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。

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4%;微波亮温脉冲幅度的最大值约125K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。

人工触发闪电箭式先导和企图先导光电同步观测与模拟

基于同步光学和电场数据分析了人工触发闪电的箭式先导和企图先导的发展过程,测得了两种先导的二维传播速度,箭式先导的二维传播速度的取值范围为1.5×10^(6)~10.9×10^(6)m/s,企图先导二维传播速度在0.4×10^(6)~2.9×10^(6)m/s之间。企图先导终止前在光学和电场上同箭式先导都存在一定的相似性。企图先导二维传播速度小于箭式先导的速度,放电过程也不如箭式先导强烈。利用分段速度源电荷模型对箭式先导和企图先导的电场波形进行模拟,估算了先导发展时的电荷密度,最终所得的模拟曲线与实测曲线能较好地吻合。

2008—2014年广东人工触发闪电电流特征

闪电电流数据对雷电物理研究和雷电防护设计有重要参考价值,相比自然闪电电流难以直接精确测量,人工触发闪电技术是获得精确可靠雷电流信息的有效途径。为此,统计分析了2008—2014年广东野外雷电综合观测试验39次人工触发闪电中测量得到的106次回击(RS)、70次连续电流(CC)、374次M分量、32次初始连续电流(ICC)以及528次初始连续电流脉冲(ICCP),并和国内外相关结果进行了对比。给出了人工触发闪电各个子放电过程的详细电流特征,包括几何平均值、上升沿时间、上升沿陡度、半峰值宽度、转移电荷等。比较结果表明:广东试验测得回击峰值电流的几何平均值强于加拿大CN塔上行负极性闪电;相比Florida人工触发闪电,广东试验测得ICC转移电荷量更大,平均电流强度更强,但持续时间接近,典型参数特征的统计结果在同一量级;高建筑物上行闪电的ICC脉冲具有更大的电流幅度、更短上升时间、更短的半峰宽度以及持续时间。试验结果显示:M分量幅值是ICC脉冲的3倍,上升时间和半峰宽约为ICC脉冲的1/2,且转移电荷量高于ICC脉冲;存在部分M分量,相比通常的M分量和ICCP,它们幅值较大、上升时间较短、半峰值宽度较窄、转移电荷量较大。

空中人工触发闪电试验及特性分析

利用１９９６年南昌人工引雷试验观测资料，分析了空中触发闪电的放电特征，估算了火箭上升时的电参数。结果表明：空中触发闪电的触发高度比地面触发闪电的触发高度约大２倍。在火箭上升阶段，空中触发闪电在地面引起的电场变化为负，地面触发闪电在地面引起的电场变化为正。在两次地面触发闪电中，火箭上升路径上沉积了正电荷，其平均电荷密度分别为１．０×１０－５Ｃ／ｍ和６．７×１０－６Ｃ／ｍ，平均电晕电流分别为０．６８ｍＡ和０．５７ｍＡ；在两次空中触发闪电中，火箭上升路径上沉积的电荷在通道上端为正，下端为负，最大电荷密度分别为３．７×１０－５Ｃ／ｍ和４．５×１０－５Ｃ／ｍ；空中触发闪电的先导是双向传播的，在地面电场为负电场的情况下，正先导向上发展传播，负先导向下发展传播，负先导接地时产生一大的快电流脉冲。先导发展过程中地面电场变化为脉冲式的，回击过程与自然闪电特性相似，其后常伴有连续放电，并叠加有Ｍ变化。闪电电流与其通道的相对光强有很好的正相关。

1次人工触发闪电引起的临近地网电位升高及其特征分析

为了研究近距离闪电发生时临近地网地电位升高的电压特征,对1次触发闪电过程中2个相距40 m的地网地电位升高电压的观测数据进行了分析。研究结果表明:(1)3次回击对应的地电位升高电压峰值范围为-9.0kV^-15.4 kV,均在亚μs时间内快速下降形成次峰,下降幅度分别为51.1%、51.9%和53.9%,之后缓慢下降;(2)11次M分量引起的地电位升高电压峰值范围为-0.3 kV^-3.0 kV,平均为-1.0 kV;10%~90%上升时间范围为14.0μs^776.6μs,平均为190.7μs,与对应触发闪电电流特征基本一致;半峰宽度范围为49.6μs^1 005.4μs,平均为317.9μs,是对应雷电流参数平均值的1.5倍;(3)回击过程地电位升高电压峰值与雷电流峰值及雷电流陡度的相关系数分别为0.96和0.98,回击阶段的地电位升高是由雷电流在土壤中的泄放和感应耦合共同作用的结果;M分量过程地电位升电压峰值与雷电流峰值及雷电流陡度的拟合系数分别为0.99和0.73,M分量引起地网地电位升高主要是由雷电流在土壤中的泄放引起的,感应耦合的作用是第2位的。长连续电流叠加M分量会使临近地网的地电位升高电压长时间维持在较高水平,这是临近地网地电位反击导致浪涌保护器(SPD)损坏的重要原因。

人工触发闪电通道的发光特征

利用成像率为１０００幅／秒的高速数字化摄像系统在３８０ｍ的极近距离对人工触发闪电通道的发光特征进行了观测和研究。人工引发闪电除了采用传统的火箭拖带接地导线的触发方式外，还发展了导线下端不接地的空中触发闪电的新技术。结果表明，闪电通道的发光截面基本上呈对称型。各次闪电的发光持续时间和光脉冲的个数可以有很大的差别，但它们都可分成四个共有的发光阶段，并与特定的闪电放电物理过程相联系。闪电的光脉冲与闪电电流脉冲和地面电场变化有很好的对应关系。其中，起始光脉冲由导线汽化和上行先导传播入云所引起；Ｍ分量脉冲出现前闪道仍在可观地发光，而回击光脉冲出现前闪道的发光已经变得非常微弱或已测不到发光现象。空中触发闪电最下部的通道由金属导线汽化通道和空气离化通道两部分组成。它们的发光行为有很大的不同，尤其在平稳发光阶段，前者的发光较强且延续更长的时间。对各种发光成分的特点及其所联系的物理过程也进行了讨论。

中国南北方雷暴及人工触发闪电电特性对比分析

通过对我国南北方雷暴及人工触发闪电电特性的对比分析，发现南北方雷暴及人工触发闪电电特性有很大差异。北方雷暴电荷结构呈三极性，人工触发闪电是在地面电场为正的情况下成功的，主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，最大放电电流为１ｋＡ，中和电荷量只有几库仑；南方雷暴则为偶极性，触发闪电由连续电流和多次回击组成，电流峰值大于１０ｋＡ。触发闪电时地面电场均为负极性，基本在４ｋＶ／ｍ以上；触发高度在北方最低为２６０ｍ，南方最高为３００ｍ，在南方人工触发闪电更容易成功。另外。

人工触发闪电中的M分量特征

利用2005-2008年期间在山东开展的人工触发闪电试验中所观测到的通道底部电流、不同距离垂直电场及高速摄像光学资料,对人工触发闪电10次回击之后的33次M分量电流波形进行了分析。结果表明,典型的M分量电流波形具有较对称的结构特征,峰值电流的几何平均值为743 A（标准偏差为0.55）;波形10%~90%上升时间的几何平均值为241μs（标准偏差为0.46）;M分量的半峰值宽度的几何平均值为318μs（标准偏差为0.36）;M分量持续时间的几何平均值为1.1 ms（标准偏差为0.24）。人工触发闪电的回击与其后发生的M分量相比,波形明显偏窄,M分量的幅值明显小于回击。对M分量参数之间的相关性分析表明,M分量的上升时间、半峰值宽度和持续时间3个参数之间具有很好的相关性,上升时间与半峰值宽度和持续时间的相关系数分别为0.84和0.73;持续时间和半峰值宽度的相关系数为0.7。M分量的峰值电流与半峰值宽度、上升时间和持续时间之间具有负相关性,相关系数分别为-0.47,-0.45和-0.37。

先导—回击模型与人工触发闪电特征参数计算

在关于地闪通道的“先导模型”和“同击模型”基础上，建立了“先导-回击模型”，并利用该模型对2005年8月2日3次人工触发闪电中观测到的12次直窜先导和继后回击过程的慢电场变化资料进行了闪电通道特征参量的计算。计算结果发现：3次人工触发刚电的高度分别在8．68、4．48和10．59km；直窜先导过程的电荷线密度范围为49．3～130．05μC／m；先导发展平均速度范围为0．23×10^7-1．48×10^7m／s：先导平均电流范同为0．14～1．87kA；先导通道电压范围为7．94-20．33Mv；继后同击中和的电荷量范围为0．16～1．21C：继后回击过程的回击平均速度范围为2．61×10^7～11．86×10^7m／s；回击平均电流范围为1．56—12．59kA。分析表明，“先导-同击模型”降低了对观测点站数和观测环境的要求，同时对通道具有较强的计算能力。

人工触发闪电先驱电流脉冲波形特征及模拟

2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验,通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析,进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲（precursor current pulse）为双极性振荡型,火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性,其中单极性脉冲电流峰值、10%～90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A,0.33μs,2.3μs,27μC,双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A,0.24μs,2.1μs,54μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍,而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型,模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型,而钢丝通道底部电流波形呈单极性,这与实际测量的结果比较一致,推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致,在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。

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%。

人工触发闪电M分量的电流与电磁场特征

利用2008—2010年在广州从化人工触发闪电试验中观测到的闪电通道底部电流、近距离电场以及近距离磁场数据资料,对人工触发闪电M过程的电流和电磁场特征及相关性进行了分析。统计分析结果显示:M分量电场波形持续时间和10%~90%上升时间几何平均值分别为0.49 ms和0.12 ms;电流波形持续时间、10%~90%上升时间和电流变化的几何平均值分别为0.53 ms,0.11 ms和0.34 kA;磁场波形持续时间、10%~90%上升时间和磁场变化的几何平均值分别为0.65 ms,0.16 ms和2.76×10^(-5)T。此外,M分量的电流、电场及磁场波形间存在一定的相互关系。相关分析结果表明:M分量的电磁场与电流资料在峰值幅度上具有较显著相关性,几何形状也较为一致,利用电磁场资料反演M分量的电流波形具有可行性。

人工触发闪电连续电流过程与M分量特征

在广州野外雷电试验基地,对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个M分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析。结果表明:M分量的电流、快慢电场变化和亮度变化波形均近似对称;触发闪电连续电流过程的持续时间、转移电荷量、电流平均值的几何平均值分别为22 ms,6.0 C和273 A;M分量的幅度、转移电荷量、半峰值宽度、上升时间、持续时间的几何平均值分别为409 A,205 mC,520μs,305μs和1.6 ms;连续电流持续时间与M分量的个数、相邻M分量之间的时间间隔均存在显著的正相关关系。

基于人工触发闪电的风力发电机组雷电能量耦合试验研究

为了研究风力发电机组与雷电能量的耦合特征,在中国气象局广州野外雷电试验基地设计开展了试验研究。2011年7月30日的一次人工触发闪电试验中,测量得到了触发闪电电流和风机塔筒内的感应电压及感应电流。此次试验测得的触发闪电电流为衰减振荡波形的先驱脉冲电流,通过分析可知,先驱脉冲电流各个脉冲的幅值达到了850~1162.5 A;频谱为一单峰曲线,幅值呈单调快速增加趋势,在频率为351.875 kHz处幅值达到峰值,随后幅值呈单调快速衰减趋势,先驱脉冲电流能量主要集中在0~800 kHz低频段内。风机塔筒内发电机相线L2上感应电压峰值达到-8.876 kV,控制线CL上测得的感应电压峰值达到2.39 kV,发电机相线L1—L3回路测得的感应电流峰值达到1.118 kA,双绞方式敷设的回路上感应电流的峰值仅为-60.55 A。风机周围发生闪电时,风机塔筒内部电子电气线路上产生的感应电压和感应电流已经超过了终端设备的耐受水平,可能会造成其损坏。高磁导率材料可对低频段闪电磁场进行屏蔽。双绞布线方式可以最大程度降低信号线路对雷电能量的耦合。

人工触发闪电电流测量及特征性分析

通过对１９９３年７月２７日的人工触发闪电电流、跨步电压的直接测量结果的分析发现，在正电场下触发的慢型放电过程由连续电流和双极性的电流脉冲过程组成，其放电特性与雷暴的电特性有关。闪电电流最大值为１．２ｋＡ，持续时间为２５ｍｓ，中和电荷量为８．９Ｃ。跨步电压与电流的测量结果相一致，是一种间接测量电流的方法。

一次人工触发闪电通道光谱结构分析

用无狭缝光谱仪获得了广东地区一次人工触发闪电首次回击过程的发射光谱,同时测量了回击电流峰值为18.3kA,回击持续时间为4.5ms。发现导线部分通道的发射谱线中存在407.5,419.0,425.3和517.9nm等激发能比较高的谱线,具有强闪电通道发射光谱的谱线结构,空气部分则具有弱闪电通道的谱线结构;导线部分与空气部分的基本谱线的相对强度差别较小,强闪电特征谱线相对强度相差非常大。通过对导线部分与空气部分谱线激发能等参数的分析,发现回击开始时,导线部分先导通道还未完全消失,回击脉冲电流对先导闪电通道等离子体进行了进一步激发,增加了等离子体的温度和密度,使得导线部分具有较高激发能的谱线被完全激发,相对于空气部分407.5,419.0,425.3和517.9nm等谱线的强度有较大程度的增加,造成导线部分通道与空气通道两种不同的光谱结构。通过光谱分析,获得了闪电通道不同部分的温度、电子密度等参数,发现导线部分通道的辐射特性不同于空气通道是导线部分通道发光亮度与电流相关性较差的原因。

人工触发闪电与降雨倾泻

根据人工触发闪电后雨量猛增的观测事实，利用一个简单的静电模式计算了闪道附近雨滴的重力碰并增长。结果指出，闪电后降雨猛增必须满足一定的条件，除了要求较高的离子浓度（＞１０１４／ｍ３）外。

人工触发闪电回击电流与通道光辐射强度关系

闪电通道的光辐射强度与流过的雷电流密切相关,可利用放电电流与通道光辐射强度之间关系,通过闪电通道的发光特性研究电流特性。利用2011年和2013年国际雷电研究与测试中心人工触发闪电试验,获取了雷电流和近距离通道底部光辐射强度资料,分析了9次触发闪电回击阶段的通道底部电流和对应回击光辐射强度(相对光强)波形。39个回击电流峰值5.45~38.09 kA(几何均值13.02 kA),转移电荷量0.28~6.36 C(几何均值1.14 C),10%~90%上升时间0.16~1.19μs(几何均值0.35μs),半峰宽度5.62~61.44μs(几何均值25.51μs)。分析发现,回击电流峰值平方与对应相对光强峰值具有较强的线性关系,相对光强10%~90%上升时间大致随电流10%~90%上升时间增加而增加,未发现两者半峰宽度之间存在联系。电流脉冲转移电荷量与光对时间积分线性相关。结合回击电流峰值与相对光强峰值关系,使用相对光强波形对闪电放电的全过程进行了电流波形反演及电荷量预测,光信号反演预测得到的闪电放电电荷量误差范围为-45.33%^+42.93%,9次火箭引雷全过程的转移电荷量预测误差绝对值的平均值为31.44%,其最小误差为2.75%。

人工触发闪电直窜先导-回击放电参量的估算

利用2005和2006年夏季在山东人工触发闪电实验中获取的近距离电场和电流资料,对14次直窜先导-回击放电过程的放电特征参量进行了估算.结果表明,利用实测直窜先导电场结合源电荷先导模式得到的结果与利用实测电流结合传输线模式得到的结果接近,说明2种估算方法都是可行的.人工触发闪电回击速度平均值为2.14×108 m/s,与自然闪电继后回击速度接近;直窜先导速度比回击速度小一个量级;直窜先导电流范围为0.5～6.1 kA.人工触发闪电直窜先导线电荷密度、电位分别为71.4μC/m和9.77MV,均与回击峰值电流呈正相关,直窜先导速度、回击速度与回击峰值电流没有相关性.反演得到的空中触发闪电回击电流峰值的变化范围为12～39 kA,与利用传输线模式估算的结果非常接近,这为难以直接测量的空中触发闪电电流的反演提供了一个有效方法.