正地閃和負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列的統(tǒng)計分析與對比

王宇 郄秀書王東方劉明遠(yuǎn)王志超

1中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測重點實驗室，北京100029

2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

1 引言

預(yù)擊穿過程是地閃發(fā)生在云內(nèi)的初始放電過程。Clarence and Malan（1957）指出地閃首次回?fù)羟暗碾妶霾ㄐ慰梢苑譃槿齻€階段：預(yù)擊穿（Preliminary Breakdown）、中間階段（Intermediate Stage）和梯級先導(dǎo)（Stepped Leader），并將這種電場波形的劃分稱為“BIL模型”（Breakdown Intermediate Leader）。在此模型中，預(yù)擊穿過程直接引發(fā)后續(xù)過程的產(chǎn)生，與地閃從云內(nèi)的始發(fā)過程密切相關(guān)，因此預(yù)擊穿過程一直受到研究者的廣泛關(guān)注。根據(jù)以往研究，預(yù)擊穿過程電場波形由一系列脈沖寬度為微秒量級的雙極性脈沖組成，脈沖序列的持續(xù)時間為數(shù)毫秒，有些脈沖序列的最大脈沖峰值可與首次回?fù)舴逯迪啾?，雙極性脈沖的前半周期極性通常和首次回?fù)魳O性一致（Clarence and Malan, 1957；Ushio et al., 1998；Gomes et al.,1998；Qie et al., 2002；Gomes and Cooray, 2004；Nag and Rakov, 2008；2009）。

對于負(fù)地閃預(yù)擊穿過程的研究較多，Clarence and Malan（1957）研究了南非夏季雷暴后認(rèn)為，預(yù)擊穿過程是云中主負(fù)電荷區(qū)和其下部正電荷區(qū)之間的放電過程。Cooray and Scuka（1996）認(rèn)為云中主負(fù)電荷區(qū)以下垂直通道的建立是地閃形成的必要條件，而當(dāng)主負(fù)電荷區(qū)同下部正電荷區(qū)（Lower Positive Charge Center，LPCC）的放電增強(qiáng)時，這種通道建立的可能性更高。他們進(jìn)一步認(rèn)為預(yù)擊穿脈沖強(qiáng)度可以作為LPCC強(qiáng)度的一種度量。Gomes et al.（1998）分別研究了斯里蘭卡和瑞典的夏季雷暴，發(fā)現(xiàn)瑞典地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿過程比斯里蘭卡地區(qū)強(qiáng)，其脈沖的前半周期峰值與首次回?fù)舴逯档谋戎担≒B/RS，PB代表最大預(yù)擊穿脈沖幅值，RS代表首次回?fù)舴担樗估锾m卡地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿過程相應(yīng)參量的6倍，Gomes認(rèn)為這是由于熱帶地區(qū)對流旺盛，不利于主負(fù)電荷區(qū)下部LPCC電荷的積累，因而預(yù)擊穿過程較弱，Gomes所選樣本都沒有定位數(shù)據(jù)，因此距離測站較遠(yuǎn)的地閃，其預(yù)擊穿過程電場脈沖很可能衰減到噪聲水平以下，影響統(tǒng)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。Qie et al.（2002）總結(jié)了中國內(nèi)陸高原地區(qū)地閃多站同步觀測的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿過程持續(xù)時間較長，并認(rèn)為這可能與LPCC較大的三極性雷暴云電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)。Nag and Rakov（2008）統(tǒng)計分析了佛羅里達(dá)地區(qū)35例具有負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列特征但沒有回?fù)暨^程的電場波形，發(fā)現(xiàn)這種預(yù)擊穿脈沖序列中雙極性脈沖的前半周期持續(xù)時間和回?fù)舻某掷m(xù)時間相當(dāng)，都為數(shù)十微秒，因此容易被閃電定位網(wǎng)誤識別為弱地閃。另外，M?kel? et al.（2008）研究了芬蘭地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，發(fā)現(xiàn)在這一地區(qū)有25%的預(yù)擊穿脈沖序列最大脈沖峰值大于首次回?fù)舴逯?。Baharudin et al.（2012）對比研究了馬來西亞和美國佛羅里達(dá)地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，結(jié)果表明緯度越高PB/RS比值越大。

由于正地閃的發(fā)生比例較低，已有的正地閃資料相對較少，因而對正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的研究也相對較少。另外，有些正地閃可以由云閃激發(fā)，當(dāng)云閃的某一個分叉穿出云底并發(fā)展至地面附近時，則可誘發(fā)正地閃的產(chǎn)生（Kong et al., 2008），這種情況下正地閃不存在明顯的預(yù)擊穿過程，導(dǎo)致對正地閃預(yù)擊穿過程的研究更少。Ushio et al.（1998）對發(fā)生于日本北陸地區(qū)冬季雷暴的 19次正地閃統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，正地閃預(yù)擊穿脈沖的持續(xù)時間和相鄰脈沖時間間隔都比負(fù)地閃小，Ushio推測正地閃的預(yù)擊穿脈沖是由正電荷區(qū)同屏蔽電荷層之間的放電產(chǎn)生的，另外Ushio還發(fā)現(xiàn)正地閃預(yù)擊穿脈沖一般上升沿比較平滑。Gomes and Cooray（2004）根據(jù)預(yù)擊穿脈沖的前半周期極性和首次回?fù)魳O性的關(guān)系，將正地閃預(yù)擊穿脈沖序列分為四種類型：（a）所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)魳O性相同；（b）脈沖序列分兩段，前段所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)粝嗤?，后段所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)粝喾?；（c）所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)魳O性相反；（d）無明顯分區(qū)，極性相同和相反的脈沖無規(guī)則排列。發(fā)現(xiàn)其中（a）類正地閃預(yù)擊穿脈沖序列占全部樣本的80%（57/71）。但是，Gomes and Cooray（2004）對每一個預(yù)擊穿脈沖序列只取了其幅值最大的5個脈沖進(jìn)行統(tǒng)計分析，這導(dǎo)致其統(tǒng)計結(jié)果不便同其他研究結(jié)果比較。

預(yù)擊穿過程發(fā)生在云內(nèi)，很難用光學(xué)手段對其進(jìn)行研究，統(tǒng)計和分析預(yù)擊穿過程電場資料的波形特征，對推測地閃的始發(fā)條件和形成機(jī)制都有很大幫助。另外，預(yù)擊穿脈沖幅值有時可與回?fù)舴迪啾?，統(tǒng)計出預(yù)擊穿脈沖波形特征參量的典型值，有利于從工程上對雷電電磁脈沖（Lightning Electro-Magnetic Pulse，LEMP）進(jìn)行防護(hù)。本文選取大興安嶺林區(qū)2010年3次過境雷暴過程中的具有4站以上同步資料的37次正地閃和56次負(fù)地閃，首次對發(fā)生在同一地區(qū)的正地閃和負(fù)地閃的預(yù)擊穿脈沖序列進(jìn)行了統(tǒng)計分析。4站以上同步資料的選取，保證了所有地閃都可進(jìn)行回?fù)舳ㄎ?，所選取的正、負(fù)地閃個例均發(fā)生在5～50 km的范圍內(nèi)，這樣盡量減小了極近距離時電場波形主要為靜電場分量和極遠(yuǎn)距離時回?fù)艉皖A(yù)擊穿過程電磁波衰減不一致對統(tǒng)計結(jié)果造成的影響。

2 實驗與方法

大興安嶺林區(qū)位于中國東北邊陲，面積8.46萬平方公里，森林資源極其豐富。林區(qū)氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，閃電活動較為頻繁，由閃電造成的森林火災(zāi)時有發(fā)生，為了清楚地認(rèn)識該地區(qū)的閃電活動特征和成災(zāi)機(jī)理，2009年至2010年，在該地區(qū)布置了由 7個觀測站組成的閃電探測和定位網(wǎng)，對自然閃電進(jìn)行了地面電場變化的綜合同步觀測。定位網(wǎng)站點分布如圖1所示，中心觀測站設(shè)在科研站（50.32°N，124.11°E）。每一觀測站均布置在場地開闊地帶，無高大建筑和樹木遮擋。

各觀測站均配置有閃電快、慢電場變化測量儀（快、慢天線）和高速大容量采集系統(tǒng)（曹冬杰等，2011a）?？臁⒙妶鲎兓瘻y量儀的結(jié)構(gòu)和原理與郄秀書等（2008）中的介紹類似，主要用來監(jiān)測閃電活動引起的地面垂直電場變化，時間常數(shù)分別為 2 ms和3 s，帶寬分別為2 MHz和1 MHz。高速大容量采集系統(tǒng)主要由采集板卡和工控機(jī)組成。采集板卡分辨率達(dá)12位，最高采樣率達(dá)60 MS s–1（Mega Samples per second），板載內(nèi)存為512 MB，能滿足高分辨率、長時間采樣的要求。實驗中采樣率設(shè)置為5 MS s–1，單次采樣時間為1 s，預(yù)觸發(fā)百分比為20%。測站之間用全球定位系統(tǒng)GPS模塊同步，授時精度為50 ns?？臁⒙妶鲎兓瘻y量儀在實驗前都進(jìn)行了標(biāo)定（王東方等，2011）。資料在符號上采用大氣電學(xué)慣例，豎直向下的電場方向為正方向，即由云中向地面輸送了負(fù)電荷產(chǎn)生正極性電場變化。

為了保證所選擇的地閃個例具有距離信息，本文選擇具有4站以上同步資料的地閃進(jìn)行分析，所選地閃個例來自2010年3次過境的雷暴過程，具體發(fā)生時間為2010年5月31日、2010年6月7日和2010年7月16日。 所分析的地閃電場波形均來自中心測站，并采用時間差定位法計算了地閃回?fù)酎c的位置，作為預(yù)擊穿過程發(fā)生位置的估計。由于回?fù)裘}沖和預(yù)擊穿脈沖頻率成分不同，它們的傳播機(jī)制是不同的，回?fù)裘}沖主要以地波形式傳播，而預(yù)擊穿脈沖主要以空間波形式傳播，考慮到大地的電導(dǎo)率有限，回?fù)裘}沖的衰減程度比預(yù)擊穿脈沖大（Cooray et al., 2007；Zhang et al., 2012），因此，選取距離中心測站5到50公里的閃電作為樣本來分析，以保證回?fù)裘}沖和預(yù)擊穿脈沖有大致相同的衰減。樣本閃電位置分布如圖2所示。

圖1 2010年閃電定位網(wǎng)站點位置分布圖Fig.1 Sketch map of the observation stations in 2010

圖2 所分析地閃的回?fù)舭l(fā)生位置分布，黑色方塊代表測站位置，“+”代表正地閃，“o”代表負(fù)地閃。相鄰虛線圓半徑相差10 kmFig.2 Location of Cloud to Ground lightning,.The black square represents the observation stations, the plus represents positive CG lightning, and the circle represents negative CG lightning.The radius difference beteween the adjacent dashed circles is 10 km

統(tǒng)計的參數(shù)主要有：脈沖序列的總持續(xù)時間（Total Duration，T1），脈沖序列和回?fù)糁g時間間隔（PB-RS Separation，T2），預(yù)擊穿過程到首次回?fù)暨^程的時間間隔（Pre-RS Interval，T3），單個脈沖持續(xù)時間（Individual Pulse Duration，T4），相鄰脈沖時間間隔（Interpulse Interval，T5），最大脈沖峰值和回?fù)舴逯档谋戎担≒B/RS Ratio）。各參數(shù)的定義如下：

脈沖序列總持續(xù)時間（T1）：脈沖序列中首尾脈沖的前半周期峰值點之間的時間間隔，只有脈沖幅值大于局部噪聲2倍的脈沖才參與統(tǒng)計，如果相鄰脈沖之間的時間間隔超過2 ms，則認(rèn)為后一脈沖可能由其他放電過程所引起，此脈沖亦被排除；

脈沖序列和回?fù)糁g時間間隔（T2）：脈沖序列中最大脈沖的前半周期峰值點同回?fù)舴逯迭c之間的時間間隔；

預(yù)擊穿過程到首次回?fù)暨^程的時間間隔（T3）：脈沖序列首個脈沖的前半周期峰值點到首次回?fù)舻姆逯迭c之間的時間間隔；

單個脈沖持續(xù)時間（T4）：指脈沖的全寬度（Full width），包含雙極性脈沖前、后半周期的持續(xù)時間；

相鄰脈沖時間間隔（T5）：指相鄰兩個脈沖的前半周期峰值點之間的時間間隔；

最大脈沖峰值和回?fù)舴逯当戎担≒B/RS）：脈沖序列中最大脈沖相對局部噪聲的峰值與首次回?fù)粝鄬植吭肼暤姆逯档谋戎担∟ag and Rakov, 2008，2009）。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)擊穿脈沖序列整體波形特征及BIL模型分析

首次回?fù)羟邦A(yù)擊穿過程的電場波形表現(xiàn)為由若干脈沖寬度為微秒量級的雙極性脈沖組成的脈沖序列。負(fù)地閃和正地閃的預(yù)擊穿脈沖序列波形分別如圖 3a–d所示，從圖中可以看出，負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列呈“不對稱梭型”，即最大脈沖一般出現(xiàn)在序列的前半部分，然后序列中的脈沖幅值慢慢減小至噪聲水平，這與Nag and Rakov（2008）的結(jié)果一致。正地閃預(yù)擊穿脈沖由于相對噪聲的幅值不夠大，因此看不出明顯類似的形狀。另外負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖上升沿上一般會疊加幾個脈沖寬度不到1 μs的小脈沖，這與曹冬杰等（2011b）結(jié)果一致，而正地閃預(yù)擊穿脈沖上升沿一般比較平滑，見圖 5a、d。正、負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖后半周期的幅值（過沖）一般都比前半周期幅值小，例如Ushio et al.（1998）統(tǒng)計了正地閃預(yù)擊穿脈沖前半周期峰值與過沖的比值，其算術(shù)平均值為1.3。

在本文統(tǒng)計的正、負(fù)地閃個例中發(fā)現(xiàn)存在三類預(yù)擊穿脈沖序列：1）相同型（Same，簡稱S型），即脈沖序列中所有脈沖前半周期極性與首次回?fù)魳O性相同；2）相反型（Different，簡稱D型），即脈沖序列中所有脈沖前半周期極性與首次回?fù)魳O性相反；3）混雜型（Chaos，簡稱 C型），即脈沖序列中相同和相反極性的脈沖都有，但是無規(guī)則排列，在本文統(tǒng)計樣本中相同極性脈沖比相反極性脈沖所占比例大。對于負(fù)地閃，有 52例樣本屬于 S型（占92.9%），1例屬D型（占1.7%），3例屬C型（占5.4%）；對于正地閃，有24例樣本屬S型（占64.9%），有6例屬D型（占16.2%），7例屬C型（占18.9%）。本文沒有發(fā)現(xiàn)Gomes et al.（2004）分析的所謂的（b）類預(yù)擊穿脈沖序列，即呈現(xiàn)兩個明顯分區(qū)的預(yù)擊穿脈沖序列。已有的對預(yù)擊穿序列的分類研究都只涉及正地閃，Gomes et al.（2004）統(tǒng)計的正地閃 S型預(yù)擊穿所占比例為 57/71（80.2%），Zhang et al.（2011）統(tǒng)計的正地閃S型預(yù)擊穿所占比例為 66/83（79.5%），Zhang et al.（2013）統(tǒng)計的北京地區(qū)、廣州地區(qū)正地閃S型預(yù)擊穿所占比例分別為 55/100（55.0%）和 39/48（81.0%），這些結(jié)果和本文正地閃S型預(yù)擊穿比例24/37（64.9%）一樣所占比例都較大。下面對正、負(fù)地閃三類預(yù)擊穿過程的成因進(jìn)行簡要分析和討論。

圖3 （a）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，T1為脈沖序列總持續(xù)時間（Total duration）；T2為脈沖序列和回?fù)糁g時間間隔（PB-RS separation）；T3為預(yù)擊穿過程到首次回?fù)暨^程的時間間隔（Pre–return interval）；（b）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列擴(kuò)展圖；（c）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列， R1代表首次回?fù)?；（d）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列擴(kuò)展圖Fig.3 (a) Preliminary breakdown pulse train in negative CG lightning, T1 indicates total duration, T2 indicates PB–RS separation, T3 indicates pre-return duration; (b) detail of PBP train in negative CG lightning ; (c) Preliminary breakdown pulse train in positive CG lightning, R1 represents first return stroke; (d)detail of PBP train in positive CG lightning

一方面，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)通常為頂部主正電荷區(qū)，中間主負(fù)電荷區(qū)，底部相對較小的正電荷區(qū)（即 LPCC，也稱“口袋電荷區(qū)”），負(fù)地閃一般由主負(fù)電荷區(qū)與口袋電荷區(qū)之間始發(fā)，負(fù)地閃的預(yù)擊穿過程對應(yīng)的就是主負(fù)電荷區(qū)與口袋電荷區(qū)的放電過程（Qie et al., 2005；張義軍等，2008）。而Nag and Rakov（2012）分析了正地閃可能的6種成因，其中雷暴云傾斜的正偶極結(jié)構(gòu)和反偶極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的正地閃可能伴隨預(yù)擊穿過程。另一方面，我們知道某一極性電荷分別向靠近和遠(yuǎn)離測站的方向放電會產(chǎn)生相反極性的電場變化。正是基于以上兩方面的認(rèn)識，本文對產(chǎn)生三種預(yù)擊穿波形的原因進(jìn)行了簡單的推測：口袋電荷區(qū)在誘導(dǎo)地閃形成的前期階段起到關(guān)鍵作用，當(dāng)主電荷區(qū)與口袋電荷區(qū)之間放電進(jìn)而發(fā)展成地閃時，地閃所伴隨的預(yù)擊穿過程為S型，但是，當(dāng)口袋電荷區(qū)不夠大或者地閃正好從口袋電荷區(qū)邊緣始發(fā)時，其“吸引力”就會減弱，主電荷區(qū)就有可能向其他不規(guī)則電荷區(qū)放電，從而在預(yù)擊穿過程中夾雜相反極性的脈沖，形成C型預(yù)擊穿過程，當(dāng)口袋電荷區(qū)影響進(jìn)一步減弱，主電荷區(qū)可能完全不與下部的口袋電荷區(qū)放電，而是相對其他區(qū)域放電，如果位置合適，也能順利發(fā)展成地閃，這時就形成D型預(yù)擊穿過程。需要說明，這里將“口袋電荷區(qū)”的概念推廣了，將產(chǎn)生正地閃預(yù)擊穿過程的電荷結(jié)構(gòu)，其底部的電荷區(qū)域也稱為口袋電荷區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，正、負(fù)地閃三種預(yù)擊穿過程都是S型所占比例最大，說明在伴隨有預(yù)擊穿的地閃中，口袋電荷區(qū)的作用是顯著的。對比發(fā)現(xiàn)，負(fù)地閃S型預(yù)擊穿過程占的比例比正地閃S型預(yù)擊穿過程占的比例大，推測可能原因是負(fù)地閃口袋電荷區(qū)覆蓋區(qū)域更大、總電荷量更多，因此，更能“吸引”主電荷區(qū)的放電過程。

預(yù)擊穿脈沖序列中最大脈沖幅值一般比回?fù)舴敌。?6例負(fù)地閃樣本中有7例預(yù)擊穿脈沖幅值超過回?fù)舴担?7例正地閃中沒有預(yù)擊穿脈沖幅值超過回?fù)簟Ｈ绻麑㈩A(yù)擊穿脈沖幅值與回?fù)舴档谋戎禐?.5～2界定為預(yù)擊穿脈沖與回?fù)裘}沖可比，那么負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖與回?fù)艨杀鹊谋壤秊?16/56（28.6%），而正地閃預(yù)擊穿脈沖與回?fù)艨杀鹊谋壤秊?/37（2.7%）。圖4給出了負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖幅值超過首次回?fù)舴档囊粋€個例。

另外，本文對首次回?fù)羟暗碾妶霾ㄐ芜M(jìn)行了分析，檢驗了電場變化波形與BIL模型的符合情況。Clarence and Malan（1957）分析了這種模型的物理基礎(chǔ)，預(yù)擊穿階段對應(yīng)主負(fù)電荷區(qū)和口袋電荷區(qū)之間的放電，中間間歇階段對應(yīng)第一階段放電產(chǎn)生的通道內(nèi)電荷的聚集和電場的增強(qiáng)，梯級先導(dǎo)階段對應(yīng)云中通道穿出云底向地面的發(fā)展。M?kel? et al.（2008）提出BIL模型表現(xiàn)在電場波形上為“M”型，可以用在閃電定位系統(tǒng)中來識別地閃，但M?kel?沒有給出樣本符合 BIL模型的比例，如果BIL模型可以加入閃電定位算法中來識別地閃，那么符合BIL模型的比例的地閃要足夠高。但是，本文負(fù)地閃樣本中只有11例符合BIL模型，占總數(shù)比例為19.6%，正地閃樣本中有9例符合BIL模型，占總數(shù)比例為24.3%，Baharudin et al.（2012）統(tǒng)計馬來西亞負(fù)地閃符合BIL模型的比例為47%，和本文的統(tǒng)計結(jié)果一樣都較低。需要指出，Baharudin et al.（2012）和本文使用寬帶天線采集信號，而M?kel? et al.（2008）使用窄帶天線采集信號，這可能導(dǎo)致Baharudin et al.（2012）和本文的資料信噪比不如M?kel? et al.（2008）的資料高，很多預(yù)擊穿過程電場變化和梯級先導(dǎo)過程電場變化處于噪聲水平以下而不易被識別出來。

圖4 負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖幅值超過首次回?fù)舴档膫€例Fig.4 One case of preliminary breakdown pulse with its amplitude exceeding the corresponding first return stroke in negative CG lightning

3.2 特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果及對比分析

這里討論的特征參數(shù)主要包括T1、T2、T3、T4和T5。上文將正、負(fù)地閃預(yù)擊穿電場波形都分成了3類，為了便于正、負(fù)地閃統(tǒng)計結(jié)果的比較，也為了便于同其他研究結(jié)果進(jìn)行對比，在統(tǒng)計T1、T2、T3時，僅對S型預(yù)擊穿脈沖序列進(jìn)行統(tǒng)計，在統(tǒng)計T4、T5時，對所有與首次回?fù)魳O性相同的脈沖都進(jìn)行統(tǒng)計，即對S型預(yù)擊穿脈沖序列的全部脈沖和C型預(yù)擊穿脈沖序列中與首次回?fù)魳O性相同的脈沖進(jìn)行統(tǒng)計。所有特征參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見表1。

從表1可以看出，T1的算術(shù)平均值為4.5 ms，幾何平均值為3.0 ms，而負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列總持續(xù)時間的算術(shù)平均值為 4.1 ms，幾何平均值為3.7 ms，兩者的算術(shù)平均值相當(dāng)，后者的幾何平均值為前者的 1.2倍，正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的總持續(xù)時間分布更廣，為0.2～19.9 ms，而負(fù)地閃對應(yīng)的變化范圍為 0.5～9.8 ms。正地閃預(yù)擊穿脈沖序列T2的算術(shù)平均值為 75.6 ms，是負(fù)地閃對應(yīng)值55.4 ms的1.4倍，幾何平均值為57.8 ms，是負(fù)地閃對應(yīng)值的1.6倍，變化范圍上正地閃預(yù)擊穿脈沖序列同首次回?fù)魰r間間隔也分布更廣，從7.1 ms到177.6 ms，而負(fù)地閃相應(yīng)的變化范圍只從1.5 ms到146.1 ms。正地閃T3的算術(shù)平均值為77.3 ms，幾何平均值為 60.0 ms，是負(fù)地閃對應(yīng)參數(shù)的 1.4倍和1.6倍，前者的變化范圍是9.9～179.7 ms，后者的變化范圍是 1.9～146.3 ms。正地閃的T1、T2、T3統(tǒng)計結(jié)果都比負(fù)地閃大，可能由于正地閃發(fā)生前云中主電荷區(qū)和口袋電荷區(qū)之間的距離比負(fù)地閃發(fā)生前云中主電荷區(qū)和口袋電荷區(qū)之間的距離大，也可能正地閃預(yù)擊穿過程在口袋電荷區(qū)水平發(fā)展的時間更長。

本文統(tǒng)計得到負(fù)地閃T1的算術(shù)平均值為 4.1 ms，與Nag and Rakov（2009）分析12個負(fù)地閃預(yù)擊穿個例后得到的總持續(xù)時間算術(shù)平均值3.4 ms比較接近，但比Baharudin et al.（2012）統(tǒng)計的馬來西亞地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列總持續(xù)時間小，是其算術(shù)平均值12.3 ms的33.3%。本文統(tǒng)計出正地閃預(yù)擊穿脈沖序列總持續(xù)時間的算術(shù)平均值為 4.5 ms，是Gomes et al.（2004）分析瑞典地區(qū)正地閃資料后得到的統(tǒng)計結(jié)果3 ms的1.5倍，是Zhang et al.（2011）分析廣州地區(qū)正地閃資料后得到結(jié)果8.9 ms的50.6%，是Zhang et al.（2013）分析北京地區(qū)正地閃資料得到結(jié)果3.1 ms的1.5倍。參考表1，可以對正、負(fù)地閃T2、T3同其他研究結(jié)果進(jìn)行類似的對比，但沒有發(fā)現(xiàn)T1、T2、T3的統(tǒng)計結(jié)果和緯度有明顯的關(guān)系。

對于負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，統(tǒng)計了 52例 S型序列的所有脈沖和3例C型序列中極性和首次回?fù)粝嗤拿}沖，共759個脈沖，對于正地閃預(yù)擊穿脈沖序列，統(tǒng)計了24例S型序列的全部脈沖和7例C型序列中機(jī)型和首次回?fù)粝嗤拿}沖，共375個脈沖。圖5以每一個預(yù)擊穿脈沖序列為單元來繪制箱線圖，按照參數(shù)中位數(shù)遞增的順序來排列個例。從圖中箱線圖可以看出，對部分個例而言，參數(shù)的分布范圍較大，為不失代表性，以個例參數(shù)的中位數(shù)為該個例典型值，最后將所有個例的中位數(shù)取平均，得到表1中的結(jié)果：負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖寬度的算術(shù)平均值為 8.8 μs，幾何平均值為 7.4 μs，脈沖間隔的算術(shù)平均值為 111.0 μs，幾何平均值為98.29 μs；正地閃預(yù)擊穿脈沖寬度的算術(shù)平均值為11.5 μs，幾何平均值為10.0 μs，脈沖間隔的算術(shù)平均值為 297.3 μs，幾何平均值為 217.9 μs。

對比正、負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖持續(xù)時間和相鄰脈沖時間間隔，發(fā)現(xiàn)正地閃預(yù)擊穿單個脈沖持續(xù)時間的算術(shù)平均值為負(fù)地閃相應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計值的1.3倍，正地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖時間間隔的算術(shù)平均值為負(fù)地閃相應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計值的2.7倍。將表1中各研究結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)無論統(tǒng)計的資料來自何緯度地區(qū)，正地閃預(yù)擊穿單個脈沖持續(xù)時間都比負(fù)地閃預(yù)擊穿單個脈沖持續(xù)時間長，猜測可能由于正極性擊穿本身比負(fù)極性擊穿發(fā)展緩慢，或者正極性擊穿的空間尺度比負(fù)極性擊穿的空間尺度大，單純從統(tǒng)計數(shù)字不能得出這個結(jié)論，還需要借助對相應(yīng)物理過程的三維定位來證實。從表1還可以看出，正地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖時間大體上比負(fù)地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖時間間隔更長。所以，從波形特征上，正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的脈沖比負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列的脈沖更寬，排列得更稀疏。

圖5 正、負(fù)地閃預(yù)擊穿波形及脈沖寬度和相鄰脈沖間隔箱線圖：（a）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列波形；（b）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖寬度箱線圖；（c）負(fù)地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖間隔箱線圖；（d）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列波形；（e）正地閃預(yù)擊穿脈沖寬度箱線圖；（f）正地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖間隔箱線圖。T4代表單個脈沖持續(xù)時間，T5代表相鄰脈沖時間間隔Fig.5 Waveform and boxplot of Pulse Duration and Interpulse Interval: (a) Waveform of PBP in negative CG lightning; (b) boxplot of pulse duration of PBP in negative CG lightning; (c) boxplot of interpulse interval of PBP in negative CG lightning; (d) waveform of PBP in positive CG lightning; (e) boxplot of pulse duration of PBP in positive CG lightning; (f) boxplot of interpulse interval of PBP in positive CG lightning.T4 represents Individual Pulse Duration, and T5 represents Interpulse Interval

3.3 PB/RS與緯度的關(guān)系

預(yù)擊穿過程強(qiáng)度可以用預(yù)擊穿脈沖序列中最大脈沖的幅值來表示，但是離測站距離不同的預(yù)擊穿脈沖衰減不一樣，因而無法比較它們的強(qiáng)度，當(dāng)選擇距離合適的閃電作為樣本，可以使預(yù)擊穿脈沖和首次回?fù)裘}沖有大體一致的衰減，這樣用預(yù)擊穿脈沖幅值比上首次回?fù)舴担≒B/RS）可以降低傳輸衰減的影響，同時又可以反映預(yù)擊穿過程的強(qiáng)度。從圖6中看出，點的分布比較散亂，負(fù)地閃和正地閃的PB/RS同距離之間均無明顯關(guān)系，計算表明，負(fù)地閃的PB/RS和距離的相關(guān)系數(shù)R=0.12，正地閃的PB/RS和距離的相關(guān)系數(shù)R=0.02，相關(guān)性很低。這說明PB/RS這個參數(shù)可以較好地反映預(yù)擊穿過程的真實強(qiáng)度。由于在本文統(tǒng)計的所有預(yù)擊穿脈沖序列中，C型預(yù)擊穿脈沖序列最大脈沖的極性都與對應(yīng)的首次回?fù)魳O性相同，在統(tǒng)計PB/RS時，將S型與C型預(yù)擊穿脈沖序列放在一起進(jìn)行統(tǒng)計，為了和其他研究結(jié)果進(jìn)行比較，暫不統(tǒng)計D型預(yù)擊穿脈沖序列，因此負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列的樣本數(shù)為55，正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的樣本數(shù)為31。

從圖7中可以看出，負(fù)地閃PB/RS 在0.1以下約占18%，0.3以下約占60%，而正地閃PB/RS在0.1以下占40%以上，0.3以下約占80%，說明正地閃PB/RS更多地集中在低值區(qū)。另外，負(fù)地閃有7例預(yù)擊穿最大脈沖峰值超過首次回?fù)舴逯?，占總?shù)的12.7%，而正地閃樣本中沒有預(yù)擊穿脈沖峰值超過首次回?fù)舴逯怠?/p>

表1總結(jié)了本文PB/RS和其他研究者的結(jié)果。比較后發(fā)現(xiàn)，除了Nag and Rakov（2009）統(tǒng)計的結(jié)果，其他負(fù)地閃PB/RS存在隨緯度增大而增大的趨勢，而正地閃PB/RS無此規(guī)律，盡管本文分析的樣本閃電發(fā)生緯度最高，但是PB/RS的算術(shù)平均值僅為Ushio et al.（1998）結(jié)果的56.3%，和Zhang et al.（2011）以及Zhang et al.（2013）對北京地區(qū)和廣州地區(qū)正地閃資料的統(tǒng)計結(jié)果相當(dāng)?？赡苄枰嗟难芯拷Y(jié)果來確定正地閃 PB/RS是否和緯度有關(guān)，因為天氣背景和實驗場地局地條件的影響可能會超過緯度位置的影響，如Ushio et al.（1998）分析的是日本冬季雷暴過程中的個例并且實驗場地臨海，這種季節(jié)差異和局地的環(huán)境因素可能影響雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)，更具體地說，可能影響主電荷區(qū)下部口袋電荷區(qū)的大小和電荷密度。

4 結(jié)論和討論

本文選擇大興安嶺林區(qū)2010年3次過境雷暴過程的56次正地閃和37次負(fù)地閃進(jìn)行了分析，利用快電場變化資料首次對同一地區(qū)的正地閃和負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列進(jìn)行了統(tǒng)計研究，主要研究結(jié)果如下：

圖6 PB/RS比值和距離的關(guān)系圖：（a）負(fù)地閃預(yù)擊穿PB/RS比值和距離關(guān)系圖；（b）正地閃預(yù)擊穿PB/RS比值和距離關(guān)系圖Fig.6 Relationship between PB/RS Ratio and distance: (a) Relationship between PB/RS ratio of negative CG and distance; (b) relationship between PB/RS Ratio of positive CG and distance

圖7 （a）正、（b）負(fù)地閃PB/RS比值分布直方圖Fig.7 Distribution of PB/RS Ratio for both positive and negative CG lightning

（1）所有統(tǒng)計結(jié)果及與其他研究者的對比表明：（a）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列持續(xù)時間更長，和首次回?fù)舻臅r間間隔更大，分析可能原因是該地區(qū)正地閃發(fā)生時雷暴云中主電荷區(qū)和下部口袋電荷區(qū)的距離比負(fù)地閃發(fā)生時兩個電荷區(qū)之間的距離大，或者正地閃預(yù)擊穿過程在口袋電荷區(qū)水平發(fā)展的時間更長。（b）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列中單個脈沖更寬，排列更稀疏，推測可能原因是正極性擊穿發(fā)展比負(fù)極性擊穿緩慢或者正極性擊穿的空間尺度更大。另外，單個負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖波形的上升沿上一般會疊加幾個持續(xù)時間為亞微秒量級的小脈沖，而正地閃預(yù)擊穿脈沖上升沿一般比較平滑。

（2）在所有正、負(fù)地閃樣本中分別發(fā)現(xiàn)三種預(yù)擊穿波形：（a）S型，即所有預(yù)擊穿脈沖極性和首次回?fù)魳O性相同；（b）D型，即所有預(yù)擊穿脈沖和首次回?fù)魳O性相反；（c）C型，即預(yù)擊穿脈沖序列中既有和首次回?fù)魳O性相同也有和首次回?fù)魳O性相反的脈沖，但這些脈沖無規(guī)則排列。本文沒有發(fā)現(xiàn)Gomes et al.（2004）提到的存在兩個明顯分區(qū)的預(yù)擊穿脈沖波形。在正、負(fù)地閃樣本中，S型預(yù)擊穿波形都占絕大多數(shù)，但是，負(fù)地閃S型預(yù)擊穿脈沖序列占的比例比正地閃S型預(yù)擊穿脈沖序列所占比例大。三種預(yù)擊穿波形產(chǎn)生的可能原因是：S型預(yù)擊穿波形可能是主電荷區(qū)和其下部口袋電荷區(qū)放電產(chǎn)生；C型預(yù)擊穿波形可能是在主電荷區(qū)與下部口袋電荷區(qū)放電的同時向其他不規(guī)則電荷區(qū)放電，從而在脈沖序列中夾雜有相反極性的脈沖；D型預(yù)擊穿過程可能發(fā)生于雷暴云的邊緣部分，主電荷區(qū)沒有相對下部的口袋電荷區(qū)放電，而是相對遠(yuǎn)離測站的處于雷暴云邊緣的電荷區(qū)放電，當(dāng)這一預(yù)擊穿過程結(jié)束時，放電通道正好穿出云體，從而可以順利發(fā)展成地閃。當(dāng)然，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這里分析的僅僅是雷暴云的等效電荷結(jié)構(gòu)。

（3）統(tǒng)計了正、負(fù)地閃首次回?fù)羟半妶霾ㄐ畏螧IL模型的情況，發(fā)現(xiàn)負(fù)地閃樣本中只有11例符合 BIL模型，占總數(shù)比例為 19.6%，正地閃樣本中有9例符合BIL模型，占總數(shù)的比例為24.3%。如果要利用 BIL模型具有的“M”型來識別地閃，可能需要窄帶天線來接收信號。另外，統(tǒng)計了正、負(fù)地閃 PB/RS比值的分布情況，發(fā)現(xiàn)正地閃PB/RS比值更多地集中在低值區(qū)，同其他研究結(jié)果的比較表明，負(fù)地閃PB/RS比值有隨緯度增大而增大的趨勢，而正地閃沒有這一趨勢。

本文通過統(tǒng)計的方法分析了同一地區(qū)的正、負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列電場波形，并基于統(tǒng)計結(jié)果對導(dǎo)致它們差異的原因進(jìn)行了推測，但是，要想通過統(tǒng)計分析來弄清它們的物理本質(zhì)是困難的。這些統(tǒng)計結(jié)果為進(jìn)一步深入研究正、負(fù)地閃預(yù)擊穿過程提供了思路和方向，接下來將組建閃電甚高頻輻射源三維定位網(wǎng)，專門針對預(yù)擊穿過程以及其他云內(nèi)電活動進(jìn)行研究，相信掌握了預(yù)擊穿輻射源時空演變的規(guī)律，這些從統(tǒng)計結(jié)果上體現(xiàn)出來的差異就能從本質(zhì)上解釋清楚。

（References）

Baharudin Z A, Ahmad N A, Fernando M, et al.2012.Comparative study on preliminary breakdown pulse trains observed in Johor, Malaysia and Florida, USA [J].Atmos.Res.117: 111–121.doi:10.1016/j.atmosres.2012.01.012.

曹冬杰, 田立言, 肖瑾, 等.2011a.閃電多參量高速大容量實時數(shù)據(jù)采集、顯示和分析系統(tǒng) [J].高原氣象, 30 (2): 518–524.Cao Dongjie,Tian Liyan, Xiao Jing, et al.2011a.A fast recording, display and waveform analysis system on multi-parameter of lightning flash [J].Plateau Meteorology (in Chinese), 30 (2): 518–524.

曹冬杰, 郄秀書, 楊靜, 等.2011b.閃電初始放電階段亞微秒電場變化波形特征 [J].大氣科學(xué), 35 (4): 645–656.Cao Dongjie, Qie Xiushu,Yang Jing, et al.2011b.Analysis on characteristics of sub-microsecond electric field change waveforms during the initial stage of lightning discharge [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 35(4): 645–656.

Clarence N D, Malan D J.1957.Preliminary discharge processes in lightning flashes to ground [J].Quart.J.Roy.Meteor.Soc., 83 (356):161–172.doi:10.1002/qj.49708335603.

Cooray V.2007.Propagation effects on radiation field pulses generated by cloud lightning flashes [J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 69 (12): 1397–1406.doi:10.1016/j.jastp.2007.03.009.

Cooray V, Scuka V.1996.What attracts a lightning flash to ground? [C] //Proc.Int.Conf.Atmos.Elect., Osaka, Japan, 256–259.

Gomes C, Cooray V.2004.Radiation field pulses associated with the initiation of positive cloud to ground lightning flashes [J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 66 (12): 1047–1055.doi:10.1016/j.jastp.2004.03.015.

Gomes C, Cooray V, Jayaratne C.1998.Comparison of preliminary breakdown pulses observed in Sweden and in Sri Lanka [J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 60 (10): 975–979.doi:10.1016/ S1364–6826(98)00007–8.

Kong X S, Qie X S, Zhao Y.2008.Characteristics of downward leader in a positive cloud-to-ground lightning flash observed by high-speed video camera and electric field changes [J].Geophys.Res.Lett., 35 (5):L05816.doi:10.1029/2007GL032764.

M?kel? J S, Porjo N, M?kel? A, et al.2008.Properties of preliminary breakdown processes in Scandinavian lightning [J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 70 (16): 2041–2052.doi:10.1016/j.jastp.2008.08.013.

Nag A, Rakov V A.2008.Pulse trains that are characteristic of preliminary breakdown in cloud-to-ground lightning but are not followed by return stroke pulses [J].J.Geophys.Res., 113 (D1): 1–12.doi:10.1029/2007JD008489.

Nag A, Rakov V A.2009.Electric field pulse trains occurring prior to the first stroke in negative cloud-to-ground lightning [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 51: 147–150.doi:10.1109/TEMC.2008.2005488.

Nag A, Rakov V A.2012.Positive lightning: An overview, new observations, and inferences [J].J.Geophys.Res., 117(D8), D08109,doi:10.1029/2012JD017545.

Qie X S, Yu Y, Wang D, et al.2002.Characteristics of cloud-to-ground lightning in Chinese inland plateau [J].J.Meteor.Soc.Japan, 80 (4):745–754.

Qie X S, Zhang T, Chen C, et al.2005.The lower positive charge center and its effect on lightning discharges on the Tibetan Plateau [J].Geophys.Res.Lett., 32 (5), L05814, doi:10.1029/2004GL022162.

郄秀書, 呂達(dá)仁, 陳洪濱, 等.2008.大氣探測高技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué), 32 (4): 867–881.Qie Xiushu, Lü Daren, Chen Hongbin,et al.2008.Advances in high technology of atmospheric sounding and application researches [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (4): 867–881, doi:10.3878/j.issn.1006–9895.2008.04.14.

Ushio T, Kawasaki Z I, Matsu-ura K, et al.1998.Electric fields of initial breakdown in positive ground flash [J].J.Geophys.Res., 103 (D12):14135–14139, doi:10.1029/97JD01975.

王東方, 宣越健, 劉繼明, 等.2011.大興安嶺林區(qū)地閃放電特征的觀測與分析 [J].大氣科學(xué), 35 (1): 147–156.Wang Dongfang, Xuan Yuejian, Liu Jiming, et al.2011.Analyses on the characteristic of cloud-to-ground lightning flash in Da Hinggan Ling forest region [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 35 (1): 147–156.

Zhang Q, Yang J, Jing X, et al.2012.Propagation effect of a fractal rough ground boundary on the lightning-radiated vertical electric field[J].Atmos.Res., 104–105: 202–208.doi:10.1016/j.atmosres.2011.10.009.

張義軍, 孟青, 呂偉濤, 等.2008.云下部正電荷區(qū)與負(fù)地閃預(yù)擊穿過程 [J].氣象學(xué)報, 66 (2): 274–282.Zhang Yijun, Meng Qing, Lü Weitao, et al.2008.Positive charge region in lower part of thunderstorm and preliminary breakdown process of negative cloud-to-ground lightning [J].Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 66 (2): 274–282.

Zhang Y, Zhang Y, Lu W, et al.2011.An analysis of the initial breakdown pulse for positive cloud-to-ground flashes [C]// 2011 7th Asia–Pacific International Conference on Lightning (APL), doi:10.1109/APL.2011.6111095.

Zhang Y, Zhang Y, Lu W, et al.2013.Analysis and comparison of initial breakdown pulses for positive cloud-to-ground flashes observed in Beijing and Guangzhou [J].Atmos.Res., 129-130: 34–41,doi:10.1016/j.atmosres.2013.03.006.