王宇 郄秀書(shū)王東方劉明遠(yuǎn)王志超

1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

1 引言

預(yù)擊穿過(guò)程是地閃發(fā)生在云內(nèi)的初始放電過(guò)程。Clarence and Malan（1957）指出地閃首次回?fù)羟暗碾妶?chǎng)波形可以分為三個(gè)階段：預(yù)擊穿（Preliminary Breakdown）、中間階段（Intermediate Stage）和梯級(jí)先導(dǎo)（Stepped Leader），并將這種電場(chǎng)波形的劃分稱(chēng)為“BIL模型”（Breakdown Intermediate Leader）。在此模型中，預(yù)擊穿過(guò)程直接引發(fā)后續(xù)過(guò)程的產(chǎn)生，與地閃從云內(nèi)的始發(fā)過(guò)程密切相關(guān)，因此預(yù)擊穿過(guò)程一直受到研究者的廣泛關(guān)注。根據(jù)以往研究，預(yù)擊穿過(guò)程電場(chǎng)波形由一系列脈沖寬度為微秒量級(jí)的雙極性脈沖組成，脈沖序列的持續(xù)時(shí)間為數(shù)毫秒，有些脈沖序列的最大脈沖峰值可與首次回?fù)舴逯迪啾?，雙極性脈沖的前半周期極性通常和首次回?fù)魳O性一致（Clarence and Malan, 1957；Ushio et al., 1998；Gomes et al.,1998；Qie et al., 2002；Gomes and Cooray, 2004；Nag and Rakov, 2008；2009）。

對(duì)于負(fù)地閃預(yù)擊穿過(guò)程的研究較多，Clarence and Malan（1957）研究了南非夏季雷暴后認(rèn)為，預(yù)擊穿過(guò)程是云中主負(fù)電荷區(qū)和其下部正電荷區(qū)之間的放電過(guò)程。Cooray and Scuka（1996）認(rèn)為云中主負(fù)電荷區(qū)以下垂直通道的建立是地閃形成的必要條件，而當(dāng)主負(fù)電荷區(qū)同下部正電荷區(qū)（Lower Positive Charge Center，LPCC）的放電增強(qiáng)時(shí)，這種通道建立的可能性更高。他們進(jìn)一步認(rèn)為預(yù)擊穿脈沖強(qiáng)度可以作為L(zhǎng)PCC強(qiáng)度的一種度量。Gomes et al.（1998）分別研究了斯里蘭卡和瑞典的夏季雷暴，發(fā)現(xiàn)瑞典地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿過(guò)程比斯里蘭卡地區(qū)強(qiáng)，其脈沖的前半周期峰值與首次回?fù)舴逯档谋戎担≒B/RS，PB代表最大預(yù)擊穿脈沖幅值，RS代表首次回?fù)舴担樗估锾m卡地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿過(guò)程相應(yīng)參量的6倍，Gomes認(rèn)為這是由于熱帶地區(qū)對(duì)流旺盛，不利于主負(fù)電荷區(qū)下部LPCC電荷的積累，因而預(yù)擊穿過(guò)程較弱，Gomes所選樣本都沒(méi)有定位數(shù)據(jù)，因此距離測(cè)站較遠(yuǎn)的地閃，其預(yù)擊穿過(guò)程電場(chǎng)脈沖很可能衰減到噪聲水平以下，影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Qie et al.（2002）總結(jié)了中國(guó)內(nèi)陸高原地區(qū)地閃多站同步觀測(cè)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并認(rèn)為這可能與LPCC較大的三極性雷暴云電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)。Nag and Rakov（2008）統(tǒng)計(jì)分析了佛羅里達(dá)地區(qū)35例具有負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列特征但沒(méi)有回?fù)暨^(guò)程的電場(chǎng)波形，發(fā)現(xiàn)這種預(yù)擊穿脈沖序列中雙極性脈沖的前半周期持續(xù)時(shí)間和回?fù)舻某掷m(xù)時(shí)間相當(dāng)，都為數(shù)十微秒，因此容易被閃電定位網(wǎng)誤識(shí)別為弱地閃。另外，M?kel? et al.（2008）研究了芬蘭地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，發(fā)現(xiàn)在這一地區(qū)有25%的預(yù)擊穿脈沖序列最大脈沖峰值大于首次回?fù)舴逯?。Baharudin et al.（2012）對(duì)比研究了馬來(lái)西亞和美國(guó)佛羅里達(dá)地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，結(jié)果表明緯度越高PB/RS比值越大。

由于正地閃的發(fā)生比例較低，已有的正地閃資料相對(duì)較少，因而對(duì)正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的研究也相對(duì)較少。另外，有些正地閃可以由云閃激發(fā)，當(dāng)云閃的某一個(gè)分叉穿出云底并發(fā)展至地面附近時(shí)，則可誘發(fā)正地閃的產(chǎn)生（Kong et al., 2008），這種情況下正地閃不存在明顯的預(yù)擊穿過(guò)程，導(dǎo)致對(duì)正地閃預(yù)擊穿過(guò)程的研究更少。Ushio et al.（1998）對(duì)發(fā)生于日本北陸地區(qū)冬季雷暴的 19次正地閃統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，正地閃預(yù)擊穿脈沖的持續(xù)時(shí)間和相鄰脈沖時(shí)間間隔都比負(fù)地閃小，Ushio推測(cè)正地閃的預(yù)擊穿脈沖是由正電荷區(qū)同屏蔽電荷層之間的放電產(chǎn)生的，另外Ushio還發(fā)現(xiàn)正地閃預(yù)擊穿脈沖一般上升沿比較平滑。Gomes and Cooray（2004）根據(jù)預(yù)擊穿脈沖的前半周期極性和首次回?fù)魳O性的關(guān)系，將正地閃預(yù)擊穿脈沖序列分為四種類(lèi)型：（a）所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)魳O性相同；（b）脈沖序列分兩段，前段所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)粝嗤?，后段所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)粝喾?；（c）所有脈沖前半周期極性和首次回?fù)魳O性相反；（d）無(wú)明顯分區(qū)，極性相同和相反的脈沖無(wú)規(guī)則排列。發(fā)現(xiàn)其中（a）類(lèi)正地閃預(yù)擊穿脈沖序列占全部樣本的80%（57/71）。但是，Gomes and Cooray（2004）對(duì)每一個(gè)預(yù)擊穿脈沖序列只取了其幅值最大的5個(gè)脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這導(dǎo)致其統(tǒng)計(jì)結(jié)果不便同其他研究結(jié)果比較。

預(yù)擊穿過(guò)程發(fā)生在云內(nèi)，很難用光學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)和分析預(yù)擊穿過(guò)程電場(chǎng)資料的波形特征，對(duì)推測(cè)地閃的始發(fā)條件和形成機(jī)制都有很大幫助。另外，預(yù)擊穿脈沖幅值有時(shí)可與回?fù)舴迪啾?，統(tǒng)計(jì)出預(yù)擊穿脈沖波形特征參量的典型值，有利于從工程上對(duì)雷電電磁脈沖（Lightning Electro-Magnetic Pulse，LEMP）進(jìn)行防護(hù)。本文選取大興安嶺林區(qū)2010年3次過(guò)境雷暴過(guò)程中的具有4站以上同步資料的37次正地閃和56次負(fù)地閃，首次對(duì)發(fā)生在同一地區(qū)的正地閃和負(fù)地閃的預(yù)擊穿脈沖序列進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。4站以上同步資料的選取，保證了所有地閃都可進(jìn)行回?fù)舳ㄎ?，所選取的正、負(fù)地閃個(gè)例均發(fā)生在5～50 km的范圍內(nèi)，這樣盡量減小了極近距離時(shí)電場(chǎng)波形主要為靜電場(chǎng)分量和極遠(yuǎn)距離時(shí)回?fù)艉皖A(yù)擊穿過(guò)程電磁波衰減不一致對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成的影響。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

大興安嶺林區(qū)位于中國(guó)東北邊陲，面積8.46萬(wàn)平方公里，森林資源極其豐富。林區(qū)氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，閃電活動(dòng)較為頻繁，由閃電造成的森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，為了清楚地認(rèn)識(shí)該地區(qū)的閃電活動(dòng)特征和成災(zāi)機(jī)理，2009年至2010年，在該地區(qū)布置了由 7個(gè)觀測(cè)站組成的閃電探測(cè)和定位網(wǎng)，對(duì)自然閃電進(jìn)行了地面電場(chǎng)變化的綜合同步觀測(cè)。定位網(wǎng)站點(diǎn)分布如圖1所示，中心觀測(cè)站設(shè)在科研站（50.32°N，124.11°E）。每一觀測(cè)站均布置在場(chǎng)地開(kāi)闊地帶，無(wú)高大建筑和樹(shù)木遮擋。

各觀測(cè)站均配置有閃電快、慢電場(chǎng)變化測(cè)量?jī)x（快、慢天線）和高速大容量采集系統(tǒng)（曹冬杰等，2011a）。快、慢電場(chǎng)變化測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)和原理與郄秀書(shū)等（2008）中的介紹類(lèi)似，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)閃電活動(dòng)引起的地面垂直電場(chǎng)變化，時(shí)間常數(shù)分別為 2 ms和3 s，帶寬分別為2 MHz和1 MHz。高速大容量采集系統(tǒng)主要由采集板卡和工控機(jī)組成。采集板卡分辨率達(dá)12位，最高采樣率達(dá)60 MS s–1（Mega Samples per second），板載內(nèi)存為512 MB，能滿足高分辨率、長(zhǎng)時(shí)間采樣的要求。實(shí)驗(yàn)中采樣率設(shè)置為5 MS s–1，單次采樣時(shí)間為1 s，預(yù)觸發(fā)百分比為20%。測(cè)站之間用全球定位系統(tǒng)GPS模塊同步，授時(shí)精度為50 ns?？臁⒙妶?chǎng)變化測(cè)量?jī)x在實(shí)驗(yàn)前都進(jìn)行了標(biāo)定（王東方等，2011）。資料在符號(hào)上采用大氣電學(xué)慣例，豎直向下的電場(chǎng)方向?yàn)檎较?，即由云中向地面輸送了?fù)電荷產(chǎn)生正極性電場(chǎng)變化。

為了保證所選擇的地閃個(gè)例具有距離信息，本文選擇具有4站以上同步資料的地閃進(jìn)行分析，所選地閃個(gè)例來(lái)自2010年3次過(guò)境的雷暴過(guò)程，具體發(fā)生時(shí)間為2010年5月31日、2010年6月7日和2010年7月16日。 所分析的地閃電場(chǎng)波形均來(lái)自中心測(cè)站，并采用時(shí)間差定位法計(jì)算了地閃回?fù)酎c(diǎn)的位置，作為預(yù)擊穿過(guò)程發(fā)生位置的估計(jì)。由于回?fù)裘}沖和預(yù)擊穿脈沖頻率成分不同，它們的傳播機(jī)制是不同的，回?fù)裘}沖主要以地波形式傳播，而預(yù)擊穿脈沖主要以空間波形式傳播，考慮到大地的電導(dǎo)率有限，回?fù)裘}沖的衰減程度比預(yù)擊穿脈沖大（Cooray et al., 2007；Zhang et al., 2012），因此，選取距離中心測(cè)站5到50公里的閃電作為樣本來(lái)分析，以保證回?fù)裘}沖和預(yù)擊穿脈沖有大致相同的衰減。樣本閃電位置分布如圖2所示。

圖1 2010年閃電定位網(wǎng)站點(diǎn)位置分布圖Fig.1 Sketch map of the observation stations in 2010

圖2 所分析地閃的回?fù)舭l(fā)生位置分布，黑色方塊代表測(cè)站位置，“+”代表正地閃，“o”代表負(fù)地閃。相鄰虛線圓半徑相差10 kmFig.2 Location of Cloud to Ground lightning,.The black square represents the observation stations, the plus represents positive CG lightning, and the circle represents negative CG lightning.The radius difference beteween the adjacent dashed circles is 10 km

統(tǒng)計(jì)的參數(shù)主要有：脈沖序列的總持續(xù)時(shí)間（Total Duration，T1），脈沖序列和回?fù)糁g時(shí)間間隔（PB-RS Separation，T2），預(yù)擊穿過(guò)程到首次回?fù)暨^(guò)程的時(shí)間間隔（Pre-RS Interval，T3），單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間（Individual Pulse Duration，T4），相鄰脈沖時(shí)間間隔（Interpulse Interval，T5），最大脈沖峰值和回?fù)舴逯档谋戎担≒B/RS Ratio）。各參數(shù)的定義如下：

脈沖序列總持續(xù)時(shí)間（T1）：脈沖序列中首尾脈沖的前半周期峰值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，只有脈沖幅值大于局部噪聲2倍的脈沖才參與統(tǒng)計(jì)，如果相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔超過(guò)2 ms，則認(rèn)為后一脈沖可能由其他放電過(guò)程所引起，此脈沖亦被排除；

脈沖序列和回?fù)糁g時(shí)間間隔（T2）：脈沖序列中最大脈沖的前半周期峰值點(diǎn)同回?fù)舴逯迭c(diǎn)之間的時(shí)間間隔；

預(yù)擊穿過(guò)程到首次回?fù)暨^(guò)程的時(shí)間間隔（T3）：脈沖序列首個(gè)脈沖的前半周期峰值點(diǎn)到首次回?fù)舻姆逯迭c(diǎn)之間的時(shí)間間隔；

單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間（T4）：指脈沖的全寬度（Full width），包含雙極性脈沖前、后半周期的持續(xù)時(shí)間；

相鄰脈沖時(shí)間間隔（T5）：指相鄰兩個(gè)脈沖的前半周期峰值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；

最大脈沖峰值和回?fù)舴逯当戎担≒B/RS）：脈沖序列中最大脈沖相對(duì)局部噪聲的峰值與首次回?fù)粝鄬?duì)局部噪聲的峰值的比值（Nag and Rakov, 2008，2009）。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)擊穿脈沖序列整體波形特征及BIL模型分析

首次回?fù)羟邦A(yù)擊穿過(guò)程的電場(chǎng)波形表現(xiàn)為由若干脈沖寬度為微秒量級(jí)的雙極性脈沖組成的脈沖序列。負(fù)地閃和正地閃的預(yù)擊穿脈沖序列波形分別如圖 3a–d所示，從圖中可以看出，負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列呈“不對(duì)稱(chēng)梭型”，即最大脈沖一般出現(xiàn)在序列的前半部分，然后序列中的脈沖幅值慢慢減小至噪聲水平，這與Nag and Rakov（2008）的結(jié)果一致。正地閃預(yù)擊穿脈沖由于相對(duì)噪聲的幅值不夠大，因此看不出明顯類(lèi)似的形狀。另外負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖上升沿上一般會(huì)疊加幾個(gè)脈沖寬度不到1 μs的小脈沖，這與曹冬杰等（2011b）結(jié)果一致，而正地閃預(yù)擊穿脈沖上升沿一般比較平滑，見(jiàn)圖 5a、d。正、負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖后半周期的幅值（過(guò)沖）一般都比前半周期幅值小，例如Ushio et al.（1998）統(tǒng)計(jì)了正地閃預(yù)擊穿脈沖前半周期峰值與過(guò)沖的比值，其算術(shù)平均值為1.3。

在本文統(tǒng)計(jì)的正、負(fù)地閃個(gè)例中發(fā)現(xiàn)存在三類(lèi)預(yù)擊穿脈沖序列：1）相同型（Same，簡(jiǎn)稱(chēng)S型），即脈沖序列中所有脈沖前半周期極性與首次回?fù)魳O性相同；2）相反型（Different，簡(jiǎn)稱(chēng)D型），即脈沖序列中所有脈沖前半周期極性與首次回?fù)魳O性相反；3）混雜型（Chaos，簡(jiǎn)稱(chēng) C型），即脈沖序列中相同和相反極性的脈沖都有，但是無(wú)規(guī)則排列，在本文統(tǒng)計(jì)樣本中相同極性脈沖比相反極性脈沖所占比例大。對(duì)于負(fù)地閃，有 52例樣本屬于 S型（占92.9%），1例屬D型（占1.7%），3例屬C型（占5.4%）；對(duì)于正地閃，有24例樣本屬S型（占64.9%），有6例屬D型（占16.2%），7例屬C型（占18.9%）。本文沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Gomes et al.（2004）分析的所謂的（b）類(lèi)預(yù)擊穿脈沖序列，即呈現(xiàn)兩個(gè)明顯分區(qū)的預(yù)擊穿脈沖序列。已有的對(duì)預(yù)擊穿序列的分類(lèi)研究都只涉及正地閃，Gomes et al.（2004）統(tǒng)計(jì)的正地閃 S型預(yù)擊穿所占比例為 57/71（80.2%），Zhang et al.（2011）統(tǒng)計(jì)的正地閃S型預(yù)擊穿所占比例為 66/83（79.5%），Zhang et al.（2013）統(tǒng)計(jì)的北京地區(qū)、廣州地區(qū)正地閃S型預(yù)擊穿所占比例分別為 55/100（55.0%）和 39/48（81.0%），這些結(jié)果和本文正地閃S型預(yù)擊穿比例24/37（64.9%）一樣所占比例都較大。下面對(duì)正、負(fù)地閃三類(lèi)預(yù)擊穿過(guò)程的成因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和討論。

圖3 （a）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，T1為脈沖序列總持續(xù)時(shí)間（Total duration）；T2為脈沖序列和回?fù)糁g時(shí)間間隔（PB-RS separation）；T3為預(yù)擊穿過(guò)程到首次回?fù)暨^(guò)程的時(shí)間間隔（Pre–return interval）；（b）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列擴(kuò)展圖；（c）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列， R1代表首次回?fù)簦唬╠）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列擴(kuò)展圖Fig.3 (a) Preliminary breakdown pulse train in negative CG lightning, T1 indicates total duration, T2 indicates PB–RS separation, T3 indicates pre-return duration; (b) detail of PBP train in negative CG lightning ; (c) Preliminary breakdown pulse train in positive CG lightning, R1 represents first return stroke; (d)detail of PBP train in positive CG lightning

一方面，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)通常為頂部主正電荷區(qū)，中間主負(fù)電荷區(qū)，底部相對(duì)較小的正電荷區(qū)（即 LPCC，也稱(chēng)“口袋電荷區(qū)”），負(fù)地閃一般由主負(fù)電荷區(qū)與口袋電荷區(qū)之間始發(fā)，負(fù)地閃的預(yù)擊穿過(guò)程對(duì)應(yīng)的就是主負(fù)電荷區(qū)與口袋電荷區(qū)的放電過(guò)程（Qie et al., 2005；張義軍等，2008）。而Nag and Rakov（2012）分析了正地閃可能的6種成因，其中雷暴云傾斜的正偶極結(jié)構(gòu)和反偶極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的正地閃可能伴隨預(yù)擊穿過(guò)程。另一方面，我們知道某一極性電荷分別向靠近和遠(yuǎn)離測(cè)站的方向放電會(huì)產(chǎn)生相反極性的電場(chǎng)變化。正是基于以上兩方面的認(rèn)識(shí)，本文對(duì)產(chǎn)生三種預(yù)擊穿波形的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單的推測(cè)：口袋電荷區(qū)在誘導(dǎo)地閃形成的前期階段起到關(guān)鍵作用，當(dāng)主電荷區(qū)與口袋電荷區(qū)之間放電進(jìn)而發(fā)展成地閃時(shí)，地閃所伴隨的預(yù)擊穿過(guò)程為S型，但是，當(dāng)口袋電荷區(qū)不夠大或者地閃正好從口袋電荷區(qū)邊緣始發(fā)時(shí)，其“吸引力”就會(huì)減弱，主電荷區(qū)就有可能向其他不規(guī)則電荷區(qū)放電，從而在預(yù)擊穿過(guò)程中夾雜相反極性的脈沖，形成C型預(yù)擊穿過(guò)程，當(dāng)口袋電荷區(qū)影響進(jìn)一步減弱，主電荷區(qū)可能完全不與下部的口袋電荷區(qū)放電，而是相對(duì)其他區(qū)域放電，如果位置合適，也能順利發(fā)展成地閃，這時(shí)就形成D型預(yù)擊穿過(guò)程。需要說(shuō)明，這里將“口袋電荷區(qū)”的概念推廣了，將產(chǎn)生正地閃預(yù)擊穿過(guò)程的電荷結(jié)構(gòu)，其底部的電荷區(qū)域也稱(chēng)為口袋電荷區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，正、負(fù)地閃三種預(yù)擊穿過(guò)程都是S型所占比例最大，說(shuō)明在伴隨有預(yù)擊穿的地閃中，口袋電荷區(qū)的作用是顯著的。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，負(fù)地閃S型預(yù)擊穿過(guò)程占的比例比正地閃S型預(yù)擊穿過(guò)程占的比例大，推測(cè)可能原因是負(fù)地閃口袋電荷區(qū)覆蓋區(qū)域更大、總電荷量更多，因此，更能“吸引”主電荷區(qū)的放電過(guò)程。

預(yù)擊穿脈沖序列中最大脈沖幅值一般比回?fù)舴敌。?6例負(fù)地閃樣本中有7例預(yù)擊穿脈沖幅值超過(guò)回?fù)舴担?7例正地閃中沒(méi)有預(yù)擊穿脈沖幅值超過(guò)回?fù)簟Ｈ绻麑㈩A(yù)擊穿脈沖幅值與回?fù)舴档谋戎禐?.5～2界定為預(yù)擊穿脈沖與回?fù)裘}沖可比，那么負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖與回?fù)艨杀鹊谋壤秊?16/56（28.6%），而正地閃預(yù)擊穿脈沖與回?fù)艨杀鹊谋壤秊?/37（2.7%）。圖4給出了負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖幅值超過(guò)首次回?fù)舴档囊粋€(gè)個(gè)例。

另外，本文對(duì)首次回?fù)羟暗碾妶?chǎng)波形進(jìn)行了分析，檢驗(yàn)了電場(chǎng)變化波形與BIL模型的符合情況。Clarence and Malan（1957）分析了這種模型的物理基礎(chǔ)，預(yù)擊穿階段對(duì)應(yīng)主負(fù)電荷區(qū)和口袋電荷區(qū)之間的放電，中間間歇階段對(duì)應(yīng)第一階段放電產(chǎn)生的通道內(nèi)電荷的聚集和電場(chǎng)的增強(qiáng)，梯級(jí)先導(dǎo)階段對(duì)應(yīng)云中通道穿出云底向地面的發(fā)展。M?kel? et al.（2008）提出BIL模型表現(xiàn)在電場(chǎng)波形上為“M”型，可以用在閃電定位系統(tǒng)中來(lái)識(shí)別地閃，但M?kel?沒(méi)有給出樣本符合 BIL模型的比例，如果BIL模型可以加入閃電定位算法中來(lái)識(shí)別地閃，那么符合BIL模型的比例的地閃要足夠高。但是，本文負(fù)地閃樣本中只有11例符合BIL模型，占總數(shù)比例為19.6%，正地閃樣本中有9例符合BIL模型，占總數(shù)比例為24.3%，Baharudin et al.（2012）統(tǒng)計(jì)馬來(lái)西亞負(fù)地閃符合BIL模型的比例為47%，和本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一樣都較低。需要指出，Baharudin et al.（2012）和本文使用寬帶天線采集信號(hào)，而M?kel? et al.（2008）使用窄帶天線采集信號(hào)，這可能導(dǎo)致Baharudin et al.（2012）和本文的資料信噪比不如M?kel? et al.（2008）的資料高，很多預(yù)擊穿過(guò)程電場(chǎng)變化和梯級(jí)先導(dǎo)過(guò)程電場(chǎng)變化處于噪聲水平以下而不易被識(shí)別出來(lái)。

圖4 負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖幅值超過(guò)首次回?fù)舴档膫€(gè)例Fig.4 One case of preliminary breakdown pulse with its amplitude exceeding the corresponding first return stroke in negative CG lightning

3.2 特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及對(duì)比分析

這里討論的特征參數(shù)主要包括T1、T2、T3、T4和T5。上文將正、負(fù)地閃預(yù)擊穿電場(chǎng)波形都分成了3類(lèi)，為了便于正、負(fù)地閃統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較，也為了便于同其他研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在統(tǒng)計(jì)T1、T2、T3時(shí)，僅對(duì)S型預(yù)擊穿脈沖序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)T4、T5時(shí)，對(duì)所有與首次回?fù)魳O性相同的脈沖都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即對(duì)S型預(yù)擊穿脈沖序列的全部脈沖和C型預(yù)擊穿脈沖序列中與首次回?fù)魳O性相同的脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。所有特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，T1的算術(shù)平均值為4.5 ms，幾何平均值為3.0 ms，而負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列總持續(xù)時(shí)間的算術(shù)平均值為 4.1 ms，幾何平均值為3.7 ms，兩者的算術(shù)平均值相當(dāng)，后者的幾何平均值為前者的 1.2倍，正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的總持續(xù)時(shí)間分布更廣，為0.2～19.9 ms，而負(fù)地閃對(duì)應(yīng)的變化范圍為 0.5～9.8 ms。正地閃預(yù)擊穿脈沖序列T2的算術(shù)平均值為 75.6 ms，是負(fù)地閃對(duì)應(yīng)值55.4 ms的1.4倍，幾何平均值為57.8 ms，是負(fù)地閃對(duì)應(yīng)值的1.6倍，變化范圍上正地閃預(yù)擊穿脈沖序列同首次回?fù)魰r(shí)間間隔也分布更廣，從7.1 ms到177.6 ms，而負(fù)地閃相應(yīng)的變化范圍只從1.5 ms到146.1 ms。正地閃T3的算術(shù)平均值為77.3 ms，幾何平均值為 60.0 ms，是負(fù)地閃對(duì)應(yīng)參數(shù)的 1.4倍和1.6倍，前者的變化范圍是9.9～179.7 ms，后者的變化范圍是 1.9～146.3 ms。正地閃的T1、T2、T3統(tǒng)計(jì)結(jié)果都比負(fù)地閃大，可能由于正地閃發(fā)生前云中主電荷區(qū)和口袋電荷區(qū)之間的距離比負(fù)地閃發(fā)生前云中主電荷區(qū)和口袋電荷區(qū)之間的距離大，也可能正地閃預(yù)擊穿過(guò)程在口袋電荷區(qū)水平發(fā)展的時(shí)間更長(zhǎng)。

本文統(tǒng)計(jì)得到負(fù)地閃T1的算術(shù)平均值為 4.1 ms，與Nag and Rakov（2009）分析12個(gè)負(fù)地閃預(yù)擊穿個(gè)例后得到的總持續(xù)時(shí)間算術(shù)平均值3.4 ms比較接近，但比Baharudin et al.（2012）統(tǒng)計(jì)的馬來(lái)西亞地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列總持續(xù)時(shí)間小，是其算術(shù)平均值12.3 ms的33.3%。本文統(tǒng)計(jì)出正地閃預(yù)擊穿脈沖序列總持續(xù)時(shí)間的算術(shù)平均值為 4.5 ms，是Gomes et al.（2004）分析瑞典地區(qū)正地閃資料后得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果3 ms的1.5倍，是Zhang et al.（2011）分析廣州地區(qū)正地閃資料后得到結(jié)果8.9 ms的50.6%，是Zhang et al.（2013）分析北京地區(qū)正地閃資料得到結(jié)果3.1 ms的1.5倍。參考表1，可以對(duì)正、負(fù)地閃T2、T3同其他研究結(jié)果進(jìn)行類(lèi)似的對(duì)比，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)T1、T2、T3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和緯度有明顯的關(guān)系。

對(duì)于負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列，統(tǒng)計(jì)了 52例 S型序列的所有脈沖和3例C型序列中極性和首次回?fù)粝嗤拿}沖，共759個(gè)脈沖，對(duì)于正地閃預(yù)擊穿脈沖序列，統(tǒng)計(jì)了24例S型序列的全部脈沖和7例C型序列中機(jī)型和首次回?fù)粝嗤拿}沖，共375個(gè)脈沖。圖5以每一個(gè)預(yù)擊穿脈沖序列為單元來(lái)繪制箱線圖，按照參數(shù)中位數(shù)遞增的順序來(lái)排列個(gè)例。從圖中箱線圖可以看出，對(duì)部分個(gè)例而言，參數(shù)的分布范圍較大，為不失代表性，以個(gè)例參數(shù)的中位數(shù)為該個(gè)例典型值，最后將所有個(gè)例的中位數(shù)取平均，得到表1中的結(jié)果：負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖寬度的算術(shù)平均值為 8.8 μs，幾何平均值為 7.4 μs，脈沖間隔的算術(shù)平均值為 111.0 μs，幾何平均值為98.29 μs；正地閃預(yù)擊穿脈沖寬度的算術(shù)平均值為11.5 μs，幾何平均值為10.0 μs，脈沖間隔的算術(shù)平均值為 297.3 μs，幾何平均值為 217.9 μs。

對(duì)比正、負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖持續(xù)時(shí)間和相鄰脈沖時(shí)間間隔，發(fā)現(xiàn)正地閃預(yù)擊穿單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間的算術(shù)平均值為負(fù)地閃相應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的1.3倍，正地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖時(shí)間間隔的算術(shù)平均值為負(fù)地閃相應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的2.7倍。將表1中各研究結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)無(wú)論統(tǒng)計(jì)的資料來(lái)自何緯度地區(qū)，正地閃預(yù)擊穿單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間都比負(fù)地閃預(yù)擊穿單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，猜測(cè)可能由于正極性擊穿本身比負(fù)極性擊穿發(fā)展緩慢，或者正極性擊穿的空間尺度比負(fù)極性擊穿的空間尺度大，單純從統(tǒng)計(jì)數(shù)字不能得出這個(gè)結(jié)論，還需要借助對(duì)相應(yīng)物理過(guò)程的三維定位來(lái)證實(shí)。從表1還可以看出，正地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖時(shí)間大體上比負(fù)地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖時(shí)間間隔更長(zhǎng)。所以，從波形特征上，正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的脈沖比負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列的脈沖更寬，排列得更稀疏。

圖5 正、負(fù)地閃預(yù)擊穿波形及脈沖寬度和相鄰脈沖間隔箱線圖：（a）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列波形；（b）負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖寬度箱線圖；（c）負(fù)地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖間隔箱線圖；（d）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列波形；（e）正地閃預(yù)擊穿脈沖寬度箱線圖；（f）正地閃預(yù)擊穿相鄰脈沖間隔箱線圖。T4代表單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間，T5代表相鄰脈沖時(shí)間間隔Fig.5 Waveform and boxplot of Pulse Duration and Interpulse Interval: (a) Waveform of PBP in negative CG lightning; (b) boxplot of pulse duration of PBP in negative CG lightning; (c) boxplot of interpulse interval of PBP in negative CG lightning; (d) waveform of PBP in positive CG lightning; (e) boxplot of pulse duration of PBP in positive CG lightning; (f) boxplot of interpulse interval of PBP in positive CG lightning.T4 represents Individual Pulse Duration, and T5 represents Interpulse Interval

3.3 PB/RS與緯度的關(guān)系

預(yù)擊穿過(guò)程強(qiáng)度可以用預(yù)擊穿脈沖序列中最大脈沖的幅值來(lái)表示，但是離測(cè)站距離不同的預(yù)擊穿脈沖衰減不一樣，因而無(wú)法比較它們的強(qiáng)度，當(dāng)選擇距離合適的閃電作為樣本，可以使預(yù)擊穿脈沖和首次回?fù)裘}沖有大體一致的衰減，這樣用預(yù)擊穿脈沖幅值比上首次回?fù)舴担≒B/RS）可以降低傳輸衰減的影響，同時(shí)又可以反映預(yù)擊穿過(guò)程的強(qiáng)度。從圖6中看出，點(diǎn)的分布比較散亂，負(fù)地閃和正地閃的PB/RS同距離之間均無(wú)明顯關(guān)系，計(jì)算表明，負(fù)地閃的PB/RS和距離的相關(guān)系數(shù)R=0.12，正地閃的PB/RS和距離的相關(guān)系數(shù)R=0.02，相關(guān)性很低。這說(shuō)明PB/RS這個(gè)參數(shù)可以較好地反映預(yù)擊穿過(guò)程的真實(shí)強(qiáng)度。由于在本文統(tǒng)計(jì)的所有預(yù)擊穿脈沖序列中，C型預(yù)擊穿脈沖序列最大脈沖的極性都與對(duì)應(yīng)的首次回?fù)魳O性相同，在統(tǒng)計(jì)PB/RS時(shí)，將S型與C型預(yù)擊穿脈沖序列放在一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為了和其他研究結(jié)果進(jìn)行比較，暫不統(tǒng)計(jì)D型預(yù)擊穿脈沖序列，因此負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列的樣本數(shù)為55，正地閃預(yù)擊穿脈沖序列的樣本數(shù)為31。

從圖7中可以看出，負(fù)地閃PB/RS 在0.1以下約占18%，0.3以下約占60%，而正地閃PB/RS在0.1以下占40%以上，0.3以下約占80%，說(shuō)明正地閃PB/RS更多地集中在低值區(qū)。另外，負(fù)地閃有7例預(yù)擊穿最大脈沖峰值超過(guò)首次回?fù)舴逯?，占總?shù)的12.7%，而正地閃樣本中沒(méi)有預(yù)擊穿脈沖峰值超過(guò)首次回?fù)舴逯怠?/p>

表1總結(jié)了本文PB/RS和其他研究者的結(jié)果。比較后發(fā)現(xiàn)，除了Nag and Rakov（2009）統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，其他負(fù)地閃PB/RS存在隨緯度增大而增大的趨勢(shì)，而正地閃PB/RS無(wú)此規(guī)律，盡管本文分析的樣本閃電發(fā)生緯度最高，但是PB/RS的算術(shù)平均值僅為Ushio et al.（1998）結(jié)果的56.3%，和Zhang et al.（2011）以及Zhang et al.（2013）對(duì)北京地區(qū)和廣州地區(qū)正地閃資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相當(dāng)?？赡苄枰嗟难芯拷Y(jié)果來(lái)確定正地閃 PB/RS是否和緯度有關(guān)，因?yàn)樘鞖獗尘昂蛯?shí)驗(yàn)場(chǎng)地局地條件的影響可能會(huì)超過(guò)緯度位置的影響，如Ushio et al.（1998）分析的是日本冬季雷暴過(guò)程中的個(gè)例并且實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地臨海，這種季節(jié)差異和局地的環(huán)境因素可能影響雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)，更具體地說(shuō)，可能影響主電荷區(qū)下部口袋電荷區(qū)的大小和電荷密度。

4 結(jié)論和討論

本文選擇大興安嶺林區(qū)2010年3次過(guò)境雷暴過(guò)程的56次正地閃和37次負(fù)地閃進(jìn)行了分析，利用快電場(chǎng)變化資料首次對(duì)同一地區(qū)的正地閃和負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，主要研究結(jié)果如下：

圖6 PB/RS比值和距離的關(guān)系圖：（a）負(fù)地閃預(yù)擊穿PB/RS比值和距離關(guān)系圖；（b）正地閃預(yù)擊穿PB/RS比值和距離關(guān)系圖Fig.6 Relationship between PB/RS Ratio and distance: (a) Relationship between PB/RS ratio of negative CG and distance; (b) relationship between PB/RS Ratio of positive CG and distance

圖7 （a）正、（b）負(fù)地閃PB/RS比值分布直方圖Fig.7 Distribution of PB/RS Ratio for both positive and negative CG lightning

（1）所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果及與其他研究者的對(duì)比表明：（a）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，和首次回?fù)舻臅r(shí)間間隔更大，分析可能原因是該地區(qū)正地閃發(fā)生時(shí)雷暴云中主電荷區(qū)和下部口袋電荷區(qū)的距離比負(fù)地閃發(fā)生時(shí)兩個(gè)電荷區(qū)之間的距離大，或者正地閃預(yù)擊穿過(guò)程在口袋電荷區(qū)水平發(fā)展的時(shí)間更長(zhǎng)。（b）正地閃預(yù)擊穿脈沖序列中單個(gè)脈沖更寬，排列更稀疏，推測(cè)可能原因是正極性擊穿發(fā)展比負(fù)極性擊穿緩慢或者正極性擊穿的空間尺度更大。另外，單個(gè)負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖波形的上升沿上一般會(huì)疊加幾個(gè)持續(xù)時(shí)間為亞微秒量級(jí)的小脈沖，而正地閃預(yù)擊穿脈沖上升沿一般比較平滑。

（2）在所有正、負(fù)地閃樣本中分別發(fā)現(xiàn)三種預(yù)擊穿波形：（a）S型，即所有預(yù)擊穿脈沖極性和首次回?fù)魳O性相同；（b）D型，即所有預(yù)擊穿脈沖和首次回?fù)魳O性相反；（c）C型，即預(yù)擊穿脈沖序列中既有和首次回?fù)魳O性相同也有和首次回?fù)魳O性相反的脈沖，但這些脈沖無(wú)規(guī)則排列。本文沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Gomes et al.（2004）提到的存在兩個(gè)明顯分區(qū)的預(yù)擊穿脈沖波形。在正、負(fù)地閃樣本中，S型預(yù)擊穿波形都占絕大多數(shù)，但是，負(fù)地閃S型預(yù)擊穿脈沖序列占的比例比正地閃S型預(yù)擊穿脈沖序列所占比例大。三種預(yù)擊穿波形產(chǎn)生的可能原因是：S型預(yù)擊穿波形可能是主電荷區(qū)和其下部口袋電荷區(qū)放電產(chǎn)生；C型預(yù)擊穿波形可能是在主電荷區(qū)與下部口袋電荷區(qū)放電的同時(shí)向其他不規(guī)則電荷區(qū)放電，從而在脈沖序列中夾雜有相反極性的脈沖；D型預(yù)擊穿過(guò)程可能發(fā)生于雷暴云的邊緣部分，主電荷區(qū)沒(méi)有相對(duì)下部的口袋電荷區(qū)放電，而是相對(duì)遠(yuǎn)離測(cè)站的處于雷暴云邊緣的電荷區(qū)放電，當(dāng)這一預(yù)擊穿過(guò)程結(jié)束時(shí)，放電通道正好穿出云體，從而可以順利發(fā)展成地閃。當(dāng)然，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這里分析的僅僅是雷暴云的等效電荷結(jié)構(gòu)。

（3）統(tǒng)計(jì)了正、負(fù)地閃首次回?fù)羟半妶?chǎng)波形符合BIL模型的情況，發(fā)現(xiàn)負(fù)地閃樣本中只有11例符合 BIL模型，占總數(shù)比例為 19.6%，正地閃樣本中有9例符合BIL模型，占總數(shù)的比例為24.3%。如果要利用 BIL模型具有的“M”型來(lái)識(shí)別地閃，可能需要窄帶天線來(lái)接收信號(hào)。另外，統(tǒng)計(jì)了正、負(fù)地閃 PB/RS比值的分布情況，發(fā)現(xiàn)正地閃PB/RS比值更多地集中在低值區(qū)，同其他研究結(jié)果的比較表明，負(fù)地閃PB/RS比值有隨緯度增大而增大的趨勢(shì)，而正地閃沒(méi)有這一趨勢(shì)。

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法分析了同一地區(qū)的正、負(fù)地閃預(yù)擊穿脈沖序列電場(chǎng)波形，并基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)導(dǎo)致它們差異的原因進(jìn)行了推測(cè)，但是，要想通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)弄清它們的物理本質(zhì)是困難的。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果為進(jìn)一步深入研究正、負(fù)地閃預(yù)擊穿過(guò)程提供了思路和方向，接下來(lái)將組建閃電甚高頻輻射源三維定位網(wǎng)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)預(yù)擊穿過(guò)程以及其他云內(nèi)電活動(dòng)進(jìn)行研究，相信掌握了預(yù)擊穿輻射源時(shí)空演變的規(guī)律，這些從統(tǒng)計(jì)結(jié)果上體現(xiàn)出來(lái)的差異就能從本質(zhì)上解釋清楚。

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