全文HTML
--> --> -->对于自然下行负先导, 一般无法直接测量得到其电流、电荷量等关键参量[12], 对应的电磁场参量探测, 也由于距离的随机性变化而存在不确定性. 高塔闪电或人工引雷由于位置固定, 便于开展综合观测[13-16]. 不过, 已报道的绝大多数高塔闪电或人工引雷, 都是负极性的, 目前国际上对上行正地闪的报道与研究还比较有限[17-19]. 对其中初始阶段的上行负先导的研究, 通常基于通道底部电流以及电磁场的少量观测数据得到[20,21]. Miki等[22]曾在日本一座高塔上观测到自然上行正地闪, 基于所获得的电流和空间分辨率相对粗糙的光学观测数据, 得到上行负先导的梯级发展的二维速度1.6 × 106 m/s、梯级步长62 m、梯级间隔13.3 μs和梯级转移电荷量0.013 C等参数. Pu等[23]利用2017年在山东触发的两次正极性人工引雷综合观测数据, 得到了相对精细的上行负先导初始阶段梯级和分叉特征, 先导二维局部速度范围为0—4.46 × 105 m/s, 均值为2.10 × 105 m/s, 初始阶段电流脉冲间隔、半峰宽度、峰值电流和T10%—90%上升时间均值分别为19.1 μs, 1.8 μs, 122.3 A和0.6 μs, 单位梯级长度转移电荷量均值73.5 μC/m.
由于云层的遮挡, 对自然下行负先导在初始阶段的形成与发展这一重要问题的认识还相对模糊. 正极性人工引雷当中的上行负先导, 可以为研究负先导的初始特征提供比较重要的观测依据, 并可能为揭示负先导的起始过程提供启示, 因此, 对其研究有重要意义. 近年来, 山东人工引发雷电综合观测实验, 在引发正极性闪电方面进行了积极探索, 分别于2015年、2019年成功引发正闪2次和10次, 本文利用获取的高分辨率综合观测数据, 对不同雷暴(电场)正极性引发闪电的基本特征差异及上行负先导初始阶段的梯级与分叉过程进行研究, 获得负先导梯级传输的详细物理参量, 研究揭示了负先导通道伴随梯级过程存在两种分叉方式, 直接分叉行为对应的电流波形具有多峰结构, 峰值时间差的典型值为2—3 μs.
火箭发射场设有两个火箭发射平台, 传统人工引雷平台主要关注雷电物理过程特征和放电机理(详见Qie等[27], Jiang等[28]和Sun等[25]), 信号塔雷击测试平台着重开展雷电防护应用研究. 本文研究个例主要由传统引雷平台获得, 雷电电流经引流杆往下、流经5和0.5 mΩ的同轴分流器后由良好的接地系统泄放至大地, 同轴分流器的探测带宽为0—3.2 MHz, 设置不同的电流探测量程为 ± 2和 ± 40 kA, 对个别个例, 还获得200 A量程的精细信号. 电流信号由具有高压隔离功能的光纤传输系统传至控制室内, 由高速示波器DL850以20 MS/s采样率进行触发记录, 记录时间为2 s. 在距离传统火箭发射架30和60 m处均架设有3 dB带宽为2和1 MHz的快慢天线, 采样率为5 MS/s, 时间常数分别为0.1 ms和0.3 s. 引雷发射控制室距离传统火箭发射架80 m, 安装了采集数据的电脑和示波器等仪器设备, 室顶架设了带宽为2—800 kHz的磁天线, 采样率为10 MS/s. Campbell公司生产的大气电场仪(CS110)用于记录雷暴过程中的大气平均电场, 并为确定引雷火箭发射时机提供判断依据.
距离火箭发射场地970 m处的主观测点, 也架设了快慢天线、磁天线、大气电场仪等设备, 并设置与火箭发射场设备不同的增益. 此外, 在二层观测室, 安装了多台Vision Research公司生产的高速摄像系统对雷电的发展过程进行高时间分辨拍摄, 包括Phantom M310, V711和V1612等. 在本文分析中, 使用了V711和V1612相机获得的光学图像, 其中, V711相机的拍摄帧速为14000幅/秒, 分辨率为1280 × 720像素, 单帧图像曝光时间为20 μs; V1612相机的拍摄帧速为90000幅/秒, 分辨率为256 × 512 像素, 单帧图像曝光时间为4 μs. 上述的电磁场、光学等观测设备, 都通过高精度GPS进行时间同步, 时间精度为25 ns. 在本文中, 大气电场的极性采用大气电学定义, 即云中正电荷占主导时, 地面电场为正, 相应的, 云中负电荷被中和(如负回击)将导致正向电场变化.
3.1.人工引发正极性闪电基本特征
表1给出了2015年和2019年当地面电场为正极性的条件下引发的12次闪电及其上行负先导从导线顶端向上传输的基本特征. 除1901以外, 其他所有正极性闪电均不包含继后先导-回击过程, 而仅包含平均强度在几百安培量级的初始连续电流, 当初始连续电流截止后, 整个正极性引发闪电的放电过程也相应结束. 比较遗憾的是, 2019年7月6日的引雷实验, 由于所引发的闪电1901未沿着引流杆泄放电流, 而击中并损毁了信号传输装置, 导致电流传感器所测信号无法传输和记录, 因此当天的电流资料缺失. 根据地面电场变化资料和光学资料分析, 发现闪电1901实际上是一次双极性人工引雷过程, 首先在正极性大气电场条件下, 始发上行负先导并导致相应的初始连续电流, 持续时间约290 ms, 之后在332 ms内产生9次负极性的脉冲放电, 放电强度和上升沿陡度与通常的继后回击过程相当. 此外, 需要说明的是, 闪电1910对应地面传统平台的空中触发方式, 引雷时导线底端距离地面286 m, 下行正先导接地时将产生一个“小回击”过程, 其与一般由云内起始的先导接地后诱发的回击并不相同; 而1904和1905则对应信号塔平台的空中触发方式[29], 引雷时导线底端与信号塔顶的距离在10 m左右, 二者之间会发生一次由不同极性先导连接所导致的脉冲放电, 但相应的电流及电磁辐射强度均较弱, 不视为回击过程.| 日期 | 编号 | 引雷时的地面 大气电场强度 /(kV·m–1) | 平台/ 触发 方式* | 上行负先导 始发高度 /m | 先导主通道 二维平均速度 /(105 m·s–1) | 闪电持 续时间 /ms | 闪电转移 电荷总量 /C | 闪电电 流峰值 /A | 平均电 流强度 /A |
| 2015/07/24 | 1501 | 4.31 | 1/传统 | 356 | 2.10 | 86 | 16.1 | 443 | 169 |
| 2015/07/30 | 1503 | 3.83 | 1/传统 | 453 | — | 76 | 19.7 | 983 | 258 |
| 2019/07/06 | 1901 | 4.42 | 1/传统 | 257 | 2.44 | 622 | — | — | — |
| 1902 | 4.81 | 1/传统 | 425 | 1.62 | 288 | — | — | — | |
| 1903 | 4.96 | 1/传统 | 473 | 1.45 | 355 | — | — | — | |
| 1904 | 10.37 | 2/空中 | — | — | — | — | — | — | |
| 1905 | 13.18 | 2/空中 | 668 | — | 148 | — | — | — | |
| 2019/07/14 | 1906 | 7.46 | 1/传统 | — | — | — | — | — | — |
| 2019/07/29 | 1907 | 5.64 | 1/传统 | 339 | 2.01 | 208 | 121.4 | 1613 | 569 |
| 1908 | 5.37 | 1/传统 | 399 | 1.50 | 166 | 84.9 | 1187 | 503 | |
| 1909 | 5.12 | 1/传统 | 555 | 2.10 | 210 | 68.4 | 883 | 320 | |
| 2019/08/07 | 1910 | 5.38 | 1/空中 | > 536 | — | — | — | — | — |
| *注: 表中平台指火箭发射平台, 1代表地面传统平台, 2代表信号塔平台; 传统触发指引雷导线良好接地的方式, 引雷时导线顶端始发单向的上行先导; 空中触发指引雷导线不接地的方式, 导线底部距地面几十米, 引雷时始发双向先导, 上端向雷暴云发展, 下端向地面发展. | |||||||||
表1正极性人工引发闪电放电及先导发展的基本特征
Table1.The general characteristics of the positive triggered lightning discharge and the associated leader propagation.
从表1中可以看到, 引发正极性闪电所需的地面大气电场强度相对较高, 平均达到约5 kV/m, 最高超过13 kV/m, 这比一般的负极性人工引雷所需的地面大气电场强度更高, 通常, 当地面大气电场强度为–2—–4 kV/m时, 即可引发负极性闪电, 甚至在–1 kV/m量级时也有成功个例. 正极性引雷需要较高的大气电场强度, 可能与负先导击穿空气所需的电场阈值比正先导更高有关系[30]. 根据Bazelyan和Raizer[31], 维持负极性流光发展的电场强度是正极性流光的大约2倍, 而强发光的热电离先导, 是由弱电离的冷流光发展而成.
图1给出了2019年7月29日开展引雷实验对应的天气雷达回波演变和地面大气电场强度演变, 其中“＋”代表引雷点的位置. 当日雷暴系统在引雷点西侧200 km外形成, 主体由西南(偏西)向东北(偏东)发展; 发展过程中, 随着旧单体的消散和新单体的不断生成, 整个雷暴系统逐渐完成组织化增强, 于17:00左右发展成为成熟的飑线系统. 系统前部对流区于18:10左右开始影响引雷场地, 活跃发生的近距离闪电放电事件导致电磁场传感器频繁触发, 地面大气电场快速波动, 一直未能累积至较大量值; 18:45之后, 系统的强对流回波主体开始移出测站, 引雷场地处于雷暴系统的前部强对流区向后部层状云区的过渡区域, 测站电磁场传感器测量的闪电活动频数逐渐下降, 闪电放电发生前地面大气电场达到4—6 kV/m, 引雷时机比较成熟. 分别于18:54, 18:56和18:59发射火箭, 以地面平台传统方式成功引发三次闪电, 引发时地面大气电场强度分别为5.64, 5.37和5.12 kV/m. 之后, 雷暴系统整体继续偏东发展, 离开测站.
图 1 2019年7月29日雷暴过程雷达回波及地面大气电场随时间的演变Figure1. The evolution of radar echo and atmospheric electric field during the thunderstorm on July 29, 2019.
图2给出了闪电1909的通道底部电流、60 m处快电场变化和970 m处磁场变化的同步波形. 该次闪电的持续时间为210 ms, 起始时间定义为上行负先导从引雷导线顶端起始时刻(对应于图中的0时刻), 先导向上传输产生正极性的初始连续电流, 结束时间定义为放电电流衰减为零、通道熄灭的时刻. 图2中, 0时刻之前, 电场变化和磁场变化均呈现一定的脉冲特征, 这是由火箭拉升引雷导线上升的过程中, 顶端在强电场作用下“尝试”建立先导通道的先驱脉冲放电所导致的. 先导于0时刻起始并自持向上传输后, 通道底部测量到的放电电流持续增强, 于28 ms时达到峰值强度883 A. 在此过程中, 测量到的电磁场变化强度和脉冲密集程度最大, 这一方面表明相应的上行负先导发展活跃、放电和辐射较强; 另一方面, 这也与此时先导与电磁场传感器的距离相对较小有关, 随着先导发展, 探测距离增大, 信号的传输衰减也会相应增大. 在此之后, 通道底部测量到的闪电放电电流波形表现出两个次峰过程, 可能与先导发展到云体后, 延伸至不同的电荷聚集区域或强电场区域有关. 此外, 在电流下降至零值后, 电磁场变化波形中仍出现一些零散分布的弱脉冲, 这可能与发生于云内的零星击穿有关, 由于此时所引发闪电的对地放电过程已经结束(电流为零), 其接地电流理论上已经截止, 所以可以认为这些击穿并不贡献于所引发闪电的对地放电过程.
图 2 人工引发闪电1909的通道底部电流(L1), 60米处地面电场变化(L2)以及970处磁场变化(L3)同步波形Figure2. Synchronous channel base current, electric field change at distance of 60 m, and magnetic field change at distance 970 m, for the triggered lightning 1909.
2
3.2.上行负先导初始阶段的发展传输特征
图3(a)给出了V711高速相机拍摄的闪电1901其中一帧图像, 图中下方笔直的发光部分为引雷导线通道, 较强的发光亮度是因引雷导线被电流加热熔化/气化所致, 该笔直通道的顶部距离地面的高度即本次引雷的触发高度, 亦即自持发展的上行负先导的起始高度, 为257 m. 其上方弯曲、分叉的部分对应上行负先导击穿空气建立的自然放电通道, 其中较粗的一支为上行先导发展和闪电放电的主通道. 从表1中可以看到, 正极性引雷的触发高度总体上相对较高, 对于具有光学图像记录的11次个例, 超过半数(6次)的触发高度在400 m以上, 最高大于600 m. 一般而言, 金属导线拉伸的长度越长, 导致的电场畸变将越大, 正极性引雷具有相对较高的触发高度, 与前面提到的负先导始发需要较高的电场强度阈值是一致的. 不过, 表1中也可以看到, 引雷的触发高度, 与地面大气电场并没有明显的正相关或负相关关系.
图 3 (a) V711高速相机拍摄的闪电1901其中一帧图像; (b) 2019年6次上行负先导发展二维局部速度随高度的演变, 其中, 各闪电的第一个数据点所对应高度表示先导从引雷导线顶端起始时的高度. 注: 图中黑色点出现高度重叠特征, 是因为闪电1908的上行先导在510—540 m高度范围内转为横向水平发展, 并出现通道头部调转向下发展的情况Figure3. (a) A still image of the triggered lightning 1901, as captured by the V711 high-speed camera; (b) evolution of the two-dimensional partial speeds of 6 upward negative leaders. The first points of the curves in the figure indicate the initiating heights of the associated upward negative leaders. Note that the overlapping characteristics of the black curve at the 500–540 m height are due to the leader’s horizontal and even downward propagation there.
图3(b)给出了基于高速摄像机V711捕获的闪电通道动态发展图像, 估算的六次人工引发正极性闪电上行负先导主通道的二维局部速度随高度的变化. 图3(b)中一并标出了各次引雷时地面大气电场强度. 从图3(b)中可以看到, 单个上行先导在高速摄像视野内发展的过程中, 局部速度的变化、波动幅度是较大的, 呈现出比较明显的来回震荡特点. 例如: 闪电1901的上行负先导二维局部速度最小值和最大值分别为1.11 × 105和4.19 × 105 m/s, 而对于闪电1907, 相应值分别为1.32 × 105和4.03 × 105 m/s. 先导主通道的连续帧光学图像显示, 主通道二维速度在某一帧加速发展后, 下一帧的速度可能会明显变小, 甚至可能因为其他分叉的影响, 降至接近于零. 对于这六次闪电的上行负先导的主通道二维速度, 1901, 1902和1907整体上呈现随高度的微弱增加趋势, 而另外三次闪电上行先导的速度则未表现出随高度的明显增减趋势. 对六次闪电先导的二维局部速度所有样本求平均值, 结果为1.85 × 105 m/s, 由于闪电1901的先导速度相对较大, 剔除它之后, 其他五次闪电先导的局部速度平均值为1.74 × 105 m/s. 本文中人工引雷上行负先导二维发展速度结果, 比已有研究中自然闪电的负极性梯级先导发展速度略小但量级相当[32-35].
总体上, 人工引发正极性闪电中上行负先导的发展速度, 比引发负极性闪电中上行正先导的发展速度大. Biagi等[8]观测得到一次引雷上行正先导在初始100 m高度内以相对恒定的5.6 × 104 m/s速度传输; 王彩霞等[15]计算得到上行正先导在340到705 m高度间的平均发展速度为9.8 × 104 m/s; Jiang等[28]给出上行正先导在130到730 m高度间的平均速度为1.0 × 105 m/s; 最近, Jiang等[36]的分析亦得到上行正先导1.0 × 105 m/s的发展速度. 实际上, 研究发现, 击穿空气的自然正先导, 速度多在104 m/s量级[32]. Wu等[37]对553次云闪和220次地闪的正先导进行辐射源定位, 得到绝大多数样本的速度在1 × 104—3 × 104 m/s范围内. 上述对比得到的正负先导传输速度差异: 一方面与不同极性先导发展传输所需的电场强度不同有关系(如前所述); 另一方面, 也受到先导发展的微观物理机制所影响, 负先导头部聚集负电子而正先导头部则聚集正离子, 二者的质量差别导致迁移速率差别[30], 进一步导致先导发展速度的差异.
2
3.3.上行负先导的梯级与分叉特征
由于发生迅速, 自然负先导的梯级发展特征一般难以被光学手段很好的拍摄下来, 山东引雷实验设置的V1612, 尽管以11.1 μs时间分辨率尚不能详尽地刻画负先导的精细特征, 但还是得到了在已有研究中并不多见、具有启示意义的先导发展图像. 图4给出了闪电1901上行负先导发展过程中连续6帧图像. 一般认为, 真实先导通道的宽度在几到十几厘米量级[38,39], 由于像素分辨及光散色等因素的影响, 光学图像中的通道宽度实际上要明显大于真实先导通道, 因此, 我们在图中添加了线条进行更好的标识, 其中, 蓝色实线表示已有通道, 红色实线段表示当前最新发展的梯级通道, 红色虚线段表示先导在下一帧图像中将发展形成的梯级通道. 图4中, 第二、第六帧显示了先导在各自的前一帧完成梯级跳跃之后的停顿、间歇, 相应的, 先导主通道及头部的光强较前一帧明显减弱. 在第二帧中, 减弱暗淡的主先导头部前方, 出现了两个发光段, 其发光强度较先导通道明显偏低但可以从背景光强中分辨出来, 在反色图中用1和2标记. 二者与先导的主通道之间存在光亮度更弱的间隙, 因此, 它们属于先导头部前方的空间茎/空间先导(注: 这里对空间茎/空间先导不做严格区分). 从图4的第三帧中可以看到, 新发生的梯级是指向了空间茎/空间先导1的方向, 表明它与原先导头部发生了连接, 从而导致了相应的梯级过程. 而空间茎/空间先导2则未能完成连接, 且发生熄灭. Jiang等[11]曾指出, 负先导梯级过程中, 先导头部前方可出现成簇的空间茎/空间先导, 这是先导发生分叉的根源. 不过, 如图4第二帧所示, 空间茎/空间先导的发展有强有弱, 它们的后向端往主通道发展亦有先有后, 因此, 当某一空间茎/空间先导率先与主通道发生连接, 则环境电场将瞬间发生改变, 原本先导头部周围的强电场发生骤降, 这使得其他的空间茎/空间先导失去发展条件或能量, 导致熄灭, 类似于图4第二帧的空间茎/空间先导2.
图 4 引发正极性闪电的上行负先导连续6帧光学图像, 时间分辨率为11.1 μs. 注: 上图为原始图像, 下图为反色显示Figure4. Six consecutive optical images of the upward negative leader in rocket-triggered positive lightning flash, with a temporal resolution of 11.1 μs. Note that the top panel gives the original images, and the bottom panel gives the reverse color version of the images.
图5给出了同一次上行负先导过程的另外连续十帧图像, 其第九帧, 也记录到发生于同一先导头部前方的两个空间茎/空间先导6和7, 与前面例子不同的是, 在其下一帧中, 这两个空间茎/空间先导均与原先导头部发生了连接, 从而导致先导的分叉. 两次个例的不同, 表明成簇出现的空间茎/空间先导之间的“竞争”性发展, 可能会导致差异性的先导发展行为, 当空间茎/空间先导之间“竞争”的优、劣势区别显著, 则优势的空间茎/空间先导将主导完成接下来的梯级发展过程, 以单通道方式延伸. 当“竞争”相对均势, 即不同指向的空间茎/空间先导强度相当, 它们几乎同时与主通道的头部发生连接, 则会使得先导于相应梯级过程后形成分叉.
图 5 引发正极性闪电的上行负先导连续10帧光学图像(反色), 时间分辨率为11.1 μsFigure5. Ten consecutive optical images (reverse color) of upward negative leader in rocket-triggered positive lightning flash, with a temporal resolution of 11.1 μs.
上述分析的空间茎/空间先导均发生于先导通道的头部前方, 进一步分析可以看到, 图4第三帧的空间茎/空间先导3、以及图5第二帧(第四帧、第七帧重复出现)的空间茎/空间先导4则出现在已经延伸的先导通道的侧向. 在Qi等[10]和Jiang等[11]的研究中, 均发现先导通道侧向的空间茎/空间先导与通道之间发生连接, 是先导头部随梯级过程发生直接分叉以外的另一种通道分叉方式. 从图5可以看到, 空间茎/空间先导4实际上是第一帧到第二帧发生梯级过程时, 未能成功完成连接的其中一个空间茎/空间先导. 在第三帧、第五到第六帧, 其发光强度无法从图像的背景光强中分辨出来, 表明其经历了明显的减弱过程. 而第四帧、第七帧, 空间茎/空间先导发生了在减弱甚至熄灭之后的多次重燃(重新在光学频段中可探测、活跃增强), 并且, 相应发光段发生了延伸, 发光强度也变强. 不过, 其最终未能与先导通道完成连接, 因此没有导致通道沿着其位置分叉和后续发展. 相较而言, 图5中标示的D, 则实现了空间茎/空间先导重燃后与主通道连接形成侧向的分叉通道, 其重燃发生在第九至第十帧之间.
图6给出了闪电1901, 1907和1908的上行负先导各自在距离地面257—421 m, 339—518 m和399—513 m的发展过程中, 光学图像记录到梯级步长分布图, 所对应样本是根据图像可以分辨并确认为单次梯级过程的全部样本, 共计132个. 统计得到, 梯级步长的最小值为0.8 m, 最大为8.7 m, 算数平均值为3.9 m, 几何平均值为3.6 m. 该结果相较于近年来通过直观的高速摄像图像得到的结果略微偏小, 但总体上保持基本一致. Hill等[9]利用300 kfps的高速相机获得自然下行负先导82次梯级样本的平均步长为5.2 m. Jiang等[11]根据180 kfps分辨率的高速摄像图像得到96次样本的梯级步长在1.3—8.6 m范围, 算数平均值为4.6 m, 几何平均值4.4 m. 最近, Qi等[40]设置525 kfps的高帧率拍摄, 捕捉到先导主通道的33次梯级过程, 平均梯级长度为5.6 m.
图 6 闪电1901, 1907和1908中的上行负先导共132次梯级过程的步长分布图Figure6. The step length distribution diagram of a total of 132 steps in the upward negative leaders of lightning flashes 1901, 1907, and 1908.
如上所述, 近年来通过高速相机拍摄所揭示的先导梯级步长, 实际上都比早期通过条纹相机或光纤阵列等设备探测得到的梯级步长偏小, 例如: 最早Schonland等[5]给出的梯级步长达10—200 m, Berger[6]所获结果的梯级步长上限也达到十几米, 而Chen等[41]利用光纤阵列系统ALPS探测到两次负梯级先导, 梯级步长分别在7.9—19.8 m范围和约8.5 m. 随着研究的推进, 负先导梯级步长的这种“减小趋势”, 可能与研究手段的差异存在一定关系, 实际上, 条纹相机或光纤阵列等探测设备可能会缺测某些发光强度较弱的梯级过程, 从而漏掉相对较小的梯级样本. 而高速光学设备, 在近距离观测时, 则更好的记录了接近真实下限的梯级步长. 当然, 包括本文及上述回顾的结果, 最小梯级步长都对应于所记录光学图像的1个像素, 因此仍存在高估下限的可能, 未来, 随着光学探测的空间分辨率进一步精细化, 或许会发现负先导更短、更小的梯级过程.
图7和图8分别给出了闪电1907和1908上行负先导初始阶段的同步电流、电场变化、磁场变化及通道发展图像. 该阶段中, 负先导的通道分叉相对较少, 且背景电流较弱, 梯级过程与电流、电磁场脉冲信号的对应关系比较明确, 因此可以较为客观地计算单次梯级过程的相关物理参量, 这是自然闪电观测难以实现的. 需要说明的是, 两次先导电流波形的最初几个脉冲, 表现出一定的特殊性, 即先呈相反极性, 之后又出现阻尼震荡波形, 目前尚不清楚这是由于接地阻抗不匹配所导致还是由于物理过程本身所导致, 因此暂不对其进行详细分析.
图 7 (a) 闪电1907上行负先导初始阶段的电流、电场变化、磁场变化和通道光强演变; (b) 高速相机拍摄的通道发展图像(逐帧时间间隔为11.11 μs). 注: 图(a)和图(b)中1—27代表相机帧数Figure7. (a) The synchronous channel base current, electric field change, magnetic field change and channel luminosity, for the upward negative leader in the triggered lightning flash 1907; (b) the channel evolution of the leader, as captured by the high speed video camera with temporal resolution of 11.11 μs. Note: 1–27 in Figure (a) and Figure (b) represent the number of camera frames.
图 8 (a) 闪电1908上行负先导初始阶段的电流、电场变化、磁场变化和通道光强演变; (b) 高速相机拍摄的通道发展图像(逐帧时间间隔为11.11 μs). 注: 图(a)和图(b)中1—27代表相机帧数Figure8. (a) The synchronous channel base current, electric field change, magnetic field change and channel luminosity, for the upward negative leader in the triggered lightning flash 1908; (b) the channel evolution of the leader, as captured by the high speed video camera with temporal resolution of 11.11 μs. Note: 1–27 in Figure (a) and Figure (b) represent the number of camera frames.
从图7和图8所标示的P脉冲和光学图像对比可以看到, 伴随先导的梯级过程, 电流和电磁场表现出显著的脉冲特征, 且随着先导在梯级完成后的停顿、减弱, 电流也逐渐减小到接近于零. 由于电流信号的时间分辨率优于光学测量, 可以看到脉冲之间的时间间隔大多在15—20 μs范围, 且由于该阶段内先导尚未形成多个分叉, 不存在多个通道上同时或交替出现梯级过程的情况, 因此, 15—20 μs可以认为是比较典型的单次梯级发展演化周期. 图7中还可以看到, 随着先导的发展及其击穿空气所形成的通道逐渐增长, 通道底部记录到的背景电流(脉冲结束后的电流强度, 亦即下一次脉冲开始前的电流强度)逐渐增大, 与此同时, 相应的“脉冲”特征则逐渐变得不那么显著. Lu等[42]曾将特征存在差异的两类脉冲分别命名为“脉冲型”脉冲和“波纹型”脉冲, 之后, 樊艳峰等[43]和Fan等[44]对它们的电流波形参数进行了统计并做了模拟, 认为先导通道具备一定长度后, 由于通道相对高阻抗的特点, 将影响对先导头部梯级过程所产生脉冲信号的探测.
表2具体给出了闪电1907和1908上行负先导在图7和图8所展示初始阶段中梯级过程的脉冲电流和通道发展特征参量. 为了使结果具有较好的代表性, 所选的样本为“脉冲型”脉冲. 如表2中所列, 17次梯级过程对应的电流脉冲间隔范围为10.3—24.4 μs、脉冲峰值电流范围为43—130 A、脉冲转移电荷量233—681 μC、半峰值宽度0.4—6.3 μs、电流从10%峰值上升到90%峰值的上升时间T10%—90%在0.1—2.4 μs, 这些电流波形参量的算数平均值分别为17.9 μs, 81 A, 364 μC, 3.1 μs和0.9 μs. 根据先导梯级的通道延伸长度和脉冲电流的积分电荷量, 可以计算单次梯级过程的等效线电荷密度, 范围在49.9—196.8 μC/m, 算数平均值为118.5 μC/m.
| 闪电号 | 1907 | 1908 | ||||||||||||||||
| 脉冲序列号 | P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | P6 | P1 | P2 | P3 | P14 | P5 | P6 | P7 | P8 | P9 | P10 | P11 | |
| 脉冲间隔/μs | — | — | 18.9 | 18.1 | 24.4 | 20.2 | — | 17.7 | 17.7 | 17.4 | 11.4 | 10.3 | 22.7 | 21.6 | 17.5 | 15.3 | 17.6 | |
| 峰值电流/A | 93 | 113 | 130 | 106 | 96 | 106 | 110 | 93 | 90 | 66 | 53 | 50 | 43 | 46 | 60 | 63 | 63 | |
| 脉冲电荷量/μC | 324 | 396 | 441 | 681 | 470 | 553 | 373 | 359 | 327 | 233 | 240 | 249 | 327 | 241 | 316 | 307 | 352 | |
| 半峰值宽度/μs | 2.5 | 2.2 | 1.9 | 6.3 | 4.6 | 4.9 | 1.5 | 2.2 | 2.2 | 2.3 | 4.6 | 3.2 | 0.4 | 3.3 | 3.8 | 3.6 | 4.1 | |
| T10%—90%/μs | 0.9 | 0.6 | 0.9 | 0.9 | 2.4 | 2.4 | 0.1 | 0.6 | 0.4 | 0.6 | 1.8 | 1.1 | 1.0 | 1.2 | 0.5 | 0.9 | 0.6 | |
| 梯级长度/m | 2.4 | 3.4 | 2.3 | 3.9 | 4.5 | 2.8 | 2.3 | 5.5 | 2.3 | 4.6 | 2.3 | 2.2 | 2.8 | 4.5 | 2.4 | 4.4 | 3.2 | |
| 梯级的等效线电荷密度/(μC·m–1) | 131.5 | 113.7 | 188.5 | 174.7 | 103.3 | 196.8 | 159.5 | 65 | 139.9 | 49.9 | 102.9 | 112.8 | 116.7 | 53 | 128 | 69.8 | 109.5 | |
表2闪电1907和1908上行负先导初始阶段梯级过程的脉冲电流和通道发展特征参量
Table2.The parameters of impulsive current waveform and the channel evolution during initial stepwise development of the upward negative leaders in triggered lightning flashes 1907 and 1908.
近年来的研究已经表明, 先导头部的流光系统及其发展形成的成簇空间茎, 是负先导发生分叉的根源[11,46]. 多个空间茎/空间先导在同一个梯级周期中同时发展, 并都实现与先导头部的连接, 是负先导发生分叉的最主要方式. 由于不同指向的空间茎/空间先导之间存在天然的竞争性, 优势发展、率先完成连接的空间茎/空间先导往往支配了它们发展所需的主要能量, 并瞬时、动态地改变着环境的电场分布等条件. 因此, 不同空间茎/空间先导的“均势发展”对于先导通道的直接分叉行为而言, 是非常关键的条件之一. 相应地, 它们各自与先导头部之间的连接理应发生在比较短的时间差以内, 否则, 如前文分析所述, 弱势空间茎/空间先导可能会难以维持而熄灭. 目前, 不管是在自然闪电观测中, 还是在实验室长间隙放电实验的观测中, 光学观测手段都难以实现足够高时间分辨率的精细成像, 无法分辨多个空间茎/空间先导同时发展以及它们与先导头部先后发生连接的细节. 所以, 对这一问题的探讨需要借助于电流、电磁场的探测结果. 在图7和图8中可以看到, 闪电1907的P4, P5和P6脉冲, 以及闪电1908的P5, P12和P13脉冲对应的先导梯级, 都发生了分叉. 这些脉冲的共同特点是它们均具有双峰特征, 峰值点之间的时间间隔一定程度上可以表征不同空间茎/空间先导连接至先导头部的时间差. 分析发现, 闪电1907的P4, P5, P6脉冲双峰时间间隔分别为2.85, 2.10和2.25 μs, 闪电1908的P5, P12, P13脉冲双峰时间间隔分别为2.15, 4.30和6.45 μs. 可以推测, 先导在同一梯级周期内, 因不同空间茎/空间先导先后与先导头部实现连接而发生分叉, 所允许的时间差上限可达6—7 μs, 并多处于2—3 μs范围, 在相应时间差内, 不同空间茎尽管存在非均势发展, 但弱势的空间茎没有被熄灭, 这可能与其中流光系统的自持发展条件有关. 当然, 目前所给出这些量值的样本数还非常有限, 未来需要更多的观测予以进一步确认. 此外, 从图8还可以看到, 脉冲P7出现了双峰, 但光学图像中难以辨认其对应的梯级过程是否引起了通道分叉, 假如该过程为单通道发展, 则脉冲的双峰结构可能是由于同一方向上前后形成的空间茎/空间先导导致了两次连接过程, 实际上, 前面提到, 空间先导、pilot、空间茎在先导头部前方可组成相对复杂的多层级结构.
一些弱势发展的空间茎/空间先导可以在熄灭之后又发生重燃, 这是负先导通道发生分叉的另一种方式. Qi等[10]和Jiang等[11]都观测到了单次重燃后, 空间茎/空间先导与通道发生连接的现象, 而本文观测则发现, 减弱熄灭的空间茎/空间先导可以发生多次重燃, 而且重燃后其空间尺度变长. 不过, 本文中图5的空间茎/空间先导尽管发生了重燃, 但并未能与通道实现连接, 而是最终再次熄灭. 总体上, 不管是单次重燃还是多次重燃, 相应的物理机制、驱动条件仍然不是十分清楚. 此外, 一些其他研究还表明, 当负先导头部已经发展较远之后, 一些熄灭的分叉通道也可能被再次点亮, 这些过程被命名为“spark”或“transient”[47,48], 它们与空间茎/空间先导的“熄灭-重燃”的现象学特点具有一定的相似性, 但二者是否具有类似的物理机制, 也还是未知, 值得在今后开展更为精细的观测或模拟予以澄清.
除其中一次闪电的放电过程发生了从正极性向负极性的反转并出现多次负极性回击以外, 其他11次引发闪电均没有产生继后回击, 其正极性的初始连续电流强度在几百安培量级, 持续时间最短不足100 ms, 最长超过600 ms. 引发闪电时地面大气电场强度约5 kV/m, 最高超过13 kV/m, 总体触发高度在400 m左右, 闪电触发高度与地面大气电场强度无明显的相关关系.
对具有光学探测资料的其中6次闪电的上行负先导进行分析, 得到其二维平均发展速度为1.85 × 105 m/s, 在光学图像视野内, 先导的二维发展速度随高度没有明显的变化趋势. 上行负先导以梯级方式发展传输, 对从光学图像中可分辨的132次梯级过程统计分析得到其梯级步长在0.8—8.7 m范围, 算数平均值为3.9 m, 几何平均值为3.6 m. 先导的初始发展阶段中, 单次梯级过程产生显著的“脉冲型”电流和电磁场脉冲, 统计了电流脉冲波形的时间间隔、电流峰值、转移电荷量、半峰值宽度、电流从10%峰值上升到90%峰值的时间等波形参量, 平均值分别为17.9 μs, 81 A, 364 μC, 3.1 μs, 0.9 μs, 根据先导梯级的通道延伸长度和脉冲电流的积分电荷量, 获得单次梯级过程的等效线电荷密度参量, 其范围为49.9—196.8 μC/m, 算数平均值为118.5 μC/m.
高速光学图像记录到了先导发生梯级并导致通道分叉的一些细节特征, 捕捉到梯级间歇过程中, 先导头部前方表现为弱发光段的空间茎/空间先导, 且不同指向的空间茎/空间先导可出现于同一先导头部前方. 分析揭示了负先导通道伴随梯级过程导致分叉的两种方式: 1) 先导头部前方成簇的空间茎/空间先导在同一梯级周期内先后与先导头部发生连接; 2) 之前曾熄灭的空间茎/空间先导发生重燃, 并与先导通道发生侧向连接. 光学和电流同步资料分析表明, 当两个空间先导茎/空间先导在同一梯级周期内与先导头部发生连接进而导致分叉时, 产生了双峰结构的脉冲电流波形, 峰值点之间的时间间隔一定程度上表征了先后完成的两次连接之间的时间差, 多在2—3 μs范围, 最长可达6—7 μs.
感谢山东省气象局、滨州市气象局、沾化区气象局对人工引雷实验的大力支持, 感谢所有参与人工引雷外场综合观测的实验人员.
