一次對地轉(zhuǎn)移電荷極性兩次反轉(zhuǎn)的人工引發(fā)雷電特征及反轉(zhuǎn)機制分析*

唐國瑛 孫竹玲 蔣如斌 李豐全3)劉明遠3) 劉昆 郄秀書3)

1) (成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院(大氣探測學(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)境探測重點實驗室, 北京 100029)

3) (中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049)

利用閃電甚高頻干涉儀動態(tài)成像結(jié)果, 并結(jié)合通道底部電流、電場和光學(xué)觀測資料對一次罕見的、對地轉(zhuǎn)移電荷極性反轉(zhuǎn)兩次的雙極性人工引發(fā)雷電放電特征進行了詳細(xì)研究, 首次觀測到直接導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)的云內(nèi)擊穿放電過程, 探討了對地轉(zhuǎn)移電荷極性兩次反轉(zhuǎn)的物理機理. 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 此次閃電無回?fù)暨^程、初始連續(xù)電流階段對地轉(zhuǎn)移電荷極性經(jīng)歷了負(fù)-正-負(fù)的兩次反轉(zhuǎn), 轉(zhuǎn)移電荷量分別約–40.0 C, +13.3 C 和–1.0 C.負(fù)極性初始連續(xù)電流衰減過程中, 一支擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)起始于已電離的正先導(dǎo)分支通道上并形成懸浮通道, 水平發(fā)展28.816 ms 后, 接地主通道上發(fā)生負(fù)極性擊穿連接到了懸浮通道末端正電荷聚集處或雙向發(fā)展的懸浮通道的正極性端, 隨后對地轉(zhuǎn)移電荷極性快速反轉(zhuǎn)為正. 負(fù)先導(dǎo)熄滅后, 對地轉(zhuǎn)移電荷極性緩慢反轉(zhuǎn)為負(fù).擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)連接到接地主通道和持續(xù)發(fā)展的正先導(dǎo)是此次雙極性閃電對地轉(zhuǎn)移電荷極性發(fā)生兩次反轉(zhuǎn)的重要原因. 而負(fù)先導(dǎo)的起始, 與正先導(dǎo)多分支同時發(fā)展引起的先導(dǎo)通道和環(huán)境電勢分布差異密切相關(guān).

1 引 言

雷電是大自然中發(fā)生的一種強發(fā)光、長距離的瞬時放電現(xiàn)象. 地閃是一種云對地的雷電放電類型, 通常向地面?zhèn)鬏攩我粯O性的電荷. McEachron[1]于1939 年首次報道了在美國帝國大廈上觀測到的一種特殊的地閃放電類型, 其閃電電流的極性存在反轉(zhuǎn)特征, 表明這類特殊的地閃能夠先后向大地釋放兩種極性相反的電荷. 隨后, 在全球不同地區(qū)也觀測到了類似的雙極性閃電, 其主要發(fā)生于高塔、高建筑物等頂端始發(fā)的上行地閃及人工引發(fā)雷電中[2?8], 自然下行地閃中也有少量發(fā)現(xiàn)[9]. Rakov[10]指出相較于普通的正、負(fù)地閃, 雙極性地閃所占比例較低, 但隨著針對上行閃電的觀測時長及樣本數(shù)量的增多, 雙極性閃電發(fā)生的概率可能會進一步增加. Watanabe 等[11]統(tǒng)計了2000 年—2018 年在高塔頂端始發(fā)的823 次上行閃電電流波形, 其中137 次(17%)為雙極性.

雙極性閃電對地轉(zhuǎn)移電荷極性反轉(zhuǎn)可發(fā)生于閃電初始連續(xù)電流、回?fù)舻炔煌姆烹娢锢黼A段,還可能發(fā)生極性的多次反轉(zhuǎn)[8,10,11]. 其類型的多樣性意味著閃電放電行為及云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.因此, 對雙極性閃電放電過程的研究, 有助于揭示雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)對正、負(fù)先導(dǎo)放電的影響規(guī)律特征, 對雷電科學(xué)防護也有重要的實際價值.

早期對雙極性閃電的探測手段主要為傳統(tǒng)的電場、電流及云外放電通道的光學(xué)觀測, Chen 等[12]在國內(nèi)記錄到一例自然下行雙極性閃電, 包含1 次正回?fù)艉? 次負(fù)回?fù)? 正回?fù)舻姆逯惦娏鳛?42 kA.Saba 等[13]在多例回?fù)魹椴煌瑯O性的下行雙極性地閃的光學(xué)資料中發(fā)現(xiàn)負(fù)回?fù)舢a(chǎn)生前, 在已熄滅的正先導(dǎo)分叉通道上存在倒回式發(fā)展的負(fù)極性反沖先導(dǎo)(recoil leader, RL), 推測正極性分支通道在正回?fù)舭l(fā)生前已與主通道截斷, 未參與之前的正回?fù)舴烹? 而反沖先導(dǎo)反向傳播連接到原有正回?fù)敉ǖ? 并繼續(xù)向地面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生負(fù)回?fù)? 形成同一接地通道的雙極性閃電, Saraiva 等[14]驗證了上述推測并觀測到反沖先導(dǎo)在發(fā)展過程中可能分叉, 產(chǎn)生新的閃電通道并接地, 使得雙極性閃電的極性反轉(zhuǎn)是在不同通道中完成的. Tian 等[15]指出正回?fù)糁蟮姆礇_流光過程在維持云中先導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和回?fù)敉ǖ篱g的連接起著至關(guān)重要的作用, 促使了負(fù)梯級-箭式先導(dǎo)的形成并最終產(chǎn)生了負(fù)回?fù)?

盡管通過光學(xué)觀測對下行雙極性閃電的極性反轉(zhuǎn)機制有了一定的認(rèn)識, 但對于上行雙極性閃電, 其影響極性反轉(zhuǎn)的放電通道主要發(fā)生在云內(nèi),難以被光學(xué)捕獲, 早期綜合觀測資料的缺乏使得學(xué)者們僅在放電參數(shù)特征上做了有限研究[16?18], 未獲得此類雙極性閃電的放電物理過程以及反轉(zhuǎn)機制的明確認(rèn)知. Wang 和Takagi[19]基于電場和電流觀測提出放電通道極性反轉(zhuǎn)的設(shè)想, 在雷暴云內(nèi)負(fù)電荷控制地面時, 上行正先導(dǎo)(upward positive leader, UPL)分支將負(fù)電荷輸送到通道分叉處, 造成已熄滅的正先導(dǎo)分支頭部電場方向反轉(zhuǎn), 并進一步產(chǎn)生向正電荷區(qū)穩(wěn)定發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)(negative leader, NL), 從而將正電荷傳輸?shù)降孛嬉l(fā)極性的反轉(zhuǎn). 近期, Shi 等[20]利用閃電甚高頻(very high frequency, VHF)輻射源定位對3 例極性單次反轉(zhuǎn)的高塔上行雙極性閃電進行了分析, 在Wang 和Takagi[19]設(shè)想模型的基礎(chǔ)上, 定位到起始于已熄滅正先導(dǎo)頭部的負(fù)先導(dǎo), 進一步指出主通道的截斷使得持續(xù)發(fā)展的正先導(dǎo)在已熄滅正先導(dǎo)分支上積累負(fù)電荷, 導(dǎo)致通道頭部電場反向后產(chǎn)生負(fù)先導(dǎo).而Yoshida 等[6]分析一次人工引發(fā)的雙極性閃電的VHF 干涉儀定位結(jié)果, 推測閃電極性反轉(zhuǎn)前擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)起始于附近孤立的負(fù)電荷區(qū), 其作為橋梁連通了云內(nèi)正電荷區(qū)和閃電接地通道的正先導(dǎo)分支, 導(dǎo)致了通道電流極性的反轉(zhuǎn), 然而對該正先導(dǎo)分支未有直接觀測結(jié)果. 所以上行雙極性閃電云內(nèi)通道的發(fā)展及極性反轉(zhuǎn)的形成機制至今并未探究透徹, 目前國內(nèi)對上行雙極性閃電極性反轉(zhuǎn)機制的討論為空白, 而已有的國際研究中, 對導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)的先導(dǎo)與接地主通道的連接過程未做過多討論, 對在初始電流階段極性發(fā)生多次反轉(zhuǎn)的原因也尚無清晰認(rèn)識. 因此仍迫切需要對這一罕見的閃電現(xiàn)象提供更多的觀測資料和個例分析, 以開展對上行雙極性閃電云內(nèi)正、負(fù)極性先導(dǎo)放電物理過程及其對地轉(zhuǎn)移電荷極性反轉(zhuǎn)的作用機制研究.

本文將綜合利用高時間分辨率的閃電VHF 干涉儀動態(tài)成像結(jié)果[21]、通道底部電流、主觀測點快電場變化和高速光學(xué)同步資料對一次在初始連續(xù)電流階段對地轉(zhuǎn)移電荷極性發(fā)生兩次反轉(zhuǎn)的雙極性人工引發(fā)雷電放電過程進行詳細(xì)分析, 探究其極性反轉(zhuǎn)前后放電過程的通道特征, 進一步討論其電荷傳輸及極性反轉(zhuǎn)的物理機理.

2 實驗觀測及數(shù)據(jù)

在合適的雷暴天氣條件下, 人工引發(fā)雷電作為一種最接近自然雷電的模擬源, 利用拖帶金屬絲的火箭可以使雷電在某一預(yù)知的時間和地點發(fā)生, 為雷電放電參數(shù)的測量和雷電物理的研究提供條件[22]. 本文涉及的人工引發(fā)雷電來自2015 年夏季在山東省濱州市沾化區(qū)開展的山東人工引發(fā)雷電實驗[23?25](Shandong triggering lightning experiment,SHATLE). 實驗設(shè)有兩個觀測點, 一個為近距離觀測點即火箭發(fā)射場, 觀測儀器有通道底部電流測量裝置和磁場測量設(shè)備等, 另一個為主觀測點, 距離火箭發(fā)射場970 m, 布置有閃電VHF 動態(tài)成像干涉儀, 高速攝像, 快、慢電場變化測量儀等, 各資料利用GPS 提供的準(zhǔn)確時鐘信息保持時間一致性.

本文使用的數(shù)據(jù)資料包括通道底部雷電流, 主觀測點快電場變化、高速光學(xué)及VHF 干涉儀動態(tài)成像結(jié)果等. 其中通道底部電流測量分別采用阻值為0.5 m W 及5 m W 的兩個同軸分流器進行直接測量, 二者的電流探測量程分別為± 40 kA 和± 2 kA,探測帶寬為DC～3.2 MHz, 采樣率為50 MS/s, 單次記錄長度為2 s, 考慮到環(huán)境噪聲和設(shè)備垂直分辨率, 最小可測量電流約 ± 9.3 A[26]. 主觀測點快電場變化的探測帶寬為1.5 kHz—2 MHz, 時間常數(shù)為0.1 ms, 采樣率為5 MS/s. 高速攝像光學(xué)資料時間分辨率為30.29 μs, 像素分辨率為512 × 384,用于對視野內(nèi)的云外閃電通道進行分析. 閃電VHF 干涉儀的工作頻帶為140—300 MHz, 采樣率為1 GS/s, 垂直分辨率為8 bit, 單次記錄長度為1 s[27,28], 能獲得閃電VHF 放電輻射源二維(2D)定位和高時空分辨率的動態(tài)成像, 且不受云體遮擋的影響, 其閃電通道定位結(jié)果與光學(xué)資料對比具有較高一致性, 總體定位誤差隨仰角增大而減小, 平均定位誤差小于1°. 由于本文人工引發(fā)雷電距離閃電VHF 干涉儀較近, 輻射源主要集中在云內(nèi)較高仰角位置, 所以閃電VHF 干涉儀定位結(jié)果能客觀刻畫閃電通道的發(fā)生發(fā)展. 另外, 本文使用主觀測點周圍15 km 范圍內(nèi)布設(shè)的8 站磁天線時間差定位網(wǎng)絡(luò), 提供的閃電強脈沖放電三維(3D)定位結(jié)果, 用于對部分強放電過程的簡要描述.

文中采用大氣電學(xué)定義, 雷暴云中負(fù)電荷被中和或負(fù)電荷向遠離測站的方向發(fā)展(即云內(nèi)負(fù)電荷的減少)表現(xiàn)為電場變化的正向增大, 負(fù)電荷向地面?zhèn)鬏攲?yīng)的電流極性為負(fù). 以閃電上行正先導(dǎo)起始時刻作為相對時間零點.

3 分析結(jié)果

研究的雙極性閃電發(fā)生于2015 年8 月14 日15:52:21(世界時). 圖1 為高速攝像視野內(nèi)放電全過程光學(xué)通道疊加圖, 其中: 虛線下部較直部分為火箭鋼絲引導(dǎo)的人工引雷放電通道, 鋼絲通道頂端距地垂直高度約171 m; 上部為自然放電通道, 密集的細(xì)小通道是負(fù)先導(dǎo)的分叉通道進入光學(xué)視野內(nèi)的通道疊加.

圖2 是閃電全過程的多個同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化結(jié)果. 圖2(a)為高速光學(xué)中針對自然通道(不包含鋼絲通道)部分計算的相對光強值, 反映了視野可見的放電通道亮度隨時間的變化. 每一幀的相對光強LR,i(i=1,2,3,··· ,k) 按如下方法計算:

其中,Li為第i幀光強值, 是接地主通道的自然通道部分所有像素點在該幀的亮度疊加;Lmin為閃電通道未發(fā)光時的背景光強值, 為避免識別誤差取上行正先導(dǎo)始發(fā)前幾幀的光強值的平均;Lmax為各幀光強值中的最大值. 圖2(b)為5 m W 同軸分流器測得的通道底部電流波形和幅值歸一化后的主觀測點快電場變化波形. 根據(jù)圖2(a)和圖2(b)多個同步資料, 結(jié)合此次雙極性閃電放電通道的特征,可以知道此次雙極性閃電包含約315 ms 的初始過程, 無回?fù)舭l(fā)生. 初始過程主要包括負(fù)極性初始連續(xù)電流階段1(t0—t2)、正極性初始連續(xù)電流階段(t2—t4)、負(fù)極性初始連續(xù)電流階段2(t4—結(jié)束).三個放電階段持續(xù)時間分別為152.755, 87.225 和75.02 ms, 轉(zhuǎn) 移 電 荷 量 分 別 約 為–40.0, +13.3 和–1.0 C. 其中在負(fù)極性連續(xù)電流階段2 中, 包含一次初始連續(xù)電流脈沖(initial continuous current pulse, ICCP)過程.

圖1 高速攝像視野內(nèi)閃電全過程光學(xué)通道疊加(虛線分界線上方為部分自然通道, 下方為火箭鋼絲引導(dǎo)的放電通道, 高度約171 m)Fig. 1. Composited optical image shows the flash channel structure in the high-speed field (the upper part of the dotted line shows the partial natural channel, and the lower part shows the wire vaporization channel, with a height of about 171 m).

圖2 (c)和圖2(d)分別為輻射源仰角隨時間變化和方位角-仰角二維定位結(jié)果, 輻射源顏色隨時間由藍色到紅色變化. 由圖2(d)定位結(jié)果可得, 引雷火箭上升至距地面約171 m 的高度后, 從鋼絲頂端始發(fā)上行正先導(dǎo), 到達S1 處后形成多個分支通道繼續(xù)發(fā)展, 此時段輻射源定位結(jié)果密集復(fù)雜,多為通道收斂且發(fā)展迅速的負(fù)極性反沖流光. 隨后t1 時刻在云內(nèi)已電離的通道P 點處(方位角約187°, 仰角約73°)始發(fā)了一支擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)通道, 其開辟新的通道向仰角減小的方向發(fā)展, 持續(xù)發(fā)展約94.7 ms 后在仰角約2°的地方逐漸熄滅.在后期的云內(nèi)放電過程中, 閃電通道主要表現(xiàn)為在已熄滅的正極性通道上的多次反沖放電過程.

圖2 閃電全過程的多個同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化結(jié)果 (a) 由高速光學(xué)針對自然通道(不含鋼絲通道)部分計算得到相對光強變 化; (b) 通道底部電流和幅值歸一化后的主觀測點快電場變化,圖中標(biāo)注t i (i = 0, 1, 2, 3, 4)代表時間如下: t 0 = 0 ms, t 1 =123.9 ms, t 2 = 152.755 ms, t 3 = 218.6 ms, t 4 = 239.98 ms, RL1—3 為閃電后期的3 次反沖先導(dǎo)放電過程; (c) VHF 輻射源仰角變化, 輻射源顏色隨時間由藍色到紅色變化, 下同; (d) VHF 輻射源方位角-仰角二維定位結(jié)果, 藍色、綠色、紅色指示箭頭分別指示上行正先導(dǎo)、負(fù)極性先導(dǎo)和3 次反沖先導(dǎo)的發(fā)展方向, S1 為上行正先導(dǎo)發(fā)展至云內(nèi)的分叉點, P 為負(fù)先導(dǎo)起始處, 下同F(xiàn)ig. 2. Results of multiple simultaneous observations of the overall lightning discharge process vary with time: (a) Relative luminosity for natural channel (without wire channel) from high-speed optical images; (b) channel-base current and normalized fast electric field change of the main observing station, ti (i = 0, 1, 2, 3, 4) is listed as follows: t 0 = 0 ms, t 1 = 123.9 ms, t 2 = 152.755 ms,t 3 = 218.6 ms and t 4 = 239.98 ms, RL1–3 shows three recoil leaders of late stage of the lightning; (c) elevation of VHF sources vary with time, color of radiation sources change from blue to red with time, the same blow; (d) azimuth-elevation of VHF 2D map, the blue, green and red arrows indicate the development direction of UPL, NL and RL1–3 channels, S1 shows the branching point of the UPL after developing to the cloud, P shows the initial point of NL, the same blow.

有趣的是, 在閃電前期100 ms 及后期約90 ms的階段的低仰角處(約6°)定位到分布在鋼絲通道較高位置處的輻射源, 放電高度隨時間未有明顯變化, 輻射源功率強度較小, 可能為鋼絲通道在強電場環(huán)境下的擊穿放電, 并在整個閃電放電過程中持續(xù)存在, 因VHF 干涉儀僅能定位同時發(fā)生的多個擊穿放電中的較強放電, 所以該鋼絲頂端的擊穿被閃電中期較強的云內(nèi)放電所淹沒, 這里不做更多的討論.

下面具體分析從初始負(fù)極性連續(xù)電流階段1、ICCP 后至閃電結(jié)束、第1 次極性反轉(zhuǎn)、第2 次極性反轉(zhuǎn)和ICCP 過程這5 個放電過程.

3.1 負(fù)極性初始連續(xù)電流階段1

火箭發(fā)射后,t0時刻通道底部電流和快電場變化分別出現(xiàn)明顯的負(fù)、正極性脈沖序列, 對應(yīng)光學(xué)圖像及輻射源定位結(jié)果中觀測到在鋼絲頂端始發(fā)并自持發(fā)展的上行正先導(dǎo), 此時負(fù)電荷沿接地通道向地面?zhèn)鬏? 正先導(dǎo)向上發(fā)展過程中, 無明顯分叉,根據(jù)輻射源定位結(jié)果估算上行正先導(dǎo)平均2D 傳輸速度約3.7 × 104m/s, 對應(yīng)通道底部電流和快電場變化分別緩慢地負(fù)向、正向增大. 上行正先導(dǎo)始發(fā)約32.65 ms 后發(fā)展到距地面高度約1.39 km的S1 處, 如圖3(a), 通道出現(xiàn)明顯分叉, 并沿圖中箭頭所示的方向繼續(xù)發(fā)展. 其中一路上行分支通道發(fā)展到距地面高度約2.67 km 處后, 探測到一系列以S1 為中心發(fā)展的尺度較小、放電活躍的負(fù)極性反沖流光, 輻射源非常密集, 說明此時云內(nèi)放電通道主要通過反沖流光的形式不斷構(gòu)建細(xì)小的正極性分支通道向空間發(fā)展, 持續(xù)向地面?zhèn)鬏斬?fù)電荷,主通道與地面處于良好的導(dǎo)通狀態(tài), 通道底部電流和快電場變化持續(xù)地負(fù)向、正向增大. 高速光學(xué)視野內(nèi)接地主通道(圖3(b))與上行正先導(dǎo)VHF 輻射源定位結(jié)果有高的一致性.

圖3 上行正先導(dǎo)VHF 輻射源定位結(jié)果與高速光學(xué)視野對應(yīng) (a) 上行正先導(dǎo)的VHF 輻射源定位; (b) 高速光學(xué)全過程通道疊加Fig. 3. Azimuth-elevation of VHF 2D map of UPL compared with the composited high-speed optical image: (a) Azimuthelevation of VHF 2D map of UPL; (b) composited optical image shows the flash channel structure in the high-speed field.

t= 101 ms 時電流達到負(fù)向峰值, 0.5 m W 的同軸分流器測得峰值電流約–3.8 kA. 此后通道底部電流幅值開始逐漸減小, 云內(nèi)放電依然以尺度較小的負(fù)極性反沖過程為主, 但活躍和密集程度均有所減緩. 當(dāng)t1= 123.9 ms 時, 一支先導(dǎo)通道在云內(nèi)已電離的正極性通道的P 點位置處始發(fā), 向仰角減小的方向發(fā)展, 如圖4(b)和圖4(c), 輻射源密集, 輻射強烈且主要集中于放電通道頭部, 可分辨出較多分叉通道同時發(fā)展, 沒有明顯的反沖過程,平均2D 傳輸速度約1.59 × 105m/s. 在仰角較低處有較多分叉通道進入高速光學(xué)觀測視野范圍內(nèi)(見圖1 上部區(qū)域), 對應(yīng)快電場變化波形疊加持續(xù)的正極性脈沖序列, 如圖4(a), 表現(xiàn)為明顯的負(fù)先導(dǎo)擊穿空氣的梯級發(fā)展特征, 由此推斷, 這是一支擊穿空氣的負(fù)極性梯級先導(dǎo). 結(jié)合主觀測站點周圍布設(shè)的多站磁天線獲得的此次閃電3D 定位結(jié)果發(fā)現(xiàn), 這一時段負(fù)先導(dǎo)開辟新通道向遠離主通道的水平方向發(fā)展.

在負(fù)先導(dǎo)發(fā)展的過程中, 探測到多次間歇性的快速反沖先導(dǎo)沿著原有正極性電離通道反向發(fā)展,如圖4(c)中紅色箭頭所示, 并且可在圖4(a)中看到當(dāng)t= 128.2 ms 時通道底部電流的幅值有增大的變化, 推測云內(nèi)正極性通道仍在發(fā)展, 通過接地主通道向地面泄放負(fù)電荷.

3.2 ICCP 結(jié)束后至閃電結(jié)束

通常正先導(dǎo)發(fā)展時產(chǎn)生的VHF 輻射較弱, 難以定位出清晰通道[29], 實際探測中常根據(jù)正先導(dǎo)通道上的負(fù)極性反沖過程來追溯正先導(dǎo)的發(fā)展. 因此, 為了獲得與主通道相連的正先導(dǎo)通道形態(tài), 以便更加清晰地闡述此次閃電的兩次極性反轉(zhuǎn)及ICCP 放電過程, 以下將提前說明ICCP 結(jié)束后至閃電結(jié)束階段內(nèi)的3 次反沖過程.

ICCP 發(fā)生后至閃電結(jié)束的約54 ms 內(nèi), 此階段通道底部電流整體低于最小可探測電流, 未觀測到明顯的電流脈沖和相對光強變化, 但高速光學(xué)中閃電的自然通道仍保持微弱亮光, 快電場變化上出現(xiàn)了3 次明顯的負(fù)極性脈沖, 對應(yīng)VHF 輻射源定位結(jié)果中3 次連續(xù)清晰的反沖過程, 見圖2(b)中標(biāo)識出的RL1—3.

圖4 負(fù)先導(dǎo)始發(fā)前后的同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化 (a) 通道底部電流和快電場變化波形; (b) VHF 輻射源仰角變化; (c) 方位角-仰角二維定位結(jié)果, 灰色散點為t1 時刻前的閃電通道定位結(jié)果, 紅色箭頭為負(fù)先導(dǎo)發(fā)展過程中多次間歇性的反沖過程Fig. 4. Results of multiple simultaneous observations before and after the initiation of the NL vary with time: (a) Channel-base current and fast electric field changes; (b) elevation of VHF sources varies with time; (c) azimuth-elevation of VHF 2D map. Gray scatter points are locations of radiation sources before t1, and the red arrows are a series of recoil leaders during the development of the NL.

如圖5(a), RL1 始發(fā)于主通道右側(cè), 沿著呈類蝴蝶結(jié)形狀的曲折通道發(fā)展至接地主通道S1 附近后中止, RL2 和RL3 均始發(fā)于主通道左側(cè), 沿相同通道發(fā)展并連接到RL1 通道上, 沿RL1 通道繼續(xù)發(fā)展. 可見3 次反沖先導(dǎo)盡管起始位置不同, 但最終均沿相同的通道發(fā)展至S1 附近. 此時已處于閃電放電末期, 通道底部電流和相對光強值較小且沒有明顯的脈沖變化, 難以判斷3 次反沖先導(dǎo)過程對電流的影響以及接地通道較高位置處是否已經(jīng)發(fā)生截斷, 但由于3 次反沖先導(dǎo)均沿著先前已電離的正極性通道反向發(fā)展, 通道延伸至S1 處附近, 因此判斷3 次反沖先導(dǎo)所在的正極性通道在S1 處連接到接地主通道上, 結(jié)合上行正先導(dǎo)起始階段的發(fā)展通道, 可以推演得到S1 附近處的閃電通道分叉情況如圖5(b)所示.

3.3 第1 次極性反轉(zhuǎn)

負(fù)先導(dǎo)向仰角減小的方向發(fā)展過程中, 快電場變化上疊加了越來越密集且清晰的正極性脈沖,通道底部電流的幅值緩慢減小, 負(fù)先導(dǎo)始發(fā)約28.815 ms 后, 如圖6(a), 在t= 152.716 ms 時快電場波形上出現(xiàn)了一個明顯的負(fù)極性脈沖, 脈沖寬度約1.5 μs, 隨后通道底部電流的幅值明顯減小、快電場變化和相對光強幅值快速增大. 約39 μs 后,即t2= 152.755 ms 時通道底部電流的極性由負(fù)變?yōu)檎? 表明接地主通道對地轉(zhuǎn)移電荷極性由負(fù)變?yōu)檎? 完成了第1 次的極性反轉(zhuǎn).

圖5 ICCP 結(jié)束后至閃電結(jié)束前3 次反沖過程的VHF 輻射源定位結(jié)果 (a) 3 次反沖過程定位結(jié)果, 灰色散點為圖3 中上行正先導(dǎo)的定位結(jié)果; (b) S1 附近閃電的正極性分支通道及接地通道示意圖, 第1 次反沖(RL1)用藍色通道代表, 第2 和3 次反沖(RL2&RL3)均用紅色通道代表Fig. 5. Azimuth-elevation of VHF 2D map of three RLs occurrs between the end of ICCP and the end of the lightning: (a) Azimuthelevation of VHF 2D map of three RLs. Gray scatter points represent radiation sources location of UPL in Fig. 3; (b) schematic diagram of lightning positive branching channels and trunk channel near S1, the blue channel shows the first RL (RL1), the red channel shows the second and third RLs (RL2&RL3).

在通道底部電流極性反轉(zhuǎn)前約1 ms 時間內(nèi),定位到的放電過程主要為向低仰角方向發(fā)展的負(fù)先導(dǎo), 以及原有正極性通道中零星的反沖過程. 第1次極性反轉(zhuǎn)完成時負(fù)先導(dǎo)已到達仰角較低位置處(約35°)并持續(xù)發(fā)展, 如圖6(b)和圖6(c). 電場負(fù)極性脈沖出現(xiàn)前約4.5 μs 內(nèi), 在S1 附近定位到多個向仰角增大方向發(fā)展的輻射源通道(見圖6(a)和圖6(b)中黑色虛線框內(nèi)所示), 直到負(fù)極性電場脈沖的發(fā)生, 表明這些輻射源通道連接到了具有較好導(dǎo)電性的閃電通道上, 產(chǎn)生了類似云內(nèi)的回?fù)綦妶雒}沖. 根據(jù)負(fù)極性電場脈沖變化對應(yīng)負(fù)電荷的增多或正電荷的減少, 且輻射源功率較強, 判斷這些輻射源是起始于S1 附近處的負(fù)極性擊穿放電, 向仰角增大的方向發(fā)展接連到負(fù)先導(dǎo)末端的正電荷聚集處, 連接過程如圖6(c)虛線箭頭所示, 引起正電荷的短暫減少而產(chǎn)生負(fù)極性電場脈沖, 隨后將負(fù)先導(dǎo)向通道后部輸送的正電荷沿主通道傳輸?shù)降孛? 從而引發(fā)了通道底部電流極性由負(fù)到正的反轉(zhuǎn). 由于擊穿連接位置發(fā)生在云內(nèi)通道上, 因此產(chǎn)生的電場脈沖變化提前于通道底部電流極性反轉(zhuǎn).圖6(c)中的子圖給出的是負(fù)極性擊穿放電在時間t= 152.71—152.72 ms 的定位, 可以根據(jù)顏色變化更清晰地看出負(fù)極性擊穿放電的起始位置與發(fā)展方向.

負(fù)極性電場脈沖出現(xiàn)后快電場變化幅值有了更快的增大, 在t= 152.769 ms 時達到正向峰值.此階段定位到多個沿圖5 中RL1—3 通道末端連接到S1 附近處, 向空間發(fā)展的零星輻射源, 如圖6(c)中紅色箭頭所示, 輻射源功率強度較弱, 且無明顯的電場脈沖, 認(rèn)為是負(fù)先導(dǎo)末端接入接地主通道后, 大量正電荷不僅通過接地主通道向地面?zhèn)鬏? 也通過分叉涌入其他正極性先導(dǎo)通道, 正電荷的突然增多對應(yīng)于地面電場的快速正向變化, 另外將使得分叉通道與環(huán)境電場增大從而產(chǎn)生側(cè)向的擊穿放電而被定位到. 由于正先導(dǎo)分支通道原有電流與新匯入的正電荷對應(yīng)電流方向相同, 將產(chǎn)生電流的增強, 可能使正先導(dǎo)通道溫度增高、導(dǎo)電性增強而更為穩(wěn)定發(fā)展, 表現(xiàn)為負(fù)反沖過程的明顯減少. 若正先導(dǎo)頭部在負(fù)電荷區(qū)的環(huán)境電場不足以維持正先導(dǎo)的發(fā)展, 正先導(dǎo)通道將逐漸熄滅. 隨著負(fù)先導(dǎo)的進一步發(fā)展, 其頭部前方正電荷區(qū)的電荷快速對地轉(zhuǎn)移, 地面電場快速負(fù)向變化, 通道底部電流繼續(xù)正向增大, 在第1 次極性反轉(zhuǎn)約1.75 ms后, 在t= 154.5 ms 時通道底部電流達到峰值,約+1.6 kA, 約為負(fù)極性最大峰值電流絕對值的57.9%, 隨后通道底部電流逐漸減小.

3.4 第2 次極性反轉(zhuǎn)

從定位結(jié)果可知, 在正極性初始連續(xù)電流階段, 負(fù)先導(dǎo)通道不斷延伸, 在第1 次極性反轉(zhuǎn)約65.85 ms 后, 于t3= 218.6 ms 時在仰角約2°的地方逐漸熄滅. 負(fù)先導(dǎo)從起始到熄滅共持續(xù)發(fā)展了約94.7 ms. 在負(fù)先導(dǎo)逐漸熄滅的過程中通道底部電流和快電場變化的幅值均逐漸減小. 由圖7(b)看出, 該階段正極性電流自較小幅值處緩慢衰減,波形平坦未有明顯的電流脈沖變化, 在負(fù)先導(dǎo)熄滅約21.38 ms 后, 在t4= 239.98 ms 時通道底部電流極性變?yōu)樨?fù)極性, 發(fā)生了對地轉(zhuǎn)移電荷極性的第2 次反轉(zhuǎn).

圖6 第1 次極性反轉(zhuǎn)前后的同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化結(jié)果 (a) 通道底部電流和快電場變化波形; (b) VHF 輻射源仰角隨時間變化; (c) 方位角-仰角二維定位結(jié)果, 灰色散點為負(fù)先導(dǎo)起始前的正極性通道與圖5 中3 次反沖過程的定位結(jié)果, 虛線框內(nèi)為負(fù)極性脈沖前輻射源沿黑色實線箭頭方向發(fā)展, 紅色箭頭為負(fù)極性脈沖后輻射源發(fā)展方向, 黑色虛線箭頭為推斷通道, 子圖為虛線框內(nèi)的輻射源在t = 152.71—152.72 ms 范圍內(nèi)的放大圖Fig. 6. Results of multiple simultaneous observations before and after the first polarity reversal vary with time: (a) Channel-base current and fast electric field changes; (b) elevation of VHF sources vary with time; (c) azimuth-elevation of VHF 2D map, gray scatter points are radiation sources location before the initiation of NL and RL1–3 in Fig. 5, the black solid line and dashed line represent the actual detected channel and the inferred channel, the same blow, the radiation sources in the dotted box represent negative breakdown discharge, the red arrow is the breakdown discharge after the negative polarity pulse. The subgraph is an enlarged view of the radiation source in the dotted box at t = 152.71–152.72 ms.

在負(fù)先導(dǎo)熄滅前,t= 205 ms 時至t4階段內(nèi)通道底部電流幅值低于最小探測電流. 結(jié)合相對光強值整體逐漸減小但不為零(如圖7(a)), 高速光學(xué)視野內(nèi)主通道未發(fā)生截斷, 認(rèn)為這一階段云內(nèi)通道發(fā)展減弱或趨于停止, 通道底部仍有較小電流存在. 快電場變化整體為負(fù)值, 波形起伏不大,t3之后波形上出現(xiàn)兩次幅值較小的負(fù)極性脈沖, 對應(yīng)圖5 中RL2&RL3 始發(fā)位置處兩次尺度較小的反沖放電過程, 說明此時正極性通道頭部的負(fù)電荷區(qū)域放電趨于活躍, 通道被重新激活, 此外云內(nèi)已電離的正極性通道上也有一些零星放電.

基于以上觀測結(jié)果分析, 認(rèn)為第2 次極性的反轉(zhuǎn)是由于負(fù)先導(dǎo)于t3時逐漸熄滅后, 向地面?zhèn)鬏數(shù)恼姾芍饾u減少, 而云內(nèi)正先導(dǎo)分支通道重新活躍并持續(xù)向主通道傳輸負(fù)電荷, 因此通道底部電流整體幅值變化不大, 極性為平穩(wěn)轉(zhuǎn)變. 在t4時刻接地主通道內(nèi)凈電荷由正電荷逐漸變?yōu)樨?fù)電荷時, 完成了本次雙極性閃電的第2 次極性反轉(zhuǎn).

圖7 第2 次極性反轉(zhuǎn)前后的同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化結(jié)果 (a) 相對光強變化; (b) 通道底部電流和快電場變化波形, 0 kA 用黑色虛線標(biāo)識Fig. 7. Results of multiple simultaneous observations before and after the second polarity reversal vary with time: (a) Relative luminosity of natural channel (without wire channel) from high-speed optical images; (b) channel-base current and fast electric changes, the black dotted line marks 0 kA.

3.5 ICCP 過程

在3.4 節(jié)中t= 257 ms 時, 快電場變化上出現(xiàn)1 次負(fù)極性脈沖(見圖7(b)), 對應(yīng)在已電離的RL2&RL3 的通道末端探測到尺度較小的1 次反沖放電, 約0.3 ms 后初始連續(xù)電流波形上發(fā)生ICCP 過程, 持續(xù)時間約1.2 ms, 向地面?zhèn)鬏旊姾杉s–1.0 C.

圖8 為發(fā)生ICCP 前后的同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化結(jié)果. 從圖8(a)通道底部電流波形可看出,此階段內(nèi)前期的初始連續(xù)電流波形較為平穩(wěn), 從t= 260 ms 開始, 初始連續(xù)電流快速負(fù)向增大, 并于t= 260.19 ms 和t= 260.38 ms 達到兩次極大值, 電流極值分別為–2 kA 和–2.25 kA, 隨后電流幅值緩慢下降至原有最小探測水平, 整個階段電流脈沖從10%到90%峰值的上升時間約160 μs, 脈沖半峰值寬度約280 μs, 均明顯大于Qie 等[25]給出的人工引雷回?fù)裘}沖的對應(yīng)參量的幾何平均值(分別為1.0 μs 和14.8 μs), 與ICCP 波形特征(分別為437 μs 和712 μs)相符合. 對應(yīng)的快電場開始變化比電流開始變化提前約30 μs, 在兩次極值前表現(xiàn)為先正向增大后負(fù)向減小的變化趨勢.

由圖8(b)和圖8(c)定位結(jié)果可以看到ICCP發(fā)生前的輻射源同樣起始于RL2&RL3 的末端, 由于此位置之前已有多次放電使得通道被重新激活,因此認(rèn)為影響產(chǎn)生ICCP 的反沖先導(dǎo)沿著與圖5中RL2&RL3 相同的通道發(fā)展至S1 附近, 并連接到主通道上, 連接過程如圖8(c)中的推測通道(虛線)所示. 負(fù)電荷沿通道首先向遠離測站的方向發(fā)展, 后向靠近測站的方向發(fā)展并最終自上而下地傳輸?shù)降孛? 引起了通道底部電流和快電場變化波形上的躍變.

4 討 論

根據(jù)以上對此次雙極性人工引發(fā)雷電極性反轉(zhuǎn)前后通道底部電流、主觀測點快電場變化及先導(dǎo)通道的發(fā)展分析發(fā)現(xiàn), 第1 次極性反轉(zhuǎn)前, 快電場變化波形上的負(fù)極性脈沖, 對應(yīng)于上行正先導(dǎo)云內(nèi)分叉點S1 處附近的負(fù)極性擊穿放電, 其作為橋梁將負(fù)先導(dǎo)末端正電荷沉積區(qū)域與接地主通道相連,繼而使得持續(xù)發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)能夠向地面轉(zhuǎn)移大量正電荷, 緊隨發(fā)生對地轉(zhuǎn)移電荷極性的第1 次反轉(zhuǎn). 負(fù)先導(dǎo)逐漸熄滅后, 云內(nèi)未熄滅的正極性放電通道繼續(xù)向接地主通道輸送負(fù)電荷, 引發(fā)了對地轉(zhuǎn)移電荷極性的第2 次反轉(zhuǎn). 由于第2 次電流極性轉(zhuǎn)變緩慢, 且接地主通道持續(xù)發(fā)光未截斷, 所以認(rèn)為在正極性初始連續(xù)電流期間, 正極性通道和負(fù)先導(dǎo)通道均連接到主通道上, 分別對地轉(zhuǎn)移不同極性的電荷. 綜上, 擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)通道與接地主通道的連接過程以及持續(xù)發(fā)展的正極性先導(dǎo)在此次人工引發(fā)雷電對地轉(zhuǎn)移電荷極性兩次反轉(zhuǎn)的過程中扮演了重要角色.

圖8 ICCP 前后的同步觀測數(shù)據(jù)隨時間變化結(jié)果 (a) 通道底部電流和快電場變化波形; (b) VHF 輻射源仰角變化; (c) 方位角-仰角二維定位結(jié)果, 灰色散點為圖5 的閃電通道定位結(jié)果, 虛線框內(nèi)為影響產(chǎn)生ICCP 的反沖先導(dǎo)過程Fig. 8. Results of multiple simultaneous observations before and after the ICCP vary with time: (a) Channel-base current and fast electric field changes; (b) elevation of VHF sources varies with time; (c) azimuth-elevation of 2D map, gray scatter points is radiation sources location in Fig. 5, the radiation source points in the dotted box show the recoil leader that produces ICCP.

很多學(xué)者報道在原有正極性通道上產(chǎn)生負(fù)先導(dǎo)的現(xiàn)象, Saraiva 等[14]利用光學(xué)資料發(fā)現(xiàn)負(fù)反沖先導(dǎo)先是沿著已電離正極性通道的路徑發(fā)展, 后產(chǎn)生擊穿空氣的負(fù)極性先導(dǎo), 但未說明負(fù)極性擊穿的起始位置. 在此次放電過程中也觀測到由負(fù)反沖先導(dǎo)引發(fā)的擊穿空氣的負(fù)極性先導(dǎo), 負(fù)反沖先導(dǎo)起始于已電離正極性通道上, 沿該路徑反向發(fā)展一段距離后脫離原有路徑, 轉(zhuǎn)而擊穿空氣形成新的放電通道, 這與原有通道冷卻、導(dǎo)電性降低或空間負(fù)電荷區(qū)影響等因素有關(guān), 但與持續(xù)時間約94.7 ms 的負(fù)先導(dǎo)不同, 這些擊穿空氣的負(fù)極性先導(dǎo)持續(xù)時間僅約幾個毫秒或更短, 并未影響對地轉(zhuǎn)移電荷極性的反轉(zhuǎn).

Shi 等[20]定位到負(fù)先導(dǎo)始發(fā)于已熄滅正先導(dǎo)分支頭部. Pu 和Cummer[30]利用高精度的VHF干涉儀定位資料發(fā)現(xiàn)已截斷的正先導(dǎo)通道產(chǎn)生側(cè)向針狀的負(fù)極性擊穿放電. 本例中, 擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)起始于已電離的正極性通道上, 未識別出其是否起始于熄滅的正先導(dǎo)分叉通道頭部, 考慮到本次個例負(fù)極性反沖放電密集短促, 且2D 定位結(jié)果中存在一定的通道重疊, 可能存在難以分辨的極為細(xì)小正先導(dǎo)分支. 利用多站磁天線網(wǎng)絡(luò)定位到負(fù)先導(dǎo)遠離接地主通道水平發(fā)展, 簡單推測對應(yīng)的參與放電的正、負(fù)電荷區(qū)域呈水平分布. 基于以上觀測事實, 本文將通過圖9 的示意圖, 具體討論雙極性閃電云內(nèi)正、負(fù)極性通道發(fā)展特征及極性反轉(zhuǎn)的機制.

圖9 本次對地轉(zhuǎn)移電荷極性兩次反轉(zhuǎn)的機制示意圖(a) 上行正先導(dǎo)的分叉與截斷; (b) 負(fù)先導(dǎo)的產(chǎn)生; (c)對地轉(zhuǎn)移電荷極性第1 次反轉(zhuǎn); (d)對地轉(zhuǎn)移電荷極性第2 次反轉(zhuǎn)(紅、藍色通道分別代表正、負(fù)先導(dǎo)通道, 黑色代表接地主通道; 實線表示通道正在發(fā)展, 虛線代表通道處于熄滅狀態(tài))Fig. 9. Schematic diagram showing the mechanism of the two polarity reversals of charges transferred to the ground:(a) Branching and cutoff of upward positive leader; (b) generation of negative leader; (c) the first reversal of the polarity of charge transferred to the ground ; (d) the second reversal of the polarity of charge transferred to the ground (red and blue channels represent positive and negative leader channels, respectively, the black channel represents the trunk channel, solid lines indicate that the channel is developing,and dashed lines indicate that the channel is extinguished).

1)由人工引雷引發(fā)的上行正先導(dǎo)在雷暴云負(fù)電荷區(qū)呈多個分支同時發(fā)展并向地面?zhèn)鬏斬?fù)電荷,如圖9(a)中C1 和C2. 通道發(fā)展過程中, 由于兩個正先導(dǎo)頭部前方的電勢差異, 導(dǎo)致分叉通道發(fā)展不平衡, 或由于C1 通道自身電導(dǎo)率或先導(dǎo)核溫度下降等一系列穩(wěn)定條件不滿足, 進而發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致C1 通道發(fā)生斷裂[31,32](如圖S 處), 并自斷裂處逐漸向C1 通道頭部熄滅成懸浮通道.

2)懸浮通道C1 正極性頭部向前繼續(xù)發(fā)展的過程中, 其向后傳輸?shù)呢?fù)電荷可在點P 位置處堆積, 如圖9(b), P 點可以為C1 通道上熄滅的細(xì)小的正先導(dǎo)分支通道頭部, 也可以為C1 通道自身的某處. 若堆積的負(fù)電荷積累到一定程度后或受到周圍放電影響, 使得通道P 點與環(huán)境之間的電勢差增大達到擊穿閾值, 將在P 點激發(fā)擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)向云內(nèi)正電荷區(qū)發(fā)展. 活躍發(fā)展的正極性通道C2 持續(xù)向地面轉(zhuǎn)移負(fù)電荷, 此時通道底部電流依舊為負(fù).

3)負(fù)先導(dǎo)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展, 將云內(nèi)正電荷區(qū)的電荷向通道后方P 點處傳輸, 可能在原有通道截斷位置S 處沉積, 也有可能在P 點產(chǎn)生新的正先導(dǎo)沿原有熄滅通道向S 方向發(fā)展, 與負(fù)先導(dǎo)形成雙向先導(dǎo)通道. 因負(fù)先導(dǎo)的持續(xù)發(fā)展引起懸浮通道電勢整體抬升, S 點處的電場方向轉(zhuǎn)而指向主通道,當(dāng)電場閾值達到負(fù)極性擊穿條件時, S 點發(fā)生自接地主通道向懸浮通道末端正電荷聚集區(qū)或者雙向先導(dǎo)正極性端的負(fù)極性擊穿放電, 使得截斷通道重新激活導(dǎo)通. 此時, 正極性通道C2 和負(fù)極性通道(NL)均連接到主通道上, 分別對地傳輸負(fù)電荷和正電荷. 由于持續(xù)強烈發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)短時間內(nèi)對地傳輸大量的正電荷, 所以主通道內(nèi)的凈電荷快速轉(zhuǎn)變?yōu)檎姾? 對地轉(zhuǎn)移電荷極性發(fā)生了第1 次反轉(zhuǎn), 正極性通道C2 也可能因同向電流的匯入而更易保持穩(wěn)定發(fā)展, 如圖9(c)所示.

4)當(dāng)負(fù)先導(dǎo)頭部電場強度不足以維持其繼續(xù)發(fā)展或通道本身的電導(dǎo)率逐漸減小時, 負(fù)先導(dǎo)逐漸停止發(fā)展, 同時向地面?zhèn)鬏數(shù)恼姾芍饾u減少. 而云內(nèi)未熄滅的正極性通道持續(xù)對地傳輸負(fù)電荷, 當(dāng)主通道內(nèi)凈電荷逐漸變?yōu)樨?fù)電荷后, 對地轉(zhuǎn)移電荷極性緩慢地發(fā)生了第2 次反轉(zhuǎn), 如圖9(d)所示.

Shi 等[20]報道的上行雙極性閃電發(fā)生于日本冬季雷暴中, 電荷結(jié)構(gòu)為正、負(fù)電荷區(qū)垂直分布的偶極子或者反偶極子, 擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)始發(fā)約4 ms 后便非常迅速地引起了通道底部電流極性的反轉(zhuǎn), 但并未報道在極性反轉(zhuǎn)前是否存在電場上的脈沖變化, 也并未對負(fù)先導(dǎo)產(chǎn)生后原有接地主通道重新導(dǎo)通的放電過程和機制進行解釋. 在本文個例中, 定位到負(fù)先導(dǎo)遠離接地主通道水平發(fā)展, 對應(yīng)的參與放電的正、負(fù)電荷區(qū)域呈水平分布. 此外,負(fù)先導(dǎo)持續(xù)發(fā)展了約28.816 ms 后, 才因接地主通道附近向負(fù)先導(dǎo)末端正電荷聚集區(qū)域或雙向先導(dǎo)正極性端的負(fù)極性擊穿放電, 引發(fā)負(fù)極性電場脈沖及隨后對地轉(zhuǎn)移電荷極性的快速反轉(zhuǎn), 這一放電事件在國際上為首次報道. 負(fù)先導(dǎo)始發(fā)與極性反轉(zhuǎn)的長時間間隔, 一方面與截斷位置S 處通道冷卻電導(dǎo)率下降有關(guān), 另一方面可能與懸浮通道電勢抬升較慢有關(guān).

目前, 上行雙極性閃電在初始連續(xù)電流階段極性多次反轉(zhuǎn)的原因尚不明確, Wantanabe 等[11]猜想由于在云內(nèi)某高度相鄰區(qū)域存在不同極性的口袋電荷區(qū), 上行正先導(dǎo)入云后產(chǎn)生許多水平發(fā)展的分支, 相繼進入到不同極性的口袋電荷區(qū), 從而導(dǎo)致電流極性的多次反轉(zhuǎn), 但未有明確的觀測證據(jù).從本文來看, 是水平分離的正、負(fù)兩個電荷區(qū)參與放電, 負(fù)先導(dǎo)進入正電荷區(qū)并與接地主通道相連引起了第1 次極性反轉(zhuǎn), 負(fù)先導(dǎo)熄滅后, 云內(nèi)未熄滅的正極性通道持續(xù)對地傳輸負(fù)電荷, 引起了第2 次的極性反轉(zhuǎn).

另一個值得關(guān)注的問題是, 本次個例通道極性第1 次反轉(zhuǎn)前僅探測到自接地主通道始發(fā)的負(fù)極性放電, 而一般相較于負(fù)極性擊穿, 正極性擊穿的電場閾值更低更容易發(fā)生, 因此很有可能這一作為橋梁連接接地主通道和懸浮通道的擊穿放電起始于接地主通道和懸浮通道之間, 以正、負(fù)擊穿雙向先導(dǎo)發(fā)展的形式分別向接地主通道和懸浮通道發(fā)展, 只是其正極性擊穿一端未被干涉儀探測到, 而這一擊穿放電的產(chǎn)生條件、起始位置及極性的影響機制仍然需要更多的研究.

5 總 結(jié)

本研究基于閃電VHF 干涉儀動態(tài)成像定位結(jié)果, 結(jié)合通道底部電流、快電場變化、高速光學(xué)等多種同步觀測資料, 對一次在初始電流階段對地轉(zhuǎn)移電荷極性發(fā)生兩次反轉(zhuǎn)的雙極性人工引發(fā)雷電進行了詳細(xì)研究. 主要探討了極性反轉(zhuǎn)前后通道底部電流、快電場變化、相對光強的放電特征以及對應(yīng)放電通道的時空演變, 著重對影響極性反轉(zhuǎn)的放電通道特征、上行雙極性閃電形成機制做了分析與討論, 得到以下結(jié)論:

1)此次雙極性過程包含約315 ms 的初始電流階段, 無回?fù)暨^程. 在初始電流階段極性發(fā)生了兩次變化, 對地傳輸電荷極性先負(fù)后正再負(fù), 分別向地面?zhèn)鬏旊姾杉s–40.0 C, +13.3 C 和–1.0 C, 峰值電流約–8 kA, +1.6 kA 和–2.25 kA. 上行正先導(dǎo)的2D 傳輸速度約3.7 × 104m/s. 負(fù)先導(dǎo)擊穿空氣開辟新通道向水平方向發(fā)展, 2D 傳輸速度約1.59 × 105m/s.

2)擊穿空氣的負(fù)先導(dǎo)與接地主通道相連和正先導(dǎo)的持續(xù)發(fā)展是此次雙極性閃電對地轉(zhuǎn)移電荷極性發(fā)生兩次反轉(zhuǎn)的重要原因. 負(fù)先導(dǎo)擊穿空氣開辟新通道發(fā)展, 隨后原正極性分支通道截斷位置處發(fā)生的負(fù)極性擊穿與負(fù)先導(dǎo)通道末端的正電荷聚集處連接, 也有可能負(fù)先導(dǎo)起始后呈雙向先導(dǎo)發(fā)展, 那么負(fù)極性擊穿將與雙向先導(dǎo)的正極性端相連接, 將正電荷通過接地主通道向地面?zhèn)鬏? 通道底部凈電荷為正時, 對地轉(zhuǎn)移電荷極性由負(fù)變?yōu)檎?當(dāng)負(fù)先導(dǎo)逐漸停止發(fā)展, 向地面?zhèn)鬏數(shù)恼姾芍饾u減少, 而云內(nèi)未熄滅的正極性分支通道持續(xù)發(fā)展,對地傳輸負(fù)電荷, 當(dāng)通道底部凈電荷為負(fù)時, 通道底部電流極性由正變?yōu)樨?fù).

3)已電離的正極性分支通道上產(chǎn)生的反沖先導(dǎo)過程, 連接到主通道上并向地面?zhèn)鬏敶罅控?fù)電荷, 引發(fā)了初始連續(xù)電流脈沖.

4)探測到從已電離正極性通道上始發(fā)的擊穿空氣的負(fù)極性先導(dǎo), 可能起始于該正先導(dǎo)通道的側(cè)向擊穿放電, 也可能起始于其上某細(xì)小的正先導(dǎo)分支通道頭部電場極性反轉(zhuǎn)后的負(fù)先導(dǎo)放電.

本文詳細(xì)研究了這例罕見的雙極性閃電的放電特征以及極性反轉(zhuǎn)前后通道的傳輸特征, 根據(jù)觀測事實合理地探討了對地轉(zhuǎn)移電荷極性兩次反轉(zhuǎn)的機制并提出了模型圖, 首次觀測到導(dǎo)致對地轉(zhuǎn)移電荷極性由負(fù)到正快速反轉(zhuǎn)的負(fù)極性擊穿放電以及通道截斷處重新導(dǎo)通的放電過程和機制, 并明確了負(fù)先導(dǎo)的熄滅和正先導(dǎo)的持續(xù)發(fā)展引發(fā)了極性由正到負(fù)的緩慢轉(zhuǎn)變等. 但由于云內(nèi)放電過程較為復(fù)雜, 尤其是上行正先導(dǎo)發(fā)展入云后短時間內(nèi)產(chǎn)生多個正極性通道同時發(fā)展, 云內(nèi)放電通道十分密集, 且負(fù)先導(dǎo)通道與部分正極性通道在二維成像上有所重疊, 給分析帶來了一定的困難. 而磁場多站定位結(jié)果僅能提供部分強放電的三維位置, 時間分辨率較低. 因此, 未來將進一步利用閃電通道的三維定位結(jié)果, 更精準(zhǔn)地分析閃電通道放電特征, 同時結(jié)合氣象雷達或探空數(shù)據(jù)綜合分析雷暴云動力活動, 更加合理地探討云內(nèi)電荷分布對放電行為的影響.

感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所袁善鋒和張鴻波特別研究助理對本文關(guān)于雙極性閃電極性反轉(zhuǎn)的物理機制以及論文撰寫的有益討論與建議, 感謝所有參加野外實驗的伙伴們.