山東人工引發(fā)雷電綜合觀測實(shí)驗(yàn)及回?fù)綦娏魈卣?/h1>
2012-12-15 03:00:58郄秀書楊靜蔣如斌王彩霞馮桂力吳書君張廣庶
大氣科學(xué) 2012年1期
郄秀書 楊靜 蔣如斌 王彩霞 馮桂力 吳書君 張廣庶
1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029
2 山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031
3 山東省濱州市氣象局，濱州 256600
4 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000
山東人工引發(fā)雷電綜合觀測實(shí)驗(yàn)及回?fù)綦娏魈卣?/p>
郄秀書1楊靜1蔣如斌1王彩霞1馮桂力2吳書君3張廣庶4
1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029
2 山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031
3 山東省濱州市氣象局，濱州 256600
4 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn) （SHATLE）自2005年開始，六年來共成功引發(fā)負(fù)極性雷電22次，包含大電流回?fù)暨^程88次，實(shí)驗(yàn)獲取了包括雷電放電通道底部電流、近距離電磁場、高速攝像等在內(nèi)的高質(zhì)量同步觀測資料。對36次實(shí)測回?fù)綦娏鞯慕y(tǒng)計(jì)分析表明，回?fù)舴逯惦娏鞯膸缀纹骄禐?2.1kA，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA?；?fù)綦娏鞑ㄐ蔚陌敕逯祵挾确秶?～68μs之間，電流10%～90%峰值的上升時(shí)間幾何平均值為1.9μs，中和電荷量為0.86C，作用積分（action integral，或稱比能量）為2.6×103A2·s。人工觸發(fā)閃電峰值電流約16.5kA的回?fù)粼?0m處產(chǎn)生的電場變化可達(dá)56.0kV／m，60m處的磁場幾何平均值為52μT。一些強(qiáng)烈的M分量可以具有與回?fù)粝喈?dāng)?shù)碾娏鞣逯岛椭泻碗姾闪?。人工引雷初始階段上行正先導(dǎo)的發(fā)展速度約為0.96×105m／s。
人工引發(fā)雷電 回?fù)?放電電流 近距離電磁場 光學(xué)特征
1 引言
隨著現(xiàn)代社會(huì)電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，雷電造成的危害日趨增加，如何對電子設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的雷電防護(hù)成為現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)亟待解決的問題。雷電放電電流和近距離電磁場不僅是進(jìn)行科學(xué)的雷電防護(hù)所必需了解的關(guān)鍵參量，而且對雷電物理過程及雷電與地面物體相互作用機(jī)理的研究也十分重要。自然雷電由于發(fā)生的時(shí)空隨機(jī)性，對其進(jìn)行直接測量十分困難。20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的人工引發(fā)雷電技術(shù)可以使雷電在一定的時(shí)空可控范圍內(nèi)發(fā)生，從而為雷電放電通道底部電流和近距離電磁場的同步測量提供了條件，對此國內(nèi)外已有大量的研究成果 （如：Fieux et al.，1975；Horii，1982；Liu et al.，1994；Wang et al.，1999；Uman et al.，2000；張義軍等，2003；Rakov et al.，2005；郄秀書等，2007；Schoene et al.，2009；Yang et al.，2010a）。目前較為成熟的人工引發(fā)雷電技術(shù)是火箭—導(dǎo)線技術(shù)，即在合適的雷暴起電條件下，向雷暴云發(fā)射拖帶細(xì)金屬導(dǎo)線的小火箭從而引發(fā)雷電。根據(jù)火箭拖帶的導(dǎo)線與地面連接方式的不同，又分為傳統(tǒng)引發(fā)和空中引發(fā)兩種方式。傳統(tǒng)引發(fā)方式是火箭拖帶的導(dǎo)線通過引流桿與大地直接相連 （引雷導(dǎo)線下端直接與接地的引流桿相連，上端接引雷火箭）；空中引發(fā)方式中火箭拖帶的導(dǎo)線通過一段尼龍線與引流桿相連，空中引發(fā)方式可以更好地模擬自然雷電的下行先導(dǎo)過程。
我國早在1977年就曾利用防雹土火箭開展了人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn) （夏雨人等，1979），1989年中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 （原蘭州高原大氣物理研究所）研制了人工引雷專用火箭，并在甘肅永登引雷成功 （劉欣生等，1990）。自1989年起，又先后在北京、江西、上海、廣東、山東等地引雷成功，得到了人工引發(fā)雷電的基本過程以及南、北方人工引發(fā)雷電的差別等一批研究成果 （如：Liu et al.，1994；郄秀書等，1998；Chen et al.，2003；張義軍等，2003），并實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)和空中兩種引雷方式?；鸺鶖y帶的導(dǎo)線與引流桿之間連接方式的不同會(huì)導(dǎo)致放電過程的差異。在空中引雷方式中，我國采用的尼龍線長度一般是80m左右，而法國采用的尼龍線長度則為400m（Lalande et al.，1998）。在2005年以前，我國傳統(tǒng)引雷實(shí)驗(yàn)中引雷導(dǎo)線與引流桿之間連接了一段5m的尼龍線，5m尼龍線的長度遠(yuǎn)小于空中引發(fā)雷電所需的尼龍線長度。Yang et al.（2009）對連接有5m尼龍線的引發(fā)雷電和傳統(tǒng)引發(fā)雷電導(dǎo)致的放電過程差異進(jìn)行了細(xì)致分析。連接5m尼龍線的引發(fā)雷電電流波形與Wang et al.（1999）得到的美國Florida的電流波形類似，但是放電過程初始階段卻不同。Wang et al.（1999）認(rèn)為電流波形中的初始大脈沖是由導(dǎo)線熔化產(chǎn)生的，而接有5m尼龍線引發(fā)雷電波形中的初始大脈沖由5m空氣間隙被擊穿導(dǎo)致，導(dǎo)線熔化發(fā)生在連續(xù)電流階段。
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn) （Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment，簡稱SHATLE）自2005年夏季開始 （楊靜等，2006；郄秀書等，2007），實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山東濱州地區(qū)，該地區(qū)位于南北天氣系統(tǒng)的交匯處，夏季常有十分強(qiáng)烈的雷暴系統(tǒng)過境。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面：
（1）測量雷電流波形和極近距離上的電磁場，為雷電防護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
（2）研究雷電的電磁輻射和傳播效應(yīng)及其與雷電流的關(guān)系；
（3）研究雷電的物理過程和雷擊機(jī)理；
（4）研究雷電與云動(dòng)力過程和降水過程的關(guān)系；
（5）研究雷電產(chǎn)生的高能輻射及機(jī)理；
（6）研究雷電對電子設(shè)備的影響。
2005～2010年期間，所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)升級更新，性能逐步提高，目前已形成了較為完善的人工引雷實(shí)驗(yàn)設(shè)施和高性能的測量設(shè)備，以此為基礎(chǔ)，獲取了通道底部完整的雷電流波形及同步近距離電磁場和光學(xué)觀測數(shù)據(jù)。本文對山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)6年期間的實(shí)驗(yàn)情況和主要研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。
2 實(shí)驗(yàn)介紹
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)主要觀測項(xiàng)目包括通道底部雷電流、近距離電場、磁場、高速攝像光學(xué)觀測等，濱州市氣象局的多普勒天氣雷達(dá)為引雷實(shí)驗(yàn)提供參考。實(shí)驗(yàn)設(shè)有2個(gè)觀測點(diǎn) （Qie et al.，2009），一個(gè)是近距離觀測點(diǎn)，在距離火箭發(fā)射架30m和60m處都架設(shè)有觀測設(shè)備；另外一個(gè)是遠(yuǎn)距離觀測點(diǎn)，即主觀測點(diǎn)，與火箭發(fā)射架的距離一般在1000m以內(nèi)；引雷發(fā)射控制室設(shè)在60～70m處?；鸺l(fā)射架共有8個(gè)，環(huán)繞在引雷桿 （引流桿）四周 ［圖1（見文后彩圖）］。性能良好的引雷火箭是開展人工引雷實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。2005至2008年期間，沿用中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所引雷火箭，箭體為不銹鋼金屬材料，整個(gè)火箭重約5kg。2008年中國科學(xué)院大氣物理研究所與中國航天總公司陜西中天火箭技術(shù)有限責(zé)任公司合作，研制開發(fā)了新型人工引發(fā)雷電專用火箭，該火箭采用新型復(fù)合材料，使箭體重量減少到2.4kg，從而具備了更高的安全性，有關(guān)新火箭的詳細(xì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可參見郄秀書等 （2010）。另外，火箭發(fā)射點(diǎn)火技術(shù)也是人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。2005～2007年期間，發(fā)射火箭采用氣動(dòng)點(diǎn)火方式。2008～2010年，采用了光纖點(diǎn)火方式①王懷斌，人工誘發(fā)雷電火箭光纖發(fā)控點(diǎn)火系統(tǒng)，專利申請?zhí)枺?00410073342.2。，提高了火箭發(fā)射的可靠性，并降低了點(diǎn)火延遲時(shí)間，為引雷時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確把握提供了保障。在山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)中，采用了導(dǎo)線與引流桿直接相連的傳統(tǒng)引發(fā)和空中引發(fā)兩種方式。
2005～2008年，雷電流的測量采用兩種方式，一是使用2個(gè)帶寬為300Hz～1MHz的Rogowski線圈，量程分別為2kA和100kA，用于測量不同強(qiáng)度的電流。同時(shí)，德國生產(chǎn)的電阻值為1mΩ的同軸分流器也用于電流的直接測量，其可測量的最大電流為100kA，記錄系統(tǒng)采用8通道DL708高速數(shù)字化示波器，采樣頻率設(shè)定為1MHz（郄秀書等，2007；趙陽等，2009）。2009年，雷電流測量采用了直接和間接兩種方式，直接測量使用帶寬為3.2MHz、阻值為0.5mΩ的同軸分流器，間接測量使用帶寬為0.9Hz～1.5MHz的Pearson線圈（參見圖1）；信號傳輸采用ISOBE5600光纖系統(tǒng)，該系統(tǒng)共包括4個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)，帶寬為直流到20MHz（Yang et al.，2010a）。2010年，為了更好地測量通道底部電流中的小信號，新購置了阻值為5mΩ的同軸分流器，信號傳輸仍采用2009年的光纖系統(tǒng)。2009～2010年，電流信號的采樣率都是10MHz，記錄設(shè)備為16通道高速數(shù)字化示波器DL750。
2005～2008年期間，近距離電、磁場的測量設(shè)在距火箭發(fā)射架60m處，遠(yuǎn)距離電場的測量設(shè)在距火箭發(fā)射架550m處的主觀測點(diǎn)。2009～2010年，近距離電場的測量分別設(shè)在距離火箭發(fā)射架30m和60m處，在距離火箭發(fā)射架60m處仍設(shè)有磁場測量，遠(yuǎn)距離電、磁場仍然設(shè)在距離火箭發(fā)射架550m處的主觀測點(diǎn)。2005～2010年，閃電產(chǎn)生電場變化的測量均采用平板天線型快、慢電場變化測量儀，所不同的是，2005～2008年，快、慢電場變化測量儀的帶寬分別為5MHz和2MHz，時(shí)間常數(shù)分別為2ms和6s，以2.5MHz采樣率記錄到計(jì)算機(jī)上 （趙陽等，2009）；2009年，快、慢電場變化測量儀的帶寬分別為5MHz和2MHz，時(shí)間常數(shù)分別為1ms和6s，采樣率提高為5MHz（郄秀書等，2010）。為了更好地反映閃電產(chǎn)生的電場變化，2010年，快、慢電場變化測量儀的帶寬為5MHz和2MHz，時(shí)間常數(shù)改為1ms和3s，記錄采樣率仍為5MHz。采用大氣平均電場儀實(shí)現(xiàn)對雷暴電場的連續(xù)監(jiān)測，其電場大小是火箭發(fā)射的重要參考。2005～2008年磁場和電流信號同時(shí)記錄在示波器上，因此，采樣率和電流信號的采樣率相同。2009～2010年，磁場與電場信號一起記錄，二者采樣率相同。有關(guān)磁場測量系統(tǒng)的詳細(xì)介紹和其標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可參見 （Yang et al.，2008）。
高速攝像系統(tǒng)是詳細(xì)記錄閃電通道發(fā)展演化的重要手段。2005～2007年，所用高速攝像系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為1000幅／秒。2008年引進(jìn)了Photron公司生產(chǎn)的高速攝像系統(tǒng)FAST Camera SA1，其時(shí)間分辨率最高可達(dá)到150000幅／秒，在1024×1024像素分辨率情況下，時(shí)間分辨率可以達(dá)到5400幅／秒。2009年引雷實(shí)驗(yàn)中高速攝像的時(shí)間分辨率設(shè)為6000幅／秒，2010年為10000幅／秒。
表1 2005～2010年山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)總體情況Table 1 Basic features of the triggered flashes in the SHATLE during 2005－2010
3 結(jié)果和分析
在SHATLE 2005～2010年期間，共成功引發(fā)雷電22次，其中18次為傳統(tǒng)引發(fā)，4次為空中引發(fā)，共包含88次大電流回?fù)暨^程，所有回?fù)艟鶎⒃苾?nèi)的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到地面。表1給出了2005～2010年引發(fā)雷電的總體情況。22次引發(fā)雷電中，持續(xù)時(shí)間最長為1900.0ms，最短為145.5ms，其中3次只有初始連續(xù)電流過程而無回?fù)暨^程。包含回?fù)暨^程的19次閃電中，回?fù)魯?shù)分布在1～11次之間。從表1可以看出，在同一次雷暴過程中，相鄰兩次引發(fā)雷電的時(shí)間間隔比較小，最短為144s，最長為938s，這表明如果在某一時(shí)段內(nèi)時(shí)機(jī)合適，則能夠連續(xù)引發(fā)雷電成功?；诒?中的觀測數(shù)據(jù)，從通道底部雷電流、近距離電磁場和光學(xué)特征等幾個(gè)方面對引發(fā)雷電進(jìn)行討論。
3.1 人工引發(fā)雷電通道底部電流波形特征
2005～2010年實(shí)驗(yàn)期間，共直接測量到36次回?fù)暨^程的電流波形，圖2是2010年8月20日測量到的觸發(fā)閃電1004的雷電流波形，由初始連續(xù)電流 （ICC）過程和9次回?fù)?（RS）過程組成，9次回?fù)舻姆逯惦娏鞣植荚?.4kA到15.2kA之間。對36次回?fù)暨^程的電流波形特征參量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，包括：回?fù)綦娏鞣逯?，半峰值寬度?0%～90%上升時(shí)間，回?fù)粼?ms內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量，相應(yīng)參量的定義方法參見圖3。值得注意的是，本文統(tǒng)計(jì)的轉(zhuǎn)移電荷量是1ms內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量，為顯示清楚，圖2中轉(zhuǎn)移電荷量部分未畫到1ms。此外，還統(tǒng)計(jì)了回?fù)舫掷m(xù)時(shí)間，回?fù)糸g隔，電流波形10%～90%上升陡度，電流30%～90%上升時(shí)間，回?fù)粼?ms內(nèi)的作用積分 （action integral，或稱比能量），這些參量的定義方法與Fisher et al.（1993）相同，限于文章篇幅，這些參量定義圖將不再給出。
圖2 2010年8月20日測量到的觸發(fā)閃電1004的雷電流波形：（a）整體波形；（b）R4的時(shí)間展開圖；（c）R5的時(shí)間展開圖Fig.2 The current waveforms of triggered flash 1004measured on 20Aug 2010：（a）Overall current waveform；（b）time－expanded waveform of R4；（c）time－expanded waveform of R5
圖3 回?fù)綦娏鞑ㄐ螀?shù)定義：（a）回?fù)舴逯惦娏鳎唬╞）回?fù)?0%～90%上升時(shí)間；（c）半峰值寬度；（d）1ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷量Fig.3 Definitions of the parameters of channel base current.The following return－stroke current parameters are illustrated：（a）peak current，（b）10%－90%risetime，（c）half－peak width，and（d）charge transfer
表2給出了SHATLE 2005～2010年所獲取的電流波形特征參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及和其他作者的比較。為了對波形特征參量的分布規(guī)律有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，圖4給出了這些參量的柱狀分布圖。從表2中可以看出，回?fù)綦娏鞣逯档姆植挤秶軓V，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA，幾何平均值為12.1kA，除了比Schoene et al.（2003）所得的結(jié)果偏小之外，本文所得結(jié)果與絕大多數(shù)作者得到的回?fù)綦娏鞣逯殿愃?，尤其與Schoene et al.（2009）利用165個(gè)樣本得到的回?fù)綦娏鲙缀纹骄?2.2kA接近。實(shí)測回?fù)綦娏鞣逯档淖畲笾禐?1.6kA，與巴西一次空中引發(fā)雷電回?fù)綦娏鞣逯档淖畲笾?4kA 接近 （Saba et al.，2005）。趙陽等 （2009）和Yang et al.，（2010a）曾分別對2005～2008年實(shí)測資料和2005～2009年近距離磁場反演資料對雷電流波形特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。值得注意的是，Yang et al.（2010a）利用近距離磁場反演得到的電流峰值最大值為45.7kA，本文僅利用直接測量的雷電流結(jié)果，這也是本文回?fù)綦娏鞣逯禈颖緮?shù)比Yang et al.，（2010a）少的原因。
表2 2005～2010年山東人工引發(fā)雷電電流波形特征參量以及與其他作者的比較Table 2 Comparison of current waveform parameters obtained from the SHATLE 2005－2010experiment with results from other studies
圖4 回?fù)綦娏鞑ㄐ翁卣鲄⒘恐鶢顖D：（a）電流峰值；（b）持續(xù)時(shí)間；（c）半峰值寬度；（d）回?fù)粼?ms內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量；（e）回?fù)糸g隔；（f）回?fù)粼?ms內(nèi)的作用積分 （action integral）；（g）10%～90%上升時(shí)間；（h）10%～90%上升陡度；（i）30%～90%上升時(shí)間；（j）30%～90%上升陡度Fig.4 Distributions of return stroke current waveform parameters：（a）Peak current；（b）total stroke duration；（c）half－peak widths；（d）charge transfer within 1ms；（e）interstroke interval；（f）action integral within 1ms；（g）10%－90%risetime（T－10）；（h）10%－90%front steepness（S－10）；（i）30%－90%risetime（T－30）；（j）30%－90%front steepness（S－30）
相對于其他作者而言，本文得到的電流10%～90%上升時(shí)間分布范圍較廣，其中最大值8.4μs大于Schoene et al.（2009）得到的最大值5.7μs，幾何平均值和算術(shù)平均值也都偏大，原因可能來自兩個(gè)方面，一方面可能是接地體的反射，由于實(shí)驗(yàn)中所用的引流桿并不是一個(gè)整體，而是由幾段組成，這樣在連接處必然引起反射，Schoene et al.（2009）認(rèn)為反射可能是導(dǎo)致較大上升時(shí)間的一個(gè)原因；另外一個(gè)原因可能來自Rogowski線圈的帶寬，線圈的上限截止頻率是1MHz，不能較好地反映高頻成分，這些也會(huì)對上升時(shí)間產(chǎn)生一定的影響（Yang et al.，2010a）。由電流波形特征參量分布柱狀圖可以看出，電流10%～90%上升時(shí)間分布在1～2μs與絕大多數(shù)作者得到的結(jié)果是一致的 （Depasse，1994；Schoene et al.，2009）。本文得到電流半峰值寬度的算術(shù)平均值23.7μs與Depasse（1994）和Fisher et al.（1993）相比結(jié)果偏小，但與Schoene et al.（2009）利用較多的樣本數(shù)得到的結(jié)果23μs接近。本文得到回?fù)艮D(zhuǎn)移電荷量的最小值為0.18 C，比Schoene et al.（2009）得到的最小值0.3C小。張其林等 （2007）曾對人工引發(fā)雷電回?fù)綦娏鞣逯岛妥匀焕纂娀負(fù)綦娏鞣逯颠M(jìn)行了詳細(xì)對比分析，表明人工引發(fā)雷電與自然雷電繼后回?fù)艟哂泻艽蟮南嗨菩浴?/p>
3.2 人工引發(fā)雷電的近距離電磁場及影響
自然雷電由于發(fā)生時(shí)間和位置的不確定性，很難對其近距離電磁環(huán)境進(jìn)行測量和研究。人工引發(fā)雷電由于在一定時(shí)空尺度上的可控性，為研究近距離電磁環(huán)境提供了條件。2005～2010年實(shí)驗(yàn)期間，我們利用自行研制的交叉環(huán)天線磁場測量系統(tǒng)（Yang et al.，2008）對人工引發(fā)雷電產(chǎn)生的近距離磁場進(jìn)行了測量。對48次回?fù)舻臏y量結(jié)果表明，60m處峰值磁場的幾何平均值為52μT，最小值為18μT，最大值為148μT，磁場波形10%～90%上升時(shí)間分布范圍為0.4～8.4μs，主要分布在1～2μs之間，幾何平均值和算術(shù)平均值分別為2.5μs和3.2μs（Yang et al.，2010a）。磁場半峰值寬度的幾何平均值和算術(shù)平均值分別為2μs和2.7μs，是Schoene et al.，（2003）在15m 和30m處得到磁場半峰值寬度的6倍和7倍。
圖5（見文后彩圖）給出了0902引發(fā)雷電通道底部第2次和第4次回?fù)綦娏骱蛯?yīng)的30m處的箭式先導(dǎo)—回?fù)暨^程在地面產(chǎn)生的垂直電場變化波形。兩次回?fù)舻碾娏鞣逯捣謩e為16.5kA和13.5kA，電場變化由慢天線閃電電場變化測量儀得到，呈不對稱的V形特征，V形的底部對應(yīng)先導(dǎo)的結(jié)束和回?fù)舻拈_始。圖5中兩次下行負(fù)極性直竄先導(dǎo)產(chǎn)生的電場變化分別為53.2kV／m和50.3kV／m，隨后的回?fù)暨^程產(chǎn)生的電場變化分別為111.9kV／m和52.7kV／m。郄秀書等 （2007）曾對0503雷電箭式先導(dǎo)—回?fù)暨^程在地面60m和550m處產(chǎn)生的垂直電場變化波形進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)60m和550m處的先導(dǎo)電場的幾何平均值分別為17.8kV／m和1.2kV／m，回?fù)暨^程電場變化的幾何平均值分別為16.7kV／m和1.65kV／m，先導(dǎo)電場以水平距離r－1.18衰減。張其林等 （2006）得到的60m 和550m處先導(dǎo)—回?fù)綦妶鲎兓瘜?yīng)的半峰值寬度分別為13μs和102μs，不同距離上的半峰值寬度差異可以用源電荷先導(dǎo)模式來解釋 （Zhang et al.，2009）。對比可以發(fā)現(xiàn)，在較近的距離范圍內(nèi)，電場隨距離的衰減是很快的，遺憾的是0902閃電測量中對應(yīng)的60m和遠(yuǎn)方觀測點(diǎn)的電場變化測量飽和，無法得到電場隨距離的衰減。
當(dāng)雷電擊中建筑物時(shí)，接地系統(tǒng)將雷電流導(dǎo)入大地，由于接地體接地電阻的存在，會(huì)導(dǎo)致地電位升高。在人工引雷實(shí)驗(yàn)中，引流桿相當(dāng)于接地體，接地電阻和通過接地體的電流都可以通過實(shí)驗(yàn)的方法來獲得。因此，借助人工引雷實(shí)驗(yàn)，可以研究雷電流引起的地電位升高。Yang et al.，（2010b）基于人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)獲取的通道底部電流和地電位升高觀測數(shù)據(jù)，得到峰值為41.6kA和29.6kA的回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生的地電位升高分別為302.8kV和141.3kV，地電位升高波形的下降時(shí)間和半峰值寬度遠(yuǎn)大于電流波形的相應(yīng)參量。
3.3 放電通道光學(xué)演化的高速攝像觀測和強(qiáng)M分量特征
一次雷電的持續(xù)時(shí)間非常短，用普通攝像機(jī)很難拍攝其發(fā)生發(fā)展的詳細(xì)過程。高速攝像以其較高的時(shí)間分辨率，為研究雷電這種快速放電事件提供了重要手段。圖6是2009年利用高速攝像系統(tǒng)拍攝到的一次人工引雷0902上行正先導(dǎo)的發(fā)展過程，兩幅之間的時(shí)間間隔為167μs，據(jù)此推算得到的上行先導(dǎo)發(fā)展速度約為0.96×105m／s。呂偉濤等（2007）曾經(jīng)利用2000幅／秒的高速攝像對空中引雷0504上行先導(dǎo)的發(fā)展過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在初始階段上行正先導(dǎo)的二維速度為3.8×104～5.5×104m／s，當(dāng)鋼絲下端接地后，上行正先導(dǎo)的速度為1.6×105～2.0×105m／s，0902上行正先導(dǎo)發(fā)展速度介于二者之間。
圖6 利用高速攝像系統(tǒng)拍攝到的人工引發(fā)雷電0902的上行正先導(dǎo)發(fā)展過程Fig.6 The development of upward positive leaders of triggered flash 0902obtained from high－speed camera images
Rakov et al.（2001）將云對地閃電的電荷轉(zhuǎn)移過程大致分為三類：先導(dǎo)—回?fù)暨^程、連續(xù)電流過程和M分量過程。先導(dǎo)—回?fù)暨^程是目前人們研究最多也是了解最多的放電過程。連續(xù)電流是在閃電回?fù)糁笱亻W電通道持續(xù)的云對地放電過程，而M分量則是疊加在連續(xù)電流上的脈沖過程，并使閃電通道的發(fā)光亮度發(fā)生瞬間增強(qiáng)。相對于連續(xù)電流而言，先導(dǎo)—回?fù)暨^程和M分量過程都是持續(xù)時(shí)間比較短而峰值電流比較大的放電過程。通常情況下，M分量電流幅值僅有幾百安培 （Thottappillil et al.，1995），僅有少數(shù)M分量的峰值電流可達(dá)到幾千安培量級 （Rakov et al.，1998）。山東0902人工觸發(fā)閃電包含了7次峰值電流達(dá)到幾千安倍量級的與M分量有關(guān)的放電事件，電流脈沖峰值最大為7.0kA。強(qiáng)烈的M分量可以具有與回?fù)粝喈?dāng)?shù)碾娏鞣逯?、中和電荷量以及作用積分 （Qie et al.，2011），是十分罕見的強(qiáng)烈M分量放電事件。蔣如斌等 （2010）利用通道底部電流、電場以及高速攝像資料，分析了其中6次強(qiáng)M分量的波形特征，并利用Rakov et al.（1995）提出的 “雙波”理論進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)M分量的電流脈沖峰值都滯后于電場峰值，且電場脈沖峰值都滯后于電流開始的時(shí)間，數(shù)值模擬認(rèn)為大M分量基本上可以由雙波理論來解釋，即起始于由上向下發(fā)展的入射過程，該過程在接地后仍繼續(xù)發(fā)展增強(qiáng)，并在地面發(fā)生反射過程，但是下行過程和反射過程的相互作用可能隨高度而變化。Wang et al.（2010）基于電流和高速攝像資料對引發(fā)雷電0902所包含的26個(gè)M分量的特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)M分量的發(fā)光呈對稱分布，回?fù)羟巴ǖ赖撞看嬖诳商綔y到的微弱發(fā)光，預(yù)示著在回?fù)舭l(fā)生之前通道底部仍可能有連續(xù)電流存在。
4 總結(jié)和討論
2005～2010年夏季，山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)（SHATLE）共成功引發(fā)負(fù)極性雷電22次，包含大電流回?fù)暨^程88次。通過實(shí)驗(yàn)觀測獲取了一批人工觸發(fā)閃電通道底部電流直接測量資料、同步近距離電磁場和高速攝像觀測資料。對36次實(shí)測回?fù)綦娏鞯慕y(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，回?fù)舴逯惦娏鞯膸缀纹骄禐?2.1kA，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA。回?fù)綦娏鞑ㄐ蔚陌敕鍖挾确秶?～68μs之間，電流10%～90%峰值的上升時(shí)間幾何平均值為1.9μs，中和電荷量為0.86C，作用積分 （action integral）為2.6×103A2·s。人工觸發(fā)閃電峰值電流約16.5kA的回?fù)粼?0m處產(chǎn)生的電場變化可達(dá)56.0kV／m，60m處的磁場幾何平均值為52μT。利用高速攝像和電流、近距離電磁場的同步觀測對閃電放電過程，特別是大電流云地電荷轉(zhuǎn)移過程——回?fù)艉蚆分量的研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)烈的M分量可以具有與回?fù)粝喈?dāng)?shù)碾娏鞣逯?、中和電荷量以及作用積分 （action integral）。人工引雷初始階段上行正先導(dǎo)的發(fā)展速度約為0.96×105m／s。
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)自2005年夏季實(shí)施6年來，引雷火箭由箭體較重的不銹鋼火箭改進(jìn)為以新型復(fù)合材料為箭體的新一代引雷專用火箭，點(diǎn)火系統(tǒng)由原來的氣動(dòng)點(diǎn)火發(fā)展為光纖點(diǎn)火，使得引雷的成功率大大提高。雷電流傳感器、電磁場傳感器、資料的光纖傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)、雷電高速攝像系統(tǒng)等設(shè)備也都進(jìn)行了較大改進(jìn)。目前，人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)設(shè)施已經(jīng)比較完善，為獲取高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)提供了保障。今后將進(jìn)一步改善近距離電磁場測量系統(tǒng)，并補(bǔ)充多距離觀測，以了解雷電電磁波的傳輸特征和沿地表的衰減特征。同時(shí)將繼續(xù)改進(jìn)高能粒子觀測設(shè)備，以研究高能粒子與閃電過程的關(guān)系。
致謝感謝山東省氣象局、濱州市氣象局和沾化縣氣象局對實(shí)驗(yàn)的大力支持；感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所、中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、山東省防雷中心、南京信息工程大學(xué)、中國氣象科學(xué)研究院和成都信息工程學(xué)院參加野外實(shí)驗(yàn)的全體人員。
（References）
Chen M，Watanabe T，Takagi N，et al.2003.Simultaneous observations of optical and electrical signals in altitude－triggered negative lightning flashes［J］.J.Geophys.Res.，108（D8），doi：10.1029／2002JD002676.
Crawford D.1998. Multiple－station measurements of triggered lightning electric and magnetic fields［D］.Masters thesis，University of Florida.，Gainesville.
Depasse P.1994.Statistics on artificially triggered lightning［J］.J.Geophys.Res.，99（D9）：18515－518522.
Fieux R，Gary C，Hubert P.1975.Artificially triggered lightning above land［J］.Nature，257：212－214.
Fisher R J，Shnetzer G H，Thottapillil R，et al.1993.Parameters of triggered－lightning flashes in Florida and Alabama［J］.J.Geophys.Res.，72：22887－22902.
蔣如斌，郄秀書，王彩霞，等.2011.峰值電流達(dá)幾千安量級的閃電M分量放電特征及機(jī)制探討 ［J］.物理學(xué)報(bào)，60（7）：079201.Jiang Rubin，Qie Xiushu，Wang Caixia，et al.2010.Lightning M－components with peak currents of kilo amperes and their Mechanism ［J］.Acta Physica Sinica（in Chinese），60（7）：079201.
Horii K.1982.Experiment of artificial lightning triggered with rocket［C］∥Memoirs of the Faculty of Engineering.Nagoya Univ.Japan，34，77－112.
Lalande P，Bondiou－Clergerie A，Laroche P.et al.1998.Leader properties determined with triggered lightning techniques［J］.J.Geophys.Res.，103：14109－14115.
Liu X，Wang C，Zhang Y，et al.1994.Experiment of artificially triggering lightning in China［J］.J.Geophys.Res.，99 （D5）：10727－10731.
劉欣生，郭昌明，肖慶復(fù)，等.1990.人工引發(fā)雷電試驗(yàn)及其特征的初步分析 ［J］.高原氣象，9（1）：64－73. Liu Xinsheng，Guo Changming，Xiao Qingfu，et al.1990.Experiment of atrificially triggered lightning and preliminary analysis of its discharge characteristics［J］.Plateau Meteorology（in Chinese），9（1）：64－73.
呂偉濤，張義軍，周秀驥，等.2007.火箭觸發(fā)閃電通道的亮度特征分析 ［J］.氣象學(xué)報(bào)，65（6）：983－993. LüWeitao，Zhang Yijun，Zhou Xiuji，et al.2007.Analysis of channel luminosity characteristics in rocket－triggered lightning ［J］.Acta Meterologica Sinica（in Chinese），65（6）：983－993.
郄秀書，劉欣生，余曄，等.1998.地面電暈離子對空中引雷始發(fā)過程的影響 ［J］.高原氣象，17（1）：84－94. Qie Xiushu，Liu Xinsheng，Yu Ye，et al.1998.Influence of corona ions near the ground on the initiation of altitude triggering lightning［J］.Plateau Meteorology（in Chinese），17（1）：84－94.
郄秀書，張其林，周筠珺，等.2007.兩次強(qiáng)雷暴系統(tǒng)中雷電的人工引發(fā)及其特征放電參量的測量與估算 ［J］.中國科學(xué) （D輯），37（4）：564－572. Qie Xiushu，Zhang Qilin，Zhou Yunjun，et al.2007.Artifically triggered lightning and its characteristic discharge parameters in two severe thunderstorms［J］.Science in China（Ser.D），50（8）：1241－1250.
Qie X，Zhao Y，Zhang Q，et al.2009.Characteristics of triggered lightning during Shandong artificial triggering lightning experiment（SHATLE）［J］.Atmos.Res.，91：310－315.
郄秀書，楊靜，蔣如斌，等.2010.新型人工引雷專用火箭及其首次引雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ［J］.大氣科學(xué)，34（5）：937－946. Qie Xiushu，Yang Jing，Jiang Rubin，et al.2010.A new－model rocket for artificially triggering lightning and its first triggering lightning experiment［J］.Chinese J.Atmos.Sci.，（in Chinese），34 （5）：937－946.
Qie X S，Jiang R B，Wang C X，et al.2011.Simultaneously measured current，luminosity，and electric field pulses in a rocket－triggered lightning flash［J］.J.Geophys.Res.，116，D10102，doi：10.1029／2010JD015331.
Rakov V A，Thottappillil R，Uman M A.1995.Macheanism of the lightning M component ［J］.J.Geophys.Res.，100 （D12）：25701－25710.
Rakov V A，Uman M A，Rambo K J，et al.1998.New insights into lightning processes gained from triggered－lightning experiments in Florida and Alabama ［J］.J.Geophys.Res.，103 （D12）：14117－14130.
Rakov V A，Crawford D E，Rambo K J，et al.2001.M－component mode of charge transfer to ground in lightning discharges［J］.J.Geophys.Res.，106：22817－22831.
Rakov V A，Uman M A，Rambo K J.2005.A review of ten years of triggered－lightning experimets at Camp Blanding，F(xiàn)lorida［J］.Atmos.Res.，76：503－517.
Saba M M F，Pinto O Jr，Solórzano N N，et al.2005.Lightning current observation of an altitude－triggered flash ［J］.Atmos.Res.，76：402－411.
Schoene J，Uman M A，Rakov V A，et al.2003.Test of the transmission line model and the traveling current source model with triggered lightning return strokes at very close range［J］.J.Geophys.Res.，108，4737，doi：10.1029／2003JD003683.
Schoene J，Uman M A，Rakov V A，et al.2009.Characterization of return－stroke currents in rocket－triggered lightning ［J］.J.Geophys.Res.，114，D03106，doi：10.1029／2008JD009873.
Thottappillil R，Goldberg J D，Rakov V A，et al.1995.Properties of M components from currents measured at triggered lightning channel base［J］.J.Geophys.Res.，100：25711－25720.
Uman M A，Rakov V A，Schnetzer G H，et al.2000.Time derivative of the electric field 10，14and 30mfrom triggered lightning strokes［J］.J.Geophys.Res.，105（D12）：15577－15595.
Wang C，Qie X，Yang J，et al.2010.The luminosity and current characteristics of M－component from triggered－lightning in Shandong［C］.2010Asia－Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1303－0306.
Wang D，Rakov V A，Uman M A，et al.1999.Characterization of the initial stage of negative rocket－triggered lightning ［J］.J.Geophys.Res.，104（D4）：4213－4222.
夏雨人，肖慶復(fù)，呂永振.1979.人工觸發(fā)閃電的試驗(yàn)研究 ［J］.大氣科學(xué)，3（1）：94－97.Xia Yuren，Xiao Qingfu，LüYongzhen.1979.The experiment study of the artificial triggering of lightning［J］.Chinese J.Atmos.Sci.（in Chinese），3（1）：94－97.
楊靜，郄秀書，張其林，等.2006.人工觸發(fā)閃電直竄先導(dǎo)－回?fù)舴烹妳⒘康墓浪?［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，26 （25）：125－130.Yang Jing，Qie Xiushu，Zhang Qilin，et al.2006.Parameters of dart－leader return stroke in artificially－triggered lightning ［J］.Proceedings of the CSEE（in Chinese），26（25）：125－130.
Yang J，Qie X S，Zhang G S，et al.2008.Magnetic field measuring system and current retrieval in artificially triggering lightning experiment ［J］. Radio.Sci.，43， RS2011，doi：10.1029／2007RS003753.
Yang J，Qie X S，Zhang Q L，et al.2009.Comparative analysis of the initial stage in two artificially－triggered lightning flashes［J］.Atmos.Res.，91：393－398.
Yang J，Qie X S，Zhang G S，et al.2010a.Characteristics of channel base currents and close magnetic fields in triggered flashes in SHATLE［J］.J.Geophys.Res.，115，D23102，doi：10.1029／2010JD014420.
Yang J，Wang J，Zhao Y，et al.2010b.Observation of ground potential rise caused by artificially－triggered lightning ［C］.2010 Asia－Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1297－1300.
張其林，郄秀書，周筠珺，等.2006.人工引發(fā)雷電先導(dǎo)－回?fù)暨^程的電場變化特征 ［J］.強(qiáng)激光與粒子束，18（12）：2004－2010.Zhang Qilin，Qie Xiushu，Zhou Yunjun，et al.2006.Electric field characteristics of leader and return in triggered lightning［J］.High Power Laser and Particle Beams（in Chinese），18 （12）：2004－2010.
張其林，郄秀書，孔祥貞，等.2007.人工引發(fā)閃電和自然閃電回?fù)綦娏鞑ㄐ蔚膶Ρ确治?［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，27（6）：67－71.Zhang Qilin，Qie Xiushu，Kong Xiangzhen，et al.2007.Comparative analysis of return stroke current of triggered and natural lightning flashes［J］.Proceedings of the CSEE （in Chinese），27（6）：67－71.
Zhang Q L，Qie X S，Wang Z H，et al.2009.Simultaneous observation on electric field changes at 60mand 550mfrom altitudetriggered lightning flashes［J］.Radio.Sci.，44，RS1011，doi：10.1029／2008RS003866.
張義軍，董萬勝，張廣庶，等.2003.空中人工引發(fā)雷電先導(dǎo)過程的特征分析 ［J］.地球物理學(xué)報(bào)，46（4）：446－449. Zhang Yijun，Dong Wansheng，Zhang Guangshu，et al.2003.Characteristics of the leading processs to the artificial induced lightning in the air［J］.Chinese J.Geophys.（in Chinese），46（4）：446－449.
趙陽，郄秀書，孔祥貞，等.2009.人工觸發(fā)閃電電流波形特征參數(shù)分析 ［J］.物 理 學(xué) 報(bào)，58 （9）：6616－6626. Zhao Yang，Qie Xiushu，Kong Xiangzhen，et al.2009.Analysis on the parameters of the current waveforms of triggered lightning ［J］.Acta Physica Sinica（in Chinese），58（9）：6616－6626.
圖1 （a）法拉第籠及周圍的火箭發(fā)射架；（b）法拉第籠內(nèi)的雷電流測量設(shè)備Pearson線圈；（c）法拉第籠內(nèi)的雷電流測量設(shè)備同軸分流器。（b、c）藍(lán)色盒子為數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)Fig.1 （a）Faraday cage surrounded by the rocket launchers；（b）Pearson coil in the Faraday cage；（c）shunt in the Faraday cage.The blue box in（b）and（c）is a fiber optical transmitter unit
圖5 引發(fā)雷電0902通道底部 （a）第2次和 （b）第4次回?fù)綦娏髋c對應(yīng)的30m處的箭式先導(dǎo)—回?fù)暨^程在地面產(chǎn)生的垂直電場變化波形Fig.5 Waveforms of channel base currents and electric fields at 30mfor triggered flash 0902：（a）The second return stroke；（b）the fourth return stroke
Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment and Current Characterization of Return Stroke
QIE Xiushu1，YANG Jing1，JIANG Rubin1，WANG Caixia1，F(xiàn)ENG Guili2，WU Shujun3，and ZHANG Guangshu4
1KeyLaboratoryofMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentObservation，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029
2ShandongResearchInstituteofMeteorology，Jinan250031
3BinzhouMeteorologyBureau，Binzhou256612
4ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou730000
Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment（SHATLE）has been conducted continuously since the summer of 2005.During the six years from 2005to 2010，twenty－two negative lightning flashes containing eighty－eight return strokes were successfully triggered.Channel base currents，close electromagnetic fields，and high－speed camera images were obtained simultaneously for some of the strokes.Based on directly measured currents for thirty－six return strokes，the geometric mean of return stroke peak current was about 12.1kA with a max－imum of 41.6kA and a minimum of 4.4kA，the half peak width of current varied from 1to 68μs，and the geometric mean values of 10%－90%risetime，charge transfer，and action integral were about 1.9μs，0.86C，and 2.6×103A2·s，respectively.The surface electric field at 30maway from the discharge channel caused by a return stroke with peak current of 16.5kA reached 111.9kV／m.The geometric mean of magnetic field at 60maway from the discharge channel was about 52μT.The peak current and charge transfer of some large M components were comparable with those of return stroke.The speed of upward positive leaders in the initial stage of triggered flashes was about 0.96×105m／s.
artificially triggered lightning，return stroke，discharge current，close electromagnetic field，optical characteristics
1006－9895（2012）01－0077－12
P427
A
郄秀書，楊靜，蔣如斌，等.2012.山東人工引發(fā)雷電綜合觀測實(shí)驗(yàn)及回?fù)綦娏魈卣鳎跩］.大氣科學(xué)，36（1）：77－88.Qie Xiushu，Yang Jing，Jiang Rubin，et al.2012.Shandong artificially triggering lightning experiment and current characterization of return stroke［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（1）：77－88.
2010－12－07，2011－05－15收修定稿
中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目KZCX2－YW－206，國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41175002、40930949，中國科學(xué)院 “百人計(jì)劃”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)
郄秀書，女，1963年出生，研究員，主要從事閃電物理與雷暴電學(xué)研究。E－mail：qiex＠m(xù)ail.iap.ac.cn
猜你喜歡
巧用對稱法 妙解電場題中學(xué)生數(shù)理化(高中版.高考理化)(2021年11期)2022-01-18 05:46:08 雨天防雷電要選對雨傘中老年保健(2021年5期)2021-08-24 07:08:30 雷電小學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo)(低年級)(2019年5期)2019-04-29 09:11:00 飛出去吧，火箭！少兒科學(xué)周刊·兒童版(2017年1期)2017-03-29 13:33:34 運(yùn)載火箭少兒科學(xué)周刊·兒童版(2017年1期)2017-03-29 13:28:46 電場強(qiáng)度單個(gè)表達(dá)的比較新高考·高一物理(2016年7期)2017-01-23 02:52:50 計(jì)算機(jī)機(jī)房的雷電防護(hù)中國市場(2016年45期)2016-05-17 05:15:53 透視奇妙的火箭小朋友·快樂手工(2016年5期)2016-05-14 17:18:34 電場中六個(gè)常見物理量的大小比較中學(xué)生數(shù)理化·高二版(2016年9期)2016-05-14 13:19:35 超酷的火箭小朋友·快樂手工(2015年10期)2015-11-02 00:25:26
郄秀書 楊靜 蔣如斌 王彩霞 馮桂力 吳書君 張廣庶
1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029
2 山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031
3 山東省濱州市氣象局，濱州 256600
4 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000
山東人工引發(fā)雷電綜合觀測實(shí)驗(yàn)及回?fù)綦娏魈卣?/p>
郄秀書1楊靜1蔣如斌1王彩霞1馮桂力2吳書君3張廣庶4
1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029
2 山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031
3 山東省濱州市氣象局，濱州 256600
4 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn) （SHATLE）自2005年開始，六年來共成功引發(fā)負(fù)極性雷電22次，包含大電流回?fù)暨^程88次，實(shí)驗(yàn)獲取了包括雷電放電通道底部電流、近距離電磁場、高速攝像等在內(nèi)的高質(zhì)量同步觀測資料。對36次實(shí)測回?fù)綦娏鞯慕y(tǒng)計(jì)分析表明，回?fù)舴逯惦娏鞯膸缀纹骄禐?2.1kA，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA?；?fù)綦娏鞑ㄐ蔚陌敕逯祵挾确秶?～68μs之間，電流10%～90%峰值的上升時(shí)間幾何平均值為1.9μs，中和電荷量為0.86C，作用積分（action integral，或稱比能量）為2.6×103A2·s。人工觸發(fā)閃電峰值電流約16.5kA的回?fù)粼?0m處產(chǎn)生的電場變化可達(dá)56.0kV／m，60m處的磁場幾何平均值為52μT。一些強(qiáng)烈的M分量可以具有與回?fù)粝喈?dāng)?shù)碾娏鞣逯岛椭泻碗姾闪?。人工引雷初始階段上行正先導(dǎo)的發(fā)展速度約為0.96×105m／s。
人工引發(fā)雷電 回?fù)?放電電流 近距離電磁場 光學(xué)特征
1 引言
隨著現(xiàn)代社會(huì)電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，雷電造成的危害日趨增加，如何對電子設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的雷電防護(hù)成為現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)亟待解決的問題。雷電放電電流和近距離電磁場不僅是進(jìn)行科學(xué)的雷電防護(hù)所必需了解的關(guān)鍵參量，而且對雷電物理過程及雷電與地面物體相互作用機(jī)理的研究也十分重要。自然雷電由于發(fā)生的時(shí)空隨機(jī)性，對其進(jìn)行直接測量十分困難。20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的人工引發(fā)雷電技術(shù)可以使雷電在一定的時(shí)空可控范圍內(nèi)發(fā)生，從而為雷電放電通道底部電流和近距離電磁場的同步測量提供了條件，對此國內(nèi)外已有大量的研究成果 （如：Fieux et al.，1975；Horii，1982；Liu et al.，1994；Wang et al.，1999；Uman et al.，2000；張義軍等，2003；Rakov et al.，2005；郄秀書等，2007；Schoene et al.，2009；Yang et al.，2010a）。目前較為成熟的人工引發(fā)雷電技術(shù)是火箭—導(dǎo)線技術(shù)，即在合適的雷暴起電條件下，向雷暴云發(fā)射拖帶細(xì)金屬導(dǎo)線的小火箭從而引發(fā)雷電。根據(jù)火箭拖帶的導(dǎo)線與地面連接方式的不同，又分為傳統(tǒng)引發(fā)和空中引發(fā)兩種方式。傳統(tǒng)引發(fā)方式是火箭拖帶的導(dǎo)線通過引流桿與大地直接相連 （引雷導(dǎo)線下端直接與接地的引流桿相連，上端接引雷火箭）；空中引發(fā)方式中火箭拖帶的導(dǎo)線通過一段尼龍線與引流桿相連，空中引發(fā)方式可以更好地模擬自然雷電的下行先導(dǎo)過程。
我國早在1977年就曾利用防雹土火箭開展了人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn) （夏雨人等，1979），1989年中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 （原蘭州高原大氣物理研究所）研制了人工引雷專用火箭，并在甘肅永登引雷成功 （劉欣生等，1990）。自1989年起，又先后在北京、江西、上海、廣東、山東等地引雷成功，得到了人工引發(fā)雷電的基本過程以及南、北方人工引發(fā)雷電的差別等一批研究成果 （如：Liu et al.，1994；郄秀書等，1998；Chen et al.，2003；張義軍等，2003），并實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)和空中兩種引雷方式?；鸺鶖y帶的導(dǎo)線與引流桿之間連接方式的不同會(huì)導(dǎo)致放電過程的差異。在空中引雷方式中，我國采用的尼龍線長度一般是80m左右，而法國采用的尼龍線長度則為400m（Lalande et al.，1998）。在2005年以前，我國傳統(tǒng)引雷實(shí)驗(yàn)中引雷導(dǎo)線與引流桿之間連接了一段5m的尼龍線，5m尼龍線的長度遠(yuǎn)小于空中引發(fā)雷電所需的尼龍線長度。Yang et al.（2009）對連接有5m尼龍線的引發(fā)雷電和傳統(tǒng)引發(fā)雷電導(dǎo)致的放電過程差異進(jìn)行了細(xì)致分析。連接5m尼龍線的引發(fā)雷電電流波形與Wang et al.（1999）得到的美國Florida的電流波形類似，但是放電過程初始階段卻不同。Wang et al.（1999）認(rèn)為電流波形中的初始大脈沖是由導(dǎo)線熔化產(chǎn)生的，而接有5m尼龍線引發(fā)雷電波形中的初始大脈沖由5m空氣間隙被擊穿導(dǎo)致，導(dǎo)線熔化發(fā)生在連續(xù)電流階段。
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn) （Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment，簡稱SHATLE）自2005年夏季開始 （楊靜等，2006；郄秀書等，2007），實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山東濱州地區(qū)，該地區(qū)位于南北天氣系統(tǒng)的交匯處，夏季常有十分強(qiáng)烈的雷暴系統(tǒng)過境。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面：
（1）測量雷電流波形和極近距離上的電磁場，為雷電防護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
（2）研究雷電的電磁輻射和傳播效應(yīng)及其與雷電流的關(guān)系；
（3）研究雷電的物理過程和雷擊機(jī)理；
（4）研究雷電與云動(dòng)力過程和降水過程的關(guān)系；
（5）研究雷電產(chǎn)生的高能輻射及機(jī)理；
（6）研究雷電對電子設(shè)備的影響。
2005～2010年期間，所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)升級更新，性能逐步提高，目前已形成了較為完善的人工引雷實(shí)驗(yàn)設(shè)施和高性能的測量設(shè)備，以此為基礎(chǔ)，獲取了通道底部完整的雷電流波形及同步近距離電磁場和光學(xué)觀測數(shù)據(jù)。本文對山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)6年期間的實(shí)驗(yàn)情況和主要研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。
2 實(shí)驗(yàn)介紹
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)主要觀測項(xiàng)目包括通道底部雷電流、近距離電場、磁場、高速攝像光學(xué)觀測等，濱州市氣象局的多普勒天氣雷達(dá)為引雷實(shí)驗(yàn)提供參考。實(shí)驗(yàn)設(shè)有2個(gè)觀測點(diǎn) （Qie et al.，2009），一個(gè)是近距離觀測點(diǎn)，在距離火箭發(fā)射架30m和60m處都架設(shè)有觀測設(shè)備；另外一個(gè)是遠(yuǎn)距離觀測點(diǎn)，即主觀測點(diǎn)，與火箭發(fā)射架的距離一般在1000m以內(nèi)；引雷發(fā)射控制室設(shè)在60～70m處?；鸺l(fā)射架共有8個(gè)，環(huán)繞在引雷桿 （引流桿）四周 ［圖1（見文后彩圖）］。性能良好的引雷火箭是開展人工引雷實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。2005至2008年期間，沿用中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所引雷火箭，箭體為不銹鋼金屬材料，整個(gè)火箭重約5kg。2008年中國科學(xué)院大氣物理研究所與中國航天總公司陜西中天火箭技術(shù)有限責(zé)任公司合作，研制開發(fā)了新型人工引發(fā)雷電專用火箭，該火箭采用新型復(fù)合材料，使箭體重量減少到2.4kg，從而具備了更高的安全性，有關(guān)新火箭的詳細(xì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可參見郄秀書等 （2010）。另外，火箭發(fā)射點(diǎn)火技術(shù)也是人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。2005～2007年期間，發(fā)射火箭采用氣動(dòng)點(diǎn)火方式。2008～2010年，采用了光纖點(diǎn)火方式①王懷斌，人工誘發(fā)雷電火箭光纖發(fā)控點(diǎn)火系統(tǒng)，專利申請?zhí)枺?00410073342.2。，提高了火箭發(fā)射的可靠性，并降低了點(diǎn)火延遲時(shí)間，為引雷時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確把握提供了保障。在山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)中，采用了導(dǎo)線與引流桿直接相連的傳統(tǒng)引發(fā)和空中引發(fā)兩種方式。
2005～2008年，雷電流的測量采用兩種方式，一是使用2個(gè)帶寬為300Hz～1MHz的Rogowski線圈，量程分別為2kA和100kA，用于測量不同強(qiáng)度的電流。同時(shí)，德國生產(chǎn)的電阻值為1mΩ的同軸分流器也用于電流的直接測量，其可測量的最大電流為100kA，記錄系統(tǒng)采用8通道DL708高速數(shù)字化示波器，采樣頻率設(shè)定為1MHz（郄秀書等，2007；趙陽等，2009）。2009年，雷電流測量采用了直接和間接兩種方式，直接測量使用帶寬為3.2MHz、阻值為0.5mΩ的同軸分流器，間接測量使用帶寬為0.9Hz～1.5MHz的Pearson線圈（參見圖1）；信號傳輸采用ISOBE5600光纖系統(tǒng)，該系統(tǒng)共包括4個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)，帶寬為直流到20MHz（Yang et al.，2010a）。2010年，為了更好地測量通道底部電流中的小信號，新購置了阻值為5mΩ的同軸分流器，信號傳輸仍采用2009年的光纖系統(tǒng)。2009～2010年，電流信號的采樣率都是10MHz，記錄設(shè)備為16通道高速數(shù)字化示波器DL750。
2005～2008年期間，近距離電、磁場的測量設(shè)在距火箭發(fā)射架60m處，遠(yuǎn)距離電場的測量設(shè)在距火箭發(fā)射架550m處的主觀測點(diǎn)。2009～2010年，近距離電場的測量分別設(shè)在距離火箭發(fā)射架30m和60m處，在距離火箭發(fā)射架60m處仍設(shè)有磁場測量，遠(yuǎn)距離電、磁場仍然設(shè)在距離火箭發(fā)射架550m處的主觀測點(diǎn)。2005～2010年，閃電產(chǎn)生電場變化的測量均采用平板天線型快、慢電場變化測量儀，所不同的是，2005～2008年，快、慢電場變化測量儀的帶寬分別為5MHz和2MHz，時(shí)間常數(shù)分別為2ms和6s，以2.5MHz采樣率記錄到計(jì)算機(jī)上 （趙陽等，2009）；2009年，快、慢電場變化測量儀的帶寬分別為5MHz和2MHz，時(shí)間常數(shù)分別為1ms和6s，采樣率提高為5MHz（郄秀書等，2010）。為了更好地反映閃電產(chǎn)生的電場變化，2010年，快、慢電場變化測量儀的帶寬為5MHz和2MHz，時(shí)間常數(shù)改為1ms和3s，記錄采樣率仍為5MHz。采用大氣平均電場儀實(shí)現(xiàn)對雷暴電場的連續(xù)監(jiān)測，其電場大小是火箭發(fā)射的重要參考。2005～2008年磁場和電流信號同時(shí)記錄在示波器上，因此，采樣率和電流信號的采樣率相同。2009～2010年，磁場與電場信號一起記錄，二者采樣率相同。有關(guān)磁場測量系統(tǒng)的詳細(xì)介紹和其標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可參見 （Yang et al.，2008）。
高速攝像系統(tǒng)是詳細(xì)記錄閃電通道發(fā)展演化的重要手段。2005～2007年，所用高速攝像系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為1000幅／秒。2008年引進(jìn)了Photron公司生產(chǎn)的高速攝像系統(tǒng)FAST Camera SA1，其時(shí)間分辨率最高可達(dá)到150000幅／秒，在1024×1024像素分辨率情況下，時(shí)間分辨率可以達(dá)到5400幅／秒。2009年引雷實(shí)驗(yàn)中高速攝像的時(shí)間分辨率設(shè)為6000幅／秒，2010年為10000幅／秒。
表1 2005～2010年山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)總體情況Table 1 Basic features of the triggered flashes in the SHATLE during 2005－2010
3 結(jié)果和分析
在SHATLE 2005～2010年期間，共成功引發(fā)雷電22次，其中18次為傳統(tǒng)引發(fā)，4次為空中引發(fā)，共包含88次大電流回?fù)暨^程，所有回?fù)艟鶎⒃苾?nèi)的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到地面。表1給出了2005～2010年引發(fā)雷電的總體情況。22次引發(fā)雷電中，持續(xù)時(shí)間最長為1900.0ms，最短為145.5ms，其中3次只有初始連續(xù)電流過程而無回?fù)暨^程。包含回?fù)暨^程的19次閃電中，回?fù)魯?shù)分布在1～11次之間。從表1可以看出，在同一次雷暴過程中，相鄰兩次引發(fā)雷電的時(shí)間間隔比較小，最短為144s，最長為938s，這表明如果在某一時(shí)段內(nèi)時(shí)機(jī)合適，則能夠連續(xù)引發(fā)雷電成功?；诒?中的觀測數(shù)據(jù)，從通道底部雷電流、近距離電磁場和光學(xué)特征等幾個(gè)方面對引發(fā)雷電進(jìn)行討論。
3.1 人工引發(fā)雷電通道底部電流波形特征
2005～2010年實(shí)驗(yàn)期間，共直接測量到36次回?fù)暨^程的電流波形，圖2是2010年8月20日測量到的觸發(fā)閃電1004的雷電流波形，由初始連續(xù)電流 （ICC）過程和9次回?fù)?（RS）過程組成，9次回?fù)舻姆逯惦娏鞣植荚?.4kA到15.2kA之間。對36次回?fù)暨^程的電流波形特征參量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，包括：回?fù)綦娏鞣逯?，半峰值寬度?0%～90%上升時(shí)間，回?fù)粼?ms內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量，相應(yīng)參量的定義方法參見圖3。值得注意的是，本文統(tǒng)計(jì)的轉(zhuǎn)移電荷量是1ms內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量，為顯示清楚，圖2中轉(zhuǎn)移電荷量部分未畫到1ms。此外，還統(tǒng)計(jì)了回?fù)舫掷m(xù)時(shí)間，回?fù)糸g隔，電流波形10%～90%上升陡度，電流30%～90%上升時(shí)間，回?fù)粼?ms內(nèi)的作用積分 （action integral，或稱比能量），這些參量的定義方法與Fisher et al.（1993）相同，限于文章篇幅，這些參量定義圖將不再給出。
圖2 2010年8月20日測量到的觸發(fā)閃電1004的雷電流波形：（a）整體波形；（b）R4的時(shí)間展開圖；（c）R5的時(shí)間展開圖Fig.2 The current waveforms of triggered flash 1004measured on 20Aug 2010：（a）Overall current waveform；（b）time－expanded waveform of R4；（c）time－expanded waveform of R5
圖3 回?fù)綦娏鞑ㄐ螀?shù)定義：（a）回?fù)舴逯惦娏鳎唬╞）回?fù)?0%～90%上升時(shí)間；（c）半峰值寬度；（d）1ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷量Fig.3 Definitions of the parameters of channel base current.The following return－stroke current parameters are illustrated：（a）peak current，（b）10%－90%risetime，（c）half－peak width，and（d）charge transfer
表2給出了SHATLE 2005～2010年所獲取的電流波形特征參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及和其他作者的比較。為了對波形特征參量的分布規(guī)律有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，圖4給出了這些參量的柱狀分布圖。從表2中可以看出，回?fù)綦娏鞣逯档姆植挤秶軓V，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA，幾何平均值為12.1kA，除了比Schoene et al.（2003）所得的結(jié)果偏小之外，本文所得結(jié)果與絕大多數(shù)作者得到的回?fù)綦娏鞣逯殿愃?，尤其與Schoene et al.（2009）利用165個(gè)樣本得到的回?fù)綦娏鲙缀纹骄?2.2kA接近。實(shí)測回?fù)綦娏鞣逯档淖畲笾禐?1.6kA，與巴西一次空中引發(fā)雷電回?fù)綦娏鞣逯档淖畲笾?4kA 接近 （Saba et al.，2005）。趙陽等 （2009）和Yang et al.，（2010a）曾分別對2005～2008年實(shí)測資料和2005～2009年近距離磁場反演資料對雷電流波形特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。值得注意的是，Yang et al.（2010a）利用近距離磁場反演得到的電流峰值最大值為45.7kA，本文僅利用直接測量的雷電流結(jié)果，這也是本文回?fù)綦娏鞣逯禈颖緮?shù)比Yang et al.，（2010a）少的原因。
表2 2005～2010年山東人工引發(fā)雷電電流波形特征參量以及與其他作者的比較Table 2 Comparison of current waveform parameters obtained from the SHATLE 2005－2010experiment with results from other studies
圖4 回?fù)綦娏鞑ㄐ翁卣鲄⒘恐鶢顖D：（a）電流峰值；（b）持續(xù)時(shí)間；（c）半峰值寬度；（d）回?fù)粼?ms內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量；（e）回?fù)糸g隔；（f）回?fù)粼?ms內(nèi)的作用積分 （action integral）；（g）10%～90%上升時(shí)間；（h）10%～90%上升陡度；（i）30%～90%上升時(shí)間；（j）30%～90%上升陡度Fig.4 Distributions of return stroke current waveform parameters：（a）Peak current；（b）total stroke duration；（c）half－peak widths；（d）charge transfer within 1ms；（e）interstroke interval；（f）action integral within 1ms；（g）10%－90%risetime（T－10）；（h）10%－90%front steepness（S－10）；（i）30%－90%risetime（T－30）；（j）30%－90%front steepness（S－30）
相對于其他作者而言，本文得到的電流10%～90%上升時(shí)間分布范圍較廣，其中最大值8.4μs大于Schoene et al.（2009）得到的最大值5.7μs，幾何平均值和算術(shù)平均值也都偏大，原因可能來自兩個(gè)方面，一方面可能是接地體的反射，由于實(shí)驗(yàn)中所用的引流桿并不是一個(gè)整體，而是由幾段組成，這樣在連接處必然引起反射，Schoene et al.（2009）認(rèn)為反射可能是導(dǎo)致較大上升時(shí)間的一個(gè)原因；另外一個(gè)原因可能來自Rogowski線圈的帶寬，線圈的上限截止頻率是1MHz，不能較好地反映高頻成分，這些也會(huì)對上升時(shí)間產(chǎn)生一定的影響（Yang et al.，2010a）。由電流波形特征參量分布柱狀圖可以看出，電流10%～90%上升時(shí)間分布在1～2μs與絕大多數(shù)作者得到的結(jié)果是一致的 （Depasse，1994；Schoene et al.，2009）。本文得到電流半峰值寬度的算術(shù)平均值23.7μs與Depasse（1994）和Fisher et al.（1993）相比結(jié)果偏小，但與Schoene et al.（2009）利用較多的樣本數(shù)得到的結(jié)果23μs接近。本文得到回?fù)艮D(zhuǎn)移電荷量的最小值為0.18 C，比Schoene et al.（2009）得到的最小值0.3C小。張其林等 （2007）曾對人工引發(fā)雷電回?fù)綦娏鞣逯岛妥匀焕纂娀負(fù)綦娏鞣逯颠M(jìn)行了詳細(xì)對比分析，表明人工引發(fā)雷電與自然雷電繼后回?fù)艟哂泻艽蟮南嗨菩浴?/p>
3.2 人工引發(fā)雷電的近距離電磁場及影響
自然雷電由于發(fā)生時(shí)間和位置的不確定性，很難對其近距離電磁環(huán)境進(jìn)行測量和研究。人工引發(fā)雷電由于在一定時(shí)空尺度上的可控性，為研究近距離電磁環(huán)境提供了條件。2005～2010年實(shí)驗(yàn)期間，我們利用自行研制的交叉環(huán)天線磁場測量系統(tǒng)（Yang et al.，2008）對人工引發(fā)雷電產(chǎn)生的近距離磁場進(jìn)行了測量。對48次回?fù)舻臏y量結(jié)果表明，60m處峰值磁場的幾何平均值為52μT，最小值為18μT，最大值為148μT，磁場波形10%～90%上升時(shí)間分布范圍為0.4～8.4μs，主要分布在1～2μs之間，幾何平均值和算術(shù)平均值分別為2.5μs和3.2μs（Yang et al.，2010a）。磁場半峰值寬度的幾何平均值和算術(shù)平均值分別為2μs和2.7μs，是Schoene et al.，（2003）在15m 和30m處得到磁場半峰值寬度的6倍和7倍。
圖5（見文后彩圖）給出了0902引發(fā)雷電通道底部第2次和第4次回?fù)綦娏骱蛯?yīng)的30m處的箭式先導(dǎo)—回?fù)暨^程在地面產(chǎn)生的垂直電場變化波形。兩次回?fù)舻碾娏鞣逯捣謩e為16.5kA和13.5kA，電場變化由慢天線閃電電場變化測量儀得到，呈不對稱的V形特征，V形的底部對應(yīng)先導(dǎo)的結(jié)束和回?fù)舻拈_始。圖5中兩次下行負(fù)極性直竄先導(dǎo)產(chǎn)生的電場變化分別為53.2kV／m和50.3kV／m，隨后的回?fù)暨^程產(chǎn)生的電場變化分別為111.9kV／m和52.7kV／m。郄秀書等 （2007）曾對0503雷電箭式先導(dǎo)—回?fù)暨^程在地面60m和550m處產(chǎn)生的垂直電場變化波形進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)60m和550m處的先導(dǎo)電場的幾何平均值分別為17.8kV／m和1.2kV／m，回?fù)暨^程電場變化的幾何平均值分別為16.7kV／m和1.65kV／m，先導(dǎo)電場以水平距離r－1.18衰減。張其林等 （2006）得到的60m 和550m處先導(dǎo)—回?fù)綦妶鲎兓瘜?yīng)的半峰值寬度分別為13μs和102μs，不同距離上的半峰值寬度差異可以用源電荷先導(dǎo)模式來解釋 （Zhang et al.，2009）。對比可以發(fā)現(xiàn)，在較近的距離范圍內(nèi)，電場隨距離的衰減是很快的，遺憾的是0902閃電測量中對應(yīng)的60m和遠(yuǎn)方觀測點(diǎn)的電場變化測量飽和，無法得到電場隨距離的衰減。
當(dāng)雷電擊中建筑物時(shí)，接地系統(tǒng)將雷電流導(dǎo)入大地，由于接地體接地電阻的存在，會(huì)導(dǎo)致地電位升高。在人工引雷實(shí)驗(yàn)中，引流桿相當(dāng)于接地體，接地電阻和通過接地體的電流都可以通過實(shí)驗(yàn)的方法來獲得。因此，借助人工引雷實(shí)驗(yàn)，可以研究雷電流引起的地電位升高。Yang et al.，（2010b）基于人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)獲取的通道底部電流和地電位升高觀測數(shù)據(jù)，得到峰值為41.6kA和29.6kA的回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生的地電位升高分別為302.8kV和141.3kV，地電位升高波形的下降時(shí)間和半峰值寬度遠(yuǎn)大于電流波形的相應(yīng)參量。
3.3 放電通道光學(xué)演化的高速攝像觀測和強(qiáng)M分量特征
一次雷電的持續(xù)時(shí)間非常短，用普通攝像機(jī)很難拍攝其發(fā)生發(fā)展的詳細(xì)過程。高速攝像以其較高的時(shí)間分辨率，為研究雷電這種快速放電事件提供了重要手段。圖6是2009年利用高速攝像系統(tǒng)拍攝到的一次人工引雷0902上行正先導(dǎo)的發(fā)展過程，兩幅之間的時(shí)間間隔為167μs，據(jù)此推算得到的上行先導(dǎo)發(fā)展速度約為0.96×105m／s。呂偉濤等（2007）曾經(jīng)利用2000幅／秒的高速攝像對空中引雷0504上行先導(dǎo)的發(fā)展過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在初始階段上行正先導(dǎo)的二維速度為3.8×104～5.5×104m／s，當(dāng)鋼絲下端接地后，上行正先導(dǎo)的速度為1.6×105～2.0×105m／s，0902上行正先導(dǎo)發(fā)展速度介于二者之間。
圖6 利用高速攝像系統(tǒng)拍攝到的人工引發(fā)雷電0902的上行正先導(dǎo)發(fā)展過程Fig.6 The development of upward positive leaders of triggered flash 0902obtained from high－speed camera images
Rakov et al.（2001）將云對地閃電的電荷轉(zhuǎn)移過程大致分為三類：先導(dǎo)—回?fù)暨^程、連續(xù)電流過程和M分量過程。先導(dǎo)—回?fù)暨^程是目前人們研究最多也是了解最多的放電過程。連續(xù)電流是在閃電回?fù)糁笱亻W電通道持續(xù)的云對地放電過程，而M分量則是疊加在連續(xù)電流上的脈沖過程，并使閃電通道的發(fā)光亮度發(fā)生瞬間增強(qiáng)。相對于連續(xù)電流而言，先導(dǎo)—回?fù)暨^程和M分量過程都是持續(xù)時(shí)間比較短而峰值電流比較大的放電過程。通常情況下，M分量電流幅值僅有幾百安培 （Thottappillil et al.，1995），僅有少數(shù)M分量的峰值電流可達(dá)到幾千安培量級 （Rakov et al.，1998）。山東0902人工觸發(fā)閃電包含了7次峰值電流達(dá)到幾千安倍量級的與M分量有關(guān)的放電事件，電流脈沖峰值最大為7.0kA。強(qiáng)烈的M分量可以具有與回?fù)粝喈?dāng)?shù)碾娏鞣逯?、中和電荷量以及作用積分 （Qie et al.，2011），是十分罕見的強(qiáng)烈M分量放電事件。蔣如斌等 （2010）利用通道底部電流、電場以及高速攝像資料，分析了其中6次強(qiáng)M分量的波形特征，并利用Rakov et al.（1995）提出的 “雙波”理論進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)M分量的電流脈沖峰值都滯后于電場峰值，且電場脈沖峰值都滯后于電流開始的時(shí)間，數(shù)值模擬認(rèn)為大M分量基本上可以由雙波理論來解釋，即起始于由上向下發(fā)展的入射過程，該過程在接地后仍繼續(xù)發(fā)展增強(qiáng)，并在地面發(fā)生反射過程，但是下行過程和反射過程的相互作用可能隨高度而變化。Wang et al.（2010）基于電流和高速攝像資料對引發(fā)雷電0902所包含的26個(gè)M分量的特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)M分量的發(fā)光呈對稱分布，回?fù)羟巴ǖ赖撞看嬖诳商綔y到的微弱發(fā)光，預(yù)示著在回?fù)舭l(fā)生之前通道底部仍可能有連續(xù)電流存在。
4 總結(jié)和討論
2005～2010年夏季，山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)（SHATLE）共成功引發(fā)負(fù)極性雷電22次，包含大電流回?fù)暨^程88次。通過實(shí)驗(yàn)觀測獲取了一批人工觸發(fā)閃電通道底部電流直接測量資料、同步近距離電磁場和高速攝像觀測資料。對36次實(shí)測回?fù)綦娏鞯慕y(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，回?fù)舴逯惦娏鞯膸缀纹骄禐?2.1kA，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA。回?fù)綦娏鞑ㄐ蔚陌敕鍖挾确秶?～68μs之間，電流10%～90%峰值的上升時(shí)間幾何平均值為1.9μs，中和電荷量為0.86C，作用積分 （action integral）為2.6×103A2·s。人工觸發(fā)閃電峰值電流約16.5kA的回?fù)粼?0m處產(chǎn)生的電場變化可達(dá)56.0kV／m，60m處的磁場幾何平均值為52μT。利用高速攝像和電流、近距離電磁場的同步觀測對閃電放電過程，特別是大電流云地電荷轉(zhuǎn)移過程——回?fù)艉蚆分量的研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)烈的M分量可以具有與回?fù)粝喈?dāng)?shù)碾娏鞣逯?、中和電荷量以及作用積分 （action integral）。人工引雷初始階段上行正先導(dǎo)的發(fā)展速度約為0.96×105m／s。
山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)自2005年夏季實(shí)施6年來，引雷火箭由箭體較重的不銹鋼火箭改進(jìn)為以新型復(fù)合材料為箭體的新一代引雷專用火箭，點(diǎn)火系統(tǒng)由原來的氣動(dòng)點(diǎn)火發(fā)展為光纖點(diǎn)火，使得引雷的成功率大大提高。雷電流傳感器、電磁場傳感器、資料的光纖傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)、雷電高速攝像系統(tǒng)等設(shè)備也都進(jìn)行了較大改進(jìn)。目前，人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)設(shè)施已經(jīng)比較完善，為獲取高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)提供了保障。今后將進(jìn)一步改善近距離電磁場測量系統(tǒng)，并補(bǔ)充多距離觀測，以了解雷電電磁波的傳輸特征和沿地表的衰減特征。同時(shí)將繼續(xù)改進(jìn)高能粒子觀測設(shè)備，以研究高能粒子與閃電過程的關(guān)系。
致謝感謝山東省氣象局、濱州市氣象局和沾化縣氣象局對實(shí)驗(yàn)的大力支持；感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所、中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、山東省防雷中心、南京信息工程大學(xué)、中國氣象科學(xué)研究院和成都信息工程學(xué)院參加野外實(shí)驗(yàn)的全體人員。
（References）
Chen M，Watanabe T，Takagi N，et al.2003.Simultaneous observations of optical and electrical signals in altitude－triggered negative lightning flashes［J］.J.Geophys.Res.，108（D8），doi：10.1029／2002JD002676.
Crawford D.1998. Multiple－station measurements of triggered lightning electric and magnetic fields［D］.Masters thesis，University of Florida.，Gainesville.
Depasse P.1994.Statistics on artificially triggered lightning［J］.J.Geophys.Res.，99（D9）：18515－518522.
Fieux R，Gary C，Hubert P.1975.Artificially triggered lightning above land［J］.Nature，257：212－214.
Fisher R J，Shnetzer G H，Thottapillil R，et al.1993.Parameters of triggered－lightning flashes in Florida and Alabama［J］.J.Geophys.Res.，72：22887－22902.
蔣如斌，郄秀書，王彩霞，等.2011.峰值電流達(dá)幾千安量級的閃電M分量放電特征及機(jī)制探討 ［J］.物理學(xué)報(bào)，60（7）：079201.Jiang Rubin，Qie Xiushu，Wang Caixia，et al.2010.Lightning M－components with peak currents of kilo amperes and their Mechanism ［J］.Acta Physica Sinica（in Chinese），60（7）：079201.
Horii K.1982.Experiment of artificial lightning triggered with rocket［C］∥Memoirs of the Faculty of Engineering.Nagoya Univ.Japan，34，77－112.
Lalande P，Bondiou－Clergerie A，Laroche P.et al.1998.Leader properties determined with triggered lightning techniques［J］.J.Geophys.Res.，103：14109－14115.
Liu X，Wang C，Zhang Y，et al.1994.Experiment of artificially triggering lightning in China［J］.J.Geophys.Res.，99 （D5）：10727－10731.
劉欣生，郭昌明，肖慶復(fù)，等.1990.人工引發(fā)雷電試驗(yàn)及其特征的初步分析 ［J］.高原氣象，9（1）：64－73. Liu Xinsheng，Guo Changming，Xiao Qingfu，et al.1990.Experiment of atrificially triggered lightning and preliminary analysis of its discharge characteristics［J］.Plateau Meteorology（in Chinese），9（1）：64－73.
呂偉濤，張義軍，周秀驥，等.2007.火箭觸發(fā)閃電通道的亮度特征分析 ［J］.氣象學(xué)報(bào)，65（6）：983－993. LüWeitao，Zhang Yijun，Zhou Xiuji，et al.2007.Analysis of channel luminosity characteristics in rocket－triggered lightning ［J］.Acta Meterologica Sinica（in Chinese），65（6）：983－993.
郄秀書，劉欣生，余曄，等.1998.地面電暈離子對空中引雷始發(fā)過程的影響 ［J］.高原氣象，17（1）：84－94. Qie Xiushu，Liu Xinsheng，Yu Ye，et al.1998.Influence of corona ions near the ground on the initiation of altitude triggering lightning［J］.Plateau Meteorology（in Chinese），17（1）：84－94.
郄秀書，張其林，周筠珺，等.2007.兩次強(qiáng)雷暴系統(tǒng)中雷電的人工引發(fā)及其特征放電參量的測量與估算 ［J］.中國科學(xué) （D輯），37（4）：564－572. Qie Xiushu，Zhang Qilin，Zhou Yunjun，et al.2007.Artifically triggered lightning and its characteristic discharge parameters in two severe thunderstorms［J］.Science in China（Ser.D），50（8）：1241－1250.
Qie X，Zhao Y，Zhang Q，et al.2009.Characteristics of triggered lightning during Shandong artificial triggering lightning experiment（SHATLE）［J］.Atmos.Res.，91：310－315.
郄秀書，楊靜，蔣如斌，等.2010.新型人工引雷專用火箭及其首次引雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ［J］.大氣科學(xué)，34（5）：937－946. Qie Xiushu，Yang Jing，Jiang Rubin，et al.2010.A new－model rocket for artificially triggering lightning and its first triggering lightning experiment［J］.Chinese J.Atmos.Sci.，（in Chinese），34 （5）：937－946.
Qie X S，Jiang R B，Wang C X，et al.2011.Simultaneously measured current，luminosity，and electric field pulses in a rocket－triggered lightning flash［J］.J.Geophys.Res.，116，D10102，doi：10.1029／2010JD015331.
Rakov V A，Thottappillil R，Uman M A.1995.Macheanism of the lightning M component ［J］.J.Geophys.Res.，100 （D12）：25701－25710.
Rakov V A，Uman M A，Rambo K J，et al.1998.New insights into lightning processes gained from triggered－lightning experiments in Florida and Alabama ［J］.J.Geophys.Res.，103 （D12）：14117－14130.
Rakov V A，Crawford D E，Rambo K J，et al.2001.M－component mode of charge transfer to ground in lightning discharges［J］.J.Geophys.Res.，106：22817－22831.
Rakov V A，Uman M A，Rambo K J.2005.A review of ten years of triggered－lightning experimets at Camp Blanding，F(xiàn)lorida［J］.Atmos.Res.，76：503－517.
Saba M M F，Pinto O Jr，Solórzano N N，et al.2005.Lightning current observation of an altitude－triggered flash ［J］.Atmos.Res.，76：402－411.
Schoene J，Uman M A，Rakov V A，et al.2003.Test of the transmission line model and the traveling current source model with triggered lightning return strokes at very close range［J］.J.Geophys.Res.，108，4737，doi：10.1029／2003JD003683.
Schoene J，Uman M A，Rakov V A，et al.2009.Characterization of return－stroke currents in rocket－triggered lightning ［J］.J.Geophys.Res.，114，D03106，doi：10.1029／2008JD009873.
Thottappillil R，Goldberg J D，Rakov V A，et al.1995.Properties of M components from currents measured at triggered lightning channel base［J］.J.Geophys.Res.，100：25711－25720.
Uman M A，Rakov V A，Schnetzer G H，et al.2000.Time derivative of the electric field 10，14and 30mfrom triggered lightning strokes［J］.J.Geophys.Res.，105（D12）：15577－15595.
Wang C，Qie X，Yang J，et al.2010.The luminosity and current characteristics of M－component from triggered－lightning in Shandong［C］.2010Asia－Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1303－0306.
Wang D，Rakov V A，Uman M A，et al.1999.Characterization of the initial stage of negative rocket－triggered lightning ［J］.J.Geophys.Res.，104（D4）：4213－4222.
夏雨人，肖慶復(fù)，呂永振.1979.人工觸發(fā)閃電的試驗(yàn)研究 ［J］.大氣科學(xué)，3（1）：94－97.Xia Yuren，Xiao Qingfu，LüYongzhen.1979.The experiment study of the artificial triggering of lightning［J］.Chinese J.Atmos.Sci.（in Chinese），3（1）：94－97.
楊靜，郄秀書，張其林，等.2006.人工觸發(fā)閃電直竄先導(dǎo)－回?fù)舴烹妳⒘康墓浪?［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，26 （25）：125－130.Yang Jing，Qie Xiushu，Zhang Qilin，et al.2006.Parameters of dart－leader return stroke in artificially－triggered lightning ［J］.Proceedings of the CSEE（in Chinese），26（25）：125－130.
Yang J，Qie X S，Zhang G S，et al.2008.Magnetic field measuring system and current retrieval in artificially triggering lightning experiment ［J］. Radio.Sci.，43， RS2011，doi：10.1029／2007RS003753.
Yang J，Qie X S，Zhang Q L，et al.2009.Comparative analysis of the initial stage in two artificially－triggered lightning flashes［J］.Atmos.Res.，91：393－398.
Yang J，Qie X S，Zhang G S，et al.2010a.Characteristics of channel base currents and close magnetic fields in triggered flashes in SHATLE［J］.J.Geophys.Res.，115，D23102，doi：10.1029／2010JD014420.
Yang J，Wang J，Zhao Y，et al.2010b.Observation of ground potential rise caused by artificially－triggered lightning ［C］.2010 Asia－Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1297－1300.
張其林，郄秀書，周筠珺，等.2006.人工引發(fā)雷電先導(dǎo)－回?fù)暨^程的電場變化特征 ［J］.強(qiáng)激光與粒子束，18（12）：2004－2010.Zhang Qilin，Qie Xiushu，Zhou Yunjun，et al.2006.Electric field characteristics of leader and return in triggered lightning［J］.High Power Laser and Particle Beams（in Chinese），18 （12）：2004－2010.
張其林，郄秀書，孔祥貞，等.2007.人工引發(fā)閃電和自然閃電回?fù)綦娏鞑ㄐ蔚膶Ρ确治?［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，27（6）：67－71.Zhang Qilin，Qie Xiushu，Kong Xiangzhen，et al.2007.Comparative analysis of return stroke current of triggered and natural lightning flashes［J］.Proceedings of the CSEE （in Chinese），27（6）：67－71.
Zhang Q L，Qie X S，Wang Z H，et al.2009.Simultaneous observation on electric field changes at 60mand 550mfrom altitudetriggered lightning flashes［J］.Radio.Sci.，44，RS1011，doi：10.1029／2008RS003866.
張義軍，董萬勝，張廣庶，等.2003.空中人工引發(fā)雷電先導(dǎo)過程的特征分析 ［J］.地球物理學(xué)報(bào)，46（4）：446－449. Zhang Yijun，Dong Wansheng，Zhang Guangshu，et al.2003.Characteristics of the leading processs to the artificial induced lightning in the air［J］.Chinese J.Geophys.（in Chinese），46（4）：446－449.
趙陽，郄秀書，孔祥貞，等.2009.人工觸發(fā)閃電電流波形特征參數(shù)分析 ［J］.物 理 學(xué) 報(bào)，58 （9）：6616－6626. Zhao Yang，Qie Xiushu，Kong Xiangzhen，et al.2009.Analysis on the parameters of the current waveforms of triggered lightning ［J］.Acta Physica Sinica（in Chinese），58（9）：6616－6626.
圖1 （a）法拉第籠及周圍的火箭發(fā)射架；（b）法拉第籠內(nèi)的雷電流測量設(shè)備Pearson線圈；（c）法拉第籠內(nèi)的雷電流測量設(shè)備同軸分流器。（b、c）藍(lán)色盒子為數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)Fig.1 （a）Faraday cage surrounded by the rocket launchers；（b）Pearson coil in the Faraday cage；（c）shunt in the Faraday cage.The blue box in（b）and（c）is a fiber optical transmitter unit
圖5 引發(fā)雷電0902通道底部 （a）第2次和 （b）第4次回?fù)綦娏髋c對應(yīng)的30m處的箭式先導(dǎo)—回?fù)暨^程在地面產(chǎn)生的垂直電場變化波形Fig.5 Waveforms of channel base currents and electric fields at 30mfor triggered flash 0902：（a）The second return stroke；（b）the fourth return stroke
Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment and Current Characterization of Return Stroke
QIE Xiushu1，YANG Jing1，JIANG Rubin1，WANG Caixia1，F(xiàn)ENG Guili2，WU Shujun3，and ZHANG Guangshu4
1KeyLaboratoryofMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentObservation，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029
2ShandongResearchInstituteofMeteorology，Jinan250031
3BinzhouMeteorologyBureau，Binzhou256612
4ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou730000
Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment（SHATLE）has been conducted continuously since the summer of 2005.During the six years from 2005to 2010，twenty－two negative lightning flashes containing eighty－eight return strokes were successfully triggered.Channel base currents，close electromagnetic fields，and high－speed camera images were obtained simultaneously for some of the strokes.Based on directly measured currents for thirty－six return strokes，the geometric mean of return stroke peak current was about 12.1kA with a max－imum of 41.6kA and a minimum of 4.4kA，the half peak width of current varied from 1to 68μs，and the geometric mean values of 10%－90%risetime，charge transfer，and action integral were about 1.9μs，0.86C，and 2.6×103A2·s，respectively.The surface electric field at 30maway from the discharge channel caused by a return stroke with peak current of 16.5kA reached 111.9kV／m.The geometric mean of magnetic field at 60maway from the discharge channel was about 52μT.The peak current and charge transfer of some large M components were comparable with those of return stroke.The speed of upward positive leaders in the initial stage of triggered flashes was about 0.96×105m／s.
artificially triggered lightning，return stroke，discharge current，close electromagnetic field，optical characteristics
1006－9895（2012）01－0077－12
P427
A
郄秀書，楊靜，蔣如斌，等.2012.山東人工引發(fā)雷電綜合觀測實(shí)驗(yàn)及回?fù)綦娏魈卣鳎跩］.大氣科學(xué)，36（1）：77－88.Qie Xiushu，Yang Jing，Jiang Rubin，et al.2012.Shandong artificially triggering lightning experiment and current characterization of return stroke［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（1）：77－88.
2010－12－07，2011－05－15收修定稿
中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目KZCX2－YW－206，國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41175002、40930949，中國科學(xué)院 “百人計(jì)劃”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)
郄秀書，女，1963年出生，研究員，主要從事閃電物理與雷暴電學(xué)研究。E－mail：qiex＠m(xù)ail.iap.ac.cn
猜你喜歡
中學(xué)生數(shù)理化(高中版.高考理化)(2021年11期)2022-01-18 05:46:08
中老年保健(2021年5期)2021-08-24 07:08:30
小學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo)(低年級)(2019年5期)2019-04-29 09:11:00
少兒科學(xué)周刊·兒童版(2017年1期)2017-03-29 13:33:34
少兒科學(xué)周刊·兒童版(2017年1期)2017-03-29 13:28:46
新高考·高一物理(2016年7期)2017-01-23 02:52:50
中國市場(2016年45期)2016-05-17 05:15:53
小朋友·快樂手工(2016年5期)2016-05-14 17:18:34
中學(xué)生數(shù)理化·高二版(2016年9期)2016-05-14 13:19:35
小朋友·快樂手工(2015年10期)2015-11-02 00:25:26
