雷暴下部正电荷区与负云地闪电的初步击穿过程外文翻译资料

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雷暴下部正电荷区与负云地闪电的初步击穿过程

(张义军)，（孟青），（吕伟涛），（马明），（郑栋），

1中国气象科学院雷电物理与防护工程实验室，北京 100081

2中国气象科学院恶劣天气国家重点实验室，北京 100081

3美国新墨西哥矿业及科技学院

摘要

一种新开发的闪电定位技术，称为闪电定位阵列( LMA )。该系统利用GPS技术来测量每个远程位置闪电脉冲甚高频( VHF )辐射事件的到达时间( TOA )。通过高时间分辨率( 50ns )和空间精度( 50 – 100 m)的系统测量，三维描述了闪电的时空发展过程。揭示了雷暴中的电荷结构及其与闪电放电过程的关系。基于闪电甚高频辐射事件的数据，分析了负地对地( CG )闪电放电所涉及的初步击穿过程的时间和空间特征。讨论了雷暴下部正电荷区域对负CG闪电放电发生的影响。结果表明，负CG闪电放电中持续时间较长的初步击穿过程是一个内部放电过程。它分别发生在雷暴的中部和下部的负电荷区和正电荷区之间。它从负电荷区开始向下传播。在传播到正电荷区域后，闪电通道水平发展。初步击穿过程的特征与内部闪电放电的特征一致。步进式引线是由K型击穿引发的，K型击穿发生在初步击穿过程的最后阶段，并通过正电荷区域向下发展。雷暴下部正电荷区域的存在导致在负CG闪电放电返回行程之前出现持续时间更长的初步击穿过程。

关键词: 云对地，正电荷，初步击穿过程

1.介绍

Clarence和Malan ( 1957 )首先根据对一个地点地面电场变化的观察，将负CG闪电放电过程分为初步击穿过程、中间阶段、先导和返回冲程。然而，地面电场变化的更多观察结果表明，只有一部分负CG闪电符合分类。特别是，人们发现一些负CG闪电放电涉及到一个持续时间更长的电场变化，就在它的阶梯式领导者之前( Krehbiel，1979；Proctor，1988 )。由于云的阻碍，主要使用电场变化测量和定位闪电击穿过程辐射的甚高频( VHF )资源来观察和推断内部过程。观察结果显示，负CG闪电的初步击穿过程可以持续几至一百毫秒，典型值为10毫秒。Clarence和Malan ( 1957 )发现，就在负CG闪电回击持续时间的第一批案例之前，电场变化的最长持续时间是200毫秒，50 %的案例持续时间超过30毫秒，10 %的案例持续时间超过120毫秒。Kitagawa和Brook ( 1960 )报告了在新墨西哥州观察到的结果。美国并指出，内部过程的持续时间在10到200毫秒之间，典型值为30毫秒。Thomson ( 1980 )还报告说，负CG闪电第一次回击前的电场变化持续更长时间，持续时间的平均值为240毫秒，68 %的案例持续时间超过100毫秒。Beasley等人(1982)测量了不同雷暴中负CG闪电阶梯先导前的电场变化持续时间，其统计结果显示，在一些雷暴中，最长持续时间为484 ms，而在其他雷暴中没有观察到明显的电场变化，其中负CG闪电放电开始于阶梯先导的启动和发展。这些观察结果表明，对于不同地区或不同发展阶段的雷暴，负CG闪电所涉及的内部过程的特征是不同的。这可能与雷暴中的电荷结构有关。Shao( 1987 )和Liu( 1989 )等人报道说，中国甘肃省雷暴地区存在一个大规模、大范围的正电荷区域。雷暴中，内部放电发生在中负电荷区和低正电荷区之间。他们利用在多个地点同时获得的电场变化数据，推断出了内部放电时电偶极矩变化的幅度和中心高度。揭示了雷暴中的三极性电荷结构。长期观察结果表明，大多数负CG闪电在中国甘肃省步进领导之前都涉及到持续数百毫秒的长期初步击穿过程( Zhang等人，1993；Qie等人，2001 )。最近在青藏高原雷暴的研究中也发现了类似的结果( Zhao等人，2004 )。Krehbiel ( 1986 )分析了佛罗里达、新墨西哥和日本雷暴的电荷结构。结果表明，这些雷暴中的主要负电荷区域位于离地面不同的高度，但处于相同的温度区域。大量观察表明，阶梯式领导者的平均速度约为，持续时间从几毫秒到几十毫秒不等( Rakov和Uman，2003 )。Rakov和Uman ( 1990 )报告说，阶梯式领导者的平均持续时间约为35毫秒。Clarence和Malan ( 1957 )认为，在第一次返回行程之前，持续时间较长的初步击穿过程发生在主负电荷区和较低正电荷区之间。这一过程垂直向下发展，是第一次回程前步进式先导过程的前兆。Krehbiel等人( 1979 )通过测量八个地点的电场变化，报告了两次负CG闪电放电中持续时间较长的初步击穿过程的计算结果。他们发现，在初步击穿过程的初始阶段，负电荷垂直向下转移，然后闪电通道水平传播。到目前为止，还不清楚第一次返回行程前持续时间较长的初步击穿过程是否与雷暴下部正电荷区域的存在有关。本文通过分析闪电地图阵列( LMA )获得的数据，研究了负CG闪电阶跃先导前较长持续时间的初步击穿过程的时空发展特征。讨论了雷暴下部的初步击穿过程与正电荷区域之间的关系。

LMA是由新墨西哥州采矿和技术研究所开发的。该系统利用GPS技术测量闪电脉冲VHF辐射事件在每个远程位置的到达时间。通过高时间分辨率( 50 ns )和空间精度( 50-100 m )的系统测量，三维描述了闪电的时空发展过程。该系统的中心接收频率为63 MHz，带宽为6 MHz。LMA的13个测量站部署在2000年进行的STEPS (严重雷暴电气化和降水研究)中( Krehbiel等人，2000年)。此外，CG闪电的参数是从国家闪电探测网( NLDN )的数据中获得的。

2.数据和分析

2.1负CG闪电通道的三维结构

图1显示了2000年6月12日0001 UTC发生的负CG闪电的辐射事件的3D分布。观测结果表明，闪电放电负击穿过程产生的甚高频辐射比正击穿过程产生的强，正击穿过程总是太弱而无法探测到。因此，LMA系统主要检测和定位由负击穿产生的VHF辐射事件，这意味着雷暴中正电荷区域的分布得到了明显的映射。与此同时，雷暴中的负电荷区域可以通过一些VHF辐射事件来表示，这些事件产生了涉及到内部放电的K型击穿(这些过程从负电荷区域的闪电通道的末端发展到起点，有时它们通过闪电的起点发展成正电荷区域，并延伸闪电通道) ( Shao等人，1996；Hamlin等人，2003)。基于VHF辐射事件的分布，可以绘制参与放电的电荷区域，并可以揭示雷暴中的主要电荷结构。

图1. 2000年6月12日世界协调时0001时负CG闪电的辐射事件的3D分布。图中从蓝色、绿色、黄色到红色的颜色变化表明VHF辐射事件随时间的变化。( a )高度-时间演变，( b )南北垂直投影，( c )辐射事件数量( N )的高度分布，( d )平面图，( e )闪电辐射源的东西垂直投影。符号△表示负CG闪电的时间和位置，■表示测量站的位置。

从图1可以看出，负CG闪电放电持续了1.6 s，并产生了三次回击。闪电放电开始后，内部的初步击穿持续了更长的时间，第一次回击发生在500毫秒后。闪电放电开始于平均海平面9公里处( MSL与下面相同)并垂直向下发展。这与Clarence和Malan( 1957 )以及Krehbiel等人的结果一致。( 1979)。在图1中，闪电放电发展到4千米高度后，它继续向西北水平传播23千米的距离，速度和持续时间约为200毫秒。闪电的许多辐射事件位于4千米处，有些位于8 - 9千米处，这表明垂直方向上正、中负电荷区域的结构。然后，阶梯形先导从8千米的高度发展，并通过闪电的起点(图1中的绿色点)向下传播到地面，最终导致第一次返回行程和两次后续返回行程。在照明的最后一个阶段，一个领导者向下发展，NLDN显示没有回程。这可能是一个试图引导的人，他没有接触地面，或者发生了回程，但是NLDN没有检测到。阶梯先导后的闪电放电特征与正常负CG闪电一致。

基于闪电时空发展的特性，阶梯先导前的脑内过程与倒置的脑内放电过程一致。可以推断，这一过程是发生在中间负电荷区和较低正电荷区之间的反向内部放电。Zhang等人( 2002 )报告说，在具有正常三极电荷结构的雷暴中，不仅在上部正电荷区和中部负电荷区之间，而且在下部正电荷区和中部负电荷区之间也发生了极性相反的内部放电。反转的内部放电起源于中间负电荷区，向下发展到较低正电荷区，然后放电水平传播。除了极性相反之外，放电的特性与正常的内部放电相似。以上结果进一步证明，雷暴的下部有一个正电荷区域，它参与放电。因此，较低的正电荷被负CG闪电放电的初步击穿过程部分中和。值得注意的是，在步进先导之前( 在42.5秒和图1中的第一次返回行程之间 )，一些辐射事件相继出现在负电荷区域。在闪电通道停止在低正电荷区域发展后，它们延伸闪电通道并向起始点传播。它们是K型分解过程的结果。然而，大部分K型击穿过程在闪电开始前就停止了，直到其中一个转变成阶梯型领导者。因此，阶梯形先导可以通过K型击穿过程启动，并通过闪电的起点向下发展到地面。

图2. 如图1所示，但对于2000年6月11日UTC 2358时的负CG闪电。

图2显示了2000年6月11日世界协调时2358时发生的另一次负CG闪电。闪电放电比图1所示提前2分钟发生，但发生在另一个雷雨小区。从图2中可以看出，在第一次返回行程之前，闪电放电的内部过程持续了大约1 s。它与图1中所示的闪电相似，闪电放电起源于6-7 km高度，并向下发展。闪电回击前放电过程产生的辐射事件主要出现在3 - 5千米的高度，闪电通道在每个方向上不断发展。辐射事件的分布表明，正电荷区和负电荷区分别位于3 - 5公里和6 - 7公里的高度。持续时间较长的初步击穿过程与雷暴中较低的正电荷区域有关。这与图1所示的闪电相似，因为K型击穿过程发生在阶梯形引线之前，阶梯形引线是从负电荷区开始的。第一次回击发生在阶梯形引导者通过闪电放电的起点向下发展到地面时。闪电放电由初步击穿和先导返回过程组成。初步击穿过程发生在中间负电荷区和下部正电荷区之间，其特征是极性反转。

2.2雷暴下部正电荷区的影响

图3和图4显示了2000年7月10日发生的两次负CG闪电放电的记录。这两次放电发生在雷暴的同一区域，间隔为10分钟。在图3中，放电起源于6千米的高度，并直接向下发展。第一个尝试的领导人向下发展到2千米高度，没有接触地面。第二个领导者再次从7千米的高度发展，向下传播到地面，产生第一次回击。放电包括五次回击。闪电通道在回击间隔期间和闪电的最后阶段在负电荷区水平向西北延伸40公里，并表明负电荷区的高度从8公里下降到5公里。这是一种典型的负CG闪电，与大多数雷暴一样，其初期击穿过程较短，闪电放电源自负电荷区，并直接向下发展。比较图4和图3，可以看出两次闪电放电的特征不同，即使它们发生在雷暴的同一区域，间隔为10分钟。图4所示的闪电放电特性与图1和图2所示的闪电放电特性相似。从图4可以看出，闪电放电涉及两次回击。闪电放电垂直向下发展，达到5千米高度，然后闪电通道水平向东传播大约5千米。此后，闪电通道分成两个分支，分别向北和向南发展约15公里和5公里。这个阶段持续时间为150毫秒，大多数闪电辐射事件出现在4 - 5千米的高度。然后，阶梯形的领导者从闪电的起点开始向下发展，在7千米的高度接触地面，产生第一次回击。闪电放电发生在第一次回击前约200毫秒。因此，图3和图4所示的闪电放电在第一次返回行程之前涉及不同的初步击穿过程。这可能是由于雷暴下部4 - 5千米高度存在正电荷区域。图3所示的闪电放电直接从负电荷区开始，并向下发展。在较低的正区域没有看到闪电通道的水平延伸，这导致初步击穿持续时间较短。然而，图4所示的闪电放电从负电荷区开始，并垂直向下发展到较低正电荷区，在那里它改变为水平传播。这导致初步故障持续时间更长。这可能是由于雷暴下部正电荷区域的增强。随着雷暴的发展和电气化的加强，雷暴下部正电荷的浓度和分布都有所增加。这可能会影响闪电放电的发生和发展。然而，需要更多的观察数据和进一步的调查来获得确认的结果。

图3.如图1所示，但是对于世界协调时2000年7月10日0921时的负重心闪电

图4.如图1所示，但是对于世界协调时2000年7月10日0932时的负重心闪电

3. 结论和讨论

基于上述对负CG闪电放电三维分布时空特征的分析，总结出初步击穿过程是一种在负CG闪电放电中的中负电荷区和下正电荷区之间发生的内部放电，在第一次回击前持续时间更长。颅内放电过程的特征与倒置的颅内放电一致。然而，这不是一次单独的颅内放电。在闪电放电的初始阶段，闪电通道在较低正电荷区域水平发展。K型故障导致阶梯形引线的发展，其沿着先前形成的通道向下传播通过照明放电的起始点。位于雷暴下部的正电荷区域导致负CG闪电放电中的内部初步击穿过程持续时间更长。

大多数内部放电与CG闪电放电的发生没有直接关系。从上面的分析来看，持续时间较长的内部初步崩溃过程与阶梯式领导者的启动有关。Krehbiel等人( 1979 )利用在八个站同时测量的电场变化数据，分析了两次负CG闪电步进先导前的内部过程，并报道了这两次闪电的内部过程是连续击穿过程，在水平方向延伸了何鄂闪电通道，负电荷转移分别为2°C和3.6C。Rhodes和Krehbiel( 1989 )通过干涉仪观察到，在一次回击中负CG闪电的阶梯形引导者之前，初步击穿持续了大约100毫秒。干涉仪的观测显示，三条闪电通道在不同的方向上连续和水平地发展，最后一条启动了阶梯形先导。Richard等人( 1986 )和Procor等人( 1988 )发

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