

摘要: 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。

English Abstract

    • 闪电的发生发展过程一直是闪电物理的重要研究内容之一[1-2]。相比于自然闪电,人工触发闪电具有多种优势,其发生位置确定、发生时间可预知,能够获得真实的直接测量电流,并且便于进行近距离综合观测。因此,目前中国气象科学研究院[3-7]、中国科学院大气物理研究所[8]、美国佛罗里达国际闪电测试中心[9]等多家研究单位在持续开展人工触发闪电试验,观测研究雷电物理及防护过程中的基本问题。

      经典的触发闪电一般通过火箭携带金属导线的方式实现,基本过程如下:火箭上升过程中其头部产生不连续的电晕放电,形成先驱放电脉冲[10];随着火箭高度增加,当满足一定条件时,孤立的先驱放电脉冲开始变得连续,出现初始先驱脉冲簇,如果上方云内负电荷主导,上行正先导将开始自持发展,形成初始连续电流过程;连续电流不断增大将导致金属导线的融化和放电通道的重新建立,随着云内通道继续延伸发展,初始连续电流过程将持续上百毫秒时间。之后随着通道电流的逐渐减小,建立的通道将冷却,导致通道截断,直到云内新的放电重新激活原来的连接通道,形成回击及击间过程。

      对于触发闪电放电过程的认识早期多基于通道底部电流以及同步电磁场观测[11],后来随着高速摄像设备的应用,对于云底到地面可见的发展通道有了更多的细节认识[12-14]。而甚高频定位技术的应用,则大大推进了对触发闪电云内放电过程的认识:如Edens等[15]基于闪电成像阵列(LMA)观测了触发闪电的正负击穿放电过程;Shao等[16]和Dong等[17]发明了宽带干涉仪,并最早基于宽带干涉仪给出触发闪电放电过程的细节描述,但可能由于频段的限制,Shao等[16]并未观测到上行正先导脉冲。同时LMA的时间分辨率有限(80 μs),也难以分析微秒量级的放电事件,而传统的宽带干涉仪则存在分段记录导致对长放电过程难以连续解析的难题。随着技术的进步,近10年,雷电领域的科学家开始研制了闪电连续干涉仪并用于观测[18-20],进一步深化了对触发闪电放电过程的精细化认识,包括Sun等[18]研制了与连续干涉仪类似的短基线甚高频定位系统,Stock等[19]研制了基于相关时延技术的连续干涉仪系统,Li等[20]也研制了相应的宽带干涉仪设备。

      中国气象科学研究院Zhang等[21]于2016年开始自主研制闪电连续干涉仪,并开展近距离触发闪电观测,获得了触发闪电全过程的定位结果。本文基于触发闪电的连续干涉仪观测以及直测电流等数据,分析一次多回击触发闪电的全放电过程,在先驱放电、初始连续电流以及回击的云内过程等方面获得了一些新认识。

    • 2019年5月中旬至7月底,中国气象科学研究院雷电团队在中国气象局雷电野外科学试验基地从化人工引雷试验场开展了2019年度人工触发闪电试验。本文详细分析了2019年6月11日成功触发的一次负极性闪电。该次触发闪电发生在中午12:41 (北京时,下同),采用火箭拖拽金属线的经典方式触发,火箭发射时引雷试验场上方负电荷为主,其地面大气平均电场强度为-2.8 kV·m-1,最终形成了8次回击。

      除了常规的基于快慢天线的电场变化观测、闪电低频电场阵列(LFEDA)观测[22]外,还重点观测了触发闪电全过程的辐射源位置、闪电通道底部电流和可见通道图像等信息,试验的具体观测布局如图 1所示。通道底部电流使用1 mΩ的同轴分流器安装在引流杆底部进行探测,采用大小不同量程的高压隔离数字化仪(量程分别设置为±50 kA和±2 kA)和瞬态记录仪实现对触发闪电大电流回击过程以及微弱电流先驱放电过程的大动态范围获取,最小电流分辨率约为5 A,正电流对应正电荷沿通道向上移动或负电荷沿通道向下移动,更多信息见文献[23-24]。通道图像采用距离引流杆1.9 km的高速摄像机进行观测,记录帧率5000帧/s,镜头焦距8 mm,对应空间分辨率约为3.8 m。

      图  1  人工引雷试验场观测布局

      Figure 1.  Observation layout in the triggering lightning site

      辐射源三维位置采用自主研发的闪电连续干涉仪测量。该干涉仪最早于2016年研制,并在人工引雷试验场安装进行观测,3个宽带盘锥天线位于边长20 m的正三角形的3个顶点,3路辐射信号经过25~90 MHz的带通滤波后传送到上位机的采集器并以200 MHz采样率进行触发采集记录。其中2016年采取板载触发采集方式,无预触发,记录长度为2 s;自2017年开始改进采集记录方式,实现了长预触发的采集能力,其中预触发时间2 s,总记录长度4 s,能够观测火箭发射后持续较长时间的完整的触发闪电放电过程。这些同步的甚高频信号采用分段处理并使用相关时延算法进行定位,更详细的信息见文献[21, 23, 25]。在本研究中为了兼顾定位效率和定位精度,定位窗口设定为1024个采样点,每次滑动距离为256个采样点,最小定位时间分辨率为1.28 μs。本文中提及的速度和发展方向等采用Shao等[26]使用的方法近似计算和评估。其中,连续干涉仪的结果提供仰角和方位角信息,而电场变化数据由于能够反映电荷远离观测位置或者靠近观测位置(本文电场波形的符号规定为,正的电场变化对应观测上方额外的正电荷或者负电荷的移除),再结合整个闪电发展的特点,可判断垂直还是水平发展为主,更多信息见文献[26]。对于云内辐射源发展速度,主要基于云内闪电放电处于大约相同高度的近似、再结合角度的变化计算,其中发展高度能够从闪电低频电场探测阵列(LFEDA)的探测结果得到[22],本文个例的云内放电高度约为5 km。触发闪电上行先导上升到云内电荷区之前的速度,基于竖直向上发展的近似并结合连续干涉仪获得的仰角方位角信息获得。上述计算得到的速度虽然有一定不确定性,但相比于105~108量级的发展速度来仍较小,可用于认识闪电放电过程[26]

    • 图 2为本文分析的触发闪电通道底部电流和辐射源定位结果,可以看到,该过程包含了典型的先驱电流脉冲(PCP)放电阶段(从第1个辐射源开始到先导自持发展标志连续IPCP脉冲簇出现)、初始先驱电流脉冲簇(IPCP)放电阶段(先导自持发展标志连续IPCP脉冲簇)、初始连续电流(ICC)阶段(先导自持发展标志连续IPCP脉冲簇结束后至通道底部电流降到0)以及之后的多次回击(RS)过程。从明显可见的放电辐射源出现到最后一次回击结束共持续约1600 ms,产生8次回击放电,最大回击幅度约为36.5 kA,最小回击幅度约为5.6 kA。值得注意的是, 前两次回击间隔非常短,仅约为4.5 ms。

      图  2  触发闪电全过程辐射源分布、通道电流(红线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 2.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during the whole triggered lightning (colors of radiation sources corresponding to time)

      明显可见的辐射源出现在350 ms时刻,此时的PCP电流约为8 A,优于目前已见报道的最小可定位PCP电流,其中Sun等[18]的最小可探测正先导电流116 A,Yoshida等[27]最小可探测上行正先导电流为1 kA,这主要得益于较近的观测距离。伴随着火箭的上升,辐射源高度逐渐升高(仰角增大),直到995.7 ms时刻IPCP脉冲簇产生,上行正先导开始自持发展,此时高度约为360 m,该高度和光学点高速摄像获得的连续发展位置的观测结果一致。在上行正先导连续发展之后,通道底部电流开始逐渐增大,初始连续电流过程开始,辐射源高度迅速增加。随着上行正先导继续向上发展,当初始连续电流幅度达到约250 A时(1002 ms),火箭拖拽的导线熔断,在电流波形上表现出电流的突然迅速减小,并伴随着辐射源的迅速降低,之后随着空气电离通道的建立电流重新快速上升,放电通道在云内延伸,持续时间约为350 ms,然后随着底部通道冷却断开,底部电流消失。随着云内放电的不断发生,重新产生了多次反冲先导过程,并形成多次回击。

    • 初始先驱放电过程包括先驱电流脉冲PCP放电阶段(上行正先导自持发展前)和初始先驱电流脉冲簇IPCP放电阶段(标志着上行正先导开始进入自持发展阶段)。表 1给出了先驱放电过程PCP阶段和IPCP阶段的电流参量统计结果,包括平均峰值电流(每个阶段所有先驱电流脉冲峰值电流的平均值)、平均转移电荷量(每个阶段所有先驱电流脉冲转移电荷的平均值)、整体转移电荷量(每个阶段所有先驱电流脉冲转移电荷总和)和脉冲宽度(每个阶段所有先驱电流脉冲脉宽的平均值)等参量。将图 2定位结果中第1个明显可见的辐射源作为PCP阶段的起始时刻,整个PCP阶段的放电持续时间约为650 ms,平均转移电荷量约为21 μC,平均脉冲宽度约为3 μs。当从PCP阶段发展到IPCP阶段(具有明显脉冲簇的持续时间约为400 μs)时,平均转移电荷量几乎增加了一倍,电荷量达到41.3 μC,但是整体转移电荷量和电流平均峰值幅度在PCP阶段和IPCP阶段无明显规律性差异。

      表 1  先驱放电过程的电流参量

      Table 1.  Current parameters during precursor current pulse stage

      发展阶段 脉冲样本量 持续时间 平均峰值/A 脉冲宽度/μs 平均转移电荷/μC 整体转移电荷/μC
      PCP 39 650 ms 26.8 3.0 21.0 824
      IPCP 18 400 μs 23.9 4.9 41.3 743

      同时,分析得到所有PCP脉冲和IPCP脉冲电流分布和脉冲宽度分布如图 3所示,可以看到,电流分布两者无明显大小差异,而IPCP脉冲宽度整体大于PCP。据此推测,相比于PCP,IPCP平均转移电荷量的增大主要来源于放电时间的增加;相比于PCP脉冲,IPCP脉冲宽度增加显著。统计分析的PCP及IPCP转移电荷量随着火箭上升(时间增加)的变化规律,具体结果与Zhang等[21]结果类似,整体呈现增加的趋势,特别是到IPCP阶段,转移电荷量增加非常明显。因此,在先驱放电脉冲能够产生的情况下,其能否转换成IPCP脉冲簇从而促使上行正先导连续发展,转移电荷量是其中的关键因素之一,大的转移电荷量也导致了脉冲放电持续时间的延长。该阶段更细节的不连续放电过程辐射源定位结果和Zhang等[21]一致,不再详述。

      图  3  PCP和IPCP的电流峰值分布(a)和脉冲宽度分布(b)

      Figure 3.  Distribution of peak current(a) and distribution of pulse width(b) for PCP and IPCP

    • 在IPCP脉冲簇之后,初始连续电流过程开始,慢变化电流持续了约330 ms,平均电流为134 A,最大电流975 A,虽然平均电流幅度不大,但由于持续时间长,共转移电荷量高达44.3 C,而典型回击过程转移电荷量约为1~2 C,因此,初始连续电流过程电荷转移非常可观,可能带来非常大的危害。

      触发闪电ICC过程包含上行正先导的向上发展、金属线熔断及等离子导电通道的重新建立、放电通道在云内的延伸发展过程,将通过辐射源定位进一步分析。图 4为ICC阶段的辐射源定位结果。在上行正先导入云之前,以垂直向上发展为主,根据辐射源定位结果得到的上行正先导向上发展过程中的速度约为5×105 m·s-1,与高速摄像观测一致。当先导发展入云之后,金属线熔断、电离通道建立,该过程中伴随着明显的辐射,辐射源仰角降低(见图 4b箭头位置),之后通道在云内发展延伸,在下面分析过程中近似认为是在水平发展。

      图  4  ICC阶段辐射源分布、通道电流(红线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 4.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during ICC stage (colors of radiation sources corresponding to time)

      图 5为金属线熔断后持续时间为2 ms的云内放电过程定位结果(1002~1004 ms),闪电辐射源仰角总体趋势向下,慢电场缓慢增加,可知辐射源向远离观测位置连续发展,基于在相同高度电荷区内传输的近似,结合LFEDA获得的放电高度,计算得到平均水平发展速度约为6.5×105 m·s-1, 与向上发展的上行正先导的速度基本一致,可知是上行正先导过程在云内的继续发展。1004 ms后(见图 6),该通道分支的向前延伸停止,随着通道冷却,在1004~1006 ms发生了一系列在通道头部的较连续的击穿放电,之后放电在逐渐冷却的通道头部不连续产生,考虑到云内水平发展为主并且辐射源仰角增大的趋势(见图 6b箭头指向)可知辐射源总体向靠近观测位置发展,通道头部总体呈现不连续倒退发展的形式,总体向回发展速度约为4.5×105 m·s-1,考虑到此过程中慢电场整体的缓慢增加,因此,该过程可能为先导头部不连续的反冲负流光(先导)过程。

      图  5  1002~1004 ms辐射源分布、通道电流(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 5.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during 1002-1004 ms (colors of radiation sources corresponding to time)

      图  6  1004~1015 ms的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 6.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during 1004-1015 ms (colors of radiation sources corresponding to time)

      图 7展示了1041 ms后产生的一个M放电事件辐射源定位结果。该M分量发生时连续电流约为70 A,相对幅度约为160 A,上升沿为0.5 ms,从幅度上属于传统M分量。由图 7可以看到,该过程起始于云内原有通道头部的反复击穿放电(1041~1042 ms),从接近1042 ms开始云内辐射源仰角减小,电流缓慢增大,表明反复的击穿之后在头部开始形成远离观测位置发展的正流光(图 7c),持续发展约为200 μs、发展超过600 m后停止并从头部向回形成反冲过程(可以称作反冲先导),通过原来的接地通道卸放电荷到地。由于反冲过程的路径为已经存在的通道,因此此时无显著的辐射源被探测到。之后,由于通道头部电势的变化,导致头部击穿放电继续发生。在上述过程中,形成反冲之前的正流光过程在云内水平发展为主,估计向前的速度为3×106 m·s-1。这也检验了Zhang等[23]M分量形成的云内机制,并说明ICC阶段的M分量和回击后M分量具有相似的云内过程。

      图  7  一个M分量的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 7.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during a M discharge (colors of radiation sources corresponding to time)

      另外,分析了发生在1285~1305 ms时间段的另外两个次序发生的M分量。图 8为两个M分量的辐射源定位结果。第1个M分量开始于1288 ms,持续了8 ms,为典型的对称波形,背景电流为70 A,峰值电流为120 A,相对峰值为50 A,转移电荷量为0.15 C。从1288 ms开始,云内辐射源仰角增加,辐射源开始向观测位置回传,对比前面的放电路径能够确认该回传发生在先前的通道,同时考虑到电流缓慢增加,因此是负反冲先导。在探测到明显辐射源的约400 μs的时间里,该先导向回水平发展了约3.6 km,估计的速度约为9×106 m·s-1,之后出现慢电场和电流的明显变化,表明反冲先导发展到原来的垂直通道中;同时也发现,即使在该M分量的明显电流期间,该通道头部仍不断有短的回传过程在云内发生,速度为2×106~3×106 m·s-1,分析认为这些多次小的反冲先导共同维持了M分量的持续。紧跟该M分量之后的第2个M分量,也是典型的对称波形,峰值电流为105 A,背景电流为80 A,相对幅度为25 A,其过程和前面的M分量类似,但是它由来自两个通道分支的两个反冲先导产生,其估计的速度约为3×106 m·s-1,并且在显著的电流脉冲过程中,也存在从已有通道产生多个短反冲先导的现象。

      图  8  1285~1305 ms M分量的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 8.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during M discharge during 1285-1305 ms (colors of radiation sources corresponding to time)

      综上可以看出,ICC过程的典型M分量,可以由向前的正流光(先导)产生并伴随紧跟的负极性反冲先导;也可能直接由反冲先导产生,并且整个M分量电流传输过程中,也会有多个反冲先导在多个通道头部产生并维持M过程的持续。

    • 表 2给出了该次触发闪电8回击过程的电流参量。其中最大电流峰值约为36.5 kA,平均电流约为16.3 kA,其平均值和Zheng等[28]的结果一致。相邻两次回击过程的时间间隔平均为71 ms,但第2次回击(RS2)在第1回击(RS1)之后很短的时间内(4.5 ms)发生。从高速摄像数据发现,前两次回击均通过引流杆上方ICC阶段建立的通道卸放电流。图 9给出了这两次回击的辐射源定位结果,可以看出,第1次回击和第2次回击前均发生了企图先导过程,并且都发生在ICC阶段已经建立的云内放电通道头部,以反冲的形式形成反冲先导。此过程无明显电场变化,辐射源发展以云内水平发展为主。由辐射源仰角增加可知辐射源向观测位置发展,但并未发展到垂直通道,直到最后一次成功的反冲企图先导发展到垂直通道,形成回击。但两次回击前的反冲先导来自不同的通道分支,最后通过连接引流杆的接地通道卸放电流。正是由于不同的通道分支,导致了更短间隔的回击发生。这些反冲企图先导过程在以往自然闪电研究中也被多次提到,被认为与K过程类似。如张广庶等[29]采用窄带干涉仪定位了一次包含19次回击的自然闪电过程,发现了回击间的多次K过程和企图先导过程是相似过程,可能发生在云内,也可能更贴近地面,而本研究的反冲企图先导主要发生在云内。Shao等[26]也认为K过程和企图先导是同样的放电现象。

      表 2  回击过程电流参量

      Table 2.  Current parameters during return stroke stage

      回击次序 时间间隔/ms 峰值/ kA 转移电荷量/C
      1 0 10.57 0.59
      2 4.5 5.66 0.48
      3 87.6 12.69 0.66
      4 30 13.73 0.66
      5 70 13.82 0.73
      6 100 20.86 1.66
      7 90 16.55 0.90
      8 190 36.45 5.32
      平均值 71 16.29 1.37

      图  9  第1、2次回击间放电的辐射源分布、电流波形(红线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间,指向RS1和RS2的箭头分别代表第1和第2次回击前的发展路径)

      Figure 9.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform during the 1st RS and the 2nd RS (colors of radiation sources corresponding to time, arrows to RS1 and RS2 represent development paths before the first return stroke and the second return stroke)

      进一步检查了所有图 2中8次回击的定位结果,发现第3次到第8次回击,均发生在第2次回击的通道中,每次回击后,在该通道的远端会有新的击穿及短的正流光产生,然后再次发生一系列反冲先导过程。由仰角以及慢电场信息可知辐射源在云内向观测位置发展,但多数未发展到垂直通道和大地,只处于企图先导阶段,直至成功的先导回击产生,这些反冲企图先导在云内水平为主发展部分的速度约为106 m·s-1量级。为了更清楚地展示上述过程,图 10给出了第6次回击前约40 ms时间间隔的辐射源定位结果。

      图  10  第6次回击前放电的辐射源分布、电流波形(红色曲线)和电场变化波形(辐射源颜色代表时间)

      Figure 10.  Radiation sources distribution, channel-base current and electric field change waveform before the 6th RS (colors of radiation sources corresponding to time)

    • 本文主要基于闪电连续干涉仪和通道底部电流以及电场变化的观测,分析了一次多回击触发闪电放电全过程,获得了先驱放电阶段、初始连续电流阶段和回击阶段的放电特征及放电物理过程。得到以下主要结论:

      1) 得益于近距离观测,最小为8 A的先驱电流脉冲产生的辐射信号可被定位。随着火箭上升,PCP转移电荷量有增加的趋势,但相比于上行正先导自持发展开始时的IPCP脉冲簇,先驱电流脉冲PCP的脉冲宽度及平均转移电荷量明显较小。在先驱放电脉冲能够产生的电环境条件下,能否形成自持发展的上行正先导,转移电荷量是其中的关键因素之一。

      2) ICC阶段虽然平均电流仅为134 A,但由于持续时间长,转移电荷量高达44.3 C,远超过回击转移电荷量。在上行正先导自持发展后,以105 m· s-1量级的速度发展入云,金属线熔断之后的通道在最初的2 ms内仍以正先导的形式连续发展远离,随后先导头部放电变得不连续,通道总体呈现不连续倒退发展的形式,总体向回发展速度为105 m·s-1量级。ICC阶段后期,在多个通道分支已经建立之后,放电形式以起始于通道头部的反冲流光为主。

      3) 分析了ICC中的两类M分量放电形式,发现ICC过程的典型M分量可以由向前的、106 m·s-1量级速度的正流光(先导)产生并伴随紧跟的负极性反冲先导,也可由反冲先导(流光)产生。且整个M分量电荷传输过程中(电流脉冲持续时间内),也会有多个反冲先导在多个通道头部产生,从而维持M放电过程的持续。

      4) 反冲先导是回击间过程的主要形式,每次回击脉冲电流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,直至下一次回击产生,这些反冲企图先导云内部分的速度为106 m·s-1量级。本次触发闪电的8次回击过程中,前两次由不同通道分支先导引发,因此,具有很小的回击时间间隔,约为4.5 ms,而后6次回击的反冲先导通道均与第2次相同。

参考文献 (29)

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