雙向先導(dǎo)正端突然延展現(xiàn)象的高速攝像觀測

武 斌 呂偉濤* 齊 奇 馬 穎 陳綠文 姜睿嬌

1)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護(hù)工程實驗室， 北京 100081)

2)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510080)

引 言

早在1960年Kasemir[1]基于靜電學(xué)原理就提出了雙向先導(dǎo)發(fā)展理論，即極性相反的先導(dǎo)始發(fā)于同一位置后沿相反方向發(fā)展，整個先導(dǎo)通道保持電中性，但一直未引起重視。直至NASA拍攝到一架飛機(jī)被閃電擊中的圖像后[2-3]，雙向先導(dǎo)傳輸概念才逐漸被人們接受。此后許多自然閃電、實驗室長間隙放電和人工引雷試驗的觀測結(jié)果均證實了該理論的正確性[4-10]，并利用該理論建立了先導(dǎo)模式解釋閃電始發(fā)和傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制[11-12]。

光學(xué)觀測是研究閃電放電特征的直觀手段。近年隨著光電技術(shù)快速發(fā)展，商業(yè)化的高時間分辨率攝像系統(tǒng)在閃電放電過程的觀測中得到了越來越多的應(yīng)用。高速攝像系統(tǒng)不僅為證實先導(dǎo)雙向發(fā)展提供了直接證據(jù)[7-9]，還能給出雙向先導(dǎo)正、負(fù)端傳輸?shù)募?xì)節(jié)特征。Jiang等[13]利用10000 幀/s的高速攝像機(jī)觀測到在已擊穿的通道上傳輸?shù)闹备Z先導(dǎo)雙向發(fā)展。Qie等[14]在人工觸發(fā)閃電中發(fā)現(xiàn)了沿已擊穿正極性通道雙向傳輸?shù)呢?fù)極性反沖先導(dǎo)。Wu等[15]利用高速攝像和電場變化數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)雙向直竄先導(dǎo)的正端大部分時間是不活躍的(靜止的)，或沿前一次企圖先導(dǎo)通道的正端間歇性地伸展至未擊穿的空氣中。

以往觀測表明:負(fù)先導(dǎo)以梯級方式發(fā)展[16-19]，梯級的形成主要依靠空間先導(dǎo)和在新先導(dǎo)尖端前部的電暈流光[20-22]。正先導(dǎo)則以連續(xù)或梯級的方式傳輸[23-25]，但并未在正先導(dǎo)尖端前部發(fā)現(xiàn)類似的空間先導(dǎo)。迄今為止，人們對正先導(dǎo)的傳輸特征和機(jī)制仍不清楚。一些研究觀測到正先導(dǎo)突然延展行為，如Tran等[9]觀測到雙向先導(dǎo)正端，Wang等[26]報道的上行正先導(dǎo)以及Kostinskiy等[27]在長間隙放電試驗中觀測到的正先導(dǎo)等，這可能與正先導(dǎo)的傳輸機(jī)制密切相關(guān)，值得進(jìn)一步探究。

本文利用廣州高建筑物雷電觀測站獲取的高建筑物上的雷電高速攝像和電場變化同步數(shù)據(jù)，對比了在一次廣州塔上行閃電放電過程中雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)在回?fù)羟?、后正端突然延展現(xiàn)象的細(xì)節(jié)特征，統(tǒng)計了雙向先導(dǎo)正、負(fù)端傳輸時的二維速率參量。

1 觀測與數(shù)據(jù)

廣州高建筑物雷電觀測站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG[28-35])作為中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地(CMA_FEBLS)的重要組成部分，目前由1個主站(站點1)和多個光學(xué)觀測子站組成，主要針對高建筑物雷電開展觀測，站點1位于廣東省氣象局一棟高約100 m的建筑物的頂部，架設(shè)的光電同步觀測設(shè)備包括多臺高速攝像系統(tǒng)、閃電通道成像系統(tǒng)、全視野閃電通道成像系統(tǒng)[36](Total-sky Lightning Channel Imager,TLCI)、快、慢電場變化天線、寬帶磁場測量儀、大氣平均電場儀和閃電連接過程觀測系統(tǒng)[37](Lightning Attachment Process Observation System,LAPOS)。采用數(shù)字示波記錄儀采集LAPOS和電磁場變化信號，利用LAPOS(8通道)的1個通道作為所有觀測設(shè)備的觸發(fā)源。每個觸發(fā)事件由高精度GPS時鐘授時，時間精度為30 ns。本研究只利用了站點1的觀測數(shù)據(jù)，并由以下設(shè)備獲?。孩?臺Photron FASTCAM高速攝像系統(tǒng)：1臺SAZ攝像機(jī)(設(shè)備編號HC-1)，幀率為20000 幀/s，鏡頭焦距14 mm，像素數(shù)量為1024×1024；1臺SA3攝像機(jī)(設(shè)備編號HC-3)，幀率為1000 幀/s，鏡頭焦距8 mm，像素數(shù)量為1024×1024。②1套快、慢天線(FA和SA)，時間常數(shù)分別為1 ms和6 s，采樣率10 MHz，記錄時間長度1 s。

文中使用的閃電定位數(shù)據(jù)由粵港澳閃電定位系統(tǒng)(GHMLLS)提供，包括地閃回?fù)艚拥攸c位置、發(fā)生時間、雷電流幅值和極性等物理特征參數(shù)。該系統(tǒng)的閃電探測效率和回?fù)籼綔y效率均為93%，對下行閃電首次回?fù)?、下行閃電繼后回?fù)艏吧闲虚W電回?fù)舻亩ㄎ徽`差平均值(中值)分別為361 m(188 m)，252 m(167 m)以及294 m(173 m)[38]。

本文分析的閃電個例為2016年6月4日廣州塔(高600 m)上發(fā)生的一次上行閃電(F2016048)，該上行閃電過程包含有7次回?fù)?。為便于?shù)據(jù)分析，將F2016048的第1次回?fù)糸_始時刻定義為零時刻。文中采用大氣電學(xué)符號規(guī)定，向下的電場為正，正極性的電場變化對應(yīng)正電荷向上傳輸，或者等效為負(fù)電荷向下傳輸，負(fù)地閃回?fù)魧?yīng)正極性的電場變化[39]。涉及的所有長度均為二維值。

2 結(jié)果分析

圖1是F2016048的快、慢電場變化同步記錄。由圖1a可知，在F2016048始發(fā)前附近出現(xiàn)1次正地閃過程。正地閃回?fù)舭l(fā)生在F2016048始發(fā)前約200 ms，對應(yīng)的定位結(jié)果顯示該正回?fù)舻慕拥攸c位于廣州塔的西北方向，距廣州塔約59 km，回?fù)舴逯惦娏骷s+87 kA。Saba等[40]觀測認(rèn)為如果正地閃距高建筑物不超過80 km，上行閃電始發(fā)前或后的1 s內(nèi)，則可認(rèn)為正地閃與上行閃電的始發(fā)相關(guān)。因此，F(xiàn)2016048可認(rèn)為是1次觸發(fā)型上行閃電[41]。

圖1 廣州塔上行閃電快電場(a)、慢電場(b)變化波形(記錄時間窗口為-462.4～215 ms，R1～R7代表上行閃電的7次回?fù)?

基于連續(xù)發(fā)展的上行先導(dǎo)在慢電場變化記錄上表現(xiàn)為電場正向變化(圖1b)，可以確定上行先導(dǎo)的極性為正。正先導(dǎo)持續(xù)向上傳輸造成電場正向變化，相當(dāng)于將正電荷從地面向上抬升。這里推測正地閃回?fù)艉蟮碾妶鼍徛?fù)向變化可能是由在正地閃連續(xù)電流階段云底水平發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)向塔頂靠近引發(fā)的。

圖2為基于HC-3連續(xù)幀圖像獲取的通道亮度、快電場和慢電場變化波形圖。由圖2b可知，F(xiàn)2016048發(fā)生了7次直竄先導(dǎo)-繼后回?fù)暨^程。7個直竄先導(dǎo)均沿著之前的已冷卻的上行正先導(dǎo)通道回退至廣州塔頂引發(fā)回?fù)簦?次回?fù)?標(biāo)注為R1～R7)均為負(fù)回?fù)?，回?fù)魰r間間隔的平均值約為29 ms，回?fù)舴逯惦娏鞯淖畲笾禐?31 kA，最小值為-10 kA，平均值約為-18 kA。

圖2 廣州塔上行閃電的通道亮度(HC-3拍攝的圖像所有像素點灰度值之和，記錄時間窗口為-50～200 ms)(a)、快電場變化(b)、慢電場變化(c)(R1～R7代表7次回?fù)?

圖3為1000 幀/s的高速攝像(HC-3)拍攝的F2016048的正先導(dǎo)30幀選定圖像的合成圖。選擇這30幀圖像是為了呈現(xiàn)上行正先導(dǎo)的幾何形狀。本文在分析閃電通道發(fā)展特征時均簡單以廣州塔距觀測站的距離(3.3 km)估算圖像中所有通道位置的圖像分辨率。由圖3可見，上行正先導(dǎo)從廣州塔頂始發(fā)，上升至1.8 km的高度時出現(xiàn)兩個分叉(分叉1和分叉2)，分別朝圖像的左右兩側(cè)伸展，之后分叉2又出現(xiàn)了兩個明顯的二級分叉。HC-3獲取的7次直竄先導(dǎo)-繼后回?fù)暨^程的連續(xù)幀圖像顯示7次先導(dǎo)-回?fù)粜蛄芯l(fā)生在上行正先導(dǎo)的分叉1通道中。

20000 幀/s的高速攝像(HC-1)的觀測視野如圖3中虛線框區(qū)域所示。圖4 為HC-1拍攝的第2次直竄先導(dǎo)始發(fā)位置區(qū)域的連續(xù)16幀圖像。由圖4可見，直竄先導(dǎo)始發(fā)后雙向傳輸，負(fù)端沿已冷卻的上行正先導(dǎo)通道連續(xù)回退，到達(dá)廣州塔頂引發(fā)繼后回?fù)?。正端在向前傳輸時出現(xiàn)了3次突然向前延展現(xiàn)象。第1次正端突然伸展發(fā)生在直竄先導(dǎo)始發(fā)后約0.1 ms，正端近似水平地向前伸展約160 m，進(jìn)入未擊穿空氣中，之后一個新的分叉從直竄先導(dǎo)的始發(fā)位置伸出(29.40 ms)，向前傳輸短暫時間后停止(29.45 ms)。

圖3 1000 幀/s高速攝像(HC-3)拍攝的上行正先導(dǎo)30幀選定圖像合成圖(圖像進(jìn)行對比度增強(qiáng)和反相處理，圖中虛線方框區(qū)域為HC-1視野范圍)

第2次正端突然伸展發(fā)生在29.60 ms。在第2次延展前，正端已停止向前傳輸。在正端前部出現(xiàn)了1個懸空先導(dǎo)段，長度約34 m，其距離正端頭部約45 m (29.50 ms)。之后第2個懸空先導(dǎo)段出現(xiàn)(29.55 ms)，長約46 m，距離正端頭部更近，約28 m。第2個懸空先導(dǎo)段與正端連接，導(dǎo)致正端突然向前延展了約91 m(29.60 ms)。約0.05 ms后又發(fā)生了第3次正端突然伸展現(xiàn)象，伸長約94 m(29.65 ms)。

圖4 20000 幀/s高速攝像(HC-1)拍攝的第2次直竄先導(dǎo)的16幀連續(xù)圖像(圖像進(jìn)行裁剪、對比度增強(qiáng)和反相處理，圖像上時間為曝光結(jié)束時間)

第1次和第3次正端突然向前延展僅出現(xiàn)在1幀圖像上，但懸空先導(dǎo)段出現(xiàn)并與直竄先導(dǎo)連接過程持續(xù)了約0.15 ms(3幀圖像)，因此,呈現(xiàn)了正端突然延展的詳細(xì)過程。正端在第2次向前延展前已停止發(fā)展，且第2個懸空先導(dǎo)段比第1個更接近與正端頭部，推測是懸空先導(dǎo)段朝正端方向伸展，并與正端相連。這與之前在負(fù)先導(dǎo)尖端頭部觀測到的空間先導(dǎo)行為相似，但尺度(平均值約115 m)比空間先導(dǎo)偏大(平均長度約為幾米[20])。整個直竄先導(dǎo)過程中，正端向前傳輸?shù)钠骄俾始s為1.1×106m·s-1，3次正端突然向前延展的二維速率分別為3.2×106，1.8×106m·s-1和1.9×106m·s-1，比以往觀測到的正先導(dǎo)在未擊穿空氣中傳輸?shù)亩S速率(104～105m·s-1)偏大。

圖5為20000 幀/s的高速攝像拍攝第2次回?fù)艉蟮?2幀連續(xù)圖像。由圖5可見，回?fù)糸_始后，電流沿著直竄先導(dǎo)通道向上傳播至先導(dǎo)始發(fā)位置附近(30.35 ms)，然后通道逐漸冷卻。發(fā)現(xiàn)通道冷卻過程中頭部出現(xiàn)亮度很弱的流光(30.35 ms和30.40 ms)，之后頭部突然向前延展，且延展通道后側(cè)的局部通道的亮度增大(30.45 ms)。對比回?fù)羟半p向先導(dǎo)正端伸展的路徑和回?fù)敉ǖ李^部到達(dá)的位置后發(fā)現(xiàn)，回?fù)敉ǖ纼H到達(dá)之前雙向(直竄)先導(dǎo)的起始位置后就停止發(fā)展，并未進(jìn)入直竄先導(dǎo)的正端通道中。因此，推測回?fù)艉笤备Z先導(dǎo)正端通道的極性未發(fā)生變化，仍可稱為正端。值得注意的是，連續(xù)電流階段通道的突然延展并未沿著之前直竄先導(dǎo)正端傳輸?shù)耐ǖ?，而是開辟了新的通道，發(fā)展至未擊穿空氣中。

第1次延展通道頭部以4.1×106m·s-1的二維速率向前發(fā)展了約204 m。此后延展的通道快速暗淡(30.50～30.55 ms)，但約0.05 ms后，頭部出現(xiàn)了第2次突然延展(30.60 ms)。值得注意的是，第2次延展始發(fā)于第1次延展通道的中段，并點亮始發(fā)位置之后的第1次延展的部分通道。第2次延展以4.4×106m·s-1的二維速率向前發(fā)展了約220 m，之后通道再次變暗。

圖5 20000 幀/s高速攝像(HC-1)拍攝的第2次回?fù)艉?2幀連續(xù)圖像(圖像進(jìn)行裁剪、對比度增強(qiáng)和反相處理，圖像上時間為曝光結(jié)束時間)

基于HC-1拍攝的第2次直竄先導(dǎo)連續(xù)幀圖像，可獲取第2次直竄先導(dǎo)正、負(fù)兩端17個清晰二維速率計算樣本，速率隨時間變化如圖6所示。第2次直竄先導(dǎo)負(fù)端二維速率范圍為1.0×106～1.1×107m·s-1。去除停頓，第2次直竄先導(dǎo)正端二維非零速率范圍為2.1×105～3.2×106m·s-1，平均值為1.1×106m·s-1。第2次直竄先導(dǎo)雙向發(fā)展時的正端間歇性傳輸，速率在突然伸展時迅速增大。值得注意的是，第2次直竄先導(dǎo)始發(fā)后正、負(fù)端速率均先增大后減小，之后再增大(圖6中I所示，時間為29.10～29.40 ms)，且正端再次向前發(fā)展后的速率變化趨勢與負(fù)端相同(圖6中II所示，時間為29.55～29.80 ms)。由此可見，正、負(fù)兩端同時傳輸時，二者速率呈正相關(guān)，表明正、負(fù)端同時向前發(fā)展時可能有互相促進(jìn)作用。

圖6 第2次直竄先導(dǎo)正、負(fù)端的二維速率

3 結(jié)論和討論

本文利用高速攝像系統(tǒng)獲取的閃電通道圖像和電場變化同步數(shù)據(jù)，分析了在一次廣州塔上行閃電中觀測到的雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)回?fù)羟啊⒑笸蝗谎诱宫F(xiàn)象的細(xì)節(jié)特征。結(jié)論如下：

1) 上行閃電中雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)的正端會間歇性地傳輸至未擊穿空氣中，在其頭部可能發(fā)生多次突然伸展現(xiàn)象，這種突然延展現(xiàn)象可能是通過正端與出現(xiàn)在其頭部附近的懸空先導(dǎo)序列相連所引發(fā)。

2) 第2次繼后回?fù)艉?，原直竄先導(dǎo)的正端發(fā)生2次突然延展現(xiàn)象，但并未沿回?fù)羟罢松煺沟耐ǖ纻鬏?，而是建立了進(jìn)入未擊穿空氣的新通道。

3) 回?fù)羟?，正?次突然伸展的二維平均速率約為2.3×106m·s-1，伸展長度的平均值約為115 m；回?fù)艉?，通道頭部2次突然伸展的二維平均速率約為4.3×106m·s-1，約為回?fù)羟巴蝗谎诱顾俾实?倍，伸展長度的平均值約為212 m。

在Tran等[9]報道的懸浮通道正端、Wang等[26]觀測到的上行正先導(dǎo)以及Kostinskiy等[27]的長間隙放電試驗中的正先導(dǎo)也發(fā)現(xiàn)頭部存在突然延展行為，這種突然延展在光學(xué)上表現(xiàn)為梯級發(fā)展。本研究中的梯級發(fā)現(xiàn)是由在其頭部前方出現(xiàn)的懸空先導(dǎo)段與正端相連引發(fā)的，這種短先導(dǎo)通道段可能是沿之前已存在的正先導(dǎo)通道發(fā)展的反沖先導(dǎo)，但未被光學(xué)設(shè)備探測到，也可能類似于在正先導(dǎo)通道側(cè)面產(chǎn)生并與之連接的雙向先導(dǎo)[42-46]。

Tran等[9]推測觀測到的千米尺度的正梯級可能是由空間先導(dǎo)發(fā)展而來。此外Kostinskiy等[24]在長間隙放電試驗中觀測到在正先導(dǎo)尖端前有疑似空間先導(dǎo)存在，但沒有直接證據(jù)表明是正端頭部附近存在的通常只在負(fù)先導(dǎo)頭部出現(xiàn)的空間先導(dǎo)引發(fā)了梯級。與Wang等[26]觀測的正先導(dǎo)梯級步長(平均值約為4.9 m)相比，文中回?fù)羟罢送蝗谎诱沟拈L度(平均值約為115 m)偏大，兩個懸空先導(dǎo)段的尺度(約為40 m)、直竄先導(dǎo)正端與懸空先導(dǎo)段尖端間的距離(約為42 m)遠(yuǎn)大于空間先導(dǎo)的長度(平均值約為5 m[24])和空間先導(dǎo)與負(fù)先導(dǎo)通道頭部之間的距離(平均值約為4 m[24])，即就尺度而言，本研究在正端頭部附近觀測到的通道段與在負(fù)先導(dǎo)頭部觀測到的空間先導(dǎo)差異很大。但文中的懸空先導(dǎo)段形成于通道頭部附近，主動靠近頭部與主通道連接，這與出現(xiàn)在負(fù)先導(dǎo)頭部的空間先導(dǎo)的行為相同，因此，仍無法排除懸空先導(dǎo)段是類似于空間先導(dǎo)的可能。

本研究發(fā)現(xiàn)回?fù)羟昂笳搜由斓穆窂讲煌?，但發(fā)生的放電過程可能一致。先導(dǎo)雙向傳輸階段，正或負(fù)端向前擊穿時會使另一端頭部的電場增強(qiáng)，增大另一端頭部與其附近的電勢差，直至突破閾值向前擊穿，因此，正、負(fù)兩端在同時傳輸時速率表現(xiàn)為正相關(guān)。當(dāng)然，本研究采用的高速攝像數(shù)據(jù)的時間分辨率約為50 μs，如果采用幀率更快的設(shè)備，可能會發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)正、負(fù)端并非同時發(fā)展。而回?fù)羲查g中和大量的負(fù)電荷，使更多的正電荷快速地涌入正端，迅速增大了正端與廣州塔頂?shù)碾妱莶?，這種增大的程度大于先導(dǎo)階段，即回?fù)艉笳讼蚯吧煺沟乃俣雀?，延展的尺度更大?/p>

回?fù)艉蟮倪B續(xù)電流階段，原直竄先導(dǎo)正端發(fā)生突然延展現(xiàn)象，進(jìn)入未擊穿空氣，延展二維速率也接近107m·s-1的量級。這與Stock等[47]在閃電K過程觀測到的從之前正先導(dǎo)頭部附近向未擊穿空氣中伸展的快速正擊穿非常相似，但仍需結(jié)合閃電多站輻射源定位系統(tǒng)獲取上行閃電云內(nèi)、云外放電通道三維時空演變特征和雷暴云電荷結(jié)構(gòu)深入分析。