山東人工引發雷電綜合觀測實驗及回擊電流特征

郄秀書 楊靜 蔣如斌 王彩霞 馮桂力 吳書君 張廣庶

1 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環境探測重點實驗室，北京 100029

2 山東省氣象科學研究所，濟南 250031

3 山東省濱州市氣象局，濱州 256600

4 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，蘭州 730000

山東人工引發雷電綜合觀測實驗及回擊電流特征

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

2 山東省氣象科學研究所，濟南 250031

3 山東省濱州市氣象局，濱州 256600

4 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，蘭州 730000

山東人工引發雷電實驗 （SHATLE）自2005年開始，六年來共成功引發負極性雷電22次，包含大電流回擊過程88次，實驗獲取了包括雷電放電通道底部電流、近距離電磁場、高速攝像等在內的高質量同步觀測資料。對36次實測回擊電流的統計分析表明，回擊峰值電流的幾何平均值為12.1kA，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA。回擊電流波形的半峰值寬度范圍在1～68μs之間，電流10%～90%峰值的上升時間幾何平均值為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。人工觸發閃電峰值電流約16.5kA的回擊在30m處產生的電場變化可達56.0kV／m，60m處的磁場幾何平均值為52μT。一些強烈的M分量可以具有與回擊相當的電流峰值和中和電荷量。人工引雷初始階段上行正先導的發展速度約為0.96×105m／s。

人工引發雷電 回擊 放電電流 近距離電磁場 光學特征

1 引言

隨著現代社會電子信息技術的迅速發展，雷電造成的危害日趨增加，如何對電子設備進行科學的雷電防護成為現代防雷設計亟待解決的問題。雷電放電電流和近距離電磁場不僅是進行科學的雷電防護所必需了解的關鍵參量，而且對雷電物理過程及雷電與地面物體相互作用機理的研究也十分重要。自然雷電由于發生的時空隨機性，對其進行直接測量十分困難。20世紀60年代發展起來的人工引發雷電技術可以使雷電在一定的時空可控范圍內發生，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雷電技術是火箭—導線技術，即在合適的雷暴起電條件下，向雷暴云發射拖帶細金屬導線的小火箭從而引發雷電。根據火箭拖帶的導線與地面連接方式的不同，又分為傳統引發和空中引發兩種方式。傳統引發方式是火箭拖帶的導線通過引流桿與大地直接相連 （引雷導線下端直接與接地的引流桿相連，上端接引雷火箭）；空中引發方式中火箭拖帶的導線通過一段尼龍線與引流桿相連，空中引發方式可以更好地模擬自然雷電的下行先導過程。

我國早在1977年就曾利用防雹土火箭開展了人工引發雷電實驗 （夏雨人等，1979），1989年中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 （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，得到了人工引發雷電的基本過程以及南、北方人工引發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），并實現了傳統和空中兩種引雷方式。火箭所攜帶的導線與引流桿之間連接方式的不同會導致放電過程的差異。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，我國傳統引雷實驗中引雷導線與引流桿之間連接了一段5m的尼龍線，5m尼龍線的長度遠小于空中引發雷電所需的尼龍線長度。Yang et al.（2009）對連接有5m尼龍線的引發雷電和傳統引發雷電導致的放電過程差異進行了細致分析。連接5m尼龍線的引發雷電電流波形與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）認為電流波形中的初始大脈沖是由導線熔化產生的，而接有5m尼龍線引發雷電波形中的初始大脈沖由5m空氣間隙被擊穿導致，導線熔化發生在連續電流階段。

山東人工引發雷電實驗 （Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment，簡稱SHATLE）自2005年夏季開始 （楊靜等，2006；郄秀書等，2007），實驗地點設在山東濱州地區，該地區位于南北天氣系統的交匯處，夏季常有十分強烈的雷暴系統過境。實驗目的主要包括以下幾個方面：

（1）測量雷電流波形和極近距離上的電磁場，為雷電防護提供基礎數據；

（2）研究雷電的電磁輻射和傳播效應及其與雷電流的關系；

（3）研究雷電的物理過程和雷擊機理；

（4）研究雷電與云動力過程和降水過程的關系；

（5）研究雷電產生的高能輻射及機理；

（6）研究雷電對電子設備的影響。

2005～2010年期間，所用實驗設備經升級更新，性能逐步提高，目前已形成了較為完善的人工引雷實驗設施和高性能的測量設備，以此為基礎，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觀測數據。本文對山東人工引發雷電實驗6年期間的實驗情況和主要研究結果進行總結。

2 實驗介紹

山東人工引發雷電實驗主要觀測項目包括通道底部雷電流、近距離電場、磁場、高速攝像光學觀測等，濱州市氣象局的多普勒天氣雷達為引雷實驗提供參考。實驗設有2個觀測點 （Qie et al.，2009），一個是近距離觀測點，在距離火箭發射架30m和60m處都架設有觀測設備；另外一個是遠距離觀測點，即主觀測點，與火箭發射架的距離一般在1000m以內；引雷發射控制室設在60～70m處。火箭發射架共有8個，環繞在引雷桿 （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驗的基礎。2005至2008年期間，沿用中國科學院寒區旱區環境與工程研究所引雷火箭，箭體為不銹鋼金屬材料，整個火箭重約5kg。2008年中國科學院大氣物理研究所與中國航天總公司陜西中天火箭技術有限責任公司合作，研制開發了新型人工引發雷電專用火箭，該火箭采用新型復合材料，使箭體重量減少到2.4kg，從而具備了更高的安全性，有關新火箭的詳細參數及實驗結果可參見郄秀書等 （2010）。另外，火箭發射點火技術也是人工引發雷電實驗中的一項重要技術。2005～2007年期間，發射火箭采用氣動點火方式。2008～2010年，采用了光纖點火方式①王懷斌，人工誘發雷電火箭光纖發控點火系統，專利申請號：200410073342.2。，提高了火箭發射的可靠性，并降低了點火延遲時間，為引雷時機的準確把握提供了保障。在山東人工引發雷電實驗中，采用了導線與引流桿直接相連的傳統引發和空中引發兩種方式。

2005～2008年，雷電流的測量采用兩種方式，一是使用2個帶寬為300Hz～1MHz的Rogowski線圈，量程分別為2kA和100kA，用于測量不同強度的電流。同時，德國生產的電阻值為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，記錄系統采用8通道DL708高速數字化示波器，采樣頻率設定為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，該系統共包括4個發射機和一個接收機，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。2009～2010年，電流信號的采樣率都是10MHz，記錄設備為16通道高速數字化示波器DL750。

2005～2008年期間，近距離電、磁場的測量設在距火箭發射架60m處，遠距離電場的測量設在距火箭發射架550m處的主觀測點。2009～2010年，近距離電場的測量分別設在距離火箭發射架30m和60m處，在距離火箭發射架60m處仍設有磁場測量，遠距離電、磁場仍然設在距離火箭發射架550m處的主觀測點。2005～2010年，閃電產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，時間常數分別為2ms和6s，以2.5MHz采樣率記錄到計算機上 （趙陽等，2009）；2009年，快、慢電場變化測量儀的帶寬分別為5MHz和2MHz，時間常數分別為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，時間常數改為1ms和3s，記錄采樣率仍為5MHz。采用大氣平均電場儀實現對雷暴電場的連續監測，其電場大小是火箭發射的重要參考。2005～2008年磁場和電流信號同時記錄在示波器上，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。有關磁場測量系統的詳細介紹和其標定實驗可參見 （Yang et al.，2008）。

高速攝像系統是詳細記錄閃電通道發展演化的重要手段。2005～2007年，所用高速攝像系統的時間分辨率為1000幅／秒。2008年引進了Photron公司生產的高速攝像系統FAST Camera SA1，其時間分辨率最高可達到150000幅／秒，在1024×1024像素分辨率情況下，時間分辨率可以達到5400幅／秒。2009年引雷實驗中高速攝像的時間分辨率設為6000幅／秒，2010年為10000幅／秒。

表1 2005～2010年山東人工引發雷電實驗總體情況Table 1 Basic features of the triggered flashes in the SHATLE during 2005－2010

3 結果和分析

在SHATLE 2005～2010年期間，共成功引發雷電22次，其中18次為傳統引發，4次為空中引發，共包含88次大電流回擊過程，所有回擊均將云內的負電荷轉移到地面。表1給出了2005～2010年引發雷電的總體情況。22次引發雷電中，持續時間最長為1900.0ms，最短為145.5ms，其中3次只有初始連續電流過程而無回擊過程。包含回擊過程的19次閃電中，回擊數分布在1～11次之間。從表1可以看出，在同一次雷暴過程中，相鄰兩次引發雷電的時間間隔比較小，最短為144s，最長為938s，這表明如果在某一時段內時機合適，則能夠連續引發雷電成功。基于表1中的觀測數據，從通道底部雷電流、近距離電磁場和光學特征等幾個方面對引發雷電進行討論。

3.1 人工引發雷電通道底部電流波形特征

2005～2010年實驗期間，共直接測量到36次回擊過程的電流波形，圖2是2010年8月20日測量到的觸發閃電1004的雷電流波形，由初始連續電流 （ICC）過程和9次回擊 （RS）過程組成，9次回擊的峰值電流分布在4.4kA到15.2kA之間。對36次回擊過程的電流波形特征參量進行了統計分析，包括：回擊電流峰值，半峰值寬度，10%～90%上升時間，回擊在1ms內轉移的電荷量，相應參量的定義方法參見圖3。值得注意的是，本文統計的轉移電荷量是1ms內轉移的電荷量，為顯示清楚，圖2中轉移電荷量部分未畫到1ms。此外，還統計了回擊持續時間，回擊間隔，電流波形10%～90%上升陡度，電流30%～90%上升時間，回擊在1ms內的作用積分 （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日測量到的觸發閃電1004的雷電流波形：（a）整體波形；（b）R4的時間展開圖；（c）R5的時間展開圖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 回擊電流波形參數定義：（a）回擊峰值電流；（b）回擊10%～90%上升時間；（c）半峰值寬度；（d）1ms內轉移電荷量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計結果以及和其他作者的比較。為了對波形特征參量的分布規律有一個清楚的認識，圖4給出了這些參量的柱狀分布圖。從表2中可以看出，回擊電流峰值的分布范圍很廣，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）所得的結果偏小之外，本文所得結果與絕大多數作者得到的回擊電流峰值類似，尤其與Schoene et al.（2009）利用165個樣本得到的回擊電流幾何平均值12.2kA接近。實測回擊電流峰值的最大值為41.6kA，與巴西一次空中引發雷電回擊電流峰值的最大值44kA 接近 （Saba et al.，2005）。趙陽等 （2009）和Yang et al.，（2010a）曾分別對2005～2008年實測資料和2005～2009年近距離磁場反演資料對雷電流波形特征進行了統計。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果，這也是本文回擊電流峰值樣本數比Yang et al.，（2010a）少的原因。

表2 2005～2010年山東人工引發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 回擊電流波形特征參量柱狀圖：（a）電流峰值；（b）持續時間；（c）半峰值寬度；（d）回擊在1ms內轉移的電荷量；（e）回擊間隔；（f）回擊在1ms內的作用積分 （action integral）；（g）10%～90%上升時間；（h）10%～90%上升陡度；（i）30%～90%上升時間；（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，幾何平均值和算術平均值也都偏大，原因可能來自兩個方面，一方面可能是接地體的反射，由于實驗中所用的引流桿并不是一個整體，而是由幾段組成，這樣在連接處必然引起反射，Schoene et al.（2009）認為反射可能是導致較大上升時間的一個原因；另外一個原因可能來自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，這些也會對上升時間產生一定的影響（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%上升時間分布在1～2μs與絕大多數作者得到的結果是一致的 （Depasse，1994；Schoene et al.，2009）。本文得到電流半峰值寬度的算術平均值23.7μs與Depasse（1994）和Fisher et al.（1993）相比結果偏小，但與Schoene et al.（2009）利用較多的樣本數得到的結果23μs接近。本文得到回擊轉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）曾對人工引發雷電回擊電流峰值和自然雷電回擊電流峰值進行了詳細對比分析，表明人工引發雷電與自然雷電繼后回擊具有很大的相似性。

3.2 人工引發雷電的近距離電磁場及影響

自然雷電由于發生時間和位置的不確定性，很難對其近距離電磁環境進行測量和研究。人工引發雷電由于在一定時空尺度上的可控性，為研究近距離電磁環境提供了條件。2005～2010年實驗期間，我們利用自行研制的交叉環天線磁場測量系統（Yang et al.，2008）對人工引發雷電產生的近距離磁場進行了測量。對48次回擊的測量結果表明，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引發雷電通道底部第2次和第4次回擊電流和對應的30m處的箭式先導—回擊過程在地面產生的垂直電場變化波形。兩次回擊的電流峰值分別為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形的底部對應先導的結束和回擊的開始。圖5中兩次下行負極性直竄先導產生的電場變化分別為53.2kV／m和50.3kV／m，隨后的回擊過程產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—回擊過程在地面60m和550m處產生的垂直電場變化波形進行研究，發現60m和550m處的先導電場的幾何平均值分別為17.8kV／m和1.2kV／m，回擊過程電場變化的幾何平均值分別為16.7kV／m和1.65kV／m，先導電場以水平距離r－1.18衰減。張其林等 （2006）得到的60m 和550m處先導—回擊電場變化對應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模式來解釋 （Zhang et al.，2009）。對比可以發現，在較近的距離范圍內，電場隨距離的衰減是很快的，遺憾的是0902閃電測量中對應的60m和遠方觀測點的電場變化測量飽和，無法得到電場隨距離的衰減。

當雷電擊中建筑物時，接地系統將雷電流導入大地，由于接地體接地電阻的存在，會導致地電位升高。在人工引雷實驗中，引流桿相當于接地體，接地電阻和通過接地體的電流都可以通過實驗的方法來獲得。因此，借助人工引雷實驗，可以研究雷電流引起的地電位升高。Yang et al.，（2010b）基于人工引發雷電實驗獲取的通道底部電流和地電位升高觀測數據，得到峰值為41.6kA和29.6kA的回擊電流產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間和半峰值寬度遠大于電流波形的相應參量。

3.3 放電通道光學演化的高速攝像觀測和強M分量特征

一次雷電的持續時間非常短，用普通攝像機很難拍攝其發生發展的詳細過程。高速攝像以其較高的時間分辨率，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拍攝到的一次人工引雷0902上行正先導的發展過程，兩幅之間的時間間隔為167μs，據此推算得到的上行先導發展速度約為0.96×105m／s。呂偉濤等（2007）曾經利用2000幅／秒的高速攝像對空中引雷0504上行先導的發展過程進行了研究，發現在初始階段上行正先導的二維速度為3.8×104～5.5×104m／s，當鋼絲下端接地后，上行正先導的速度為1.6×105～2.0×105m／s，0902上行正先導發展速度介于二者之間。

圖6 利用高速攝像系統拍攝到的人工引發雷電0902的上行正先導發展過程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移過程大致分為三類：先導—回擊過程、連續電流過程和M分量過程。先導—回擊過程是目前人們研究最多也是了解最多的放電過程。連續電流是在閃電回擊之后沿閃電通道持續的云對地放電過程，而M分量則是疊加在連續電流上的脈沖過程，并使閃電通道的發光亮度發生瞬間增強。相對于連續電流而言，先導—回擊過程和M分量過程都是持續時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M分量的峰值電流可達到幾千安培量級 （Rakov et al.，1998）。山東0902人工觸發閃電包含了7次峰值電流達到幾千安倍量級的與M分量有關的放電事件，電流脈沖峰值最大為7.0kA。強烈的M分量可以具有與回擊相當的電流峰值、中和電荷量以及作用積分 （Qie et al.，2011），是十分罕見的強烈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M分量的波形特征，并利用Rakov et al.（1995）提出的 “雙波”理論進行了數值模擬，發現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間，數值模擬認為大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展的入射過程，該過程在接地后仍繼續發展增強，并在地面發生反射過程，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雷電0902所包含的26個M分量的特征進行了分析，發現M分量的發光呈對稱分布，回擊前通道底部存在可探測到的微弱發光，預示著在回擊發生之前通道底部仍可能有連續電流存在。

4 總結和討論

2005～2010年夏季，山東人工引發雷電實驗（SHATLE）共成功引發負極性雷電22次，包含大電流回擊過程88次。通過實驗觀測獲取了一批人工觸發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次實測回擊電流的統計分析發現，回擊峰值電流的幾何平均值為12.1kA，最大值為41.6kA，最小值為4.4kA。回擊電流波形的半峰寬度范圍在1～68μs之間，電流10%～90%峰值的上升時間幾何平均值為1.9μs，中和電荷量為0.86C，作用積分 （action integral）為2.6×103A2·s。人工觸發閃電峰值電流約16.5kA的回擊在30m處產生的電場變化可達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移過程——回擊和M分量的研究發現，強烈的M分量可以具有與回擊相當的電流峰值、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的發展速度約為0.96×105m／s。

山東人工引發雷電實驗自2005年夏季實施6年來，引雷火箭由箭體較重的不銹鋼火箭改進為以新型復合材料為箭體的新一代引雷專用火箭，點火系統由原來的氣動點火發展為光纖點火，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、數據采集記錄系統、雷電高速攝像系統等設備也都進行了較大改進。目前，人工引發雷電實驗設施已經比較完善，為獲取高質量的觀測數據提供了保障。今后將進一步改善近距離電磁場測量系統，并補充多距離觀測，以了解雷電電磁波的傳輸特征和沿地表的衰減特征。同時將繼續改進高能粒子觀測設備，以研究高能粒子與閃電過程的關系。

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驗的大力支持；感謝中國科學院大氣物理研究所、中國科學院寒區旱區環境與工程研究所、山東省防雷中心、南京信息工程大學、中國氣象科學研究院和成都信息工程學院參加野外實驗的全體人員。

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圖1 （a）法拉第籠及周圍的火箭發射架；（b）法拉第籠內的雷電流測量設備Pearson線圈；（c）法拉第籠內的雷電流測量設備同軸分流器。（b、c）藍色盒子為數據光纖傳輸系統的發射機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 引發雷電0902通道底部 （a）第2次和 （b）第4次回擊電流與對應的30m處的箭式先導—回擊過程在地面產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，FENG 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.山東人工引發雷電綜合觀測實驗及回擊電流特征［J］.大氣科學，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

中國科學院知識創新工程重要方向項目KZCX2－YW－206，國家自然科學基金資助項目41175002、40930949，中國科學院 “百人計劃”專項經費

郄秀書，女，1963年出生，研究員，主要從事閃電物理與雷暴電學研究。E－mail：qiex＠mail.iap.ac.cn