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人工触发闪电初始连续电流的中低频磁场特征

樊艳峰 陆高鹏 张阳 吕伟涛 郑栋 范祥鹏

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人工触发闪电初始连续电流的中低频磁场特征

    通信作者: 陆高鹏, gaopenglu@gmail.com
  • 资助项目: 国家重点研究发展计划(2017YFC1501501),国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(41622501),国家自然科学基金面上项目(41875006,41775009),国家自然科学基金青年科学基金项目(41905004)

Characteristics of Medium-low Frequency Magnetic Fields of Initial Continuous Current in Rocket-triggered Lightning

    Corresponding author: Lu Gaopeng, gaopenglu@gmail.com
  • 摘要: 中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验是研究闪电电磁辐射效应的有效手段,利用架设在试验场地周边的多套磁场天线所获取的高灵敏度磁场数据,针对初始连续电流阶段的中低频磁场特征开展研究。得益于磁场天线带宽的拓展,首次解析出了相对平静期内的磁场脉冲,单个脉冲的平均宽度约为1 μs,平均脉冲间隔约为14 μs,对应了该阶段中上行先导的小尺度击穿发展形式;在近、远距离磁场测量中均观测到了与先导通道头部击穿放电相关的爆发式磁场脉冲,其平均脉冲间隔(约为24.5 μs)明显大于平静期脉冲的统计值,而且在爆发式脉冲期间通道底部电流逐步增大到几十至上百安培,表明此时电场条件更加有利于上行先导的发展;此外,高灵敏磁场天线能够直观地呈现出初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse,ICCP)的电荷传输过程,且ICCP期间观测到的规则磁场脉冲的脉冲间隔比其他类型的磁场脉冲小一个量级,可能体现了正极性击穿和负极性击穿的特征差异。
  • 图 1  磁场天线实验室标定曲线

    Fig.1  Frequency response of the magnetic sensor from the laboratory calibration

    图 2  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电同步观测结果

    (a)通道底部电流,(b)近距离磁场,(c)远距离磁场,(d)近距离快电场

    Fig.2  Observations of the triggered lightning at 100601 UTC 17 Jul 2019

    (a)channel-base current, (b)magnetic field of close site, (c)magnetic field of far site, (d)fast electric field of close site

    图 3  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电最初始阶段及相对平静期同步观测结果

    (a)通道底部电流,(b)近距离磁场,(c)远距离磁场,(d)近距离快电场

    Fig.3  Observations of the very initial stage and signal quiet period of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    (a)channel-base current, (b)magnetic field of close site, (c)magnetic field of far site, (d)fast electric field of close site

    图 4  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电相对平静期观测结果细节展示

    (a)通道底部电流,(b)近距离磁场,(c)远距离磁场,(d)近距离快电场

    Fig.4  Zoomed view of the signal quiet period of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    (a)channel-base current, (b)magnetic field of close site, (c)magnetic field of far site, (d)fast electric field of close site

    图 5  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电初始连续电流阶段同步观测结果

    (a)通道底部电流,(b)近距离磁场,(c)远距离磁场,(d)近距离快电场

    Fig.5  Observations of the initial continuous current stage of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    (a)channel-base current, (b)magnetic field of close site, (c)magnetic field of far site, (d)fast electric field of close site

    图 6  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电的爆发式磁场脉冲观测结果对比

    (a)近距离磁场,(b)远距离磁场

    Fig.6  Comparison of the magnetic pulse burst of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 7 2019

    (a)magnetic field of close site, (b)magnetic field of far site

    图 7  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电的ICCP和M分量同步观测结果

    (a)ICCP通道底部电流,(b)ICCP近距离磁场,(c)ICCP远距离磁场,(d)ICCP近距离快电场,(e)M分量通道底部电流,(f)M分量近距离磁场,(g)M分量远距离磁场,(h)M分量近距离快电场

    Fig.7  Observations of ICCP and M-component of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    (a)channel-base current for ICCP, (b)magnetic field of close site for ICCP, (c)magnetic field of far site for ICCP, (d)electric field of close site for ICCP, (e)channel-base current for M-component, (f)magnetic field of close site for M-component, (g)magnetic field of far site for M-component, (h)electric field of close site for M-component

    图 8  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电的规则磁场脉冲同步观测结果

    (a)ICCP近距离磁场,(b)ICCP远距离磁场,(c)M分量近距离磁场,(d)M分量远距离磁场

    Fig.8  Observations of regular magnetic pulses of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    (a)B-field of close site for ICCP, (b)magnetic field of far site for ICCP, (c)magnetic field of close site for M-component, (d)B-field of far site for M-component

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 修回日期:  2020-01-13
  • 刊出日期:  2020-03-31

人工触发闪电初始连续电流的中低频磁场特征

  • 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. 中国科学技术大学地球与空间科学学院, 合肥 230026
  • 通信作者: 陆高鹏, gaopenglu@gmail.com
资助项目: 国家重点研究发展计划(2017YFC1501501),国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(41622501),国家自然科学基金面上项目(41875006,41775009),国家自然科学基金青年科学基金项目(41905004)

摘要: 中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验是研究闪电电磁辐射效应的有效手段,利用架设在试验场地周边的多套磁场天线所获取的高灵敏度磁场数据,针对初始连续电流阶段的中低频磁场特征开展研究。得益于磁场天线带宽的拓展,首次解析出了相对平静期内的磁场脉冲,单个脉冲的平均宽度约为1 μs,平均脉冲间隔约为14 μs,对应了该阶段中上行先导的小尺度击穿发展形式;在近、远距离磁场测量中均观测到了与先导通道头部击穿放电相关的爆发式磁场脉冲,其平均脉冲间隔(约为24.5 μs)明显大于平静期脉冲的统计值,而且在爆发式脉冲期间通道底部电流逐步增大到几十至上百安培,表明此时电场条件更加有利于上行先导的发展;此外,高灵敏磁场天线能够直观地呈现出初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse,ICCP)的电荷传输过程,且ICCP期间观测到的规则磁场脉冲的脉冲间隔比其他类型的磁场脉冲小一个量级,可能体现了正极性击穿和负极性击穿的特征差异。

English Abstract

    • 中国气象局雷电野外科学试验基地人工引雷试验场位于广东省广州市从化区,自2006年起持续开展触发闪电试验,为闪电物理和电磁辐射效应的研究、防雷措施和设备的有效性检验等提供良好的技术手段和观测平台[1-4]。人工触发闪电的时机通常是在地面电场受当顶雷暴云中的负电荷控制的情况,当金属导线随火箭上升至一定高度时,导线顶端开始形成持续向上发展的正先导[5-8],在同步的电流、电磁场测量中能够记录到与上行正先导相对应的初始脉冲[9],这些脉冲表明云-地之间的放电通道逐步建立;随后在通道底部的电流测量中表现出持续时间为几十毫秒甚至几百毫秒的连续电流过程,称为人工触发闪电的初始连续电流[10-11];初始连续电流结束后可能伴随若干次回击过程以及回击之后的M分量[12-15]。由于初始连续电流持续时间较长,是人工触发闪电中云-地电荷转移的主要过程之一,且初始连续电流对应较为复杂的云内放电过程,因此,开展针对该过程的研究对于认识闪电放电机理具有重要作用。

      关于人工触发闪电初始连续电流阶段的研究多通过通道底部电流和快慢电场展开,研究内容包括电流特征参数,期间的中和电荷量以及相应的电场波形特征。磁场测量是研究闪电放电过程的另一种重要手段,与电场信号不同,磁场信号不易受地形、地物的影响发生畸变,因此,磁场测量能更准确地反映闪电放电过程。Rakov等[16-17]曾利用环形磁场天线对人工触发闪电中的初始连续电流进行观测,但由于传统环形天线构成的磁场传感器灵敏度较低,并不能解析初始连续电流阶段伴随的较弱放电过程。通过将金属线圈密绕在相对磁导率较高的软磁材料磁棒上,制成的高灵敏度磁场天线已在人工触发闪电试验中展示出了良好的解析弱放电过程能力,如在持续发展的上行正先导阶段观测到与通道底部较强电流脉冲所对应的脉冲型脉冲,并发现脉冲型脉冲会向波纹型脉冲转化,体现出先导通道增加对脉冲信号的衰减和滤波作用[18-20];在人工引雷初始连续电流阶段的观测中,高灵敏度磁场测量不仅能用于初始连续电流的高精度反演[21-22],而且能解析出其他观测手段未发现的爆发式脉冲过程[23-24]。由于之前用于人工触发闪电观测的高灵敏度磁场天线的工作频段主要集中在低频段(3 dB带宽为30~300 kHz),从观测数据的模拟结果看,对于研究上行正先导相应的电流脉冲沿着引雷导线的传输效应是足够的[20],但对于上行正先导在初始连续电流阶段的击穿过程,即使伴随的高频、甚高频辐射较弱[25],其在中频段的辐射绝不可忽略,因此低频磁场天线对于人工触发闪电初始连续电流阶段的磁场辐射特征研究存在带宽不足的问题,有必要在拓宽现有高灵敏磁场天线带宽的基础上,继续开展针对初始连续电流阶段的宽频段磁场辐射特征研究。

      从2019年夏季试验开始,对架设在中国气象局雷电野外科学试验基地人工触发闪电试验场的高灵敏磁场天线进行重新设计,将最初使用的磁场传感器带宽从低频段拓展到了中低频段(3 dB带宽为20 kHz~1 MHz)。本文将利用在2019年广州从化人工触发闪电试验中获取到的高灵敏度中低频段磁场数据,结合试验中同步的通道底部雷电流和快电场数据,对人工触发闪电初始连续电流阶段的磁场辐射特征开展研究。

    • 中国气象局雷电野外科学试验基地人工触发闪电试验场(23.64°N,113.60°E)火箭发射架距离控制室约85 m,试验场内布设雷电流、平均大气电场仪、快慢天线、磁场天线、连续干涉仪、全视野闪电通道成像仪等雷电物理参数测量设备以及通讯塔、高压输电试验线路、低压供电试验线路、风力发电机试验模型等雷电防护测试设备。此外,围绕人工触发闪电试验场共建有两个光学观测点,包括距离试验场约600 m的近距离光学观测点和距离试验场约1.9 km的远距离光学观测点,可以从不同距离和角度对人工触发闪电开展高时空分辨率的光学观测,其中远距离光学观测点同样架设电磁场观测设备,形成了雷电物理过程精细化综合观测平台。

      本文分析人工触发闪电个例来自2019年广州从化人工触发闪电试验。磁场数据分别来自人工触发闪电试验场和远距离光学观测点的2套高灵敏磁场天线,其中试验场地的磁场天线距离火箭发射架约80 m。磁场天线的传感器由两根正交的磁棒组成,可以测量人工触发闪电试验中来自不同方向的闪电磁场信号。需要说明的是,文中的磁场数据均采集自与引流杆同心圆相切方向的磁棒,即接收到磁场信号最大的磁棒。2套磁场天线的采集设备均采用Yokogawa DL850示波记录仪,采样频率设为10 MHz。与以往人工触发闪电试验中所用的低频磁场天线不同,2019年人工触发闪电试验将所用磁场天线的3 dB带宽拓展到了约20 kHz~1 MHz,其在实验室标定的频率响应曲线如图 1所示。从标定曲线中发现,该传感器在3 dB带宽以下的部分可视为dB/dt(B表示磁场,t表示时间)天线,即测到的是磁场信号的变化率,不过由于传感器增益随着频段降低逐渐变小,该传感器无法准确解析500 Hz以下的磁场信号。所用的雷电流数据由直接测量的方式获取,即在引流杆底部串接1 mΩ同轴分流器实现电流向电压的转换,然后通过高压隔离数字化仪对同轴分流器两端电压进行采集。快电场数据则通过架设在距离火箭发射架约80 m的快天线获取,快天线量程为±100 V·m-1,时间常数为100 μs,试验场地的快电场数据和磁场数据一并由Yokogawa DL850示波记录仪同步采集,采样频率10 MHz。

      图  1  磁场天线实验室标定曲线

      Figure 1.  Frequency response of the magnetic sensor from the laboratory calibration

    • 图 2是发生在2019年7月7日10:06:01(世界时,下同)的一次人工触发闪电试验完整过程的同步观测结果。由于快电场变化的绝对值受地形以及天线放置高度影响很大,因此,本文的快电场信号仍然采用电压单位。图 2a完整标注了人工触发闪电试验的电流过程,包括与持续上行正先导相关的初始电流脉冲(initial current pulse,ICP),持续时间约为250 ms的初始连续电流阶段,与引雷导线熔断相关的初始电流变化(initial current variation, ICV)过程,叠加在初始连续电流之上的初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse, ICCP)以及初始连续电流结束后的回击(return stroke,RS)过程和M分量过程。

      图  2  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电同步观测结果

      Figure 2.  Observations of the triggered lightning at 100601 UTC 17 Jul 2019

    • 初始电流脉冲的形成表明在触发闪电试验中上行正先导开始自持发展,Fan等[20]对人工触发闪电中与初始电流脉冲相对应的初始磁场脉冲进行了分析,发现这些磁场脉冲是由产生在引雷导线头部(此时导线发展至200 m左右)的初始电流脉冲沿引雷导线向下传播时辐射产生,且两者的波形存在相似性。从波形看,初始磁场脉冲包括脉冲型脉冲和波纹型脉冲两类(图 3b图 2所示个例中的这两类脉冲),根据Rakov[26]给出的先导通道参数(R=18 kΩ/m,L=2.3 μH/m,C=7 pF/m)可以推断,由于高阻抗先导通道的不断发展,通道的低通滤波效应使得脉冲型脉冲会向波纹型脉冲转化。在以往的电磁场和电流测量中,波纹型脉冲之后往往伴随持续时间约几毫秒至十几毫秒的相对平静期,这也造成了上行正先导在这一阶段发展特征的不确定性。

      图  3  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电最初始阶段及相对平静期同步观测结果

      Figure 3.  Observations of the very initial stage and signal quiet period of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

      得益于所用磁场天线的高灵敏探测能力以及磁场带宽的拓展,在广州从化人工触发闪电试验的近距离磁场测量中首次解析得到相对平静期的磁场信号,同步观测结果如图 4所示,除近距离磁场(图 4b)外,其他通道信号均无明显脉冲过程。选取图 4b中脉冲较易识别的时间段(1.02925~1.03 s),统计得到单个脉冲的宽度约为1 μs,脉冲间隔约为14 μs,与图 3b中1.265 s附近观测到的初始磁场脉冲相比(8个脉冲型脉冲的平均脉冲宽度和脉冲间隔分别为4.9 μs和27.5 μs),平静期内的磁场脉冲尺度更小,脉冲更加密集。观测结果表明:上行先导在该过程中以小尺度的频繁击穿向上发展,与Sun等[27]和Zhang等[28]在平静期内观测到较强的甚高频辐射的观测事实相吻合。分析认为,在波纹型脉冲之后,由于高阻抗先导通道继续延伸,与上行正先导相伴随的负电荷不能像在钢丝通道中一样低阻抗转移到地面,使得先导头部的电势不再等效为地面零电势,此时的通道发展高度远未接近云内电荷区域,其与周围环境电势差变小,因此,上行正先导的发展条件变差,只能通过小尺度的击穿继续向上发展。

      图  4  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电相对平静期观测结果细节展示

      Figure 4.  Zoomed view of the signal quiet period of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    • ICV是人工触发闪电初始连续电流阶段中特有的过程,与引雷导线熔断和闪电通道重建过程相关[17]图 5图 2中ICV过程的放大结果。在图 5a中,初始连续电流幅值逐渐增大,达到一定值后钢丝被熔断,即闪电对地泄放电流的通道出现暂态截止,电流波形表现出迅速减小的趋势,之后闪电通道重建,通道底部电流表现出较为复杂的变化形式。由于初始连续电流的频段主要集中在6 kHz以下[21],对比图 1给出的磁场天线频率响应曲线可知,初始连续电流向下传播时产生的磁场信号为dB/dt信号,因此, 在图 5b的近距离的磁场测量中,磁场信号波形与通道底部电流波形不再具有相似性,而是表现出极大的差异。由于近距离磁场测量中观测到的dB/dt信号随着传播距离的增加不断衰减,在图 5c的远距离磁场测量结果中,低频的磁场信号扰动非常弱,整体表现为非常丰富的磁场脉冲簇,称为爆发式磁场脉冲。Lu等[23]指出,对于爆发式脉冲,单个脉冲的时间尺度典型值为3~8 μs,脉冲之间的间隔大约为30 μs,与自然闪电中正先导的观测结果类似[29],即爆发式脉冲与上行正先导的梯级传输相关。受限于快天线的灵敏度较低,在整个ICV过程中图 5d的近距离快电场信号仅能大致反映电场的整体变化,不能解析其中包含的较弱放电过程。

      图  5  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电初始连续电流阶段同步观测结果

      Figure 5.  Observations of the initial continuous current stage of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

      观测结果(图 5c)表明,当爆发式脉冲产生时其距离首个初始脉冲的时间约为7 ms,取上行正先导在初始阶段的二维平均发展速度1.0×105 m·s-1[30],可知爆发式脉冲产生时其先导通道约为几百米,结合此时通道底部呈现出的低频电流波形可以推断,在爆发式脉冲产生阶段,上行正先导电流脉冲沿着高阻抗先导通道传播时受到严重衰减,使其脉冲特性无法在通道底部电流中保留,而图 5c中爆发式脉冲实际是由上行正先导在通道头部的击穿产生,同步的磁场数据和高速摄像观测数据也证明了这一点[24]。在以往的观测中,爆发式脉冲仅能在远距离(1 km左右)的磁场天线中被观测到,在引雷试验场地的近距离观测中并不明显,分析认为存在两方面的原因:一是在近距离观测中,磁场传感器相对于先导通道头部的仰角太大,导致天线接收到的先导击穿产生的磁场分量很小;二是以往观测所用的传感器工作频段主要为低频段,对击穿过程的磁场辐射信号不敏感。同样得益于磁场带宽的拓展,目前在广州从化人工触发闪电试验中所用传感器对于爆发式脉冲的响应更加灵敏,近距离磁场信号中也能观测到与远距离磁场信号对应的脉冲。图 6a图 6b分别给出了近、远距离的磁场脉冲的对比结果,可以发现,两个距离上记录到的爆发式脉冲一一对应,只不过近距离上的磁场脉冲叠加在缓慢变化的dB/dt信号之上,而这些dB/dt信号由于随距离衰减,并未体现在远距离磁场测量结果中。对图 6b中的远距离磁场测量中的爆发式脉冲进行波形分析,选择大于测量噪声幅值(0.1 nT)2倍的信号进行脉冲识别,发现爆发式脉冲之间的间隔大约为24.5 μs,明显大于平静期脉冲的平均间隔14 μs。由图 5a可知,在爆发式脉冲产生期间通道底部电流开始明显增大,表明先导头部的电荷供应逐渐增多,与相对平静期相比,这个阶段对于上行先导的发展其电场条件更为有利,即上行先导无需通过小尺度的频繁击穿发展。

      图  6  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电的爆发式磁场脉冲观测结果对比

      Figure 6.  Comparison of the magnetic pulse burst of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 7 2019

    • ICCP是叠加在人工触发闪电初始连续电流之上的脉冲放电过程,一般发生在初始连续电流后期。ICCP与持续上行正先导始发的时间差通常为几十到几百毫秒,因此,可以判定其发生时上行正先导已经发展至雷暴云高度。已有研究表明,人工触发闪电中的ICCP和M分量对应的物理过程是一致的[11-12],由于图 2所示的个例中包含一次M分量过程,本文中将同时结合该M分量的同步观测结果进行分析。图 7a~图 7d图 2中1.226 s附近的ICCP放大结果,图 7e~图 7h图 2中1.284 s附近的M分量放大结果。在ICCP和M分量产生阶段,正先导通道已经发展至云内,此时云内的反冲先导过程成为了初始连续电流阶段闪电放电的一般形式[31-33]。由图 7a~图 7d可知,在通道底部电流变化前,高灵敏磁场天线能记录到ICCP产生初期的云内击穿过程,这些过程对应云内反冲先导放电过程的辐射磁场。当这些云内放电过程产生的电流信号通过正先导通道向下传播至通道底部的雷电流测量设备时,测量设备记录到如图 7a所示的ICCP完整电流波形,同时在近距离磁场测量中呈现出如图 7b所示的缓慢磁场变化,这些磁场信号是由电流信号沿先导通道向下传播时辐射产生,此外,在缓慢变化的磁场信号上还叠加与云内放电相关且幅值较小的磁场脉冲。由于快天线灵敏度相对磁场天线较小,图 7d未能呈现出与反冲先导过程相对应的快电场变化。图 7e~图 7h给出的M分量同步测量结果与ICCP非常相似。高灵敏磁场的观测结果非常直观地呈现出ICCP和M分量的完整电荷传输过程,即电荷由云内的击穿放电过程始发,之后随通道向下传播至地面,从而形成图 7a图 7e所示的电流波形,而且在电流的形成过程中云内的击穿放电仍不断持续。

      图  7  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电的ICCP和M分量同步观测结果

      Figure 7.  Observations of ICCP and M-component of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

      与ICV过程中的不同距离处的磁场测量结果类似,如图 7c图 7g给出的远距离磁场测量结果并未体现出图 7b图 7f中近距离磁场测量中的缓慢磁场变化,但两个距离上的磁场测量结果一致地反映出云内反冲先导放电过程的磁场波形。在针对云内放电的快电场观测中,Krider等[34]最早发现了一类波形规则的脉冲簇,与闪电继后回击前出现的不规则脉冲簇不同[35],规则脉冲簇与云内的反冲先导相关。将图 7磁场结果放大,可以发现在ICCP和M分量期间均存在规则磁场脉冲,结果如图 8所示,其中图 8a图 8b为近、远距离ICCP测量放大结果,图 8c图 8d为近、远距离M分量测量放大结果。由于不同位置的磁场传感器接收到的磁场信号存在传播距离和方向的差异,因此,规则脉冲在近、远距离测量中的幅值和极性也存在显著差异。统计表明,ICCP和M分量期间的规则脉冲平均脉冲间隔分别为3.5 μs和3.2 μs,平均脉冲宽度分别为1.2 μs和1.4 μs,两者保持了很好的一致性;对比入云之前的先导脉冲过程,规则脉冲更加密集,时间间隔小1个量级。造成这两类脉冲的时间间隔明显差异的原因,可能在于正极性击穿和反冲先导负极性击穿本身的特征差异,需要结合甚高频定位结果进行深入分析。

      图  8  2019年7月7日10:06:01一次人工触发闪电的规则磁场脉冲同步观测结果

      Figure 8.  Observations of regular magnetic pulses of the triggered lightning at 100601 UTC 7 Jul 2019

    • 上行先导在人工触发闪电初始电流阶段的发展特征一直是雷电研究中的基础性问题。本文利用在中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验中获取的同步数据,包括通道底部电流、快电场变化和不同距离处的高灵敏度宽频段磁场信号,针对人工触发闪电试验初始连续电流过程开展了研究,主要结论如下:

      1) 得益于磁场天线的高灵敏探测能力以及磁场带宽的拓展,在触发闪电的整个持续过程中均能观测到丰富的磁场脉冲信号,首次解析出了相对平静期内的磁场脉冲,单个脉冲的平均宽度约为1 μs,平均脉冲间隔约为14 μs,对应了该阶段中上行先导的小尺度击穿发展形式。

      2) 在初始连续电流阶段,近、远距离磁场测量中均观测到与先导通道头部击穿放电相关的爆发式磁场脉冲,其平均脉冲间隔(24.5 μs)约为平静期脉冲的2倍,同步的通道底部电流逐步增大到几十至上百安培,表明此时的电场条件更加有利于上行先导的发展,其中近距离测量到的爆发式脉冲叠加在缓慢变化的dB/dt信号上,这些低频信号随距离衰减,并未体现在远距离磁场测量中。

      3) 高灵敏磁场观测结果能非常直观地呈现ICCP和M分量的完整电荷传输过程,即电荷由云内的击穿放电过程始发,之后随通道向下传播至地面,从而形成ICCP和M分量的电流波形,其中ICCP和M分量的云内击穿放电过程在磁场测量中表现为平均脉冲间隔约为几微秒的规则脉冲,其时间尺度相比在电荷区外发展的先导过程小1个量级。

      本研究中,关于初始连续电流阶段不同类型脉冲对应的物理机制还缺乏足够认识,在无精确甚高频定位结果的情况下只能进行一些推测。其中,对于与上行先导自持发展相对应的初始脉冲,其产生机制已通过模拟证实是由先导电流脉冲沿钢丝向下传播时辐射产生,而爆发式脉冲也可认定为由先导头部的击穿辐射产生。不过在发展机理方面,上行先导在电荷区外的发展过程是否为单纯的正极性击穿还不能判断,如果仅为正极性击穿,那么规则脉冲和其他脉冲在脉冲间隔方面的差异是否体现了正极性击穿和反冲先导负极性击穿的特征差异,这些问题有待后续工作中结合高精度的定位结果进行分析。

参考文献 (35)

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