双向先导正端突然延展现象的高速摄像观测

基于广州高建筑物雷电观测站的观测设备,于2016年6月4日在广州塔上发生的一次上行闪电过程中观测到双向发展的直窜先导正端在回击前、后突然延展的现象.利用高时间分辨率的光学和电场变化同步数据,分析双向先导正端突然延展现象的细节特征.结果表明:回击前直窜先导双向发展时正端可能会出现多次突然延展的现象;突然延展现象有时由双向先导的正端与已有的悬空先导序列相连而引发,并促使双向先导正端传输至未击穿空气中;在一次继后回击后,通道正端头部也观测到两次突然延展现象,但未沿回击前正端伸展通道传输,而是通过开辟新通道进入了未击穿空气;回击前直窜先导正端三次突然伸展的二维平均速率约为2.3×10^6 m·s^-1,伸展长度平均值约为115 m;回击后通道头部两次突然延展的二维平均速率约为4.3×10^6 m·s^-1,伸展长度平均值约为212 m.

闪电双向先导理论及观测:极性不对称、不稳定及间歇性

闪电双向先导原理的提出及观测验证是闪电物理研究近几十年最重要的进展之一,而正、负先导及流光的极性不对称性及传输的持续、间歇性,是理解闪电各种过程物理机制的关键.本文对闪电双向先导的概念及进展进行了总结和讨论,重点强调了正、负先导流光传输机制特别是门限电场的不对称性,阐述了正先导传输的连续性及其在闪电始发、负先导的空间先导形成、不稳定先导通道中的反冲先导建立等过程中独特的启动作用.

正地闪发展的时空结构特征与闪电双向先导

利用闪电VHF辐射源定位系统的观测资料,对正地闪三维时空发展特征进行了分析,结果表明正地闪过程大致可分为三个阶段,在回击之前有较长的云内发展过程,平均持续时间为370ms,传输速度为105m/s量级,辐射强度与负地闪梯级先导辐射强度相当,这一期间闪电是以负极性击穿过程在云中正电荷区发展,通道沿水平方向延伸,较少分叉;回击之后闪电在云内快速传输,比回击前的发展速度快约2倍,辐射点较少且比较弥散,但辐射强度增强,对应于连续电流过程,并包含有多个正极性快脉冲;在闪电的最后阶段,传输速度与回击前的传输速度相当,辐射点主要集中在闪电通道的顶端.与负地闪的时空发展特征存在明显的差异.正地闪的辐射点均发生在云内正电荷区,没有探测到回击之前的正先导过程所产生的辐射.正地闪持续时间平均为730ms,持续时间在500-600ms的闪电占总数的43%.90%正地闪只有一次回击,最多有4次回击,回击电流峰值最大为70kA,最小为11.5kA,平均为36.5kA,大于40kA的约有40%.

空中触发闪电的下行先导及其接地行为

１９９６年夏季在江西南昌附近进行的人工触发闪电野外实验中，用新开发的不接地的火箭－导线技术成功地在雷暴云下的负环境电场中触发了云对地闪电。我们用一套成像率为１０００幅／秒的高速数字化摄像系统对下行负先导进行了观测。资料分析揭示了下行负先导始发、发展和接地的特点。负先导开始时速度缓慢，它在向地面行进中曲折、分枝并最后终止于４ｍ高接地良好的引流杆顶端。下行先导接地瞬间产生的电流脉冲其电流密度的空间分布是不均匀的。通过个例分析提出了空中触发闪电初始先导发生和发展的物理图像。

空中人工引雷先导特征的统计分析

根据１９９８年８月２２日在广州从化５次空中引发雷电远近两个观测点得到的地面电场变化资料， 对主放电之前的先导传输特征进行了统计分析。结果表明： 双向先导系统稳定传输阶段， 近区电场为较慢的正极性电场变化上叠加负极性振荡脉冲； 远区的辐射场开始为双极性脉冲， 逐渐过渡到单极性脉冲， 而且双极性脉冲的初始极性与单极性脉冲极性以及小回击极性相同都为正。双极性脉冲幅度逐渐减小， 且初始半周期较光滑， 未观测到更高频小脉冲的叠加现象。双极性脉冲整个宽度为３．８ μｓ， 方差为０．３３ μｓ； 峰与峰间隔为１５ μｓ， 方差为２．４ μｓ 。单极性脉冲具有上升快而大的初始峰值、 慢而小的负反冲特性， 且初始上升部分较光滑， 未观测到高频小脉冲， 其上升时间为０．２３ μｓ， 方差为０．０５ μｓ； 半峰值宽度为０．３７ μｓ， 方差为０．１ μｓ； 脉冲间隔为１２ μｓ， 方差为３．４ μｓ 。单极性脉冲峰值逐渐增大， 就５次触发闪电而言， 最大先导脉冲幅度与小回击之比为０．２４， 范围在０．２～０．３之间。小回击后， 远区的单极性脉冲幅度小， 上升慢而下降快、 无明显负反冲， 平均间隔为２０．１ μｓ， 方差为６．１?

人工触发闪电放电过程分析I.先导放电过程

利用人工触发闪电电场、电流和闪电通道亮度高速摄像观测资料，分析了第一次回击前先导过程的放电特性。结果指出，对于空中触发，先导传输具有“双向”特征，由于下行先导发展，先导通道电流分布具有不均匀性，连接导线汽化都发生在上行先导阶段。人工闪电第一次回击虽然与自然闪电继后回击特性十分相似，但两者放电特征仍有差别，前者具有较长的连续电流过程。

一次雹暴的闪电特征和电荷结构演变研究

综合利用SAFIR3000三维闪电定位系统的全闪定位资料与雷达结合对2005年5月31日发生于北京的一次冰雹过程的闪电活动和电荷结构演变特征进行了综合分析。结果表明:该雷暴的闪电活动有两次活跃期,第一个活跃期产生了降雹,降雹结束后,闪电活动突然减少,之后的活跃期产生了更多的闪电,其中一部分处于云砧区。闪电活动峰值超前降雹5 min左右,闪电活动中的地闪仅占6.16%,但正地闪占总地闪的比例达20%,且降雹前的正地闪比例较降雹后要高,降雹发生后,正地闪很少发生。降雹阶段,参与放电的主要电荷区表现为反极性结构,-40℃左右区域为参与放电的主负电荷区,-15℃左右区域为参与放电的主正电荷区,在正电荷区之下,短暂存在一个较弱的负电荷区。降雹结束后,电荷结构经历了持续的快速调整过程,在第2次闪电活跃期,参与放电的主要区域表现为正常的三极性结构,即上正-中负-下正,受西风气流的影响,此三极性结构出现倾斜。动力和微物理过程的分析表明,闪电活动和电荷结构的特征与雷暴云内的动力、微物理过程紧密相关。文中对反极性电荷结构形成的可能机理进行了讨论,并且认为,具有强烈上升气流的灾害性天气可能更易形成反三极性的电荷结构,并在下部两个电荷区的作用下产生较多的正地闪。

一次多分叉多接地的空中触发闪电过程

该文分析了2007年广州从化人工引雷试验中,6月30日一次空中触发负极性闪电的光学和电学观测资料,结果表明:此次空中触发闪电的上行正先导和下行负先导分别出现了多个分叉。上行正先导早于下行负先导4.93 ms始发,上行正先导初始阶段的二维平均速度为104m/s量级,后增加到105m/s量级。下行负先导经历了3次分叉后分为4个分支接地,其中有两个接地分支一直持续发光到闪电放电结束,观测到下行负先导的二维平均速度为1.69×105m/s。小回击之后上行正先导也出现了多个分支,高速摄像和宽带干涉仪对这些分支的观测结果基本一致。小回击之后,初始长连续电流过程的持续时间为178.6 ms。