我国大气电学研究的最新进展

大气电学主要研究地球大气和近地空间发生的电学过程及其机理和影响,其核心研究内容是雷电物理和雷暴电学。自1980年代以来,中国大气电学研究不断取得新的进展,特别是近年来,得益于高时间分辨率雷电探测技术的进步,大气电学研究不仅在雷电物理学和雷暴云电荷结构方面取得了重要成果,也在雷电和雷暴对近地空间的影响、强对流天气的雷电特征、以及雷电资料同化和预警预报等方面取得了重要进展。本文从六个方面对近五年来大气电学的主要研究进展进行回顾,包括高精度雷电探测和定位技术、雷电物理过程和机制、雷暴对中上层大气的影响、雷暴云电荷结构的观测和数值模拟、强对流天气的雷电特征与预报、雷电对气候变化的影响与响应等,最后对大气电学未来发展进行展望。

正极性人工触发闪电的向上负先驱脉冲放电过程研究

利用人工触发正极性闪电的综合同步探测资料,对引雷火箭上升过程中发生于金属导线顶端的向上负先驱脉冲放电过程进行了研究。除常规认识的峰值电流为十几到几十安培的先驱脉冲放电以外,高垂直分辨率电流探测系统记录到丰富的弱脉冲放电过程。所有孤立发生的脉冲放电,均为弱脉冲,且在所有常规强度的先驱脉冲(簇)放电之前约20μs,均识别到这种弱脉冲。对测量到的弱脉冲、脉冲型脉冲和波纹型脉冲进行统计,得到了各自的峰值电流(3.6 A、32.2 A、11.1 A)、上升时间(0.39μs、0.9μs、3.2μs)、持续时间(2.8μs、5.1μs、12.7μs)和转移电荷量(4.7μC、50.8μC、83.2μC)。常规强度的先驱脉冲形成了可探测的发光通道,簇状先驱脉冲的放电通道具有与自持先导初始阶段相一致的梯级发展传输特征,二维平均速度在105 m s^(−1)量级。分析相邻先驱脉冲发光通道的时空关系,发现后一次先驱脉冲放电通道的起始高度一般位于前一次先驱脉冲放电通道的顶端,通道梯级延伸时电荷分布的调整降低了通道区域的电场强度。先驱脉冲放电是金属导线顶端形成了先导但又由于条件不足而熄灭的过程。

基于开放性思维培养的高中英语教学改革模式探究

开放性思维是指学生能够自主提出问题、积极探索知识、提出解决方案的能力。然而,传统的英语教学往往过于侧重于课本知识的灌输,忽略了学生的主动性和创造性。因此,我们迫切需要一种新的教学模式,将开放性思维置于核心地位,培养学生的自主学习和创新潜力.

高中英语教学中融入立德树人教育策略分析

立德树人是我国思想教育的重要内容,也是高中教育教学的重中之重。在落实立德树人的过程中,教学的目标是培养有技能、有知识、有文化的人才。对高中英语教师来说,必须将课本中的德育知识进行充分的挖掘,并有效地在日常教学中对其进行渗透,始终严格要求自己,为学生树立一个良好的榜样。文章对高中英语核心素养发展中德育的实施提出具体措施。

基于人工引雷技术的外浮顶油罐直接雷击过电压试验研究

在山东人工引发闪电实验的基础上,对外浮顶油罐模型的直接雷击过电压开展探测研究。利用2021年7月12日一次引雷实验,测量得到了4次回击过程的通道底部电流和同时刻油罐不同位置的电压,分析结果表明:该闪电包含4次负极性回击,实测电流最大负极性峰值−34.01 kA,10%~90%上升沿时间为0.11~0.19μs。罐顶和浮顶处电压波形的幅值变化范围及随时间波动的趋势基本一致,电压脉冲信号的持续时间均在4μs左右。罐顶和浮顶的电位差波形呈现3个波谷、4个波峰的特征,周期在1μs左右,电位差幅值变化范围为−21.3 kV~+18.8 kV。整体来看,雷电流强度越大,上升时间越短,罐顶与浮盘的电压峰值及二者间电位差峰值越大,振幅越高。以此为基础计算发现,当雷电直接击中油罐,而浮盘与罐体没有可靠连接时,其之间的电位差将引燃罐内油气。最后提出了一些防护建议措施。

山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征

山东人工引发雷电实验(SHATLE)自2005年开始,六年来共成功引发负极性雷电22次,包含大电流回击过程88次,实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明,回击峰值电流的几何平均值为12.1kA,最大值为41.6kA,最小值为4.4kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1～68μs之间,电流10%～90%峰值的上升时间几何平均值为1.9μs,中和电荷量为0.86C,作用积分(actionintegral,或称比能量)为2.6×103A2·s。人工触发闪电峰值电流约16.5kA的回击在30m处产生的电场变化可达56.0kV/m,60m处的磁场几何平均值为52μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105m/s。

新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果

成功研制了一种新型的人工引雷专用火箭,火箭箭体结构采用了新型复合材料,质量轻,并具有空中抛伞和放线功能。利用新型火箭和全新的雷电流及同步电磁场测量技术,在2009年的山东人工引雷实验(SHATLE2009)中成功引发负极性云对地放电过程3次,共包括6次大电流回击过程,采用0.5mΩ的大功率同轴分流器和宽带光纤传输技术测量到了0.1μs时间分辨率的雷电流波形、以及距雷电通道30m、60m和480m处的电磁场和6000f/s的高速摄像观测资料。6次回击的电流峰值分布范围为11.2～16.3kA,几何平均值12.8kA;半峰值宽度为7.4～34.9μs,几何平均值21.6μs;10%～90%峰值的上升时间为0.5～1.4μs,几何平均值1.0μs。成功的人工引发雷电实验证明新型引雷火箭安全性能好、可靠性高,其成功研制为雷电物理过程和效应的研究,以及雷电流波形资料的积累提供了重要的技术手段,对制定具有我国自主知识产权的雷电防护标准等具有重要的应用价值。

人工触发闪电实验中初始电流脉冲辐射磁场的观测与模拟

为了进一步了解人工引雷初始阶段正先导的电磁辐射特征,利用2014年夏季山东人工触发闪电实验中的5次实验数据分析了磁场脉冲序列的特征,并利用基于Heidler函数模拟结果作为输入电流的传输线模式对单个磁场脉冲进行了模拟。磁场脉冲可根据幅值和半峰值宽度的明显差异分成两种类型,即脉冲型脉冲和波纹型脉冲;两类脉冲的脉冲间隔相当,表明其产生机制一致。由于波纹型脉冲对应的电流脉冲在通道底部的电流测量中较难识别,因此本文仅模拟脉冲型脉冲,结果表明其是由先导电流脉冲沿着钢丝通道向下传输时辐射产生;利用模拟结果对不同磁场分量(即感应场与辐射场)的研究发现,在火箭发展高度为152 m的情况下,当观测距离为200 m时感应场与辐射场分量相当,当观测距离<40 m时,感应场对总磁场峰值的贡献超过80%,当观测距离>500 m时,辐射场对总磁场峰值的贡献>80%。

近距离地闪电场变化及对通道电荷密度分布的响应

一般认为,如果回击过程将先导通道的电荷完全中和,则几十米到几百米范围内的近距离先导电场与回击电场的大小相同,否则,二者之间则存在一定的差异。为了对上述观点进行分析,将源电荷先导模式和MTLL回击模式组合建立了先导-回击模式(这两个模式的组合意味着先导通道的电荷被回击完全中和),对近距离先导-回击电场变化的"V"形结构进行了模拟分析。结果表明,即使假定先导电场被回击完全中和,在近距离30—550m范围回击电场与先导电场强弱关系并不确定。另外,根据进一步的讨论,上述模拟结果几乎不受其他因素,如土壤湿度(该因素直接决定土壤电参数)和地形起伏的影响。因此,在回击开始几十微秒内,基于地面测量的先导-回击电场之差来判断先导通道电荷是否被回击完全中和可能存在一定的不确定。

利用低频磁场天线遥感测量人工引雷中的初始连续电流

2014年夏季的山东人工引雷实验中,我们利用高灵敏度宽频段磁场天线在距引雷点78 m的距离上开展了对人工引雷初始连续电流过程的遥感测量。通过分析实验期间5次人工引雷的综合观测数据,发现磁场遥感方法对人工引雷中特有的初始连续电流有很好的反演效果。通过对78 m距离上获得的磁场测量信号进行积分处理,能够有效地抑制测量过程中白噪声的影响,从而反演得到初始连续电流的低噪声时变波形。该方法为获取空中引雷实验中的初始连续电流波形提供了一种解决方案,同时也可用于反演近距离自然闪电中地闪回击中的长连续电流的时变波形。

基于双金属球三维电场探空仪的一次雷暴云内电荷结构观测研究

本文自主研制性能稳定的双金属球三维电场探空仪,并结合气象探空仪等构建了雷暴电场-气象综合探空系统,实现了雷暴云内三维电场及温度、湿度的同步测量.2019年夏季对华北平原地区雷暴开展穿云观测,并结合地面大气电场、雷达回波、变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)反演的动力场等资料进行综合研究,首次给出该地区雷暴云内的电场和电荷结构分布特征.对2019年8月7日发生的一次中尺度对流系统电场探空发现,在雷暴减弱阶段,其弱回波区内存在5个极性交替的电荷区:4.4~5.6 km之间的上部正电荷区(0℃附近)、3.6~4.4 km之间的中部负电荷区和1.0~3.6 km之间的下部正电荷区,此外在1 km下方有一个负极性电荷区,雷暴云顶附近5.7~6.9 km之间为一个弱负极性屏蔽电荷区.其中,中部负电荷区和下部正电荷区由多个不同强度、不同厚度的电荷层构成.此外,电场探空系统在中部负电荷区高度范围内经历的上升—下沉—再次上升的往返探空数据表明,雷暴云内动力环境复杂,电荷结构分布相似但又有所差异,反映了实际雷暴云内电荷分布的时空不均匀性和复杂性.

一次中尺度对流系统层云区域的电场探空观测和电荷结构研究

基于自主获取的双金属球电场探空仪穿云观测数据,结合地面大气电场、天气雷达、闪电定位等综合观测资料,对华北平原地区一次中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)层云区域内的探空电场和电荷结构进行研究。探空系统上升和下降阶段均处于该MCS层云区域中,此时雷暴正处于成熟阶段。完整的上升阶段探空数据表明,该MCS层云区域内存在6个正、负极性交替的电荷区,主正电荷区的高度范围为8.2~9.5 km,对应温度层-20~-14℃;主负电荷区高度范围为7.4~8.2 km(-14~-10℃);紧靠下方为一个薄正电荷区;最上方为一负极性电荷屏蔽区;0℃层附近有一对正、负极性电荷区。探空下降阶段(间隔约1 h)获取的层云区域电荷分布与上升阶段大致对应,但电荷层所处高度以及厚度和电荷密度均有所差异。

一次人工触发闪电中的脉冲特征分析

根据2009年山东人工触发闪电实验(SHATLE),对一次触发闪电的雷电流资料、近距离地面电场和高速摄像资料进行了分析,3种信号随时间的分布曲线具有较好的一致性。统计了3种信号中的所有脉冲信息并分析了这些脉冲的光电特征。该次人工触发闪电共包含31个脉冲,根据脉冲参数特点,将所有脉冲分为4类,并对这4类脉冲的电流、电场和光强参数分别进行了统计,总结了它们的光电特性和变化规律;另对该次闪电的特殊性进行了分析和讨论。

通信基站电力电子设备雷电自主监测和主动防御系统

当前常见浪涌保护器(SPD)的通用做法为,当电气过载时,脉冲电压超过系统最大额定电压值,具有非线性电压-电流(V-I)特性的分流单元会在过电压状态时表现出极小的阻抗,在正常情况下却是极大的阻抗值。该类方法是基于浪涌电流/电压波形参数设计,通过多级协调防护达到最终保护目的。介绍的防御系统则是针对具备UPS备用电源的电力电子设备设计,该系统基于侦测闪电先导发展过程中的连续电流脉冲特征,以微秒动作量级的开关在闪电袭击地面之前实现被保护设备与外界切断,形成“孤岛”而达到防护目的,在1~2 s,即本次闪电过程结束后,再恢复外界电源供电。从而达到极大程度的降低防护设计、器件等与浪涌电流/电压波形参数的关联,此外该系统无需多级防护,可降低当前雷电多级防护设计的难度,从而达到提高防护效果的目的。

雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用

利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF(weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物理过程,建立了双向耦合WRF-Elec模式.利用改进后的WRF-Elec模式,通过敏感性数值实验,定量分析了雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用.结果发现:雷暴云发展旺盛阶段,由于电场力作用,霰、雹粒子质量加权平均降落末速度的瞬时变化极值可以超过4 m/s,但这种情况仅出现在雷暴云内局部区域,并且维持时间较短;电场力对直径小且数浓度较低的霰和雹粒子影响较大,但这种影响不是由单一物理量决定,而是由电场强度和霰、雹粒子的电荷密度、极性以及粒子的直径与数浓度共同决定;电场力通过对霰、雹粒子降落末速度的调整,增强了雷暴云内感应、非感应起电率,且前者远大于后者,云内局部产生-0.6—1.2 n C/m^3总电荷密度的变化,从而使电荷结构重新分布,局部垂直电场强度增强5 k V/m,总闪电数增加,与此同时,雷暴云内降水粒子的微观增长过程也发生改变.总体上,电场力对雷暴云起电过程的作用为正反馈,电场力对雷暴云电荷结构的反馈作用不可忽略.

人工引雷上行正先导传播过程中爆发式磁场脉冲极性反转现象的观测与分析

为了进一步理解人工引雷上行正先导的传播过程及相关的爆发式电磁辐射脉冲,本文分析了2014年8月23日山东沾化人工触发闪电实验(SHATLE)中获得的三次上行正先导通道含有明显向下传播过程的个例。结果表明,在初始连续电流阶段观测到的爆发式磁场脉冲极性反转现象与正先导头部发展方向相对于观测位置投影方向的变化密切相关。因此可以推断,爆发式磁场脉冲是由正先导头部较小空间尺度放电过程辐射出的,就本文分析的个例而言,爆发式磁场脉冲辐射源的放电尺度约为2 m,放电强度的最大值达到2.49 k A。爆发式磁场脉冲的辐射机制不同于人工引雷先导始发阶段初始脉冲电流产生的磁场脉冲的辐射机制,可能与正先导通道头部的梯级形式发展过程相关。

人工引发闪电上行负先导的发展传输特征

在地面大气电场为正极性的条件下,成功实现12次人工引发闪电,对其放电特征、初始阶段上行负先导的传输特征与机理进行了研究.引发闪电时地面大气电场强度均值约5 kV/m,最高超过13 kV/m.除一次个例的放电发生了正、极性反转并产生多次负回击以外,其他11次引发闪电均未产生继后回击过程,闪电放电电流总体上在几百安培量级.引发闪电起始后,其向上传输的负梯级先导平均二维速度为1.85×10^(5)m/s,获得132次梯级的长度范围为0.8—8.7 m,平均3.9 m.先导起始阶段的电流和电磁场呈现显著的脉冲特征,其脉冲间隔、电流峰值、转移电荷量、半峰值宽度、电流上升时间T^(10%—90%)平均值分别为17.9μs,81 A,364μC,3.1μs和0.9μs,单次梯级的等效线电荷密度为118.5μC/m.先导通道的分叉一般伴随梯级过程发生,存在两种方式: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,对应的电流脉冲表现为多峰结构,峰值点时间间隔约2—3μs,最长6—7μs;2)曾熄灭的空间茎/空间先导重燃后侧向连接至先导通道.

一次对地转移电荷极性两次反转的人工引发雷电特征及反转机制分析

利用闪电甚高频干涉仪动态成像结果,并结合通道底部电流、电场和光学观测资料对一次罕见的、对地转移电荷极性反转两次的双极性人工引发雷电放电特征进行了详细研究,首次观测到直接导致极性反转的云内击穿放电过程,探讨了对地转移电荷极性两次反转的物理机理.结果发现,此次闪电无回击过程、初始连续电流阶段对地转移电荷极性经历了负-正-负的两次反转,转移电荷量分别约-40.0 C,+13.3 C和-1.0 C.负极性初始连续电流衰减过程中,一支击穿空气的负先导起始于已电离的正先导分支通道上并形成悬浮通道,水平发展28.816 ms后,接地主通道上发生负极性击穿连接到了悬浮通道末端正电荷聚集处或双向发展的悬浮通道的正极性端,随后对地转移电荷极性快速反转为正.负先导熄灭后,对地转移电荷极性缓慢反转为负.击穿空气的负先导连接到接地主通道和持续发展的正先导是此次双极性闪电对地转移电荷极性发生两次反转的重要原因.而负先导的起始,与正先导多分支同时发展引起的先导通道和环境电势分布差异密切相关.

基于碘化钠探测器的闪电γ射线爆发观测研究

本文采用NaI(Tl)探测器搭建了闪电高能辐射地面观测装置并进行了性能测试。于2016年夏季探测到1次自然负地闪过程中的两次回击之前产生的γ射线爆发信号,这是国内首次获得自然闪电高能辐射的实测波形数据。第1次γ射线爆发持续时间为563μs,第2次γ射线爆发持续时间为353μs,两次γ射线爆发的截止时间间隔为76.288ms,与同步观测到的回击电场波形时间间隔一致。经分析发现,梯级先导的负脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征,表明梯级先导是本次测量所获闪电高能辐射的产生根源。

人工引雷高能辐射观测及数据分析研究

本文基于NaI(Tl)探测器搭建了人工引雷高能辐射观测系统。观测到了人工引雷产生的X射线爆发现象,4次成功的人工引雷实验中观测到3次X射线爆发信号。分析发现,人工引雷先导梯级过程的脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征,表明先导梯级过程可能是闪电高能辐射的产生根源。