李宗祥 蔣如斌 呂冠霖 劉明遠 孫竹玲 張鴻波 劉昆 李小強 張雄

1) (成都信息工程大學電子工程學院,成都 610225)

2) (中國科學院大氣物理研究所,中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室,北京 100029)

3) (中國科學院大學,北京 100049)

4) (國民核生化災害防護國家重點實驗室,北京 102205)

在地面大氣電場為正極性的條件下,成功實現(xiàn)12 次人工引發(fā)閃電,對其放電特征、初始階段上行負先導的傳輸特征與機理進行了研究.引發(fā)閃電時地面大氣電場強度均值約5 kV/m,最高超過13 kV/m.除一次個例的放電發(fā)生了正、極性反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生多次負回擊以外,其他11 次引發(fā)閃電均未產(chǎn)生繼后回擊過程,閃電放電電流總體上在幾百安培量級.引發(fā)閃電起始后,其向上傳輸?shù)呢撎菁壪葘骄S速度為1.85×105 m/s,獲得132 次梯級的長度范圍為0.8—8.7 m,平均3.9 m.先導起始階段的電流和電磁場呈現(xiàn)顯著的脈沖特征,其脈沖間隔、電流峰值、轉(zhuǎn)移電荷量、半峰值寬度、電流上升時間T10%—90%平均值分別為17.9 μs,81 A,364 μC,3.1 μs 和0.9 μs,單次梯級的等效線電荷密度為118.5 μC/m.先導通道的分叉一般伴隨梯級過程發(fā)生,存在兩種方式:1) 先導頭部前方成簇的空間莖/空間先導在同一梯級周期內(nèi)先后與先導頭部發(fā)生連接,對應的電流脈沖表現(xiàn)為多峰結(jié)構(gòu),峰值點時間間隔約2—3 μs,最長6—7 μs;2) 曾熄滅的空間莖/空間先導重燃后側(cè)向連接至先導通道.

1 引言

先導是閃電在強電場作用下形成放電通道的重要過程,根據(jù)先導頭部聚集電荷的極性分為正先導和負先導[1,2].對先導傳輸特征與機制的探索,主要通過對實驗室長間隙放電及發(fā)展出云的自然先導(多為下行先導)進行光學拍攝,并結(jié)合電磁輻射探測來實現(xiàn)[3,4].研究表明擊穿空氣的負極性先導通常以梯級方式發(fā)展和傳輸,即:以一定的時間周期發(fā)生間歇停頓和跳躍前進.Schonland 等[5]最早利用時間分辨率為600 ns 的Boys 相機(也稱條紋相機)拍攝到負先導梯級長度為10—200 m,先導間歇為40—100 μs,二維發(fā)展速度為3.8×105m/s.Berger[6]利用條紋相機拍攝到負先導梯級步長為3—17 m,梯級間隔為29—47 μs,二維發(fā)展速度為0.9×105—4.4×105m/s.Gorin 等[7]基于實驗室火花放電,將負先導的梯級過程分為三個階段:1) 先導頭部流光區(qū)域出現(xiàn)相對黯淡的空間莖(space stem),通過電流的加熱發(fā)展為明亮發(fā)光的空間先導;2) 空間先導雙向發(fā)展,其負極性端向前延伸,而正極性端向后發(fā)展靠近先導的頭部;3) 雙向先導的后端與先導頭部發(fā)生連接,完成一次梯級跳躍,通道瞬時延展,雙向先導向前發(fā)展的負極性端成為先導的新頭部,先導隨即停頓,進入下一梯級周期.由于火花放電與自然閃電在放電尺度、強度等方面的差異,實驗室內(nèi)揭示的負先導梯級機制是否適用于自然閃電,一直不是十分確定.利用高采樣率的高速攝像,Biagi 等[8]和Hill 等[9]分別在人工引雷和自然閃電中觀測到了負先導頭部前方的空間先導.在引雷繼后回擊前的直竄-梯級先導頭部前方,空間先導長1—4 m,距離負先導主通道頭部1—10 m;在自然下行負梯級先導中,空間先導長2.4—5.5 m,距離負先導頭部1.0—3.2 m,相應的梯級長度平均為5.2 m,梯級時間間隔平均為16.4 μs.Qi 等[10]基于對350 m 處一次自然下行負先導的觀測,認為空間莖與先導通道存在三種可能演變情況:空間莖/空間先導未能與負先導通道連接;空間莖/先導與負先導通道連接后熄滅,在幾十微秒后出現(xiàn)黯淡的流光;空間莖/先導與負先導通道連接并向上傳播明亮的光波.Jiang 等[11]利用180 kfps 的高速相機記錄到兩次自然下行負地閃,統(tǒng)計分析了96 個梯級樣本,得到梯級長度為1.3 到8.6 m,幾何平均值為4.4 m;空間先導中心位置與通道之間的距離為2.1 到6.9 m,幾何平均值為3.6 m;盡管大多數(shù)梯級與先導原通道方向的夾角在 ± 30o范圍內(nèi),但也有部分梯級過程發(fā)生明顯方向偏轉(zhuǎn),接近甚至達到90o,閃電放電通道的蜿蜒曲折主要受到梯級過程的方向隨機性所影響.

對于自然下行負先導,一般無法直接測量得到其電流、電荷量等關(guān)鍵參量[12],對應的電磁場參量探測,也由于距離的隨機性變化而存在不確定性.高塔閃電或人工引雷由于位置固定,便于開展綜合觀測[13?16].不過,已報道的絕大多數(shù)高塔閃電或人工引雷,都是負極性的,目前國際上對上行正地閃的報道與研究還比較有限[17?19].對其中初始階段的上行負先導的研究,通常基于通道底部電流以及電磁場的少量觀測數(shù)據(jù)得到[20,21].Miki 等[22]曾在日本一座高塔上觀測到自然上行正地閃,基于所獲得的電流和空間分辨率相對粗糙的光學觀測數(shù)據(jù),得到上行負先導的梯級發(fā)展的二維速度1.6×106m/s、梯級步長62 m、梯級間隔13.3 μs 和梯級轉(zhuǎn)移電荷量0.013 C 等參數(shù).Pu 等[23]利用2017年在山東觸發(fā)的兩次正極性人工引雷綜合觀測數(shù)據(jù),得到了相對精細的上行負先導初始階段梯級和分叉特征,先導二維局部速度范圍為0—4.46×105m/s,均值為2.10×105m/s,初始階段電流脈沖間隔、半峰寬度、峰值電流和T10%—90%上升時間均值分別為19.1 μs,1.8 μs,122.3 A 和0.6 μs,單位梯級長度轉(zhuǎn)移電荷量均值73.5 μC/m.

由于云層的遮擋,對自然下行負先導在初始階段的形成與發(fā)展這一重要問題的認識還相對模糊.正極性人工引雷當中的上行負先導,可以為研究負先導的初始特征提供比較重要的觀測依據(jù),并可能為揭示負先導的起始過程提供啟示,因此,對其研究有重要意義.近年來,山東人工引發(fā)雷電綜合觀測實驗,在引發(fā)正極性閃電方面進行了積極探索,分別于2015 年、2019 年成功引發(fā)正閃2 次和10 次,本文利用獲取的高分辨率綜合觀測數(shù)據(jù),對不同雷暴(電場)正極性引發(fā)閃電的基本特征差異及上行負先導初始階段的梯級與分叉過程進行研究,獲得負先導梯級傳輸?shù)脑敿毼锢韰⒘?研究揭示了負先導通道伴隨梯級過程存在兩種分叉方式,直接分叉行為對應的電流波形具有多峰結(jié)構(gòu),峰值時間差的典型值為2—3 μs.

2 實驗與數(shù)據(jù)

本文分析的數(shù)據(jù)來自山東人工引發(fā)雷電實驗(SHAndong Triggering Lightning Experiment,SHATLE),實驗點設在山東省濱州市沾化區(qū),距離渤海灣約 35 km.實驗設有兩個主要的觀測站點:其一是火箭發(fā)射場,占地約100 m×80 m;另一個是距離發(fā)射場約1 km 的主觀測站.同時,實驗還以引雷場為中心,建立了一個8 站組網(wǎng)LF/VLF 閃電定位網(wǎng)絡,基線長度在10—15 km范圍,用于探測過境雷暴天氣系統(tǒng)中發(fā)生的閃電事件,并獲得人工引雷的遠距離電磁輻射信號[24].此外,實驗在火箭發(fā)射場和距離火箭發(fā)射場10 km處均架設了短基線VHF 輻射源定位系統(tǒng),其探測頻段為140—330 MHz,可以在微秒量級時間分辨率上實現(xiàn)對閃電放電通道的精細刻畫[25,26].

火箭發(fā)射場設有兩個火箭發(fā)射平臺,傳統(tǒng)人工引雷平臺主要關(guān)注雷電物理過程特征和放電機理(詳見Qie 等[27],Jiang 等[28]和Sun 等[25]),信號塔雷擊測試平臺著重開展雷電防護應用研究.本文研究個例主要由傳統(tǒng)引雷平臺獲得,雷電電流經(jīng)引流桿往下、流經(jīng)5 和0.5 mΩ 的同軸分流器后由良好的接地系統(tǒng)泄放至大地,同軸分流器的探測帶寬為0—3.2 MHz,設置不同的電流探測量程為 ± 2和 ± 40 kA,對個別個例,還獲得200 A 量程的精細信號.電流信號由具有高壓隔離功能的光纖傳輸系統(tǒng)傳至控制室內(nèi),由高速示波器DL850 以20 MS/s 采樣率進行觸發(fā)記錄,記錄時間為2 s.在距離傳統(tǒng)火箭發(fā)射架30 和60 m 處均架設有3 dB帶寬為2 和1 MHz 的快慢天線,采樣率為5 MS/s,時間常數(shù)分別為0.1 ms 和0.3 s.引雷發(fā)射控制室距離傳統(tǒng)火箭發(fā)射架80 m,安裝了采集數(shù)據(jù)的電腦和示波器等儀器設備,室頂架設了帶寬為2—800 kHz 的磁天線,采樣率為10 MS/s.Campbell公司生產(chǎn)的大氣電場儀(CS110)用于記錄雷暴過程中的大氣平均電場,并為確定引雷火箭發(fā)射時機提供判斷依據(jù).

距離火箭發(fā)射場地970 m 處的主觀測點,也架設了快慢天線、磁天線、大氣電場儀等設備,并設置與火箭發(fā)射場設備不同的增益.此外,在二層觀測室,安裝了多臺Vision Research 公司生產(chǎn)的高速攝像系統(tǒng)對雷電的發(fā)展過程進行高時間分辨拍攝,包括Phantom M310,V711 和V1612 等.在本文分析中,使用了V711 和V1612 相機獲得的光學圖像,其中,V711 相機的拍攝幀速為14000 幅/秒,分辨率為1280×720 像素,單幀圖像曝光時間為20 μs;V1612 相機的拍攝幀速為90000 幅/秒,分辨率為256×512 像素,單幀圖像曝光時間為4 μs.上述的電磁場、光學等觀測設備,都通過高精度GPS 進行時間同步,時間精度為25 ns.在本文中,大氣電場的極性采用大氣電學定義,即云中正電荷占主導時,地面電場為正,相應的,云中負電荷被中和(如負回擊)將導致正向電場變化.

3 分析和結(jié)果

3.1 人工引發(fā)正極性閃電基本特征

表1 給出了2015 年和2019 年當?shù)孛骐妶鰹檎龢O性的條件下引發(fā)的12 次閃電及其上行負先導從導線頂端向上傳輸?shù)幕咎卣?除1901 以外,其他所有正極性閃電均不包含繼后先導-回擊過程,而僅包含平均強度在幾百安培量級的初始連續(xù)電流,當初始連續(xù)電流截止后,整個正極性引發(fā)閃電的放電過程也相應結(jié)束.比較遺憾的是,2019 年7 月6 日的引雷實驗,由于所引發(fā)的閃電1901 未沿著引流桿泄放電流,而擊中并損毀了信號傳輸裝置,導致電流傳感器所測信號無法傳輸和記錄,因此當天的電流資料缺失.根據(jù)地面電場變化資料和光學資料分析,發(fā)現(xiàn)閃電1901 實際上是一次雙極性人工引雷過程,首先在正極性大氣電場條件下,始發(fā)上行負先導并導致相應的初始連續(xù)電流,持續(xù)時間約290 ms,之后在332 ms 內(nèi)產(chǎn)生9 次負極性的脈沖放電,放電強度和上升沿陡度與通常的繼后回擊過程相當.此外,需要說明的是,閃電1910 對應地面?zhèn)鹘y(tǒng)平臺的空中觸發(fā)方式,引雷時導線底端距離地面286 m,下行正先導接地時將產(chǎn)生一個“小回擊”過程,其與一般由云內(nèi)起始的先導接地后誘發(fā)的回擊并不相同;而1904 和1905 則對應信號塔平臺的空中觸發(fā)方式[29],引雷時導線底端與信號塔頂?shù)木嚯x在10 m 左右,二者之間會發(fā)生一次由不同極性先導連接所導致的脈沖放電,但相應的電流及電磁輻射強度均較弱,不視為回擊過程.

表1 正極性人工引發(fā)閃電放電及先導發(fā)展的基本特征Table 1.The general characteristics of the positive triggered lightning discharge and the associated leader propagation.

從表1 中可以看到,引發(fā)正極性閃電所需的地面大氣電場強度相對較高,平均達到約5 kV/m,最高超過13 kV/m,這比一般的負極性人工引雷所需的地面大氣電場強度更高,通常,當?shù)孛娲髿怆妶鰪姸葹楱C2—–4 kV/m 時,即可引發(fā)負極性閃電,甚至在–1 kV/m 量級時也有成功個例.正極性引雷需要較高的大氣電場強度,可能與負先導擊穿空氣所需的電場閾值比正先導更高有關(guān)系[30].根據(jù)Bazelyan 和Raizer[31],維持負極性流光發(fā)展的電場強度是正極性流光的大約2 倍,而強發(fā)光的熱電離先導,是由弱電離的冷流光發(fā)展而成.

圖1 給出了2019 年7 月29 日開展引雷實驗對應的天氣雷達回波演變和地面大氣電場強度演變,其中“＋”代表引雷點的位置.當日雷暴系統(tǒng)在引雷點西側(cè)200 km 外形成,主體由西南(偏西)向東北(偏東)發(fā)展;發(fā)展過程中,隨著舊單體的消散和新單體的不斷生成,整個雷暴系統(tǒng)逐漸完成組織化增強,于17:00 左右發(fā)展成為成熟的颮線系統(tǒng).系統(tǒng)前部對流區(qū)于18:10 左右開始影響引雷場地,活躍發(fā)生的近距離閃電放電事件導致電磁場傳感器頻繁觸發(fā),地面大氣電場快速波動,一直未能累積至較大量值;18:45 之后,系統(tǒng)的強對流回波主體開始移出測站,引雷場地處于雷暴系統(tǒng)的前部強對流區(qū)向后部層狀云區(qū)的過渡區(qū)域,測站電磁場傳感器測量的閃電活動頻數(shù)逐漸下降,閃電放電發(fā)生前地面大氣電場達到4—6 kV/m,引雷時機比較成熟.分別于18:54,18:56 和18:59 發(fā)射火箭,以地面平臺傳統(tǒng)方式成功引發(fā)三次閃電,引發(fā)時地面大氣電場強度分別為5.64,5.37 和5.12 kV/m.之后,雷暴系統(tǒng)整體繼續(xù)偏東發(fā)展,離開測站.

圖1 2019 年7 月29 日雷暴過程雷達回波及地面大氣電場隨時間的演變Fig.1.The evolution of radar echo and atmospheric electric field during the thunderstorm on July 29,2019.

圖2 給出了閃電1909 的通道底部電流、60 m處快電場變化和970 m 處磁場變化的同步波形.該次閃電的持續(xù)時間為210 ms,起始時間定義為上行負先導從引雷導線頂端起始時刻(對應于圖中的0 時刻),先導向上傳輸產(chǎn)生正極性的初始連續(xù)電流,結(jié)束時間定義為放電電流衰減為零、通道熄滅的時刻.圖2 中,0 時刻之前,電場變化和磁場變化均呈現(xiàn)一定的脈沖特征,這是由火箭拉升引雷導線上升的過程中,頂端在強電場作用下“嘗試”建立先導通道的先驅(qū)脈沖放電所導致的.先導于0 時刻起始并自持向上傳輸后,通道底部測量到的放電電流持續(xù)增強,于28 ms 時達到峰值強度883 A.在此過程中,測量到的電磁場變化強度和脈沖密集程度最大,這一方面表明相應的上行負先導發(fā)展活躍、放電和輻射較強;另一方面,這也與此時先導與電磁場傳感器的距離相對較小有關(guān),隨著先導發(fā)展,探測距離增大,信號的傳輸衰減也會相應增大.在此之后,通道底部測量到的閃電放電電流波形表現(xiàn)出兩個次峰過程,可能與先導發(fā)展到云體后,延伸至不同的電荷聚集區(qū)域或強電場區(qū)域有關(guān).此外,在電流下降至零值后,電磁場變化波形中仍出現(xiàn)一些零散分布的弱脈沖,這可能與發(fā)生于云內(nèi)的零星擊穿有關(guān),由于此時所引發(fā)閃電的對地放電過程已經(jīng)結(jié)束(電流為零),其接地電流理論上已經(jīng)截止,所以可以認為這些擊穿并不貢獻于所引發(fā)閃電的對地放電過程.

圖 2 人工引 發(fā)閃電1909 的通道 底部電 流(L1),60 米 處地面電場變化(L2)以及970 處磁場變化(L3)同步波形Fig.2.Synchronous channel base current,electric field change at distance of 60 m,and magnetic field change at distance 970 m,for the triggered lightning 1909.

3.2 上行負先導初始階段的發(fā)展傳輸特征

圖3(a)給出了V711 高速相機拍攝的閃電1901 其中一幀圖像,圖中下方筆直的發(fā)光部分為引雷導線通道,較強的發(fā)光亮度是因引雷導線被電流加熱熔化/氣化所致,該筆直通道的頂部距離地面的高度即本次引雷的觸發(fā)高度,亦即自持發(fā)展的上行負先導的起始高度,為257 m.其上方彎曲、分叉的部分對應上行負先導擊穿空氣建立的自然放電通道,其中較粗的一支為上行先導發(fā)展和閃電放電的主通道.從表1 中可以看到,正極性引雷的觸發(fā)高度總體上相對較高,對于具有光學圖像記錄的11 次個例,超過半數(shù)(6 次)的觸發(fā)高度在400 m以上,最高大于600 m.一般而言,金屬導線拉伸的長度越長,導致的電場畸變將越大,正極性引雷具有相對較高的觸發(fā)高度,與前面提到的負先導始發(fā)需要較高的電場強度閾值是一致的.不過,表1中也可以看到,引雷的觸發(fā)高度,與地面大氣電場并沒有明顯的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系.

圖3(b)給出了基于高速攝像機V711 捕獲的閃電通道動態(tài)發(fā)展圖像,估算的六次人工引發(fā)正極性閃電上行負先導主通道的二維局部速度隨高度的變化.圖3(b)中一并標出了各次引雷時地面大氣電場強度.從圖3(b)中可以看到,單個上行先導在高速攝像視野內(nèi)發(fā)展的過程中,局部速度的變化、波動幅度是較大的,呈現(xiàn)出比較明顯的來回震蕩特點.例如:閃電1901 的上行負先導二維局部速度最小值和最大值分別為1.11×105和4.19×105m/s,而對于閃電1907,相應值分別為1.32×105和4.03×105m/s.先導主通道的連續(xù)幀光學圖像顯示,主通道二維速度在某一幀加速發(fā)展后,下一幀的速度可能會明顯變小,甚至可能因為其他分叉的影響,降至接近于零.對于這六次閃電的上行負先導的主通道二維速度,1901,1902 和1907整體上呈現(xiàn)隨高度的微弱增加趨勢,而另外三次閃電上行先導的速度則未表現(xiàn)出隨高度的明顯增減趨勢.對六次閃電先導的二維局部速度所有樣本求平均值,結(jié)果為1.85×105m/s,由于閃電1901 的先導速度相對較大,剔除它之后,其他五次閃電先導的局部速度平均值為1.74×105m/s.本文中人工引雷上行負先導二維發(fā)展速度結(jié)果,比已有研究中自然閃電的負極性梯級先導發(fā)展速度略小但量級相當[32?35].

圖3 (a) V711 高速相機拍攝的閃電1901 其中一幀圖像;(b) 2019 年6 次上行負先導發(fā)展二維局部速度隨高度的演變,其中,各閃電的第一個數(shù)據(jù)點所對應高度表示先導從引雷導線頂端起始時的高度.注:圖中黑色點出現(xiàn)高度重疊特征,是因為閃電1908 的上行先導在510—540 m 高度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)為橫向水平發(fā)展,并出現(xiàn)通道頭部調(diào)轉(zhuǎn)向下發(fā)展的情況Fig.3.(a) A still image of the triggered lightning 1901,as captured by the V711 high-speed camera;(b) evolution of the two-dimensional partial speeds of 6 upward negative leaders.The first points of the curves in the figure indicate the initiating heights of the associated upward negative leaders.Note that the overlapping characteristics of the black curve at the 500–540 m height are due to the leader’s horizontal and even downward propagation there.

總體上,人工引發(fā)正極性閃電中上行負先導的發(fā)展速度,比引發(fā)負極性閃電中上行正先導的發(fā)展速度大.Biagi 等[8]觀測得到一次引雷上行正先導在初始100 m 高度內(nèi)以相對恒定的5.6×104m/s速度傳輸;王彩霞等[15]計算得到上行正先導在340到705 m 高度間的平均發(fā)展速度為9.8×104m/s;Jiang 等[28]給出上行正先導在130 到730 m 高度間的平均速度為1.0×105m/s;最近,Jiang 等[36]的分析亦得到上行正先導1.0×105m/s 的發(fā)展速度.實際上,研究發(fā)現(xiàn),擊穿空氣的自然正先導,速度多在104m/s 量級[32].Wu 等[37]對553 次云閃和220 次地閃的正先導進行輻射源定位,得到絕大多數(shù)樣本的速度在1×104—3×104m/s 范圍內(nèi).上述對比得到的正負先導傳輸速度差異:一方面與不同極性先導發(fā)展傳輸所需的電場強度不同有關(guān)系(如前所述);另一方面,也受到先導發(fā)展的微觀物理機制所影響,負先導頭部聚集負電子而正先導頭部則聚集正離子,二者的質(zhì)量差別導致遷移速率差別[30],進一步導致先導發(fā)展速度的差異.

3.3 上行負先導的梯級與分叉特征

由于發(fā)生迅速,自然負先導的梯級發(fā)展特征一般難以被光學手段很好的拍攝下來,山東引雷實驗設置的V1612,盡管以11.1 μs 時間分辨率尚不能詳盡地刻畫負先導的精細特征,但還是得到了在已有研究中并不多見、具有啟示意義的先導發(fā)展圖像.圖4 給出了閃電1901 上行負先導發(fā)展過程中連續(xù)6 幀圖像.一般認為,真實先導通道的寬度在幾到十幾厘米量級[38,39],由于像素分辨及光散色等因素的影響,光學圖像中的通道寬度實際上要明顯大于真實先導通道,因此,我們在圖中添加了線條進行更好的標識,其中,藍色實線表示已有通道,紅色實線段表示當前最新發(fā)展的梯級通道,紅色虛線段表示先導在下一幀圖像中將發(fā)展形成的梯級通道.圖4 中,第二、第六幀顯示了先導在各自的前一幀完成梯級跳躍之后的停頓、間歇,相應的,先導主通道及頭部的光強較前一幀明顯減弱.在第二幀中,減弱暗淡的主先導頭部前方,出現(xiàn)了兩個發(fā)光段,其發(fā)光強度較先導通道明顯偏低但可以從背景光強中分辨出來,在反色圖中用1 和2 標記.二者與先導的主通道之間存在光亮度更弱的間隙,因此,它們屬于先導頭部前方的空間莖/空間先導(注:這里對空間莖/空間先導不做嚴格區(qū)分).從圖4 的第三幀中可以看到,新發(fā)生的梯級是指向了空間莖/空間先導1 的方向,表明它與原先導頭部發(fā)生了連接,從而導致了相應的梯級過程.而空間莖/空間先導2 則未能完成連接,且發(fā)生熄滅.Jiang等[11]曾指出,負先導梯級過程中,先導頭部前方可出現(xiàn)成簇的空間莖/空間先導,這是先導發(fā)生分叉的根源.不過,如圖4 第二幀所示,空間莖/空間先導的發(fā)展有強有弱,它們的后向端往主通道發(fā)展亦有先有后,因此,當某一空間莖/空間先導率先與主通道發(fā)生連接,則環(huán)境電場將瞬間發(fā)生改變,原本先導頭部周圍的強電場發(fā)生驟降,這使得其他的空間莖/空間先導失去發(fā)展條件或能量,導致熄滅,類似于圖4 第二幀的空間莖/空間先導2.

圖4 引發(fā)正極性閃電的上行負先導連續(xù)6 幀光學圖像,時間分辨率為11.1 μs.注:上圖為原始圖像,下圖為反色顯示Fig.4.Six consecutive optical images of the upward negative leader in rocket-triggered positive lightning flash,with a temporal resolution of 11.1 μs.Note that the top panel gives the original images,and the bottom panel gives the reverse color version of the images.

圖5 給出了同一次上行負先導過程的另外連續(xù)十幀圖像,其第九幀,也記錄到發(fā)生于同一先導頭部前方的兩個空間莖/空間先導6 和7,與前面例子不同的是,在其下一幀中,這兩個空間莖/空間先導均與原先導頭部發(fā)生了連接,從而導致先導的分叉.兩次個例的不同,表明成簇出現(xiàn)的空間莖/空間先導之間的“競爭”性發(fā)展,可能會導致差異性的先導發(fā)展行為,當空間莖/空間先導之間“競爭”的優(yōu)、劣勢區(qū)別顯著,則優(yōu)勢的空間莖/空間先導將主導完成接下來的梯級發(fā)展過程,以單通道方式延伸.當“競爭”相對均勢,即不同指向的空間莖/空間先導強度相當,它們幾乎同時與主通道的頭部發(fā)生連接,則會使得先導于相應梯級過程后形成分叉.

圖5 引發(fā)正極性閃電的上行負先導連續(xù)10 幀光學圖像(反色),時間分辨率為11.1 μsFig.5.Ten consecutive optical images (reverse color) of upward negative leader in rocket-triggered positive lightning flash,with a temporal resolution of 11.1 μs.

上述分析的空間莖/空間先導均發(fā)生于先導通道的頭部前方,進一步分析可以看到,圖4 第三幀的空間莖/空間先導3、以及圖5 第二幀(第四幀、第七幀重復出現(xiàn))的空間莖/空間先導4 則出現(xiàn)在已經(jīng)延伸的先導通道的側(cè)向.在Qi 等[10]和Jiang等[11]的研究中,均發(fā)現(xiàn)先導通道側(cè)向的空間莖/空間先導與通道之間發(fā)生連接,是先導頭部隨梯級過程發(fā)生直接分叉以外的另一種通道分叉方式.從圖5 可以看到,空間莖/空間先導4 實際上是第一幀到第二幀發(fā)生梯級過程時,未能成功完成連接的其中一個空間莖/空間先導.在第三幀、第五到第六幀,其發(fā)光強度無法從圖像的背景光強中分辨出來,表明其經(jīng)歷了明顯的減弱過程.而第四幀、第七幀,空間莖/空間先導發(fā)生了在減弱甚至熄滅之后的多次重燃(重新在光學頻段中可探測、活躍增強),并且,相應發(fā)光段發(fā)生了延伸,發(fā)光強度也變強.不過,其最終未能與先導通道完成連接,因此沒有導致通道沿著其位置分叉和后續(xù)發(fā)展.相較而言,圖5 中標示的D,則實現(xiàn)了空間莖/空間先導重燃后與主通道連接形成側(cè)向的分叉通道,其重燃發(fā)生在第九至第十幀之間.

圖6 給出了閃電1901,1907 和1908 的上行負先導各自在距離地面257—421 m,339—518 m 和399—513 m 的發(fā)展過程中,光學圖像記錄到梯級步長分布圖,所對應樣本是根據(jù)圖像可以分辨并確認為單次梯級過程的全部樣本,共計132 個.統(tǒng)計得到,梯級步長的最小值為0.8 m,最大為8.7 m,算數(shù)平均值為3.9 m,幾何平均值為3.6 m.該結(jié)果相較于近年來通過直觀的高速攝像圖像得到的結(jié)果略微偏小,但總體上保持基本一致.Hill 等[9]利用300 kfps 的高速相機獲得自然下行負先導82 次梯級樣本的平均步長為5.2 m.Jiang 等[11]根據(jù)180 kfps 分辨率的高速攝像圖像得到96 次樣本的梯級步長在1.3—8.6 m 范圍,算數(shù)平均值為4.6 m,幾何平均值4.4 m.最近,Qi 等[40]設置525 kfps的高幀率拍攝,捕捉到先導主通道的33 次梯級過程,平均梯級長度為5.6 m.

圖6 閃電1901,1907 和1908 中的上行負先導共132 次梯級過程的步長分布圖Fig.6.The step length distribution diagram of a total of 132 steps in the upward negative leaders of lightning flashes 1901,1907,and 1908.

如上所述,近年來通過高速相機拍攝所揭示的先導梯級步長,實際上都比早期通過條紋相機或光纖陣列等設備探測得到的梯級步長偏小,例如:最早Schonland 等[5]給出的梯級步長達10—200 m,Berger[6]所獲結(jié)果的梯級步長上限也達到十幾米,而Chen 等[41]利用光纖陣列系統(tǒng)ALPS 探測到兩次負梯級先導,梯級步長分別在7.9—19.8 m 范圍和約8.5 m.隨著研究的推進,負先導梯級步長的這種“減小趨勢”,可能與研究手段的差異存在一定關(guān)系,實際上,條紋相機或光纖陣列等探測設備可能會缺測某些發(fā)光強度較弱的梯級過程,從而漏掉相對較小的梯級樣本.而高速光學設備,在近距離觀測時,則更好的記錄了接近真實下限的梯級步長.當然,包括本文及上述回顧的結(jié)果,最小梯級步長都對應于所記錄光學圖像的1 個像素,因此仍存在高估下限的可能,未來,隨著光學探測的空間分辨率進一步精細化,或許會發(fā)現(xiàn)負先導更短、更小的梯級過程.

圖7 和圖8 分別給出了閃電1907 和1908 上行負先導初始階段的同步電流、電場變化、磁場變化及通道發(fā)展圖像.該階段中,負先導的通道分叉相對較少,且背景電流較弱,梯級過程與電流、電磁場脈沖信號的對應關(guān)系比較明確,因此可以較為客觀地計算單次梯級過程的相關(guān)物理參量,這是自然閃電觀測難以實現(xiàn)的.需要說明的是,兩次先導電流波形的最初幾個脈沖,表現(xiàn)出一定的特殊性,即先呈相反極性,之后又出現(xiàn)阻尼震蕩波形,目前尚不清楚這是由于接地阻抗不匹配所導致還是由于物理過程本身所導致,因此暫不對其進行詳細分析.

從圖7 和圖8 所標示的P 脈沖和光學圖像對比可以看到,伴隨先導的梯級過程,電流和電磁場表現(xiàn)出顯著的脈沖特征,且隨著先導在梯級完成后的停頓、減弱,電流也逐漸減小到接近于零.由于電流信號的時間分辨率優(yōu)于光學測量,可以看到脈沖之間的時間間隔大多在15—20 μs 范圍,且由于該階段內(nèi)先導尚未形成多個分叉,不存在多個通道上同時或交替出現(xiàn)梯級過程的情況,因此,15—20 μs 可以認為是比較典型的單次梯級發(fā)展演化周期.圖7 中還可以看到,隨著先導的發(fā)展及其擊穿空氣所形成的通道逐漸增長,通道底部記錄到的背景電流(脈沖結(jié)束后的電流強度,亦即下一次脈沖開始前的電流強度)逐漸增大,與此同時,相應的“脈沖”特征則逐漸變得不那么顯著.Lu 等[42]曾將特征存在差異的兩類脈沖分別命名為“脈沖型”脈沖和“波紋型”脈沖,之后,樊艷峰等[43]和Fan 等[44]對它們的電流波形參數(shù)進行了統(tǒng)計并做了模擬,認為先導通道具備一定長度后,由于通道相對高阻抗的特點,將影響對先導頭部梯級過程所產(chǎn)生脈沖信號的探測.

圖7 (a) 閃電1907 上行負先導初始階段的電流、電場變化、磁場變化和通道光強演變;(b) 高速相機拍攝的通道發(fā)展圖像(逐幀時間間隔為11.11 μs).注:圖(a)和圖(b)中1—27 代表相機幀數(shù)Fig.7.(a) The synchronous channel base current,electric field change,magnetic field change and channel luminosity,for the upward negative leader in the triggered lightning flash 1907;(b) the channel evolution of the leader,as captured by the high speed video camera with temporal resolution of 11.11 μs.Note:1–27 in Figure (a) and Figure (b) represent the number of camera frames.

表2 具體給出了閃電1907 和1908 上行負先導在圖7 和圖8 所展示初始階段中梯級過程的脈沖電流和通道發(fā)展特征參量.為了使結(jié)果具有較好的代表性,所選的樣本為“脈沖型”脈沖.如表2 中所列,17 次梯級過程對應的電流脈沖間隔范圍為10.3—24.4 μs、脈沖峰值電流范圍為43—130 A、脈沖轉(zhuǎn)移電荷量233—681 μC、半峰值寬度0.4—6.3 μs、電流從10%峰值上升到90%峰值的上升時間T10%—90%在0.1—2.4 μs,這些電流波形參量的算數(shù)平均值分別為17.9 μs,81 A,364 μC,3.1 μs和0.9 μs.根據(jù)先導梯級的通道延伸長度和脈沖電流的積分電荷量,可以計算單次梯級過程的等效線電荷密度,范圍在49.9—196.8 μC/m,算數(shù)平均值為118.5 μC/m.

表2 閃電1907 和1908 上行負先導初始階段梯級過程的脈沖電流和通道發(fā)展特征參量Table 2.The parameters of impulsive current waveform and the channel evolution during initial stepwise development of the upward negative leaders in triggered lightning flashes 1907 and 1908.

圖8 (a) 閃電1908 上行負先導初始階段的電流、電場變化、磁場變化和通道光強演變;(b) 高速相機拍攝的通道發(fā)展圖像(逐幀時間間隔為11.11 μs).注:圖(a)和圖(b)中1—27 代表相機幀數(shù)Fig.8.(a) The synchronous channel base current,electric field change,magnetic field change and channel luminosity,for the upward negative leader in the triggered lightning flash 1908;(b) the channel evolution of the leader,as captured by the high speed video camera with temporal resolution of 11.11 μs.Note:1–27 in Figure (a) and Figure (b) represent the number of camera frames.

4 討論

由于各方面條件的限制,如閃電放電本身的危險性和破壞性,及其伴隨著的強降水、大風等,對自然大氣條件下閃電的光學觀測,一般很難開展類似于實驗室長間隙放電那樣的極近距離成像,因此對其中一些弱發(fā)光的流光結(jié)構(gòu),探測能力比較有限.實際上,一些基于實驗室長間隙放電的研究比較細致地刻畫了負先導頭部的流光系統(tǒng),既有空間莖,空間先導,還有空間莖向空間先導轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物“pilot”,而先導頭部前方豐富的流光絲,則連接了空間先導、pilot、空間莖所組成的多層級結(jié)構(gòu)[45].本文中,在圖4 的x所標示的位置,發(fā)生了兩次梯級過程,第三幀到第四幀,空間莖/空間先導3 與先導通道連接完成一次梯級跳躍,第四到第五幀,這一梯級所形成的通道在光學上變得不可見,似乎已經(jīng)熄滅,而第五到第六幀,先導在之前梯級通道的基礎上,發(fā)生了進一步的延伸.可以推測,第一次梯級后的停頓過程中,剛形成的熱先導通道冷卻、減弱至不發(fā)光,退化為類似于流光結(jié)構(gòu)的性質(zhì),其前方的空間莖或pilot 結(jié)構(gòu)與其發(fā)生連接,導致整個分叉通道再次被“點亮”.盡管這種情況在本文中并不多見,但其發(fā)生的物理機制是合理的,今后對負先導形成豐富分叉的發(fā)展階段開展進一步觀測,有可能會得到更多類似的結(jié)果.

近年來的研究已經(jīng)表明,先導頭部的流光系統(tǒng)及其發(fā)展形成的成簇空間莖,是負先導發(fā)生分叉的根源[11,46].多個空間莖/空間先導在同一個梯級周期中同時發(fā)展,并都實現(xiàn)與先導頭部的連接,是負先導發(fā)生分叉的最主要方式.由于不同指向的空間莖/空間先導之間存在天然的競爭性,優(yōu)勢發(fā)展、率先完成連接的空間莖/空間先導往往支配了它們發(fā)展所需的主要能量,并瞬時、動態(tài)地改變著環(huán)境的電場分布等條件.因此,不同空間莖/空間先導的“均勢發(fā)展”對于先導通道的直接分叉行為而言,是非常關(guān)鍵的條件之一.相應地,它們各自與先導頭部之間的連接理應發(fā)生在比較短的時間差以內(nèi),否則,如前文分析所述,弱勢空間莖/空間先導可能會難以維持而熄滅.目前,不管是在自然閃電觀測中,還是在實驗室長間隙放電實驗的觀測中,光學觀測手段都難以實現(xiàn)足夠高時間分辨率的精細成像,無法分辨多個空間莖/空間先導同時發(fā)展以及它們與先導頭部先后發(fā)生連接的細節(jié).所以,對這一問題的探討需要借助于電流、電磁場的探測結(jié)果.在圖7 和圖8 中可以看到,閃電1907 的P4,P5 和P6 脈沖,以及閃電1908 的P5,P12 和P13脈沖對應的先導梯級,都發(fā)生了分叉.這些脈沖的共同特點是它們均具有雙峰特征,峰值點之間的時間間隔一定程度上可以表征不同空間莖/空間先導連接至先導頭部的時間差.分析發(fā)現(xiàn),閃電1907的P4,P5,P6 脈沖雙峰時間間隔分別為2.85,2.10和2.25 μs,閃電1908 的P5,P12,P13 脈沖雙峰時間間隔分別為2.15,4.30 和6.45 μs.可以推測,先導在同一梯級周期內(nèi),因不同空間莖/空間先導先后與先導頭部實現(xiàn)連接而發(fā)生分叉,所允許的時間差上限可達6—7 μs,并多處于2—3 μs 范圍,在相應時間差內(nèi),不同空間莖盡管存在非均勢發(fā)展,但弱勢的空間莖沒有被熄滅,這可能與其中流光系統(tǒng)的自持發(fā)展條件有關(guān).當然,目前所給出這些量值的樣本數(shù)還非常有限,未來需要更多的觀測予以進一步確認.此外,從圖8 還可以看到,脈沖P7 出現(xiàn)了雙峰,但光學圖像中難以辨認其對應的梯級過程是否引起了通道分叉,假如該過程為單通道發(fā)展,則脈沖的雙峰結(jié)構(gòu)可能是由于同一方向上前后形成的空間莖/空間先導導致了兩次連接過程,實際上,前面提到,空間先導、pilot、空間莖在先導頭部前方可組成相對復雜的多層級結(jié)構(gòu).

一些弱勢發(fā)展的空間莖/空間先導可以在熄滅之后又發(fā)生重燃,這是負先導通道發(fā)生分叉的另一種方式.Qi 等[10]和Jiang 等[11]都觀測到了單次重燃后,空間莖/空間先導與通道發(fā)生連接的現(xiàn)象,而本文觀測則發(fā)現(xiàn),減弱熄滅的空間莖/空間先導可以發(fā)生多次重燃,而且重燃后其空間尺度變長.不過,本文中圖5 的空間莖/空間先導盡管發(fā)生了重燃,但并未能與通道實現(xiàn)連接,而是最終再次熄滅.總體上,不管是單次重燃還是多次重燃,相應的物理機制、驅(qū)動條件仍然不是十分清楚.此外,一些其他研究還表明,當負先導頭部已經(jīng)發(fā)展較遠之后,一些熄滅的分叉通道也可能被再次點亮,這些過程被命名為“spark”或“transient”[47,48],它們與空間莖/空間先導的“熄滅-重燃”的現(xiàn)象學特點具有一定的相似性,但二者是否具有類似的物理機制,也還是未知,值得在今后開展更為精細的觀測或模擬予以澄清.

5 結(jié)論

本文詳細研究了山東人工引發(fā)雷電實驗于2015 年和2019 年在正極性大氣電場條件下成功引發(fā)的12 次罕見閃電過程、以及這些引發(fā)閃電初始過程中上行負梯級先導的發(fā)展傳輸特征與機理,得到如下結(jié)論.

除其中一次閃電的放電過程發(fā)生了從正極性向負極性的反轉(zhuǎn)并出現(xiàn)多次負極性回擊以外,其他11 次引發(fā)閃電均沒有產(chǎn)生繼后回擊,其正極性的初始連續(xù)電流強度在幾百安培量級,持續(xù)時間最短不足100 ms,最長超過600 ms.引發(fā)閃電時地面大氣電場強度約5 kV/m,最高超過13 kV/m,總體觸發(fā)高度在400 m 左右,閃電觸發(fā)高度與地面大氣電場強度無明顯的相關(guān)關(guān)系.

對具有光學探測資料的其中6 次閃電的上行負先導進行分析,得到其二維平均發(fā)展速度為1.85×105m/s,在光學圖像視野內(nèi),先導的二維發(fā)展速度隨高度沒有明顯的變化趨勢.上行負先導以梯級方式發(fā)展傳輸,對從光學圖像中可分辨的132 次梯級過程統(tǒng)計分析得到其梯級步長在0.8—8.7 m 范圍,算數(shù)平均值為3.9 m,幾何平均值為3.6 m.先導的初始發(fā)展階段中,單次梯級過程產(chǎn)生顯著的“脈沖型”電流和電磁場脈沖,統(tǒng)計了電流脈沖波形的時間間隔、電流峰值、轉(zhuǎn)移電荷量、半峰值寬度、電流從10%峰值上升到90%峰值的時間等波形參量,平均值分別為17.9 μs,81 A,364 μC,3.1 μs,0.9 μs,根據(jù)先導梯級的通道延伸長度和脈沖電流的積分電荷量,獲得單次梯級過程的等效線電荷密度參量,其范圍為49.9—196.8 μC/m,算數(shù)平均值為118.5 μC/m.

高速光學圖像記錄到了先導發(fā)生梯級并導致通道分叉的一些細節(jié)特征,捕捉到梯級間歇過程中,先導頭部前方表現(xiàn)為弱發(fā)光段的空間莖/空間先導,且不同指向的空間莖/空間先導可出現(xiàn)于同一先導頭部前方.分析揭示了負先導通道伴隨梯級過程導致分叉的兩種方式:1) 先導頭部前方成簇的空間莖/空間先導在同一梯級周期內(nèi)先后與先導頭部發(fā)生連接;2) 之前曾熄滅的空間莖/空間先導發(fā)生重燃,并與先導通道發(fā)生側(cè)向連接.光學和電流同步資料分析表明,當兩個空間先導莖/空間先導在同一梯級周期內(nèi)與先導頭部發(fā)生連接進而導致分叉時,產(chǎn)生了雙峰結(jié)構(gòu)的脈沖電流波形,峰值點之間的時間間隔一定程度上表征了先后完成的兩次連接之間的時間差,多在2—3 μs 范圍,最長可達6—7 μs.

感謝山東省氣象局、濱州市氣象局、沾化區(qū)氣象局對人工引雷實驗的大力支持,感謝所有參與人工引雷外場綜合觀測的實驗人員.