武 斌 呂偉濤* 齊 奇 馬 穎 陳綠文 姜睿嬌

1)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/雷電物理和防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

2)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510080)

引 言

早在1960年Kasemir[1]基于靜電學(xué)原理就提出了雙向先導(dǎo)發(fā)展理論，即極性相反的先導(dǎo)始發(fā)于同一位置后沿相反方向發(fā)展，整個(gè)先導(dǎo)通道保持電中性，但一直未引起重視。直至NASA拍攝到一架飛機(jī)被閃電擊中的圖像后[2-3]，雙向先導(dǎo)傳輸概念才逐漸被人們接受。此后許多自然閃電、實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙放電和人工引雷試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果均證實(shí)了該理論的正確性[4-10]，并利用該理論建立了先導(dǎo)模式解釋閃電始發(fā)和傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制[11-12]。

光學(xué)觀測(cè)是研究閃電放電特征的直觀手段。近年隨著光電技術(shù)快速發(fā)展，商業(yè)化的高時(shí)間分辨率攝像系統(tǒng)在閃電放電過程的觀測(cè)中得到了越來越多的應(yīng)用。高速攝像系統(tǒng)不僅為證實(shí)先導(dǎo)雙向發(fā)展提供了直接證據(jù)[7-9]，還能給出雙向先導(dǎo)正、負(fù)端傳輸?shù)募?xì)節(jié)特征。Jiang等[13]利用10000 幀/s的高速攝像機(jī)觀測(cè)到在已擊穿的通道上傳輸?shù)闹备Z先導(dǎo)雙向發(fā)展。Qie等[14]在人工觸發(fā)閃電中發(fā)現(xiàn)了沿已擊穿正極性通道雙向傳輸?shù)呢?fù)極性反沖先導(dǎo)。Wu等[15]利用高速攝像和電場(chǎng)變化數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)雙向直竄先導(dǎo)的正端大部分時(shí)間是不活躍的(靜止的)，或沿前一次企圖先導(dǎo)通道的正端間歇性地伸展至未擊穿的空氣中。

以往觀測(cè)表明:負(fù)先導(dǎo)以梯級(jí)方式發(fā)展[16-19]，梯級(jí)的形成主要依靠空間先導(dǎo)和在新先導(dǎo)尖端前部的電暈流光[20-22]。正先導(dǎo)則以連續(xù)或梯級(jí)的方式傳輸[23-25]，但并未在正先導(dǎo)尖端前部發(fā)現(xiàn)類似的空間先導(dǎo)。迄今為止，人們對(duì)正先導(dǎo)的傳輸特征和機(jī)制仍不清楚。一些研究觀測(cè)到正先導(dǎo)突然延展行為，如Tran等[9]觀測(cè)到雙向先導(dǎo)正端，Wang等[26]報(bào)道的上行正先導(dǎo)以及Kostinskiy等[27]在長(zhǎng)間隙放電試驗(yàn)中觀測(cè)到的正先導(dǎo)等，這可能與正先導(dǎo)的傳輸機(jī)制密切相關(guān)，值得進(jìn)一步探究。

本文利用廣州高建筑物雷電觀測(cè)站獲取的高建筑物上的雷電高速攝像和電場(chǎng)變化同步數(shù)據(jù)，對(duì)比了在一次廣州塔上行閃電放電過程中雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)在回?fù)羟?、后正端突然延展現(xiàn)象的細(xì)節(jié)特征，統(tǒng)計(jì)了雙向先導(dǎo)正、負(fù)端傳輸時(shí)的二維速率參量。

1 觀測(cè)與數(shù)據(jù)

廣州高建筑物雷電觀測(cè)站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG[28-35])作為中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地(CMA_FEBLS)的重要組成部分，目前由1個(gè)主站(站點(diǎn)1)和多個(gè)光學(xué)觀測(cè)子站組成，主要針對(duì)高建筑物雷電開展觀測(cè)，站點(diǎn)1位于廣東省氣象局一棟高約100 m的建筑物的頂部，架設(shè)的光電同步觀測(cè)設(shè)備包括多臺(tái)高速攝像系統(tǒng)、閃電通道成像系統(tǒng)、全視野閃電通道成像系統(tǒng)[36](Total-sky Lightning Channel Imager,TLCI)、快、慢電場(chǎng)變化天線、寬帶磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x、大氣平均電場(chǎng)儀和閃電連接過程觀測(cè)系統(tǒng)[37](Lightning Attachment Process Observation System,LAPOS)。采用數(shù)字示波記錄儀采集LAPOS和電磁場(chǎng)變化信號(hào)，利用LAPOS(8通道)的1個(gè)通道作為所有觀測(cè)設(shè)備的觸發(fā)源。每個(gè)觸發(fā)事件由高精度GPS時(shí)鐘授時(shí)，時(shí)間精度為30 ns。本研究只利用了站點(diǎn)1的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并由以下設(shè)備獲?。孩?臺(tái)Photron FASTCAM高速攝像系統(tǒng)：1臺(tái)SAZ攝像機(jī)(設(shè)備編號(hào)HC-1)，幀率為20000 幀/s，鏡頭焦距14 mm，像素?cái)?shù)量為1024×1024；1臺(tái)SA3攝像機(jī)(設(shè)備編號(hào)HC-3)，幀率為1000 幀/s，鏡頭焦距8 mm，像素?cái)?shù)量為1024×1024。②1套快、慢天線(FA和SA)，時(shí)間常數(shù)分別為1 ms和6 s，采樣率10 MHz，記錄時(shí)間長(zhǎng)度1 s。

文中使用的閃電定位數(shù)據(jù)由粵港澳閃電定位系統(tǒng)(GHMLLS)提供，包括地閃回?fù)艚拥攸c(diǎn)位置、發(fā)生時(shí)間、雷電流幅值和極性等物理特征參數(shù)。該系統(tǒng)的閃電探測(cè)效率和回?fù)籼綔y(cè)效率均為93%，對(duì)下行閃電首次回?fù)?、下行閃電繼后回?fù)艏吧闲虚W電回?fù)舻亩ㄎ徽`差平均值(中值)分別為361 m(188 m)，252 m(167 m)以及294 m(173 m)[38]。

本文分析的閃電個(gè)例為2016年6月4日廣州塔(高600 m)上發(fā)生的一次上行閃電(F2016048)，該上行閃電過程包含有7次回?fù)?。為便于?shù)據(jù)分析，將F2016048的第1次回?fù)糸_始時(shí)刻定義為零時(shí)刻。文中采用大氣電學(xué)符號(hào)規(guī)定，向下的電場(chǎng)為正，正極性的電場(chǎng)變化對(duì)應(yīng)正電荷向上傳輸，或者等效為負(fù)電荷向下傳輸，負(fù)地閃回?fù)魧?duì)應(yīng)正極性的電場(chǎng)變化[39]。涉及的所有長(zhǎng)度均為二維值。

2 結(jié)果分析

圖1是F2016048的快、慢電場(chǎng)變化同步記錄。由圖1a可知，在F2016048始發(fā)前附近出現(xiàn)1次正地閃過程。正地閃回?fù)舭l(fā)生在F2016048始發(fā)前約200 ms，對(duì)應(yīng)的定位結(jié)果顯示該正回?fù)舻慕拥攸c(diǎn)位于廣州塔的西北方向，距廣州塔約59 km，回?fù)舴逯惦娏骷s+87 kA。Saba等[40]觀測(cè)認(rèn)為如果正地閃距高建筑物不超過80 km，上行閃電始發(fā)前或后的1 s內(nèi)，則可認(rèn)為正地閃與上行閃電的始發(fā)相關(guān)。因此，F(xiàn)2016048可認(rèn)為是1次觸發(fā)型上行閃電[41]。

圖1 廣州塔上行閃電快電場(chǎng)(a)、慢電場(chǎng)(b)變化波形(記錄時(shí)間窗口為-462.4～215 ms，R1～R7代表上行閃電的7次回?fù)?

基于連續(xù)發(fā)展的上行先導(dǎo)在慢電場(chǎng)變化記錄上表現(xiàn)為電場(chǎng)正向變化(圖1b)，可以確定上行先導(dǎo)的極性為正。正先導(dǎo)持續(xù)向上傳輸造成電場(chǎng)正向變化，相當(dāng)于將正電荷從地面向上抬升。這里推測(cè)正地閃回?fù)艉蟮碾妶?chǎng)緩慢負(fù)向變化可能是由在正地閃連續(xù)電流階段云底水平發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)向塔頂靠近引發(fā)的。

圖2為基于HC-3連續(xù)幀圖像獲取的通道亮度、快電場(chǎng)和慢電場(chǎng)變化波形圖。由圖2b可知，F(xiàn)2016048發(fā)生了7次直竄先導(dǎo)-繼后回?fù)暨^程。7個(gè)直竄先導(dǎo)均沿著之前的已冷卻的上行正先導(dǎo)通道回退至廣州塔頂引發(fā)回?fù)簦?次回?fù)?標(biāo)注為R1～R7)均為負(fù)回?fù)?，回?fù)魰r(shí)間間隔的平均值約為29 ms，回?fù)舴逯惦娏鞯淖畲笾禐?31 kA，最小值為-10 kA，平均值約為-18 kA。

圖2 廣州塔上行閃電的通道亮度(HC-3拍攝的圖像所有像素點(diǎn)灰度值之和，記錄時(shí)間窗口為-50～200 ms)(a)、快電場(chǎng)變化(b)、慢電場(chǎng)變化(c)(R1～R7代表7次回?fù)?

圖3為1000 幀/s的高速攝像(HC-3)拍攝的F2016048的正先導(dǎo)30幀選定圖像的合成圖。選擇這30幀圖像是為了呈現(xiàn)上行正先導(dǎo)的幾何形狀。本文在分析閃電通道發(fā)展特征時(shí)均簡(jiǎn)單以廣州塔距觀測(cè)站的距離(3.3 km)估算圖像中所有通道位置的圖像分辨率。由圖3可見，上行正先導(dǎo)從廣州塔頂始發(fā)，上升至1.8 km的高度時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)分叉(分叉1和分叉2)，分別朝圖像的左右兩側(cè)伸展，之后分叉2又出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的二級(jí)分叉。HC-3獲取的7次直竄先導(dǎo)-繼后回?fù)暨^程的連續(xù)幀圖像顯示7次先導(dǎo)-回?fù)粜蛄芯l(fā)生在上行正先導(dǎo)的分叉1通道中。

20000 幀/s的高速攝像(HC-1)的觀測(cè)視野如圖3中虛線框區(qū)域所示。圖4 為HC-1拍攝的第2次直竄先導(dǎo)始發(fā)位置區(qū)域的連續(xù)16幀圖像。由圖4可見，直竄先導(dǎo)始發(fā)后雙向傳輸，負(fù)端沿已冷卻的上行正先導(dǎo)通道連續(xù)回退，到達(dá)廣州塔頂引發(fā)繼后回?fù)?。正端在向前傳輸時(shí)出現(xiàn)了3次突然向前延展現(xiàn)象。第1次正端突然伸展發(fā)生在直竄先導(dǎo)始發(fā)后約0.1 ms，正端近似水平地向前伸展約160 m，進(jìn)入未擊穿空氣中，之后一個(gè)新的分叉從直竄先導(dǎo)的始發(fā)位置伸出(29.40 ms)，向前傳輸短暫時(shí)間后停止(29.45 ms)。

圖3 1000 幀/s高速攝像(HC-3)拍攝的上行正先導(dǎo)30幀選定圖像合成圖(圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)和反相處理，圖中虛線方框區(qū)域?yàn)镠C-1視野范圍)

第2次正端突然伸展發(fā)生在29.60 ms。在第2次延展前，正端已停止向前傳輸。在正端前部出現(xiàn)了1個(gè)懸空先導(dǎo)段，長(zhǎng)度約34 m，其距離正端頭部約45 m (29.50 ms)。之后第2個(gè)懸空先導(dǎo)段出現(xiàn)(29.55 ms)，長(zhǎng)約46 m，距離正端頭部更近，約28 m。第2個(gè)懸空先導(dǎo)段與正端連接，導(dǎo)致正端突然向前延展了約91 m(29.60 ms)。約0.05 ms后又發(fā)生了第3次正端突然伸展現(xiàn)象，伸長(zhǎng)約94 m(29.65 ms)。

圖4 20000 幀/s高速攝像(HC-1)拍攝的第2次直竄先導(dǎo)的16幀連續(xù)圖像(圖像進(jìn)行裁剪、對(duì)比度增強(qiáng)和反相處理，圖像上時(shí)間為曝光結(jié)束時(shí)間)

第1次和第3次正端突然向前延展僅出現(xiàn)在1幀圖像上，但懸空先導(dǎo)段出現(xiàn)并與直竄先導(dǎo)連接過程持續(xù)了約0.15 ms(3幀圖像)，因此,呈現(xiàn)了正端突然延展的詳細(xì)過程。正端在第2次向前延展前已停止發(fā)展，且第2個(gè)懸空先導(dǎo)段比第1個(gè)更接近與正端頭部，推測(cè)是懸空先導(dǎo)段朝正端方向伸展，并與正端相連。這與之前在負(fù)先導(dǎo)尖端頭部觀測(cè)到的空間先導(dǎo)行為相似，但尺度(平均值約115 m)比空間先導(dǎo)偏大(平均長(zhǎng)度約為幾米[20])。整個(gè)直竄先導(dǎo)過程中，正端向前傳輸?shù)钠骄俾始s為1.1×106m·s-1，3次正端突然向前延展的二維速率分別為3.2×106，1.8×106m·s-1和1.9×106m·s-1，比以往觀測(cè)到的正先導(dǎo)在未擊穿空氣中傳輸?shù)亩S速率(104～105m·s-1)偏大。

圖5為20000 幀/s的高速攝像拍攝第2次回?fù)艉蟮?2幀連續(xù)圖像。由圖5可見，回?fù)糸_始后，電流沿著直竄先導(dǎo)通道向上傳播至先導(dǎo)始發(fā)位置附近(30.35 ms)，然后通道逐漸冷卻。發(fā)現(xiàn)通道冷卻過程中頭部出現(xiàn)亮度很弱的流光(30.35 ms和30.40 ms)，之后頭部突然向前延展，且延展通道后側(cè)的局部通道的亮度增大(30.45 ms)。對(duì)比回?fù)羟半p向先導(dǎo)正端伸展的路徑和回?fù)敉ǖ李^部到達(dá)的位置后發(fā)現(xiàn)，回?fù)敉ǖ纼H到達(dá)之前雙向(直竄)先導(dǎo)的起始位置后就停止發(fā)展，并未進(jìn)入直竄先導(dǎo)的正端通道中。因此，推測(cè)回?fù)艉笤备Z先導(dǎo)正端通道的極性未發(fā)生變化，仍可稱為正端。值得注意的是，連續(xù)電流階段通道的突然延展并未沿著之前直竄先導(dǎo)正端傳輸?shù)耐ǖ?，而是開辟了新的通道，發(fā)展至未擊穿空氣中。

第1次延展通道頭部以4.1×106m·s-1的二維速率向前發(fā)展了約204 m。此后延展的通道快速暗淡(30.50～30.55 ms)，但約0.05 ms后，頭部出現(xiàn)了第2次突然延展(30.60 ms)。值得注意的是，第2次延展始發(fā)于第1次延展通道的中段，并點(diǎn)亮始發(fā)位置之后的第1次延展的部分通道。第2次延展以4.4×106m·s-1的二維速率向前發(fā)展了約220 m，之后通道再次變暗。

圖5 20000 幀/s高速攝像(HC-1)拍攝的第2次回?fù)艉?2幀連續(xù)圖像(圖像進(jìn)行裁剪、對(duì)比度增強(qiáng)和反相處理，圖像上時(shí)間為曝光結(jié)束時(shí)間)

基于HC-1拍攝的第2次直竄先導(dǎo)連續(xù)幀圖像，可獲取第2次直竄先導(dǎo)正、負(fù)兩端17個(gè)清晰二維速率計(jì)算樣本，速率隨時(shí)間變化如圖6所示。第2次直竄先導(dǎo)負(fù)端二維速率范圍為1.0×106～1.1×107m·s-1。去除停頓，第2次直竄先導(dǎo)正端二維非零速率范圍為2.1×105～3.2×106m·s-1，平均值為1.1×106m·s-1。第2次直竄先導(dǎo)雙向發(fā)展時(shí)的正端間歇性傳輸，速率在突然伸展時(shí)迅速增大。值得注意的是，第2次直竄先導(dǎo)始發(fā)后正、負(fù)端速率均先增大后減小，之后再增大(圖6中I所示，時(shí)間為29.10～29.40 ms)，且正端再次向前發(fā)展后的速率變化趨勢(shì)與負(fù)端相同(圖6中II所示，時(shí)間為29.55～29.80 ms)。由此可見，正、負(fù)兩端同時(shí)傳輸時(shí)，二者速率呈正相關(guān)，表明正、負(fù)端同時(shí)向前發(fā)展時(shí)可能有互相促進(jìn)作用。

圖6 第2次直竄先導(dǎo)正、負(fù)端的二維速率

3 結(jié)論和討論

本文利用高速攝像系統(tǒng)獲取的閃電通道圖像和電場(chǎng)變化同步數(shù)據(jù)，分析了在一次廣州塔上行閃電中觀測(cè)到的雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)回?fù)羟?、后突然延展現(xiàn)象的細(xì)節(jié)特征。結(jié)論如下：

1) 上行閃電中雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)的正端會(huì)間歇性地傳輸至未擊穿空氣中，在其頭部可能發(fā)生多次突然伸展現(xiàn)象，這種突然延展現(xiàn)象可能是通過正端與出現(xiàn)在其頭部附近的懸空先導(dǎo)序列相連所引發(fā)。

2) 第2次繼后回?fù)艉?，原直竄先導(dǎo)的正端發(fā)生2次突然延展現(xiàn)象，但并未沿回?fù)羟罢松煺沟耐ǖ纻鬏敚墙⒘诉M(jìn)入未擊穿空氣的新通道。

3) 回?fù)羟?，正?次突然伸展的二維平均速率約為2.3×106m·s-1，伸展長(zhǎng)度的平均值約為115 m；回?fù)艉螅ǖ李^部2次突然伸展的二維平均速率約為4.3×106m·s-1，約為回?fù)羟巴蝗谎诱顾俾实?倍，伸展長(zhǎng)度的平均值約為212 m。

在Tran等[9]報(bào)道的懸浮通道正端、Wang等[26]觀測(cè)到的上行正先導(dǎo)以及Kostinskiy等[27]的長(zhǎng)間隙放電試驗(yàn)中的正先導(dǎo)也發(fā)現(xiàn)頭部存在突然延展行為，這種突然延展在光學(xué)上表現(xiàn)為梯級(jí)發(fā)展。本研究中的梯級(jí)發(fā)現(xiàn)是由在其頭部前方出現(xiàn)的懸空先導(dǎo)段與正端相連引發(fā)的，這種短先導(dǎo)通道段可能是沿之前已存在的正先導(dǎo)通道發(fā)展的反沖先導(dǎo)，但未被光學(xué)設(shè)備探測(cè)到，也可能類似于在正先導(dǎo)通道側(cè)面產(chǎn)生并與之連接的雙向先導(dǎo)[42-46]。

Tran等[9]推測(cè)觀測(cè)到的千米尺度的正梯級(jí)可能是由空間先導(dǎo)發(fā)展而來。此外Kostinskiy等[24]在長(zhǎng)間隙放電試驗(yàn)中觀測(cè)到在正先導(dǎo)尖端前有疑似空間先導(dǎo)存在，但沒有直接證據(jù)表明是正端頭部附近存在的通常只在負(fù)先導(dǎo)頭部出現(xiàn)的空間先導(dǎo)引發(fā)了梯級(jí)。與Wang等[26]觀測(cè)的正先導(dǎo)梯級(jí)步長(zhǎng)(平均值約為4.9 m)相比，文中回?fù)羟罢送蝗谎诱沟拈L(zhǎng)度(平均值約為115 m)偏大，兩個(gè)懸空先導(dǎo)段的尺度(約為40 m)、直竄先導(dǎo)正端與懸空先導(dǎo)段尖端間的距離(約為42 m)遠(yuǎn)大于空間先導(dǎo)的長(zhǎng)度(平均值約為5 m[24])和空間先導(dǎo)與負(fù)先導(dǎo)通道頭部之間的距離(平均值約為4 m[24])，即就尺度而言，本研究在正端頭部附近觀測(cè)到的通道段與在負(fù)先導(dǎo)頭部觀測(cè)到的空間先導(dǎo)差異很大。但文中的懸空先導(dǎo)段形成于通道頭部附近，主動(dòng)靠近頭部與主通道連接，這與出現(xiàn)在負(fù)先導(dǎo)頭部的空間先導(dǎo)的行為相同，因此，仍無法排除懸空先導(dǎo)段是類似于空間先導(dǎo)的可能。

本研究發(fā)現(xiàn)回?fù)羟昂笳搜由斓穆窂讲煌?，但發(fā)生的放電過程可能一致。先導(dǎo)雙向傳輸階段，正或負(fù)端向前擊穿時(shí)會(huì)使另一端頭部的電場(chǎng)增強(qiáng)，增大另一端頭部與其附近的電勢(shì)差，直至突破閾值向前擊穿，因此，正、負(fù)兩端在同時(shí)傳輸時(shí)速率表現(xiàn)為正相關(guān)。當(dāng)然，本研究采用的高速攝像數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率約為50 μs，如果采用幀率更快的設(shè)備，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)正、負(fù)端并非同時(shí)發(fā)展。而回?fù)羲查g中和大量的負(fù)電荷，使更多的正電荷快速地涌入正端，迅速增大了正端與廣州塔頂?shù)碾妱?shì)差，這種增大的程度大于先導(dǎo)階段，即回?fù)艉笳讼蚯吧煺沟乃俣雀?，延展的尺度更大?/p>

回?fù)艉蟮倪B續(xù)電流階段，原直竄先導(dǎo)正端發(fā)生突然延展現(xiàn)象，進(jìn)入未擊穿空氣，延展二維速率也接近107m·s-1的量級(jí)。這與Stock等[47]在閃電K過程觀測(cè)到的從之前正先導(dǎo)頭部附近向未擊穿空氣中伸展的快速正擊穿非常相似，但仍需結(jié)合閃電多站輻射源定位系統(tǒng)獲取上行閃電云內(nèi)、云外放電通道三維時(shí)空演變特征和雷暴云電荷結(jié)構(gòu)深入分析。