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人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

王敬轩 张阳 陈泽方 孙秀斌 樊艳峰 郑栋 范祥鹏 吕伟涛 张义军

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人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

    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(41775009,41775007),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z003)

Relationship Between Current Characteristics of Rocket-triggered Lightning During Different Discharge Stages

    Corresponding author: Zhang Yang, zhangyang@cma.gov.cn
  • 摘要: 分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91 μC。
  • 图 1  人工触发闪电通道底部电流波形及局部放大波形

    (a)电流的整体波形,(b)单个放大显示的先驱放电脉冲,(c)放大显示的起始先驱放电脉冲,(d)放大显示的初始连续电流,(e)单个回击放大波形

    Fig.1  Channel-base current of triggered lightning and the amplified waveform

    (a)the whole current waveform, (b)a precursor current pulse for a single amplified display, (c)the initial precursor current pulse for the amplified display, (d)the initial continuous current for the amplified display, (e)a return stroke (RS) for the amplified display

    图 2  地面静电场的电场强度与PCP阶段总时间关系

    Fig.2  Relationship between electric field intensity of ground electrostatic field and total time of PCP stage

    图 3  ICC持续时间与回击平均峰值电流(a)、首次继后回击峰值电流(b)、回击平均转移电荷量(c)和首次继后回击转移电荷量(d)关系

    Fig.3  ICC duration versus average peak current of RSs(a), peak current of first subsequent RS(b), average transfer charge of RSs(c) and transfer charge of first subsequent RS(d)

    图 4  ICC总体转移电荷量与回击平均峰值电流(a)、首次继后回击峰值电流(b)、回击平均转移电荷量(c)和首次继后回击转移电荷量(d)关系

    Fig.4  Relationship between the total transfer charge of ICC and the average peak current of RSs(a), the peak current of the first subsequent RS(b), the average charge transfer of RSs(c), and the charge transfer of the first subsequent RS(d)

    图 5  PCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量(a)和回击平均峰值电流(b)以及IPCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量(c)和回击平均峰值电流(d)关系

    Fig.5  Relationship between the average peak current of PCP and the transfer charge of the first subsequent RS(a), average peak current of RSs(b), and relationship between the average peak current of IPCP and transfer charge of the first subsequent RS(c), average peak current of RSs(d)

    图 6  PCP平均峰值电流(a)、PCP平均转移电荷量(b)、IPCP平均峰值电流(c)和IPCP平均转移电荷量(d)与ICC持续时间关系

    Fig.6  Relationships between the duration of ICC with the average peak current of PCP(a), the average charge transfer of PCP(b), the average peak current of IPCP(c) and the average charge transfer of IPCP(d)

    图 7  编号630的人工触发闪电的初始阶段电流波形(a)和PCP脉冲转移电荷量(b)分布

    Fig.7  Current waveform(a) and charge transfer distribution of current pulse(b) in initial stage of sample No.630

    表 1  2019年6—7月14次人工触发闪电底部电流数据基本特征

    Table 1.  Basic characteristics of 14 rocket-triggered lightning bottom current data from Jun to Jul in 2019

    日期 闪电编号 触发方式 闪电极性 回击次数
    06-05 900 传统 2
    06-05 780 传统 12
    06-06 053 传统 3
    06-06 41 传统 5
    06-06 05 传统 1
    06-11 66 传统 8
    06-11 570 传统 7
    06-04 370 传统 0
    06-05 190 传统 0
    07-22 630 传统 0
    07-22 110 传统 0
    07-22 140 传统 0
    07-23 120 传统 0
    07-23 860 传统 0
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    表 2  总体电流特征统计表

    Table 2.  Overall current characteristics

    统计参量 几何平均值 最大值 最小值
    PCP峰值电流/A 10.831 68.374 4.774
    PCP转移电荷量/μC 11.029 82.257 0.074
    PCP半峰宽/μs 0.649 0.773 0.528
    PCP上升沿时间(10%~90%)/μs 0.487 3.000 0.100
    IPCP峰值电流/A 17.179 70.085 5.718
    IPCP转移电荷量/μC 37.479 87.367 5.303
    IPCP半峰宽/μs 1.036 1.467 0.656
    IPCP上升沿时间(10%~90%)/μs 0.733 2.600 0.100
    ICC平均电流/A 36.147 161.258 2.349
    ICC总体转移电荷量/C 3.667 60.074 0.003
    ICC持续时间/ms 101.437 561.916 1.163
    RS峰值电流/kA 12.292 36.449 3.341
    RS转移电荷量/C 0.796 5.318 0.163
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    表 3  两类触发闪电PCP, IPCP和ICC参数

    Table 3.  Parameters of PCP, IPCP and ICC duration for with or without triggered lightning

    统计参量 有回击(几何平均) 无回击(几何平均)
    PCP平均峰值电流/A 15.59 9.05
    PCP总体转移电荷量/μC 1127.08 1649.02
    IPCP平均峰值电流/A 23.12 12.13
    IPCP总体转移电荷量/μC 381.96 262.59
    ICC平均电流/A 89.06 12.62
    ICC总体转移电荷量/C 25.70 0.38
    ICC持续时间/ms 288.61 29.95
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    表 4  初始长、短、极短连续电流的触发闪电对应的PCP和IPCP主要参数

    Table 4.  PCP and IPCP parameters corresponding to triggered lightning with initial long, short, very short continuous current

    统计参量 初始长连续电流 初始短连续电流 初始极短连续电流
    PCP平均峰值电流/A 22.07 12.94 8.45
    PCP平均转移电荷量/μC 22.87 18.47 12.47
    PCP总体转移电荷量/μC 1109.65 1734.82 1712.78
    IPCP平均峰值电流/A 27.52 16.79 11.17
    IPCP平均转移电荷量/μC 49.02 40.50 33.55
    IPCP总体转移电荷量/μC 446.81 128.07 285.76
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 修回日期:  2020-12-18
  • 刊出日期:  2020-03-31

人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

  • 1. 成都信息工程大学, 成都 610225
  • 2. 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
  • 3. 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(41775009,41775007),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z003)

摘要: 分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91 μC。

English Abstract

    • 闪电具有高电压、大电流和强电磁辐射等特点,容易造成人员伤亡、油库爆炸、森林火灾和电子设备损坏等问题[1-4]。但由于闪电发生的随机性和瞬时性,对其发生发展的物理过程、致灾机制等的研究还不充分。人工触发闪电具有发生位置可控、发生时间可预知并能够获得直测电流的优点,已成为闪电物理过程和闪电防护机理研究的一种重要手段。

      触发闪电的先导回击过程最早被关注,1967年Newman等[5]在船上完成第1次人工触发闪电并拍摄到闪电先导回击通道。1975年Fieux等[6]在陆地上完成第1次人工触发闪电,并统计了20次触发闪电回击数据,其中11次回击大于2 kA,最大回击19 kA。2007年吕伟涛等[7]基于高速摄像数据,对空中触发闪电和经典触发闪电开展研究,发现经典触发闪电的上行正先导起始速度快于空中触发闪电,但空中触发闪电的触发高度更高。同年,张其林等[8]对触发闪电进行研究,发现经典触发闪电与自然闪电继后回击的回击电流峰值电流基本一致,而空中触发闪电回击峰值电流略小于自然闪电。2008年Yang等[9]基于自主研发的磁场测量系统的观测,反演的3例触发闪电回击电流分别为39.8 kA,29.1 kA和43 kA,接近直接测量的结果。2014年Sun等[10]用短基线甚高频定位系统对触发闪电放电辐射源进行定位,提高了重建闪电通道的能力。2013年Zhang等[11]研究近距离触发闪电回击在自动气象站的架空电源线和垂直信号线上的感应电流,并观测了浪涌保护设备中的残余电压。同年,Jiang等[12]通过对触发闪电回击后的M过程进行研究,提出了一种基于Rakov“两波”理论的改进模型。

      人工触发闪电初始阶段由Hubert等[13]在1984年提出,但由于技术限制并未得到详细的数据。直到1999年,Wang等[14]获得了人工触发闪电初始阶段数据,发现初始阶段持续时间、转移电荷量和初始阶段平均电流的几何平均值分别是279 ms,27 C和96 A。近10年,随着探测能力的提高,对初始阶段的观测越来越多[15-18]

      目前,长期持续开展人工触发闪电试验的国家和研究团队包括中国气象科学研究院(2006—2019年)、中国科学院大气物理研究所(2005—2019年)和佛罗里达国际雷电测试中心等,对触发闪电的基本过程以及各个部分的研究已经较丰富,Qie等[19]详细总结了中国的大气电学研究。但对先驱放电阶段研究报道仍较少,而先驱放电阶段、初始阶段和回击之间的关系非常密切,这些过程之间相关性研究也鲜见报道[20]

      本文基于2019年广州人工触发闪电数据,分析了产生回击和未产生回击以及初始连续电流长短不同的触发闪电的不同放电阶段电流特征,并研究了其相关性和差异性。

    • 14次人工触发闪电通道底部电流数据来自2019年夏季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的雷电综合观测试验。14次触发闪电均为负极性经典触发,其中7次触发成功并伴有回击,7次未产生回击,触发闪电基本信息见表 1

      表 1  2019年6—7月14次人工触发闪电底部电流数据基本特征

      Table 1.  Basic characteristics of 14 rocket-triggered lightning bottom current data from Jun to Jul in 2019

      日期 闪电编号 触发方式 闪电极性 回击次数
      06-05 900 传统 2
      06-05 780 传统 12
      06-06 053 传统 3
      06-06 41 传统 5
      06-06 05 传统 1
      06-11 66 传统 8
      06-11 570 传统 7
      06-04 370 传统 0
      06-05 190 传统 0
      07-22 630 传统 0
      07-22 110 传统 0
      07-22 140 传统 0
      07-23 120 传统 0
      07-23 860 传统 0

      触发闪电全过程放电电流通过引流杆连接的同轴分流器(阻值为1 mΩ,带宽为200 MHz)进行测量。为了满足不同强度、大动态范围放电电流的测量需要,在同轴分流器上分别连接2个量程不同的高压隔离数字化仪,其中大量程数字化仪测量范围±50 kA,小量程数字化仪测量范围±2 kA[21-24]。其中更详细的触发闪电电流测量信息可参见文献[21]。

      图 1为一次人工触发闪电通道底部电流波形以及局部放大波形,一次完整的人工触发闪电电流可分为4部分(图 1a):①上行先导稳定连续传输之前的电流脉冲(0.57 s前),称为先驱放电脉冲(precursor current pulse,PCP),单个先驱放电脉冲如图 1b所示;②上行先导开始连续传输,产生连续电流脉冲形成脉冲簇,称为起始先驱放电脉冲(initial precursor current pulse,IPCP),放大波形如图 1c所示;③随着上行先导向上发展到云并连续传输,将产生持续且缓慢变化的连续性电流,称为初始连续电流(initial continuous current,ICC),放大波形如图 1d所示;④闪电回击(return stroke,RS)以及伴随的击间过程,图 1e是一次回击的完整波形。

      图  1  人工触发闪电通道底部电流波形及局部放大波形

      Figure 1.  Channel-base current of triggered lightning and the amplified waveform

    • 分阶段统计触发闪电全过程通道底部电流特征,使用的统计参量定义如下:峰值电流,在PCP和IPCP中为每个脉冲的峰值电流,在RS中为每个回击的峰值电流;转移电荷量,在PCP和IPCP中为每个脉冲的转移电荷量,在RS中为每个回击的转移电荷量;总体转移电荷量,在PCP和IPCP中为一次触发闪电底部电流所有PCP或IPCP脉冲转移电荷量的总和,在ICC中为从ICC开始到ICC结束之间的转移电荷量,在RS中为一次触发闪电底部电流中的所有回击脉冲的转移电荷量的总和;半峰宽,在PCP和IPCP中为每个脉冲上升沿和下降沿中值点间的距离;上升沿时间(10%~90%),在PCP和IPCP和RS中为每个脉冲上升沿中从峰值的10%到峰值的90%的值之间的距离;持续时间,在ICC中为从ICC起始到ICC结束之间的时间;平均电流,在ICC中为形成ICC的算术平均值。

      表 2是14次人工触发闪电通道底部电流数据的总体统计结果。PCP峰值电流、转移电荷量、半峰宽、上升沿时间(10%~90%)的几何平均值分别为10.831 A,11.029 μC,0.649 μs和0.487 μs。IPCP阶段上述参数几何平均值分别为17.179 A,37.479 μC,1.036 μs和0.733 μs。半峰宽和上升沿时间(10%~90%)与张阳等[25]和Jiang等[26]得出的数据基本一致,但峰值电流和转移电荷量存在差异,本文获得的PCP,IPCP的峰值电流和转移电荷量的几何平均值较小,这可能是因为张阳等[25]只分析了一次人工触发闪电个例,而Jiang等[26]的分析对象为山东人工触发闪电,与广州天气条件存在较大差异。

      表 2  总体电流特征统计表

      Table 2.  Overall current characteristics

      统计参量 几何平均值 最大值 最小值
      PCP峰值电流/A 10.831 68.374 4.774
      PCP转移电荷量/μC 11.029 82.257 0.074
      PCP半峰宽/μs 0.649 0.773 0.528
      PCP上升沿时间(10%~90%)/μs 0.487 3.000 0.100
      IPCP峰值电流/A 17.179 70.085 5.718
      IPCP转移电荷量/μC 37.479 87.367 5.303
      IPCP半峰宽/μs 1.036 1.467 0.656
      IPCP上升沿时间(10%~90%)/μs 0.733 2.600 0.100
      ICC平均电流/A 36.147 161.258 2.349
      ICC总体转移电荷量/C 3.667 60.074 0.003
      ICC持续时间/ms 101.437 561.916 1.163
      RS峰值电流/kA 12.292 36.449 3.341
      RS转移电荷量/C 0.796 5.318 0.163

      本文统计结果也显示,ICC平均电流、总体转移电荷量、持续时间的几何平均值分别为36.14 A,3.667 C和101.437 ms。而周方聪[27]分析10次触发闪电,得出ICC平均电流、转移电荷量、持续时间的几何平均值分别为192 A,57.2 C和298 ms。本文中ICC相关数据均偏小,这可能与本文个例ICC持续时间偏短有关。本文ICC持续时间最小值为1.163 ms,而周方聪[27]的ICC持续时间最小值为39 ms。

      对回击的分析表明:回击的峰值电流和转移电荷量的几何平均值为12.292 kA和0.796 C。赵阳等[28]对人工触发闪电回击进行分析,统计发现回击峰值电流和回击1 ms内转移电荷量的几何平均值分别为14.6 kA和1.2 C。Zheng等[29]对人工触发闪电回击分析得到回击峰值电流和回击1 ms内转移电荷量几何平均值分别为17.2 kA和1.3 C。本文回击的峰值电流和转移电荷量相比较小,这可能由样本差异造成。本文回击峰值电流和回击转移电荷量最小值分别为3.341 kA和0.163 C,Zheng等[29]得到的上述对应参数分别为3.9 kA和0.2 C,赵阳等[28]的上述对应参数分别为6.6 kA和0.3 C。

      综上所述,本研究统计结果与前人研究既有一致性,也有差异性。在初始阶段放电脉冲(PCP和IPCP)、ICC阶段和RS阶段的差异性,除了上面已分析的原因外,还可能与样本选择有关。其他研究者采用的样本主要是有回击的人工触发闪电数据,而本文14个样本中有7次人工触发闪电无回击的数据,并包含了4个ICC持续时间小于25 ms的样本。因此,结果的差异性可能反应了不同触发闪电的特征差别。下面将进一步分类探究有、无回击的人工触发闪电在初始阶段电流的异同,以及不同持续时间初始阶段的触发闪电的差别。

    • 按照有无形成回击将触发闪电分成两类进行对比,研究二者在初始阶段的差异。表 3列出了两类触发闪电初始阶段的PCP,IPCP和ICC的特征参数。对比发现,产生回击的触发闪电的PCP和IPCP的平均峰值电流、IPCP总体转移电荷量以及ICC平均电流、总体转移电荷量和持续时间均更大,上述参量的几何平均值分别是15.59 A,23.12 A,381.96 μC,89.06 A,25.7 C和288.61 ms,无回击触发闪电上述参数的几何平均值分别是9.05 A,12.13 A,262.59 μC,12.62 A,0.38 C和29.95 ms。同时还发现,在PCP阶段的总体转移电荷量特征不同,相比于有回击触发闪电,无回击触发闪电总体电荷量转移更多,总体电荷量分别是1127.08 μC和1649.02 μC。进一步分析发现, 这是由于无回击触发闪电具备更长的PCP阶段和更密集的PCP脉冲,统计数据显示,有回击触发闪电PCP阶段脉冲平均为59个,平均总持续时间为0.69 s,而无回击触发闪电PCP脉冲平均为129个,平均总持续时间为2.26 s。假设所有个例火箭上升速度相同,那么可认为无回击触发闪电自持发展时火箭上升的高度更高。

      表 3  两类触发闪电PCP, IPCP和ICC参数

      Table 3.  Parameters of PCP, IPCP and ICC duration for with or without triggered lightning

      统计参量 有回击(几何平均) 无回击(几何平均)
      PCP平均峰值电流/A 15.59 9.05
      PCP总体转移电荷量/μC 1127.08 1649.02
      IPCP平均峰值电流/A 23.12 12.13
      IPCP总体转移电荷量/μC 381.96 262.59
      ICC平均电流/A 89.06 12.62
      ICC总体转移电荷量/C 25.70 0.38
      ICC持续时间/ms 288.61 29.95

      对火箭发射时的地面静电场的电场强度分析发现,无回击触发闪电发射火箭时地面静电场的电场的几何平均值为2019.85 V·m-1,有回击触发闪电发射火箭时地面静电场的电场强度的几何平均值为2092.63 V·m-1,两者无明显区别。进一步给出发射火箭时地面静电场的电场强度与PCP阶段总时间(第1个PCP峰值出现时间到最后1个PCP峰值出现时间的时间,反映火箭上升高度)的关系(图 2)。由图 2可见,当地面电场小于3000 V·m-1时(或排除地面电场大于3000 V· m-1的个例),随着电场的增强,PCP阶段总时间有减小的趋势,这是因为背景电场较小的情况下,只有上升到较高的高度才能达到自持发展的阈值条件。但从整体(包含地面电场大于3000 V·m-1的个例)看,地面电场与PCP阶段总时间不存在上述关系,这可能是地面电场不能真实反映空中电场所致。

      图  2  地面静电场的电场强度与PCP阶段总时间关系

      Figure 2.  Relationship between electric field intensity of ground electrostatic field and total time of PCP stage

      分析表 3还发现,有回击的触发闪电ICC平均电流、总体转移电荷量、持续时间均大于无回击的触发闪电。

    • 运用线性回归分析中的拟合优度R2F统计值的概率P描述数据的相关性,拟合优度R2表明数据与线性拟合的程度,越接近1拟合效果越好,F统计值是组间与组内的离差平方和与自由度的比值,用来判断整体或一部分数据是否适合估计整体数据,概率P是数据能够代表总体数据的错误概率,如本文设定P=0.05的阈值,表明数据适合估计整体这个判断,错误的概率是5%,当P < 0.05时,可以认为两个参数相关显著[30]

      图 3是ICC持续时间分别与回击平均峰值电流、首次继后回击峰值电流、回击平均转移电荷量和首次继后回击转移电荷量的关系,同时进行线性回归分析,得到上述4个参量的拟合优度R2F统计值的概率P分别为R2=0.96和P=0.0001,R2=0.84和P=0.003,R2=0.002和P=0.91,R2=0.75和P=0.01。结果表明:产生回击的数据中ICC持续时间与回击平均峰值电流和首次继后回击峰值电流、首次继后回击转移电荷量具有相关性,其中前两项的相关性非常显著,其拟合优度R2均接近1,且F统计值的概率P均小于0.05,而ICC持续时间与回击平均转移电荷量无显著相关关系。

      图  3  ICC持续时间与回击平均峰值电流(a)、首次继后回击峰值电流(b)、回击平均转移电荷量(c)和首次继后回击转移电荷量(d)关系

      Figure 3.  ICC duration versus average peak current of RSs(a), peak current of first subsequent RS(b), average transfer charge of RSs(c) and transfer charge of first subsequent RS(d)

      图 4为ICC总体转移电荷量与回击平均峰值电流、首次继后回击峰值电流、回击平均转移电荷量和首次继后回击转移电荷量的关系,同时进行线性回归分析。结果表明:ICC总体转移电荷量与回击平均峰值电流、首次继后回击峰值电流、回击平均转移电荷量以及首次继后回击转移电荷量的线性拟合优度R2分别是0.61,0.5,0.001和0.31,F统计值的概率P分别是0.037,0.072,0.94和0.19,其中ICC总体转移电荷量与回击平均峰值电流相关显著,其拟合优度R2>0.5且F统计值的概率P < 0.05;ICC总体转移电荷量和首次继后回击转移电荷量有较弱的线性相关性,其R2=0.5且P=0.072。ICC总体转移电荷量与回击平均转移电荷量和首次继后回击转移电荷量则无显著相关性。

      图  4  ICC总体转移电荷量与回击平均峰值电流(a)、首次继后回击峰值电流(b)、回击平均转移电荷量(c)和首次继后回击转移电荷量(d)关系

      Figure 4.  Relationship between the total transfer charge of ICC and the average peak current of RSs(a), the peak current of the first subsequent RS(b), the average charge transfer of RSs(c), and the charge transfer of the first subsequent RS(d)

      类似,分析了ICC平均电流与回击平均峰值电流、首次继后回击峰值电流、回击平均转移电荷量和首次继后回击转移电荷量的关系。线性回归分析表明,它们无明显相关性,可认为ICC平均电流大小对人工触发闪电是否产生回击无明显影响。

      由此可见,触发闪电的初始连续电流过程的持续时间和转移电荷量与回击特征具有一定的相关性,特别是初始连续电流ICC持续时间与回击平均峰值电流以及首次继后回击峰值电流显著相关。考虑到ICC阶段主要对应上行正先导发展到云内不断延伸发展的过程,而ICC持续时间和通道延展尺度关系密切,因此,认为通道尺度和回击的强度具有一定的相关性。

    • 图 5为PCP和IPCP平均峰值电流与回击平均峰值电流及首次继后回击转移电荷量关系,得到PCP及IPCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量和回击平均峰值电流的拟合优度R2分别为0.4,0.57,0.56和0.5,F统计值的概率P分别为0.13,0.051,0.052和0.07。PCP平均峰值电流与回击平均峰值电流、IPCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量和回击平均峰值电流拟合优度R2均大于0.5,但F统计值的概率P均大于0.05,所以它们之间有较弱的相关性。PCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量基本无相关性。

      图  5  PCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量(a)和回击平均峰值电流(b)以及IPCP平均峰值电流与首次继后回击转移电荷量(c)和回击平均峰值电流(d)关系

      Figure 5.  Relationship between the average peak current of PCP and the transfer charge of the first subsequent RS(a), average peak current of RSs(b), and relationship between the average peak current of IPCP and transfer charge of the first subsequent RS(c), average peak current of RSs(d)

      对PCP,IPCP平均转移电荷量分别和首次继后回击转移电荷量与回击平均峰值电流关系,进行线性回归发现,PCP和IPCP平均转移电荷量与首次继后回击转移电荷量拟合优度R2分别为0.09和0.11,F统计值的概率P分别为0.5和0.46;与回击平均峰值电流拟合优度R2分别为0.23和0.02,F统计值的概率P分别为0.27和0.74。上述结果R2均远离1,同时P均大于0.05,因此,认为PCP和IPCP平均转移电荷量与首次继后回击转移电荷量以及回击平均峰值电流基本无相关性。

    • ICC过程的前序阶段主要是IPCP放电过程和PCP放电过程,ICC阶段能否产生以及该放电过程持续时间长短应该受到PCP及IPCP的影响。本节分析不同持续时间ICC过程触发闪电对应的PCP以及IPCP特点。按照自然闪电回击后连续电流的分类方式,将ICC按照持续时间长短分为3类,其中持续时间超过200 ms的为初始长连续电流(initial long continuous current,ILCC),持续时间在100~200 ms的为初始短连续电流(initial short continuous current,ISCC),持续时间小于100 ms的为初始极短连续电流(initial very short continuous current,IVSCC)。本研究中初始长连续电流的触发闪电有7次,初始短连续电流的触发闪电2次,其余5次为初始极短连续电流。

      表 4为3类触发闪电对应的PCP和IPCP电流特征。可以看到,3种不同时间初始连续电流的触发闪电在PCP平均峰值电流、IPCP平均峰值电流、PCP平均转移电荷量和IPCP平均转移电荷量这4方面存在差异。初始长连续电流对应触发闪电的PCP平均峰值电流、IPCP平均峰值电流、PCP平均转移电荷量和IPCP平均转移电荷量分别为22.07 A,27.52 A,22.87 μC和49.02 μC;初始短连续电流的触发闪电对应参数分别为12.94 A,16.79 A,18.47 μC和40.50 μC;初始极短连续电流的触发闪电对应参数分别为8.45 A,11.17 A,12.47 μC和33.55 μC。表明初始连续电流持续时间越长的闪电,其对应的PCP及IPCP平均峰值电流也越大。然而,不同ICC持续时间闪电对应的PCP及IPCP在总的转移电荷量规律不同,初始长连续电流的触发闪电有最少的PCP总体转移电荷量和最大的IPCP总体转移电荷量,但短和极短的初始连续电流在PCP总体转移电荷量上处于同一水平,IPCP总体转移电荷量反而是极短的初始连续电流大于短的初始连续电流,这可能是因为PCP和IPCP总体转移电荷量对初始连续电流持续时间的影响较弱。

      表 4  初始长、短、极短连续电流的触发闪电对应的PCP和IPCP主要参数

      Table 4.  PCP and IPCP parameters corresponding to triggered lightning with initial long, short, very short continuous current

      统计参量 初始长连续电流 初始短连续电流 初始极短连续电流
      PCP平均峰值电流/A 22.07 12.94 8.45
      PCP平均转移电荷量/μC 22.87 18.47 12.47
      PCP总体转移电荷量/μC 1109.65 1734.82 1712.78
      IPCP平均峰值电流/A 27.52 16.79 11.17
      IPCP平均转移电荷量/μC 49.02 40.50 33.55
      IPCP总体转移电荷量/μC 446.81 128.07 285.76

      图 6是3类不同持续时间初始连续电流触发闪电的PCP平均峰值电流、PCP平均转移电荷量、IPCP平均电流峰值和IPCP平均转移电荷量与ICC持续时间关系图。线性回归分析表明,PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间拟合的拟合优度R2分别为0.81和0.78,F统计值的概率P均为0;PCP和IPCP平均转移电荷量和ICC持续时间拟合的拟合优度R2分别为0.67和0.42,F统计值的概率P分别为0.0003和0.01。4个参量的F统计值的概率P均小于0.05,进一步分析拟合优度R2发现,PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,PCP和IPCP平均转移电荷量与ICC持续时间相关性相对较弱。个例检验结果也说明了上述规律,引雷编号05的ICC持续时间最长,为561.91 ms,其PCP平均峰值电流为35.73 A (最大)、IPCP平均峰值电流为45.15 A(最大)、PCP平均转移电荷量为35.73 μC(最大)、IPCP平均转移电荷量为52.77 μC。PCP和IPCP平均峰值电流和ICC持续时间长短关系非常紧密,这可能是因为PCP和IPCP平均峰值电流和空中电场强度直接相关,而空中电场强度则是雷暴中电荷分布及密度的直接反应,从而影响ICC放电过程持续时间。

      图  6  PCP平均峰值电流(a)、PCP平均转移电荷量(b)、IPCP平均峰值电流(c)和IPCP平均转移电荷量(d)与ICC持续时间关系

      Figure 6.  Relationships between the duration of ICC with the average peak current of PCP(a), the average charge transfer of PCP(b), the average peak current of IPCP(c) and the average charge transfer of IPCP(d)

      分析PCP和IPCP总体转移电荷量与ICC持续时间的关系发现,PCP和IPCP总体转移电荷量与ICC持续时间拟合的拟合优度R2F统计值的概率P分别为R2=0.21,P=0.1和R2=0.17,P=0.14,发现PCP和IPCP总体转移电荷量拟合优度R2均远小于1且P均大于0.05,所以,PCP和IPCP总体转移电荷量和ICC的持续时间关系不大。因此,影响ICC持续放电时间的主要因素是初始先驱放电的强度。

    • 图 7是编号为630的人工触发闪电初始阶段电流波形(图 7a)及先驱放电脉冲的分布(图 7b)图。随着火箭升高,由未自持发展的上行正先导(正负先导由测量到的电流以及传输方向确定)产生的先驱放电脉冲变得密集,转移电荷量逐渐增大,且发展到一定程度,出现脉冲簇,此时转移电荷量增加的更为显著(见A,B处)。虽然出现了脉冲簇,但此后并未形成稳定连续的初始连续电流,为了方便说明,将像图 7b中A,B处未能引出初始连续电流的脉冲簇称为PCP脉冲簇[31]。随着火箭继续升高,在B处后重新开始了PCP至IPCP的过程,到达C点后,伴随着脉冲簇(初始先驱脉冲IPCP)的出现上行正先导开始连续发展,而其后有稳定连续的初始连续电流。电荷量增加是由于火箭快速升空过程中随着高度增加尖端放电增强,导线中的电流转移电荷量也会逐渐变大。分析其他13次人工触发闪电通道底部电流的数据,也发现相似的发展规律。

      图  7  编号630的人工触发闪电的初始阶段电流波形(a)和PCP脉冲转移电荷量(b)分布

      Figure 7.  Current waveform(a) and charge transfer distribution of current pulse(b) in initial stage of sample No.630

      计算14次触发闪电例子中存在的PCP脉冲簇和IPCP的平均转移电荷量平均值、最大值和最小值,其中PCP脉冲簇的平均转移电荷量为11.97~25.35 μC,IPCP平均转移电荷量大于25.91 μC。PCP脉冲簇和IPCP的平均转移电荷量平均值分别为20.3 μC和43.43 μC。可以看到,平均转移电荷量对于PCP脉冲簇能否成为IPCP有明显的影响,可将25.91 μC作为标准,平均转移电荷量大于25.91 μC的PCP脉冲簇有极大可能成为IPCP,即能产生并维持上行正先导连续发展。

    • 基于2019年夏季中国气象局雷电野外科学试验基地从化人工引雷试验场观测的14次人工触发闪电通道底部电流数据,统计分析了触发闪电电流全过程特征,同时对比有无回击触发闪电的全过程电流的相关性和差异性,以及不同持续时间初始连续电流触发闪电全过程电流的相关性和差异性,结论如下:

      1) 产生回击和未产生回击的触发闪电,其对应的始发过程电流特征差异明显,其中产生回击的触发闪电具有更大的PCP及IPCP的平均峰值电流,更大的IPCP总体转移电荷量,更大的ICC平均电流、总体转移电荷量和持续时间,而无回击触发闪电具备更长的PCP阶段和更多的PCP脉冲。

      2) 初始连续电流ICC持续时间与回击平均峰值电流、首次继后回击峰值电流和首次继后回击转移电荷量具有显著相关性,是影响回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流的重要影响因素,而ICC平均电流以及总体转移电荷量和回击的相关性不强。

      3) 不同时间初始连续电流的触发闪电其对应的PCP平均峰值电流、IPCP平均峰值电流、PCP平均转移电荷量和IPCP平均转移电荷量存在显著差异,初始长连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更大。其中,PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC持续放电的重要因素,而PCP和IPCP平均转移电荷量与ICC持续时间相关较弱。

      4) PCP的转移电荷量随着火箭高度增加呈增大趋势,且发展到一定程度出现脉冲簇,此时转移电荷量增加显著。但一些PCP脉冲簇不能产生连续发展的上行先导,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇,其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇IPCP, 两者平均值分别为20.3 μC和43.43 μC。PCP脉冲簇成为IPCP的条件之一是平均转移电荷量超过25.91 μC。

参考文献 (31)

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