人工引發(fā)閃電上行負(fù)先導(dǎo)的發(fā)展傳輸特征*

李宗祥 蔣如斌 呂冠霖 劉明遠(yuǎn) 孫竹玲 張鴻波 劉昆 李小強(qiáng) 張雄

1) (成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,成都 610225)

2) (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(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

3) (中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

4) (國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102205)

在地面大氣電場(chǎng)為正極性的條件下,成功實(shí)現(xiàn)12 次人工引發(fā)閃電,對(duì)其放電特征、初始階段上行負(fù)先導(dǎo)的傳輸特征與機(jī)理進(jìn)行了研究.引發(fā)閃電時(shí)地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度均值約5 kV/m,最高超過13 kV/m.除一次個(gè)例的放電發(fā)生了正、極性反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生多次負(fù)回?fù)粢酝?其他11 次引發(fā)閃電均未產(chǎn)生繼后回?fù)暨^程,閃電放電電流總體上在幾百安培量級(jí).引發(fā)閃電起始后,其向上傳輸?shù)呢?fù)梯級(jí)先導(dǎo)平均二維速度為1.85×105 m/s,獲得132 次梯級(jí)的長(zhǎng)度范圍為0.8—8.7 m,平均3.9 m.先導(dǎo)起始階段的電流和電磁場(chǎng)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(shí)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(jí)的等效線電荷密度為118.5 μC/m.先導(dǎo)通道的分叉一般伴隨梯級(jí)過程發(fā)生,存在兩種方式:1) 先導(dǎo)頭部前方成簇的空間莖/空間先導(dǎo)在同一梯級(jí)周期內(nèi)先后與先導(dǎo)頭部發(fā)生連接,對(duì)應(yīng)的電流脈沖表現(xiàn)為多峰結(jié)構(gòu),峰值點(diǎn)時(shí)間間隔約2—3 μs,最長(zhǎng)6—7 μs;2) 曾熄滅的空間莖/空間先導(dǎo)重燃后側(cè)向連接至先導(dǎo)通道.

1 引言

先導(dǎo)是閃電在強(qiáng)電場(chǎng)作用下形成放電通道的重要過程,根據(jù)先導(dǎo)頭部聚集電荷的極性分為正先導(dǎo)和負(fù)先導(dǎo)[1,2].對(duì)先導(dǎo)傳輸特征與機(jī)制的探索,主要通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙放電及發(fā)展出云的自然先導(dǎo)(多為下行先導(dǎo))進(jìn)行光學(xué)拍攝,并結(jié)合電磁輻射探測(cè)來實(shí)現(xiàn)[3,4].研究表明擊穿空氣的負(fù)極性先導(dǎo)通常以梯級(jí)方式發(fā)展和傳輸,即:以一定的時(shí)間周期發(fā)生間歇停頓和跳躍前進(jìn).Schonland 等[5]最早利用時(shí)間分辨率為600 ns 的Boys 相機(jī)(也稱條紋相機(jī))拍攝到負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)長(zhǎng)度為10—200 m,先導(dǎo)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(jī)拍攝到負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)步長(zhǎng)為3—17 m,梯級(jí)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(shí)驗(yàn)室火花放電,將負(fù)先導(dǎo)的梯級(jí)過程分為三個(gè)階段:1) 先導(dǎo)頭部流光區(qū)域出現(xiàn)相對(duì)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(dǎo);2) 空間先導(dǎo)雙向發(fā)展,其負(fù)極性端向前延伸,而正極性端向后發(fā)展靠近先導(dǎo)的頭部;3) 雙向先導(dǎo)的后端與先導(dǎo)頭部發(fā)生連接,完成一次梯級(jí)跳躍,通道瞬時(shí)延展,雙向先導(dǎo)向前發(fā)展的負(fù)極性端成為先導(dǎo)的新頭部,先導(dǎo)隨即停頓,進(jìn)入下一梯級(jí)周期.由于火花放電與自然閃電在放電尺度、強(qiáng)度等方面的差異,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)揭示的負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)機(jī)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(cè)到了負(fù)先導(dǎo)頭部前方的空間先導(dǎo).在引雷繼后回?fù)羟暗闹备Z-梯級(jí)先導(dǎo)頭部前方,空間先導(dǎo)長(zhǎng)1—4 m,距離負(fù)先導(dǎo)主通道頭部1—10 m;在自然下行負(fù)梯級(jí)先導(dǎo)中,空間先導(dǎo)長(zhǎng)2.4—5.5 m,距離負(fù)先導(dǎo)頭部1.0—3.2 m,相應(yīng)的梯級(jí)長(zhǎng)度平均為5.2 m,梯級(jí)時(shí)間間隔平均為16.4 μs.Qi 等[10]基于對(duì)350 m 處一次自然下行負(fù)先導(dǎo)的觀測(cè),認(rèn)為空間莖與先導(dǎo)通道存在三種可能演變情況:空間莖/空間先導(dǎo)未能與負(fù)先導(dǎo)通道連接;空間莖/先導(dǎo)與負(fù)先導(dǎo)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(dǎo)與負(fù)先導(dǎo)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(jī)記錄到兩次自然下行負(fù)地閃,統(tǒng)計(jì)分析了96 個(gè)梯級(jí)樣本,得到梯級(jí)長(zhǎng)度為1.3 到8.6 m,幾何平均值為4.4 m;空間先導(dǎo)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(jí)與先導(dǎo)原通道方向的夾角在 ± 30o范圍內(nèi),但也有部分梯級(jí)過程發(fā)生明顯方向偏轉(zhuǎn),接近甚至達(dá)到90o,閃電放電通道的蜿蜒曲折主要受到梯級(jí)過程的方向隨機(jī)性所影響.

對(duì)于自然下行負(fù)先導(dǎo),一般無法直接測(cè)量得到其電流、電荷量等關(guān)鍵參量[12],對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)參量探測(cè),也由于距離的隨機(jī)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(cè)[13?16].不過,已報(bào)道的絕大多數(shù)高塔閃電或人工引雷,都是負(fù)極性的,目前國際上對(duì)上行正地閃的報(bào)道與研究還比較有限[17?19].對(duì)其中初始階段的上行負(fù)先導(dǎo)的研究,通常基于通道底部電流以及電磁場(chǎng)的少量觀測(cè)數(shù)據(jù)得到[20,21].Miki 等[22]曾在日本一座高塔上觀測(cè)到自然上行正地閃,基于所獲得的電流和空間分辨率相對(duì)粗糙的光學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù),得到上行負(fù)先導(dǎo)的梯級(jí)發(fā)展的二維速度1.6×106m/s、梯級(jí)步長(zhǎng)62 m、梯級(jí)間隔13.3 μs 和梯級(jí)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(cè)數(shù)據(jù),得到了相對(duì)精細(xì)的上行負(fù)先導(dǎo)初始階段梯級(jí)和分叉特征,先導(dǎo)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(shí)間均值分別為19.1 μs,1.8 μs,122.3 A 和0.6 μs,單位梯級(jí)長(zhǎng)度轉(zhuǎn)移電荷量均值73.5 μC/m.

由于云層的遮擋,對(duì)自然下行負(fù)先導(dǎo)在初始階段的形成與發(fā)展這一重要問題的認(rèn)識(shí)還相對(duì)模糊.正極性人工引雷當(dāng)中的上行負(fù)先導(dǎo),可以為研究負(fù)先導(dǎo)的初始特征提供比較重要的觀測(cè)依據(jù),并可能為揭示負(fù)先導(dǎo)的起始過程提供啟示,因此,對(duì)其研究有重要意義.近年來,山東人工引發(fā)雷電綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn),在引發(fā)正極性閃電方面進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù),對(duì)不同雷暴(電場(chǎng))正極性引發(fā)閃電的基本特征差異及上行負(fù)先導(dǎo)初始階段的梯級(jí)與分叉過程進(jìn)行研究,獲得負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)傳輸?shù)脑敿?xì)物理參量,研究揭示了負(fù)先導(dǎo)通道伴隨梯級(jí)過程存在兩種分叉方式,直接分叉行為對(duì)應(yīng)的電流波形具有多峰結(jié)構(gòu),峰值時(shí)間差的典型值為2—3 μs.

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)(SHAndong Triggering Lightning Experiment,SHATLE),實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在山東省濱州市沾化區(qū),距離渤海灣約 35 km.實(shí)驗(yàn)設(shè)有兩個(gè)主要的觀測(cè)站點(diǎn):其一是火箭發(fā)射場(chǎng),占地約100 m×80 m;另一個(gè)是距離發(fā)射場(chǎng)約1 km 的主觀測(cè)站.同時(shí),實(shí)驗(yàn)還以引雷場(chǎng)為中心,建立了一個(gè)8 站組網(wǎng)LF/VLF 閃電定位網(wǎng)絡(luò),基線長(zhǎng)度在10—15 km范圍,用于探測(cè)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(yuǎn)距離電磁輻射信號(hào)[24].此外,實(shí)驗(yàn)在火箭發(fā)射場(chǎng)和距離火箭發(fā)射場(chǎng)10 km處均架設(shè)了短基線VHF 輻射源定位系統(tǒng),其探測(cè)頻段為140—330 MHz,可以在微秒量級(jí)時(shí)間分辨率上實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電放電通道的精細(xì)刻畫[25,26].

火箭發(fā)射場(chǎng)設(shè)有兩個(gè)火箭發(fā)射平臺(tái),傳統(tǒng)人工引雷平臺(tái)主要關(guān)注雷電物理過程特征和放電機(jī)理(詳見Qie 等[27],Jiang 等[28]和Sun 等[25]),信號(hào)塔雷擊測(cè)試平臺(tái)著重開展雷電防護(hù)應(yīng)用研究.本文研究個(gè)例主要由傳統(tǒng)引雷平臺(tái)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(cè)帶寬為0—3.2 MHz,設(shè)置不同的電流探測(cè)量程為 ± 2和 ± 40 kA,對(duì)個(gè)別個(gè)例,還獲得200 A 量程的精細(xì)信號(hào).電流信號(hào)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(jìn)行觸發(fā)記錄,記錄時(shí)間為2 s.在距離傳統(tǒng)火箭發(fā)射架30 和60 m 處均架設(shè)有3 dB帶寬為2 和1 MHz 的快慢天線,采樣率為5 MS/s,時(shí)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(shè)備,室頂架設(shè)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(chǎng)儀(CS110)用于記錄雷暴過程中的大氣平均電場(chǎng),并為確定引雷火箭發(fā)射時(shí)機(jī)提供判斷依據(jù).

距離火箭發(fā)射場(chǎng)地970 m 處的主觀測(cè)點(diǎn),也架設(shè)了快慢天線、磁天線、大氣電場(chǎng)儀等設(shè)備,并設(shè)置與火箭發(fā)射場(chǎng)設(shè)備不同的增益.此外,在二層觀測(cè)室,安裝了多臺(tái)Vision Research 公司生產(chǎn)的高速攝像系統(tǒng)對(duì)雷電的發(fā)展過程進(jìn)行高時(shí)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(jī)獲得的光學(xué)圖像,其中,V711 相機(jī)的拍攝幀速為14000 幅/秒,分辨率為1280×720 像素,單幀圖像曝光時(shí)間為20 μs;V1612 相機(jī)的拍攝幀速為90000 幅/秒,分辨率為256×512 像素,單幀圖像曝光時(shí)間為4 μs.上述的電磁場(chǎng)、光學(xué)等觀測(cè)設(shè)備,都通過高精度GPS 進(jìn)行時(shí)間同步,時(shí)間精度為25 ns.在本文中,大氣電場(chǎng)的極性采用大氣電學(xué)定義,即云中正電荷占主導(dǎo)時(shí),地面電場(chǎng)為正,相應(yīng)的,云中負(fù)電荷被中和(如負(fù)回?fù)?將導(dǎo)致正向電場(chǎng)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(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)為正極性的條件下引發(fā)的12 次閃電及其上行負(fù)先導(dǎo)從導(dǎo)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(dǎo)-回?fù)暨^程,而僅包含平均強(qiáng)度在幾百安培量級(jí)的初始連續(xù)電流,當(dāng)初始連續(xù)電流截止后,整個(gè)正極性引發(fā)閃電的放電過程也相應(yīng)結(jié)束.比較遺憾的是,2019 年7 月6 日的引雷實(shí)驗(yàn),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(hào)傳輸裝置,導(dǎo)致電流傳感器所測(cè)信號(hào)無法傳輸和記錄,因此當(dāng)天的電流資料缺失.根據(jù)地面電場(chǎng)變化資料和光學(xué)資料分析,發(fā)現(xiàn)閃電1901 實(shí)際上是一次雙極性人工引雷過程,首先在正極性大氣電場(chǎng)條件下,始發(fā)上行負(fù)先導(dǎo)并導(dǎo)致相應(yīng)的初始連續(xù)電流,持續(xù)時(shí)間約290 ms,之后在332 ms 內(nèi)產(chǎn)生9 次負(fù)極性的脈沖放電,放電強(qiáng)度和上升沿陡度與通常的繼后回?fù)暨^程相當(dāng).此外,需要說明的是,閃電1910 對(duì)應(yīng)地面?zhèn)鹘y(tǒng)平臺(tái)的空中觸發(fā)方式,引雷時(shí)導(dǎo)線底端距離地面286 m,下行正先導(dǎo)接地時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)“小回?fù)簟边^程,其與一般由云內(nèi)起始的先導(dǎo)接地后誘發(fā)的回?fù)舨⒉幌嗤?而1904 和1905 則對(duì)應(yīng)信號(hào)塔平臺(tái)的空中觸發(fā)方式[29],引雷時(shí)導(dǎo)線底端與信號(hào)塔頂?shù)木嚯x在10 m 左右,二者之間會(huì)發(fā)生一次由不同極性先導(dǎo)連接所導(dǎo)致的脈沖放電,但相應(yīng)的電流及電磁輻射強(qiáng)度均較弱,不視為回?fù)暨^程.

表1 正極性人工引發(fā)閃電放電及先導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較高,平均達(dá)到約5 kV/m,最高超過13 kV/m,這比一般的負(fù)極性人工引雷所需的地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度更高,通常,當(dāng)?shù)孛娲髿怆妶?chǎng)強(qiáng)度為–2—–4 kV/m 時(shí),即可引發(fā)負(fù)極性閃電,甚至在–1 kV/m 量級(jí)時(shí)也有成功個(gè)例.正極性引雷需要較高的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度,可能與負(fù)先導(dǎo)擊穿空氣所需的電場(chǎng)閾值比正先導(dǎo)更高有關(guān)系[30].根據(jù)Bazelyan 和Raizer[31],維持負(fù)極性流光發(fā)展的電場(chǎng)強(qiáng)度是正極性流光的大約2 倍,而強(qiáng)發(fā)光的熱電離先導(dǎo),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(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的天氣雷達(dá)回波演變和地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度演變,其中“＋”代表引雷點(diǎn)的位置.當(dāng)日雷暴系統(tǒng)在引雷點(diǎn)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(gè)雷暴系統(tǒng)逐漸完成組織化增強(qiáng),于17:00 左右發(fā)展成為成熟的颮線系統(tǒng).系統(tǒng)前部對(duì)流區(qū)于18:10 左右開始影響引雷場(chǎng)地,活躍發(fā)生的近距離閃電放電事件導(dǎo)致電磁場(chǎng)傳感器頻繁觸發(fā),地面大氣電場(chǎng)快速波動(dòng),一直未能累積至較大量值;18:45 之后,系統(tǒng)的強(qiáng)對(duì)流回波主體開始移出測(cè)站,引雷場(chǎng)地處于雷暴系統(tǒng)的前部強(qiáng)對(duì)流區(qū)向后部層狀云區(qū)的過渡區(qū)域,測(cè)站電磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的閃電活動(dòng)頻數(shù)逐漸下降,閃電放電發(fā)生前地面大氣電場(chǎng)達(dá)到4—6 kV/m,引雷時(shí)機(jī)比較成熟.分別于18:54,18:56 和18:59 發(fā)射火箭,以地面平臺(tái)傳統(tǒng)方式成功引發(fā)三次閃電,引發(fā)時(shí)地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)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(cè)站.

圖1 2019 年7 月29 日雷暴過程雷達(dá)回波及地面大氣電場(chǎng)隨時(shí)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(chǎng)變化和970 m 處磁場(chǎng)變化的同步波形.該次閃電的持續(xù)時(shí)間為210 ms,起始時(shí)間定義為上行負(fù)先導(dǎo)從引雷導(dǎo)線頂端起始時(shí)刻(對(duì)應(yīng)于圖中的0 時(shí)刻),先導(dǎo)向上傳輸產(chǎn)生正極性的初始連續(xù)電流,結(jié)束時(shí)間定義為放電電流衰減為零、通道熄滅的時(shí)刻.圖2 中,0 時(shí)刻之前,電場(chǎng)變化和磁場(chǎng)變化均呈現(xiàn)一定的脈沖特征,這是由火箭拉升引雷導(dǎo)線上升的過程中,頂端在強(qiáng)電場(chǎng)作用下“嘗試”建立先導(dǎo)通道的先驅(qū)脈沖放電所導(dǎo)致的.先導(dǎo)于0 時(shí)刻起始并自持向上傳輸后,通道底部測(cè)量到的放電電流持續(xù)增強(qiáng),于28 ms 時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度883 A.在此過程中,測(cè)量到的電磁場(chǎng)變化強(qiáng)度和脈沖密集程度最大,這一方面表明相應(yīng)的上行負(fù)先導(dǎo)發(fā)展活躍、放電和輻射較強(qiáng);另一方面,這也與此時(shí)先導(dǎo)與電磁場(chǎng)傳感器的距離相對(duì)較小有關(guān),隨著先導(dǎo)發(fā)展,探測(cè)距離增大,信號(hào)的傳輸衰減也會(huì)相應(yīng)增大.在此之后,通道底部測(cè)量到的閃電放電電流波形表現(xiàn)出兩個(gè)次峰過程,可能與先導(dǎo)發(fā)展到云體后,延伸至不同的電荷聚集區(qū)域或強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域有關(guān).此外,在電流下降至零值后,電磁場(chǎng)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(shí)所引發(fā)閃電的對(duì)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(rèn)為這些擊穿并不貢獻(xiàn)于所引發(fā)閃電的對(duì)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(chǎng)變化(L2)以及970 處磁場(chǎng)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(fù)先導(dǎo)初始階段的發(fā)展傳輸特征

圖3(a)給出了V711 高速相機(jī)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(dǎo)線通道,較強(qiáng)的發(fā)光亮度是因引雷導(dǎo)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(fù)先導(dǎo)的起始高度,為257 m.其上方彎曲、分叉的部分對(duì)應(yīng)上行負(fù)先導(dǎo)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(dǎo)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(duì)較高,對(duì)于具有光學(xué)圖像記錄的11 次個(gè)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(dǎo)線拉伸的長(zhǎng)度越長(zhǎng),導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變將越大,正極性引雷具有相對(duì)較高的觸發(fā)高度,與前面提到的負(fù)先導(dǎo)始發(fā)需要較高的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)并沒有明顯的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系.

圖3(b)給出了基于高速攝像機(jī)V711 捕獲的閃電通道動(dòng)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(fù)先導(dǎo)主通道的二維局部速度隨高度的變化.圖3(b)中一并標(biāo)出了各次引雷時(shí)地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度.從圖3(b)中可以看到,單個(gè)上行先導(dǎo)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(dòng)幅度是較大的,呈現(xiàn)出比較明顯的來回震蕩特點(diǎn).例如:閃電1901 的上行負(fù)先導(dǎo)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(duì)于閃電1907,相應(yīng)值分別為1.32×105和4.03×105m/s.先導(dǎo)主通道的連續(xù)幀光學(xué)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(huì)明顯變小,甚至可能因?yàn)槠渌植娴挠绊?降至接近于零.對(duì)于這六次閃電的上行負(fù)先導(dǎo)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(shì),而另外三次閃電上行先導(dǎo)的速度則未表現(xiàn)出隨高度的明顯增減趨勢(shì).對(duì)六次閃電先導(dǎo)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(dǎo)速度相對(duì)較大,剔除它之后,其他五次閃電先導(dǎo)的局部速度平均值為1.74×105m/s.本文中人工引雷上行負(fù)先導(dǎo)二維發(fā)展速度結(jié)果,比已有研究中自然閃電的負(fù)極性梯級(jí)先導(dǎo)發(fā)展速度略小但量級(jí)相當(dāng)[32?35].

圖3 (a) V711 高速相機(jī)拍攝的閃電1901 其中一幀圖像;(b) 2019 年6 次上行負(fù)先導(dǎo)發(fā)展二維局部速度隨高度的演變,其中,各閃電的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)高度表示先導(dǎo)從引雷導(dǎo)線頂端起始時(shí)的高度.注:圖中黑色點(diǎn)出現(xiàn)高度重疊特征,是因?yàn)殚W電1908 的上行先導(dǎo)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(fù)先導(dǎo)的發(fā)展速度,比引發(fā)負(fù)極性閃電中上行正先導(dǎo)的發(fā)展速度大.Biagi 等[8]觀測(cè)得到一次引雷上行正先導(dǎo)在初始100 m 高度內(nèi)以相對(duì)恒定的5.6×104m/s速度傳輸;王彩霞等[15]計(jì)算得到上行正先導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)1.0×105m/s 的發(fā)展速度.實(shí)際上,研究發(fā)現(xiàn),擊穿空氣的自然正先導(dǎo),速度多在104m/s 量級(jí)[32].Wu 等[37]對(duì)553 次云閃和220 次地閃的正先導(dǎo)進(jìn)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(duì)比得到的正負(fù)先導(dǎo)傳輸速度差異:一方面與不同極性先導(dǎo)發(fā)展傳輸所需的電場(chǎng)強(qiáng)度不同有關(guān)系(如前所述);另一方面,也受到先導(dǎo)發(fā)展的微觀物理機(jī)制所影響,負(fù)先導(dǎo)頭部聚集負(fù)電子而正先導(dǎo)頭部則聚集正離子,二者的質(zhì)量差別導(dǎo)致遷移速率差別[30],進(jìn)一步導(dǎo)致先導(dǎo)發(fā)展速度的差異.

3.3 上行負(fù)先導(dǎo)的梯級(jí)與分叉特征

由于發(fā)生迅速,自然負(fù)先導(dǎo)的梯級(jí)發(fā)展特征一般難以被光學(xué)手段很好的拍攝下來,山東引雷實(shí)驗(yàn)設(shè)置的V1612,盡管以11.1 μs 時(shí)間分辨率尚不能詳盡地刻畫負(fù)先導(dǎo)的精細(xì)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(dǎo)發(fā)展圖像.圖4 給出了閃電1901 上行負(fù)先導(dǎo)發(fā)展過程中連續(xù)6 幀圖像.一般認(rèn)為,真實(shí)先導(dǎo)通道的寬度在幾到十幾厘米量級(jí)[38,39],由于像素分辨及光散色等因素的影響,光學(xué)圖像中的通道寬度實(shí)際上要明顯大于真實(shí)先導(dǎo)通道,因此,我們?cè)趫D中添加了線條進(jìn)行更好的標(biāo)識(shí),其中,藍(lán)色實(shí)線表示已有通道,紅色實(shí)線段表示當(dāng)前最新發(fā)展的梯級(jí)通道,紅色虛線段表示先導(dǎo)在下一幀圖像中將發(fā)展形成的梯級(jí)通道.圖4 中,第二、第六幀顯示了先導(dǎo)在各自的前一幀完成梯級(jí)跳躍之后的停頓、間歇,相應(yīng)的,先導(dǎo)主通道及頭部的光強(qiáng)較前一幀明顯減弱.在第二幀中,減弱暗淡的主先導(dǎo)頭部前方,出現(xiàn)了兩個(gè)發(fā)光段,其發(fā)光強(qiáng)度較先導(dǎo)通道明顯偏低但可以從背景光強(qiáng)中分辨出來,在反色圖中用1 和2 標(biāo)記.二者與先導(dǎo)的主通道之間存在光亮度更弱的間隙,因此,它們屬于先導(dǎo)頭部前方的空間莖/空間先導(dǎo)(注:這里對(duì)空間莖/空間先導(dǎo)不做嚴(yán)格區(qū)分).從圖4 的第三幀中可以看到,新發(fā)生的梯級(jí)是指向了空間莖/空間先導(dǎo)1 的方向,表明它與原先導(dǎo)頭部發(fā)生了連接,從而導(dǎo)致了相應(yīng)的梯級(jí)過程.而空間莖/空間先導(dǎo)2 則未能完成連接,且發(fā)生熄滅.Jiang等[11]曾指出,負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)過程中,先導(dǎo)頭部前方可出現(xiàn)成簇的空間莖/空間先導(dǎo),這是先導(dǎo)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(dǎo)的發(fā)展有強(qiáng)有弱,它們的后向端往主通道發(fā)展亦有先有后,因此,當(dāng)某一空間莖/空間先導(dǎo)率先與主通道發(fā)生連接,則環(huán)境電場(chǎng)將瞬間發(fā)生改變,原本先導(dǎo)頭部周圍的強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)生驟降,這使得其他的空間莖/空間先導(dǎo)失去發(fā)展條件或能量,導(dǎo)致熄滅,類似于圖4 第二幀的空間莖/空間先導(dǎo)2.

圖4 引發(fā)正極性閃電的上行負(fù)先導(dǎo)連續(xù)6 幀光學(xué)圖像,時(shí)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(fù)先導(dǎo)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(dǎo)頭部前方的兩個(gè)空間莖/空間先導(dǎo)6 和7,與前面例子不同的是,在其下一幀中,這兩個(gè)空間莖/空間先導(dǎo)均與原先導(dǎo)頭部發(fā)生了連接,從而導(dǎo)致先導(dǎo)的分叉.兩次個(gè)例的不同,表明成簇出現(xiàn)的空間莖/空間先導(dǎo)之間的“競(jìng)爭(zhēng)”性發(fā)展,可能會(huì)導(dǎo)致差異性的先導(dǎo)發(fā)展行為,當(dāng)空間莖/空間先導(dǎo)之間“競(jìng)爭(zhēng)”的優(yōu)、劣勢(shì)區(qū)別顯著,則優(yōu)勢(shì)的空間莖/空間先導(dǎo)將主導(dǎo)完成接下來的梯級(jí)發(fā)展過程,以單通道方式延伸.當(dāng)“競(jìng)爭(zhēng)”相對(duì)均勢(shì),即不同指向的空間莖/空間先導(dǎo)強(qiáng)度相當(dāng),它們幾乎同時(shí)與主通道的頭部發(fā)生連接,則會(huì)使得先導(dǎo)于相應(yīng)梯級(jí)過程后形成分叉.

圖5 引發(fā)正極性閃電的上行負(fù)先導(dǎo)連續(xù)10 幀光學(xué)圖像(反色),時(shí)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(dǎo)均發(fā)生于先導(dǎo)通道的頭部前方,進(jìn)一步分析可以看到,圖4 第三幀的空間莖/空間先導(dǎo)3、以及圖5 第二幀(第四幀、第七幀重復(fù)出現(xiàn))的空間莖/空間先導(dǎo)4 則出現(xiàn)在已經(jīng)延伸的先導(dǎo)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(dǎo)通道側(cè)向的空間莖/空間先導(dǎo)與通道之間發(fā)生連接,是先導(dǎo)頭部隨梯級(jí)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(dǎo)4 實(shí)際上是第一幀到第二幀發(fā)生梯級(jí)過程時(shí),未能成功完成連接的其中一個(gè)空間莖/空間先導(dǎo).在第三幀、第五到第六幀,其發(fā)光強(qiáng)度無法從圖像的背景光強(qiáng)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(dǎo)發(fā)生了在減弱甚至熄滅之后的多次重燃(重新在光學(xué)頻段中可探測(cè)、活躍增強(qiáng)),并且,相應(yīng)發(fā)光段發(fā)生了延伸,發(fā)光強(qiáng)度也變強(qiáng).不過,其最終未能與先導(dǎo)通道完成連接,因此沒有導(dǎo)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(biāo)示的D,則實(shí)現(xiàn)了空間莖/空間先導(dǎo)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(fù)先導(dǎo)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(xué)圖像記錄到梯級(jí)步長(zhǎng)分布圖,所對(duì)應(yīng)樣本是根據(jù)圖像可以分辨并確認(rèn)為單次梯級(jí)過程的全部樣本,共計(jì)132 個(gè).統(tǒng)計(jì)得到,梯級(jí)步長(zhǎng)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(jī)獲得自然下行負(fù)先導(dǎo)82 次梯級(jí)樣本的平均步長(zhǎng)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(jí)步長(zhǎng)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(shè)置525 kfps的高幀率拍攝,捕捉到先導(dǎo)主通道的33 次梯級(jí)過程,平均梯級(jí)長(zhǎng)度為5.6 m.

圖6 閃電1901,1907 和1908 中的上行負(fù)先導(dǎo)共132 次梯級(jí)過程的步長(zhǎng)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(jī)拍攝所揭示的先導(dǎo)梯級(jí)步長(zhǎng),實(shí)際上都比早期通過條紋相機(jī)或光纖陣列等設(shè)備探測(cè)得到的梯級(jí)步長(zhǎng)偏小,例如:最早Schonland 等[5]給出的梯級(jí)步長(zhǎng)達(dá)10—200 m,Berger[6]所獲結(jié)果的梯級(jí)步長(zhǎng)上限也達(dá)到十幾米,而Chen 等[41]利用光纖陣列系統(tǒng)ALPS 探測(cè)到兩次負(fù)梯級(jí)先導(dǎo),梯級(jí)步長(zhǎng)分別在7.9—19.8 m 范圍和約8.5 m.隨著研究的推進(jìn),負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)步長(zhǎng)的這種“減小趨勢(shì)”,可能與研究手段的差異存在一定關(guān)系,實(shí)際上,條紋相機(jī)或光纖陣列等探測(cè)設(shè)備可能會(huì)缺測(cè)某些發(fā)光強(qiáng)度較弱的梯級(jí)過程,從而漏掉相對(duì)較小的梯級(jí)樣本.而高速光學(xué)設(shè)備,在近距離觀測(cè)時(shí),則更好的記錄了接近真實(shí)下限的梯級(jí)步長(zhǎng).當(dāng)然,包括本文及上述回顧的結(jié)果,最小梯級(jí)步長(zhǎng)都對(duì)應(yīng)于所記錄光學(xué)圖像的1 個(gè)像素,因此仍存在高估下限的可能,未來,隨著光學(xué)探測(cè)的空間分辨率進(jìn)一步精細(xì)化,或許會(huì)發(fā)現(xiàn)負(fù)先導(dǎo)更短、更小的梯級(jí)過程.

圖7 和圖8 分別給出了閃電1907 和1908 上行負(fù)先導(dǎo)初始階段的同步電流、電場(chǎng)變化、磁場(chǎng)變化及通道發(fā)展圖像.該階段中,負(fù)先導(dǎo)的通道分叉相對(duì)較少,且背景電流較弱,梯級(jí)過程與電流、電磁場(chǎng)脈沖信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系比較明確,因此可以較為客觀地計(jì)算單次梯級(jí)過程的相關(guān)物理參量,這是自然閃電觀測(cè)難以實(shí)現(xiàn)的.需要說明的是,兩次先導(dǎo)電流波形的最初幾個(gè)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(dǎo)致還是由于物理過程本身所導(dǎo)致,因此暫不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析.

從圖7 和圖8 所標(biāo)示的P 脈沖和光學(xué)圖像對(duì)比可以看到,伴隨先導(dǎo)的梯級(jí)過程,電流和電磁場(chǎng)表現(xiàn)出顯著的脈沖特征,且隨著先導(dǎo)在梯級(jí)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(hào)的時(shí)間分辨率優(yōu)于光學(xué)測(cè)量,可以看到脈沖之間的時(shí)間間隔大多在15—20 μs 范圍,且由于該階段內(nèi)先導(dǎo)尚未形成多個(gè)分叉,不存在多個(gè)通道上同時(shí)或交替出現(xiàn)梯級(jí)過程的情況,因此,15—20 μs 可以認(rèn)為是比較典型的單次梯級(jí)發(fā)展演化周期.圖7 中還可以看到,隨著先導(dǎo)的發(fā)展及其擊穿空氣所形成的通道逐漸增長(zhǎng),通道底部記錄到的背景電流(脈沖結(jié)束后的電流強(qiáng)度,亦即下一次脈沖開始前的電流強(qiáng)度)逐漸增大,與此同時(shí),相應(yīng)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(duì)它們的電流波形參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并做了模擬,認(rèn)為先導(dǎo)通道具備一定長(zhǎng)度后,由于通道相對(duì)高阻抗的特點(diǎn),將影響對(duì)先導(dǎo)頭部梯級(jí)過程所產(chǎn)生脈沖信號(hào)的探測(cè).

圖7 (a) 閃電1907 上行負(fù)先導(dǎo)初始階段的電流、電場(chǎng)變化、磁場(chǎng)變化和通道光強(qiáng)演變;(b) 高速相機(jī)拍攝的通道發(fā)展圖像(逐幀時(shí)間間隔為11.11 μs).注:圖(a)和圖(b)中1—27 代表相機(jī)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(fù)先導(dǎo)在圖7 和圖8 所展示初始階段中梯級(jí)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(jí)過程對(duì)應(yīng)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(shí)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(dǎo)梯級(jí)的通道延伸長(zhǎng)度和脈沖電流的積分電荷量,可以計(jì)算單次梯級(jí)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(fù)先導(dǎo)初始階段梯級(jí)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(fù)先導(dǎo)初始階段的電流、電場(chǎng)變化、磁場(chǎng)變化和通道光強(qiáng)演變;(b) 高速相機(jī)拍攝的通道發(fā)展圖像(逐幀時(shí)間間隔為11.11 μs).注:圖(a)和圖(b)中1—27 代表相機(jī)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(xiǎn)性和破壞性,及其伴隨著的強(qiáng)降水、大風(fēng)等,對(duì)自然大氣條件下閃電的光學(xué)觀測(cè),一般很難開展類似于實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙放電那樣的極近距離成像,因此對(duì)其中一些弱發(fā)光的流光結(jié)構(gòu),探測(cè)能力比較有限.實(shí)際上,一些基于實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙放電的研究比較細(xì)致地刻畫了負(fù)先導(dǎo)頭部的流光系統(tǒng),既有空間莖,空間先導(dǎo),還有空間莖向空間先導(dǎo)轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物“pilot”,而先導(dǎo)頭部前方豐富的流光絲,則連接了空間先導(dǎo)、pilot、空間莖所組成的多層級(jí)結(jié)構(gòu)[45].本文中,在圖4 的x所標(biāo)示的位置,發(fā)生了兩次梯級(jí)過程,第三幀到第四幀,空間莖/空間先導(dǎo)3 與先導(dǎo)通道連接完成一次梯級(jí)跳躍,第四到第五幀,這一梯級(jí)所形成的通道在光學(xué)上變得不可見,似乎已經(jīng)熄滅,而第五到第六幀,先導(dǎo)在之前梯級(jí)通道的基礎(chǔ)上,發(fā)生了進(jìn)一步的延伸.可以推測(cè),第一次梯級(jí)后的停頓過程中,剛形成的熱先導(dǎo)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(dǎo)致整個(gè)分叉通道再次被“點(diǎn)亮”.盡管這種情況在本文中并不多見,但其發(fā)生的物理機(jī)制是合理的,今后對(duì)負(fù)先導(dǎo)形成豐富分叉的發(fā)展階段開展進(jìn)一步觀測(cè),有可能會(huì)得到更多類似的結(jié)果.

近年來的研究已經(jīng)表明,先導(dǎo)頭部的流光系統(tǒng)及其發(fā)展形成的成簇空間莖,是負(fù)先導(dǎo)發(fā)生分叉的根源[11,46].多個(gè)空間莖/空間先導(dǎo)在同一個(gè)梯級(jí)周期中同時(shí)發(fā)展,并都實(shí)現(xiàn)與先導(dǎo)頭部的連接,是負(fù)先導(dǎo)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(dǎo)之間存在天然的競(jìng)爭(zhēng)性,優(yōu)勢(shì)發(fā)展、率先完成連接的空間莖/空間先導(dǎo)往往支配了它們發(fā)展所需的主要能量,并瞬時(shí)、動(dòng)態(tài)地改變著環(huán)境的電場(chǎng)分布等條件.因此,不同空間莖/空間先導(dǎo)的“均勢(shì)發(fā)展”對(duì)于先導(dǎo)通道的直接分叉行為而言,是非常關(guān)鍵的條件之一.相應(yīng)地,它們各自與先導(dǎo)頭部之間的連接理應(yīng)發(fā)生在比較短的時(shí)間差以內(nèi),否則,如前文分析所述,弱勢(shì)空間莖/空間先導(dǎo)可能會(huì)難以維持而熄滅.目前,不管是在自然閃電觀測(cè)中,還是在實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙放電實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)中,光學(xué)觀測(cè)手段都難以實(shí)現(xiàn)足夠高時(shí)間分辨率的精細(xì)成像,無法分辨多個(gè)空間莖/空間先導(dǎo)同時(shí)發(fā)展以及它們與先導(dǎo)頭部先后發(fā)生連接的細(xì)節(jié).所以,對(duì)這一問題的探討需要借助于電流、電磁場(chǎng)的探測(cè)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(duì)應(yīng)的先導(dǎo)梯級(jí),都發(fā)生了分叉.這些脈沖的共同特點(diǎn)是它們均具有雙峰特征,峰值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔一定程度上可以表征不同空間莖/空間先導(dǎo)連接至先導(dǎo)頭部的時(shí)間差.分析發(fā)現(xiàn),閃電1907的P4,P5,P6 脈沖雙峰時(shí)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(shí)間間隔分別為2.15,4.30 和6.45 μs.可以推測(cè),先導(dǎo)在同一梯級(jí)周期內(nèi),因不同空間莖/空間先導(dǎo)先后與先導(dǎo)頭部實(shí)現(xiàn)連接而發(fā)生分叉,所允許的時(shí)間差上限可達(dá)6—7 μs,并多處于2—3 μs 范圍,在相應(yīng)時(shí)間差內(nèi),不同空間莖盡管存在非均勢(shì)發(fā)展,但弱勢(shì)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(dāng)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(cè)予以進(jìn)一步確認(rèn).此外,從圖8 還可以看到,脈沖P7 出現(xiàn)了雙峰,但光學(xué)圖像中難以辨認(rèn)其對(duì)應(yīng)的梯級(jí)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(dǎo)導(dǎo)致了兩次連接過程,實(shí)際上,前面提到,空間先導(dǎo)、pilot、空間莖在先導(dǎo)頭部前方可組成相對(duì)復(fù)雜的多層級(jí)結(jié)構(gòu).

一些弱勢(shì)發(fā)展的空間莖/空間先導(dǎo)可以在熄滅之后又發(fā)生重燃,這是負(fù)先導(dǎo)通道發(fā)生分叉的另一種方式.Qi 等[10]和Jiang 等[11]都觀測(cè)到了單次重燃后,空間莖/空間先導(dǎo)與通道發(fā)生連接的現(xiàn)象,而本文觀測(cè)則發(fā)現(xiàn),減弱熄滅的空間莖/空間先導(dǎo)可以發(fā)生多次重燃,而且重燃后其空間尺度變長(zhǎng).不過,本文中圖5 的空間莖/空間先導(dǎo)盡管發(fā)生了重燃,但并未能與通道實(shí)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(yīng)的物理機(jī)制、驅(qū)動(dòng)條件仍然不是十分清楚.此外,一些其他研究還表明,當(dāng)負(fù)先導(dǎo)頭部已經(jīng)發(fā)展較遠(yuǎn)之后,一些熄滅的分叉通道也可能被再次點(diǎn)亮,這些過程被命名為“spark”或“transient”[47,48],它們與空間莖/空間先導(dǎo)的“熄滅-重燃”的現(xiàn)象學(xué)特點(diǎn)具有一定的相似性,但二者是否具有類似的物理機(jī)制,也還是未知,值得在今后開展更為精細(xì)的觀測(cè)或模擬予以澄清.

5 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了山東人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)于2015 年和2019 年在正極性大氣電場(chǎng)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(fù)梯級(jí)先導(dǎo)的發(fā)展傳輸特征與機(jī)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(fù)極性的反轉(zhuǎn)并出現(xiàn)多次負(fù)極性回?fù)粢酝?其他11 次引發(fā)閃電均沒有產(chǎn)生繼后回?fù)?其正極性的初始連續(xù)電流強(qiáng)度在幾百安培量級(jí),持續(xù)時(shí)間最短不足100 ms,最長(zhǎng)超過600 ms.引發(fā)閃電時(shí)地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度無明顯的相關(guān)關(guān)系.

對(duì)具有光學(xué)探測(cè)資料的其中6 次閃電的上行負(fù)先導(dǎo)進(jìn)行分析,得到其二維平均發(fā)展速度為1.85×105m/s,在光學(xué)圖像視野內(nèi),先導(dǎo)的二維發(fā)展速度隨高度沒有明顯的變化趨勢(shì).上行負(fù)先導(dǎo)以梯級(jí)方式發(fā)展傳輸,對(duì)從光學(xué)圖像中可分辨的132 次梯級(jí)過程統(tǒng)計(jì)分析得到其梯級(jí)步長(zhǎng)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(dǎo)的初始發(fā)展階段中,單次梯級(jí)過程產(chǎn)生顯著的“脈沖型”電流和電磁場(chǎng)脈沖,統(tǒng)計(jì)了電流脈沖波形的時(shí)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(shí)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(dǎo)梯級(jí)的通道延伸長(zhǎng)度和脈沖電流的積分電荷量,獲得單次梯級(jí)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(xué)圖像記錄到了先導(dǎo)發(fā)生梯級(jí)并導(dǎo)致通道分叉的一些細(xì)節(jié)特征,捕捉到梯級(jí)間歇過程中,先導(dǎo)頭部前方表現(xiàn)為弱發(fā)光段的空間莖/空間先導(dǎo),且不同指向的空間莖/空間先導(dǎo)可出現(xiàn)于同一先導(dǎo)頭部前方.分析揭示了負(fù)先導(dǎo)通道伴隨梯級(jí)過程導(dǎo)致分叉的兩種方式:1) 先導(dǎo)頭部前方成簇的空間莖/空間先導(dǎo)在同一梯級(jí)周期內(nèi)先后與先導(dǎo)頭部發(fā)生連接;2) 之前曾熄滅的空間莖/空間先導(dǎo)發(fā)生重燃,并與先導(dǎo)通道發(fā)生側(cè)向連接.光學(xué)和電流同步資料分析表明,當(dāng)兩個(gè)空間先導(dǎo)莖/空間先導(dǎo)在同一梯級(jí)周期內(nèi)與先導(dǎo)頭部發(fā)生連接進(jìn)而導(dǎo)致分叉時(shí),產(chǎn)生了雙峰結(jié)構(gòu)的脈沖電流波形,峰值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔一定程度上表征了先后完成的兩次連接之間的時(shí)間差,多在2—3 μs 范圍,最長(zhǎng)可達(dá)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(duì)人工引雷實(shí)驗(yàn)的大力支持,感謝所有參與人工引雷外場(chǎng)綜合觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)人員.