孫竹玲 郄秀書 劉明遠

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

2 中國科學院大學，北京100049

1 引言

雷電是自然界中頻繁發(fā)生的一種強烈放電現(xiàn)象，在其放電過程中輻射出很寬頻譜范圍的電磁波，覆蓋從幾赫茲到幾千赫茲乃至光波、高能輻射等波段（郄秀書等，1988，1990）。利用閃電擊穿放電過程產(chǎn)生的甚高頻（VHF）電磁輻射信號確定輻射源位置（Rhodes et al.，1994），可以用來在小范圍內(nèi)較精細的刻畫閃電通道的時空演變特征，同時克服了光學觀測中云體遮擋的限制，是監(jiān)測云閃、地閃放電中的各種放電過程發(fā)生發(fā)展、探究其物理機制的一個重要手段。

一次典型的負極性地閃放電包括預擊穿、梯級先導—首次回擊、多次直竄先導—繼后回擊及各種回擊間放電等子過程。目前，對于一些用光學手段可以觀測到的云外放電過程，如先導、回擊等已經(jīng)有了較多的認識（王彩霞等，2012），但由于云層的遮擋，對于地閃預擊穿、擊間過程等云內(nèi)放電過程的通道發(fā)展特征的認識有很大的限制，對其物理機制仍存在多種不同看法。張義軍等（2003）利用LMA（Lightning Mapping Array）三維 VHF輻射源定位資料分析認為負地閃預擊穿過程起始于云中部負電荷區(qū)，后向下發(fā)展并在云下部正電荷區(qū)水平發(fā)展。Mazur and Ruhnke（1993）利用VHF寬帶閃電干涉儀發(fā)現(xiàn)在閃電預擊穿過程期間，存在正、負先導雙向傳輸。而董萬勝等（2003）首次發(fā)現(xiàn)地閃初始擊穿過程出現(xiàn)通道兩端同時發(fā)展的特征，結合同步電場變化觀測，認為通道發(fā)展期間兩端都伴隨著有效負電荷的定向傳輸。張廣庶等（2010）對負地閃預擊穿過程分析認為對應輻射源從起始放電區(qū)域向周圍傳播，并在向下發(fā)展到一定高度后引發(fā)梯級先導向地面發(fā)展。

在地閃回擊之間及最后一次回擊過程后，慢電場變化波形常觀測到較快的階梯狀變化，Kitagawa and Kobayashi（1958）將其命名為K變化（源于德語 Kleine ver?nderung，意思為小變化），其對應的云內(nèi)放電過程稱為 K過程。Shao et al.（1995）認為其與直竄先導、企圖先導是同一類放電現(xiàn)象，都是水平或垂直向地面?zhèn)鞑サ?。Mazur（1989）認為K過程是在云閃和地閃中均可能發(fā)生的負極性流光，它在前進的過程中不斷將遠端的負電荷傳輸?shù)狡鹗紖^(qū)域，并認為 K過程是沿雙向先導正極性一端路徑反向發(fā)展的負極性反沖流光（Mazur，2002）。而 Akita et al.（2010）利用 VHF寬帶輻射源定位發(fā)現(xiàn)，K過程在有些情況下表現(xiàn)為正流光沿之前負極性擊穿電離通道反向傳輸，遇到負電荷區(qū)后，再次引發(fā)沿相同通道反向傳輸?shù)呢摲礇_流光。對于地閃預擊穿階段放電先導的產(chǎn)生和雙向傳播、K過程與先導放電的聯(lián)系與區(qū)別仍然需要更多閃電定位資料的分析和支持。

2009年中國科學院大氣物理研究所自行研制了基于時間差法的高時空分辨率短基線 VHF輻射源定位系統(tǒng)，并在時間差定位算法上進行改進（Sun et al.，2013），實現(xiàn)了對閃電放電通道的精確重構，對孤立的短脈沖信號和持續(xù)時間較長的連續(xù)脈沖輻射信號均有較好的定位結果。本文利用該系統(tǒng)對 2010年在山東觀測到的一次具有較長云內(nèi)放電過程的多回擊負地閃定位結果進行分析，探究預擊穿、先導過程以及回擊后期放電過程的行為特征和放電機理。

2 實驗觀測系統(tǒng)

2010年7～8月期間在山東省沾化縣開展了山東雷電觀測實驗，測站所在區(qū)域地勢平坦，距離渤海灣約50 km，夏季易產(chǎn)生強烈的對流過程，雷電活動較為活躍。實驗中采用短基線時間差定位系統(tǒng)獲取閃電的輻射源定位結果。系統(tǒng)利用輻射源到達不同測量天線的時間差別確定輻射源對于測站的仰角和方位角的二維位置信息。在數(shù)據(jù)處理中，對捕獲到的 VHF同步信號采用基于小波變換的廣義相關時延估計算法及連續(xù)拋物線插值算法，削弱噪聲對信號的干擾，提高時間差的計算精度和準確性，從而獲得具有較高時間空間分辨率的輻射源定位結果。

系統(tǒng)硬件構成與 Sun et al.（2013）類似，系統(tǒng)利用布置在邊長10 m的正方形頂點的四個寬帶平板天線接收閃電擊穿放電產(chǎn)生的VHF輻射信號，信號依次通過前置放大器、帶通濾波器及相同長度和頻響特性的同軸電纜接入LeCroy 104xi示波器進行數(shù)據(jù)采集與記錄，具體系統(tǒng)構架如圖1所示。其中，帶通濾波器通帶寬度為125～200 MHz；示波器采用1 GS s-1的采樣頻率，8 bits的垂直分辨率，選取分段記錄模式，各通道最大可采集段數(shù)為 4000段，每段 2002個采樣點。實驗中用于記錄電場變化的快、慢電場變化測量儀的帶寬為 5 MHz和 2 MHz，時間常數(shù)分別為1 ms 和3 s，記錄采樣率為5 MHz，實際觀測中設置預觸發(fā)百分比為20%，可記錄觸發(fā)之前200 ms和觸發(fā)之后800 ms的快、慢電場變化數(shù)據(jù)。同時，利用高精度 GPS時鐘來同步 VHF輻射信號及快、慢電場變化波形時間信息，絕對時間精度達到 50 ns。本文中，規(guī)定電場的正變化對應與雷暴云中負電荷被中和或負電荷向遠離測站的方向發(fā)展，并利用閃電快、慢電場變化資料輔助短基線定位結果，判斷閃電放電不同階段輻射源發(fā)展特征。

圖1 短基線時間差甚高頻（VHF）輻射源定位系統(tǒng)構架Fig. 1 Block diagram of the short base-line time difference of arrive VHF(Very High Frequency) radiation location system components

3 觀測結果

此次負地閃發(fā)生于2010年7月19日18:29:14（協(xié)調(diào)世界時，下同），圖2為其放電全過程的快、慢電場變化和對應的 VHF輻射源定位結果。其中，圖2a中電場變化幅值為歸一化后的相對值，時間零點對應首次回擊時刻?？梢钥闯?，此次負地閃放電總持續(xù)時間約為860 ms，共包含3次回擊過程（R1、R2及R3）及回擊結束后長時間的云內(nèi)放電過程。聲光差記錄為 9 s，估計負地閃發(fā)生位置距測站的水平距離約為3 km。圖2a下方的小短線表示短基線定位系統(tǒng)探測到 VHF輻射信號的對應時間點，可以看出本次負地閃 VHF輻射分布疏密不均，主要集中在回擊之前的先導階段和回擊后的云內(nèi)放電過程中，這表明在不同的閃電放電階段VHF輻射強度及連續(xù)性上存在明顯差異。

圖2b為整個閃電放電過程的 VHF輻射源定位結果，其中，方位角 0°對應于測站的正北方向，并以順時針方向為正方向。整個放電輻射源分布極廣，方位角主要集中在 105°～50°的范圍內(nèi)，仰角在 0°～85°的范圍內(nèi)。在先導—回擊階段，閃電通道主要為向地面發(fā)展，并形成多個分支通道，地閃回擊位置位于測站的西南方向；在回擊間及地閃后期的云內(nèi)放電過程中，閃電通道主要表現(xiàn)為在較高仰角位置處水平發(fā)展。下面主要針對VHF輻射較為集中的先導—回擊階段及回擊后長時間的云內(nèi)放電階段進行分析。

3.1 先導—回擊階段VHF輻射發(fā)展特征

圖3為負地閃預擊穿及先導—首次回擊過程的快、慢電場變化和輻射源定位結果。從圖3a電場變化波形來看，首次回擊時刻前快、慢電場變化均較弱，且沒有觀測到預擊穿過程所對應的微秒量級脈沖波形，因此并不能直接從快、慢電場變化波形上區(qū)分預擊穿階段及梯級先導階段。而從圖3a中輻射源信號觸發(fā)時刻分布可以看出，回擊前的整個預擊穿及梯級先導階段VHF輻射持續(xù)時間約為63 ms，并具有一定時間間歇性。

從圖3d中VHF輻射源方位角—仰角的二維定位結果的時空分布為依據(jù)，分析認為 VHF輻射起始的10 ms時間為預擊穿階段，該階段輻射源從距地面約2.6 km高度的位置S處同時向仰角增大和降低的兩個方向發(fā)展，如圖3d中箭頭P1及P2所示。兩個分支通道的發(fā)展速度分別為5.9×104m s-1和7.5×104m s-1。對比兩分支通道VHF輻射信號認為二者波形具有一定相似性，分析認為預擊穿起始于云層主負電荷區(qū)及下部正電荷區(qū)之間，產(chǎn)生兩個負極性擊穿通道在下部正電荷區(qū)內(nèi)沿不同方向同時發(fā)展，這與董萬勝等（2003）的觀測結果較為一致。

圖2 2010年7月19日18:29:14（協(xié)調(diào)世界時，下同）負地閃全過程快、慢電場變化和輻射源定位結果：（a）快、慢電場變化波形；（b）閃電 VHF輻射源二維定位結果。輻射源顏色由藍色到紅色的變化表示輻射源位置隨時間的演變，下同F(xiàn)ig. 2 Fast and slow electric field changes and radiation sources location of the whole cloud-to-ground lightning flash at 18:29:14 UTC 19 Jul 2010: (a) The fast and slow electric field changes; (b) 2-D VHF radiation sources location. Color of radiation sources changes from blue to red with time, the same below

預擊穿下行放電通道傾斜延伸一段距離后，垂直向下發(fā)展并在仰角約 21°位置處分裂為同時向地面發(fā)展的兩個梯級先導分支通道L1與L2，其定位結果較為彌散，表明先導在向下發(fā)展過程中可能存在較多細小分支通道。兩先導通道平均發(fā)展速度分別為3.0×105m s-1和1.9×105m s-1，與Shao et al.（1995）及張廣庶等（2010）的觀測結果較為一致。最終，先導通道L2發(fā)展到地并引發(fā)首次回擊R1過程。從梯級先導 VHF輻射時空發(fā)展來看，本次負地閃個例中梯級先導可能由預擊穿向下發(fā)展的擊穿放電轉(zhuǎn)換而來，并以更快的發(fā)展速度向地面方向發(fā)展。由于首次回擊前整體電場變化較弱，對于預擊穿及梯級先導的轉(zhuǎn)換條件及物理機制的異同仍有待討論。

圖4為第二次先導—回擊過程的快、慢電場變化和輻射源定位結果。從圖4a中可以看出，第二次回擊過程R2之前有較長時間的先導過程，快電場變化幅值較弱，而慢電場變化隨時間逐漸負向增大，VHF輻射源持續(xù)時間約為 25 ms，并隨時間逐漸變得密集和連續(xù)，并在回擊后仍存在持續(xù)時間約1 ms的輻射源放電。從圖4d中VHF輻射源定位結果可以看出，先導放電起始于預擊穿初始放電位置S處，并產(chǎn)生三個明顯的先導分支L3、L4及L5同時向地面發(fā)展，其中，先導L3與L4是新開辟的放電通道，而先導 L5沿首次回擊前先導 L2的通道向地面發(fā)展并最終引發(fā)繼后回擊過程R2。VHF輻射源不僅出現(xiàn)在各先導分支頭部位置，在通道內(nèi)部均有探測到，估算三個先導平均發(fā)展速度分別為 1.6×105、2.1×105和 9.6×105m s-1?？梢钥闯觯葘?L5以直竄先導形式沿之前先導路徑向地面發(fā)展，而先導L3及L4為梯級先導形式沿新開辟的先導通道發(fā)展，直竄先導速度明顯高于其他兩個梯級先導發(fā)展速度，表明二者電離程度存在明顯差異，先導的負電荷更易在已擊穿通道內(nèi)向下傳播。

第三次先導—回擊過程中也觀測到類似的多分支梯級通道發(fā)展現(xiàn)象。圖5為第三次先導—回擊過程的快、慢電場變化及 VHF輻射源定位結果。相比于前兩次先導—回擊過程，此次先導—回擊過程先導持續(xù)時間較短，約為6 ms，并且具有較為復雜的電場變化波形。從 VHF輻射源定位結果中可以看出，在前期約0.7 ms的時間里，先導L6起始于閃電起始放電位置S處，并沿先前預擊穿P2通道快速向下發(fā)展到仰角約 30°的位置處，速度約為1.3×106m s-1，其后在較高仰角處探測到零星輻射源。對應快、慢電場變化波形緩慢正向變化，并在快電場變化上疊加有約0.1 ms的負向脈沖。由此推斷，先導 L6是發(fā)生下部正電荷區(qū)域內(nèi)的負極性擊穿放電，并向遠離測站的方向水平發(fā)展。

先導通道L6截止后，從位置S周圍區(qū)域先后產(chǎn)生向地面發(fā)展的先導L7、L8，其中，先導L7沿之前的先導通道傾斜著向地面發(fā)展，在接近地面時產(chǎn)生強烈的輻射并觸發(fā)回擊過程R3。估算先導L7發(fā)展速度約為2.2×106m s-1。先導L8通道彎曲發(fā)展到仰角約 23°的位置通道截止，由于輻射源定位結果為方位角及仰角的二維信息，因此推測先導L8通道路徑存在被先導 L7通道遮擋的可能性。在先導L7發(fā)展前期，VHF輻射源通道收斂，且快、慢電場變化波形主要表現(xiàn)為負向變化，表明先導 L7是向靠近地面方向發(fā)展的負極性擊穿放電。隨后，在先導L7及L8的共同作用下，快電場變化波形呈現(xiàn)正向變化，并疊加有密集的雙極性小脈沖，表明可能存在強烈的遠離測站發(fā)展的負先導，因此推斷先導L8為水平遠離測站發(fā)展。

圖4 同圖3，但為第二次先導—回擊過程Fig. 4 Same as Fig. 3, but for the leader discharge before the 2th subsequent return stroke

一般，負地閃首次回擊后的直竄先導沿著回擊的殘留通道快速向地面發(fā)展，通常沒有分叉。而在本次負地閃個例中，在后兩次先導過程發(fā)展階段，均探測到在仰角較高的起始放電位置處，存在多個梯級先導分支與直竄先導同時發(fā)展的現(xiàn)象。分析認為，起始放電位置S處可能具有較高的云內(nèi)電荷密度，從而產(chǎn)生較強的環(huán)境電場，并為多個分支通道的發(fā)展提供電荷；在距離上次回擊時刻較長時間間隔后，原有回擊路徑導電性變差，從而在起始位置處發(fā)生新的空氣擊穿并重新開辟向下發(fā)展的梯級先導通道。值得注意的是，本例中直竄先導的發(fā)展速度略小于張廣庶等（2008）中的直竄先導平均速度4.1×106m s-1，分析認為，一方面由于較長時間間隔，通道導電性減弱；另一方面，新開辟的梯級先導分支通道的發(fā)展可能在一定程度上削弱了直竄先導電荷供給，因此，使得直竄先導發(fā)展速度偏小。文中多個先導分支通道時空發(fā)展也表明試驗中采用的短基線時間差 VHF輻射定位系統(tǒng)可以對同時發(fā)生的多個輻射源通道進行有效的定位分析。

3.2 最后一次回擊后云內(nèi)放電階段VHF輻射發(fā)展特征

第三次先導—回擊過程結束后，仍存在持續(xù)時間約為450 ms的云內(nèi)放電過程，電場變化較為復雜并包含多次K變化過程。從圖2a中VHF信號時間分布可以看出，整個時間段 VHF輻射源的發(fā)生是不連續(xù)的，主要集中發(fā)生在前期380～520 ms和后期680～780 ms兩個時間段內(nèi)。

圖5 同圖3，但為第三次先導—回擊過程Fig. 5 Same as Fig. 3, but for the leader discharge before the 3th subsequent return stroke

圖6為最后一次回擊后云內(nèi)放電階段前期380～520 ms的快、慢電場變化和VHF輻射源定位結果。先后探測到兩段雙向發(fā)展的云內(nèi)通道C1及C2。通道C1起始于先導L8通道內(nèi)部，同時向仰角增大和減小的兩個方向發(fā)展，如圖中箭頭C1a及C1b所示，整體上輻射源通道存在多次彎曲且通道較為彌散，表明云內(nèi)的電荷分布十分不均勻。隨后，在起始放電位置S附近，觀測到同時向方位角增大和減小的兩個方向發(fā)展的通道C2a及C2b，估算兩通道發(fā)展速度均在105m s-1量級。通道C2b截止后，慢電場變化波形呈現(xiàn)明顯的正向變化，表明該階段通道C2a有效的將負電荷向遠離測站的方向傳輸，擴展閃電放電通道。通道C2發(fā)展結束后，慢電場變化持續(xù)正向增大，表明該階段云內(nèi)可能存在長時間的電荷轉(zhuǎn)移過程，而對應云內(nèi)輻射源的發(fā)生比較稀疏，由此推測此時通道具有較好導電性，且以大尺度的電流傳輸為主，小尺度擊穿放電不明顯，因此探測到的VHF輻射源較少。

圖7為最后一次回擊后云內(nèi)放電階段后期680～780 ms的快、慢電場變化和VHF輻射源定位結果。從約691 ms時刻開始，探測到持續(xù)時間約80 ms的較為密集的VHF輻射信號。整個階段慢電場變化波形先快速負向變化后緩慢負向變化，對應時刻 VHF輻射分別表現(xiàn)為云內(nèi)放電通道 C3及C4較大空間范圍內(nèi)的發(fā)展。期間，快電場變化波形上疊加兩次較為典型的 K變化電場波形，表現(xiàn)為幅值較大的正極性脈沖，對應 VHF輻射表現(xiàn)為通道K1及K2的快速發(fā)展。

從輻射源定位結果中可以看出，C3通道主要沿先前的 C2a通道快速繼續(xù)發(fā)展，速度約為6.8×105m s-1，輻射源定位結果較為收斂。通道發(fā)展到方位角160°，仰角45°位置處發(fā)生分叉，形成3路通道分別沿箭頭C3a、C3b及C3c所示方向同時發(fā)展。C3通道發(fā)展期間，快慢電場變化波形均負向變化，對應負電荷向靠近測站的方向發(fā)展，推斷C3通道具有較大水平發(fā)展分量，在下部正電荷區(qū)域內(nèi)進一步延伸閃電通道。C4通道起始于C3a通道末端，繼續(xù)向方位角增大的方向發(fā)展，仰角逐漸降低，對應慢電場變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛呢撓蜃兓?，快電場變化上疊加若干雙極性脈沖，表明負電荷沿通道向靠近測站方向運動?？梢钥闯觯負艉笃?，在通道C1至C4的發(fā)展過程中，閃電通道不斷向空間擴展，輻射放電在較大方位角范圍內(nèi)出現(xiàn)，但 VHF輻射源離散并不收斂，表明在發(fā)展過程中產(chǎn)生大量細小分支。

圖6 同圖3，但為后期380～520 ms內(nèi)云內(nèi)放電過程Fig. 6 Same as Fig. 3, but for the intracloud discharge from 380 ms to 520 ms in the late stage of the lightning flash

云內(nèi)放電發(fā)展過程中，電場波形上的兩次連續(xù)K過程的正極性脈沖時間間隔約為1.5 ms，脈沖寬度均約為0.8 ms。其中，K過程K1對應通道表現(xiàn)為從空間向放電起始位置S的快速發(fā)展，如圖7d中箭頭K1所示。通道最終越過位置 S并沿著C3通道繼續(xù)發(fā)展，估計通道平均發(fā)展速度約為3.6×106m s-1。根據(jù)正向電場變化并對應通道仰角逐漸降低，推斷通道K1為負極性擊穿放電，沿著之前未探測到的正極性擊穿通道向起始放電區(qū)域發(fā)展，并在下部正電荷區(qū)內(nèi)將負電荷向水平遠離測站方向輸送，實際速度應大于估算速度。

K過程K2對應通道起始于通道K1上方仰角約65°的位置處并向仰角逐漸增大的方向發(fā)展，如圖7d中箭頭 K2所示，平均速度約為 9.6×106m s-1。根據(jù)電場變化分析認為，通道K2為傾斜向上發(fā)展。與通道K1類似，通道K2也是沿已有正極性通道繼續(xù)向遠端傳輸負電荷。兩次 K過程對應 VHF輻射放電短暫且較為強烈，其通道定位結果連續(xù)且均較為收斂，輻射均僅出現(xiàn)在先導頭部，說明通道具有較高的導電性，在先導沿著已有正極性放電通道反向發(fā)展過程中，先導頭部負電荷不斷與沉積在通道內(nèi)的正電荷發(fā)生擊穿放電。

圖7 同圖3，但為后期680～780 ms內(nèi)云內(nèi)放電過程Fig. 7 Same as Fig. 3, but for the intracloud discharge from 680 ms to 780 ms in the late stage of the lightning flash

4 結論

基于短基線時間差甚高頻（VHF）輻射源定位結果，并結合快、慢電場變化等觀測資料，對一次具有較長時間的云內(nèi)放電過程的多回擊負地閃放電過程進行了詳細分析，探討了不同放電階段VHF輻射和傳輸特征，得到如下結論：

（1）不同的放電階段 VHF輻射具有間歇性，VHF輻射放電主要集中在預擊穿階段、先導過程及回擊后的云內(nèi)擊穿放電過程。

（2）負地閃預擊穿階段輻射源在通道兩端同時出現(xiàn)，雙向發(fā)展的通道具有相似的輻射強度及發(fā)展速度，推測均為負極性的擊穿放電過程。梯級先導由預擊穿過程轉(zhuǎn)化而來，分析認為二者具有相似的輻射傳播特性，推斷梯級先導是預擊穿過程發(fā)展到云外后的繼續(xù)發(fā)展。

（3）一般認為直竄先導沿前一次回擊的殘留通道向下運動，基本沒有分叉，并具有較快的傳播速度，而此次個例中后兩次回擊過程前的先導向地面發(fā)展過程中出現(xiàn)多個分支通道同時向不同方向發(fā)展，直竄先導速度在105～106m s-1量級，新開辟的分支通道速度在105m s-1量級。分支通道的產(chǎn)生可能是由于分支位置處的云內(nèi)電荷密度較高，且首次回擊后分支位置處通道導電性變差的緣故。這也表明短基線時間差定位系統(tǒng)能夠?qū)ν瑫r發(fā)生的多個輻射源進行有效定位。

（4）地閃后期有持續(xù)時間較長的云內(nèi)放電過程，并伴有多次負極性 K變化過程。發(fā)展速度較慢的云內(nèi)放電過程通常在負極性先導初始建立通道的情況下發(fā)生，對應輻射通道極為復雜，具有較多分叉且較彌散。而速度較快的 K過程對應輻射源強烈，通道沒有分叉也較為收斂，分析認為K過程是負極性先導沿之前具有較好導電性的通道的快速發(fā)展，二維發(fā)展速度在106m s-1量級。分析認為 K過程將云內(nèi)的負電荷傳輸?shù)狡鹗挤烹妳^(qū)域，并激發(fā)負電荷在已有先導通道內(nèi)繼續(xù)傳輸，最終中止于云內(nèi)的正電荷區(qū)域。

繼后回擊前先導多分支同時發(fā)展及地閃后期長時間云閃電荷運動表明，雷暴云層下部可能存在較強的正電荷區(qū)域，影響放電起始區(qū)域電場分布情況，存在抑制下行先導發(fā)展及促進通道云內(nèi)水平發(fā)展的可能性。由于閃電放電及云內(nèi)電荷分布的復雜性，為了更進一步理解其各階段放電過程的物理機制、電荷分布特征及其對放電過程的影響仍然需要更多的觀測事實和理論研究。

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