自然正地闪中连续电流和M分量波形外文翻译资料

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自然正地闪中连续电流和M分量波形

摘 要:本工作分析了高速GPS同步摄像拍摄到的正极性云地闪中连续电流和M分量参数的波形。本资料组仅由长连续电流（持续时间超过40毫秒）组成，并且在记录中2003年到2007年Satilde;o Joseacute; dos Campos(45.864°W, 23.215°S)和Uruguaiana (29.806°W, 57.005°S)巴西的东南部和南部超过800次闪击中选取。为了确定每个闪击的极性，这些视频信息与巴西闪电定位系统（BrasilDAT）获得的数据进行比较，并且只选择正极性的闪击。文献中只有两种连续电流波形的研究。一种是基于直流电测量的人工触发闪电，其中四种不同的电流波形被观测到; 另一个是基于负极性云地闪的高速视频中的亮度变化的测量，除上述四种以外还观察到两种附加类型。目前的工作是后者的延伸，使用相同的方法，但现在应用于获得正极性云地闪的波形。就作者所知，这是第一份关于正极性连续电流中M分量的报告。我们还使用亮度对时间图来观察它们的发生测量一些参数（持续时间，两个连续M分量之间的间隔时间），其统计信息被记录并详细地与用于负地闪的数据进行比较。我们已经绘制了在正地闪中的连续电流总持续时间内M分量耗时的直方图，呈指数衰退（相关系数：0.83），类似于观察到的负地闪。

1. 介绍和回顾

众所周知，有三种可能的电荷转移到地面与负闪电放电有关：回击，连续电流和M分量（Rakov等人，2001；Rakov和Uman，2003）。以前只有两个前者已知发生在正极性闪击现象中（V.Rakov，个人通讯，2006）。在本文中我们展示来自正极性云地闪中的M分量观察结果。就作者所知，这就是第一篇报告关于正极性连续电流中M分量的存在。下面简要介绍一下提及持续电流和M分量。

1.1 连续电流

连续电流（CC）是电荷转移到地面的连续模式。三类连续电流在以前包含连续电流的闪击研究中定义。Kitagawa等人（1962）和Brook等人（1962）定义为“长”连续电流（CC）由稳定电场变化持续时间超过40 ms表示。Shindo和Uman（1989）定义的“短”连续电流由类似的电场变化持续时间在10 ms到40 ms之间表示，并且“可疑”持续1到10 ms。Ballarotti等人（2005），基于数据从高速摄像系统和避免回击脉冲尾部的干扰，介绍术语“非常短”定义了连续电流，持续时间小于或等于10毫秒但大于3毫秒。最近，Saba等人（2006b）发现负地闪峰值电流高于20 kA的从未跟随连续电流持续时间大于40毫秒，而负地闪峰值电流低于20 kA，任意持续时间连续电流会出现。据以前的工作报道，连续电流负责与热量相关的最严重的雷击伤害效果，如烧穿地线和光学架空电力线的光纤接地线（OPGW），吹风保险丝用于保护配电变压器，飞机金属皮的孔洞等（例如，Chisholm等人，2001；Fisher和Plumer，1977；Rakov和Uman，1990）。

连续电流的值通常估计为100 A，范围从30到200 A，电荷转移通常10至20 C（Shindo和Uman，1989）。这些参数（通常报告并用于闪电保护应用程序）假定为连续电流的值（IEC，2006）。Fisher等人（1993）发表了关于连续电流波形的第一个研究，仅基于触发闪电的直接测量。他们分析了30个连续电流持续时间超过10 ms，并发现他们展示了分为四类的各种波形。Campos等人（2007）提出了第一个基于来自高分辨率数据的负云地闪结果，高速视频系统。他们分析了63个负极性长连续电流，Fisher等人（1993）将其中的一部分（63个中的34个）分成四部分，但也注意到需要创建两个额外的类别符合其余29例描述。

在本文中，正极性云地闪中的连续电流与Campos等人（2007）类似的分析已完成。这个研究是基于视频观察的通道亮度随着时间的推移在一个毫秒的时间尺度变化，它是首先提出关于正云地闪中连续电流波形特征的数据。数据与触发闪电和负云地闪那些数据进行比较。

1.2 M 分量

M分量首先由Malan和Collens（1937）描述的，被观察为通道的亮度增加在发生连续电流期间。它们光脉冲的强度作为时间的函数或多或少是不对称的。亮度的增加与电流脉冲相关，幅度通常为几百安培，上升时间为几百微秒，根据从触发雷电测量观察（Thottappillil等，1995）。

它们与回击闪电电流脉冲明显不同，后者仅在任何先前的电流通过通道基底停止并且通常呈现亚微米的上升时间之后才出现（Fisher等，1993）。这些参数中的大多数是通过火箭触发或高塔触发的闪电获得的。对于云地闪，几乎没有关于M分量特征的统计数据，其中绝大多数都是基于电场变化技术，将观测限制在非常接近的范围内。 表1总结了以前关于这两个项目的近期作品（Thottappillil等人，1990；Rakov等人，1992；Fisher等人，1993；Thottappillil等人，1995和Campos等人，2007）与本研究相比较。

在最近研究中，观察者从9.5到96公里外发生的大量的正极性云地闪中，进行M分量特征的统计分布。它基于通道亮度随时间的变化，以毫秒为单位。据我们所知，这是第一份报告正极性云地闪中M分量的工作（V.Rakov，个人通讯，2006年）。

1. 仪器和数据采集技术

对于本研究，我们使用了RedLake8000S MotionScope高速CCD摄像机，帧速率为1000帧/秒。触发模式在操作员按下触发按钮之前和之后记录1秒。高速视频记录被存储在计算文件中，可以以足够的速度检索和重播以进行详细分析。每个视频帧都是GPS时间戳，精度为1 毫秒。

为了闪击极性并确定与摄像机的距离，我们使用了BrasilDAT闪电定位系统数据[有关网络特性的更多信息，请参见Pinto等人。（2006a，b，2007）]。相机和网络之间的闪击匹配是通过GPS时间同步（每个GPS系统的定时精度小于1 毫秒）完成的。

从Campos等人（2007）和Saba等人（2006a，2008）可以获得关于雷击观测中高速视频的现场，设备和准确度的更多细节。

2.1 视频分析

为了识别M分量并跟踪连续电流的波形，开发了计算算法来打开和分析由高速摄像机获得的每个图像的像素。然后产生显示亮度时间的图。据Diendorfer等报道 （2003）通过塔测量，雷电通道亮度与流过其中的电流成正比，遵循在10至250A范围内的线性相关性。由于该范围是由自然闪击中连续电流观察到的典型范围（例如 Shindo和Uman，1989），可以使用亮度对时间图来推断持续电流强度如何随时间而变化。图1显示了最近研究中考虑的正连续电流之一的亮度时间图。

Campos等人提出了应用方法的更详细的描述（2007）。

1. 数据分析和结果

我们的总数据集由63个负极性和21个正极性长连续电流组成，分别观察到345个和190个M分量。所有资料都从在2003年至2007年的夏季，分别在巴西东南部和南部的Satilde;oJoseacute;dos Campos（45.864°W，23.215°S）和Uruguaiana（29.806°W，57.005°S）分别记录了800多次闪电中选出。位于巴西雷电定位系统BasilDAT所覆盖的地区。Campos等人（2007）已经提出了负极性连续电流和M分量数据的详细研究，其数据仅供比较。

3.1 连续电流波形

在将Campos等人（2007）描述的方法应用于长正极性连续电流的21个事件之后，我们能够识别Fisher等人（1993）提到的四种类型中的三种和Campos等人（2007）提出的另外两种新类型中的一种，以更好地表征Fisher等人（1993）没有很好覆盖的案例。

总共有190个M分量检测结果反映在正极性连续电流的波形上。考虑到M分量的定义，通过源视频目视检查生成图中所示的亮度的每个增加，以更好地区分M分量与假波动。

正云地闪中与负云地闪（Campos等，2007）和触发闪电（Fisher等，1993）中的不同类型波形的统计数据一起呈现在表2中。正连续电流中观察到的所有类型的波形表明，在至少一种情况下，在整个持续时间内M分量的叠加（类似于Campos等人，2007年，对于负连续电流);Fisher等人（1993）在特定时期没有观察到II型和IV型波形的M分量。最常见的波形也不是类型I，由Fisher等人（1993），但是类型VI（他们没有观察到）正极性和负极性（Campos等人，2007）闪击数据集。

I型和IV型的百分比在正极性和负极性闪击方面几乎相同（Campos等人，2007），而II型和VI型在正连续电流中观察到的更为频繁。整个正极性闪击数据集中没有观察到III型和V型。由于它们非常相似（III型具有一个突起，M分量叠加在其上，而V具有两个或更多个相同类型的隆起），所以有可能认为正连续电流的物理机制不允许这种时间发展。

人们可以认为，每种类型的发生可能受到相机到闪击事件的距离的影响（例如，由于其亮度的非常低的强度，非常遥远的情况可能被误认为是VI型）。相反，可以从图2中注意到几乎所有事件发生在60公里以内的距离（21个中的2个例外）到观察地点；距离分布之间也没有实质差异每个类型。Campos等人（2007）对负极性闪击数据集进行了相同的分析，得出了类似的结论。

3.2 M 分量

使用与Campos等人（2007）相同的方法，在21个正极性连续电流期间共鉴定了190个M分量。每持续电流的M分量平均数为9.0。由于视频的1毫秒分辨率，两个连续M分量之间可区分的最小间隔为2ms。由于每帧的曝光时间也是1ms，所以即使当M分量持续小于1ms时，也被检测为2ms持续时间M分量。然而，这种限制并不重要，因为根据Thottappillil等人的研究（1995），M分量之间的间隔的75％大于2毫秒，M分量持续时间的大约80％持续时间超过1毫秒。

下面讨论的参数的统计结果列于表3，并与负地闪的结果进行比较。

3.2.1 M分量经过时间

所有负和正M分量经过时间的分布如图3所示。（以前负M分量分布的工作由Campos等人，2007）。对于负地闪数据集和正地闪数据集，最常见的值发生在10到20毫秒之间（负地闪281案例中有57个，正地闪167个案例中有21个）。

我们按照连续电流的总持续时间的百分比来归一化M分量的经过时间绝对值，如图4所示。Campar等人（2007）早些时候介绍了这些数据，仅用于负M分量（图4a）。对于负连续电流，近半数M分量发生在连续电流持续时间的前10％，超过75％发生在连续电流的前半部分（Campos等人，2007）。对于正极性的情况，只有15％的M分量发生在连续电流的前10％，只有约60％的M分量发生在连续电流延长的前半部分。值得注意的是，负地闪中的M分量在持续电流的早期阶段趋向于分组，而在正地闪中，它们沿总持续时间更好地分布。负地闪的发生与连续电流的时间具有非常好的近似，呈指数衰减（相关系数：0.99，Campos等人，2007）；正地闪数据集也呈现相同的相关性，但信度较小（相关系数：0.83）。

对于正极性闪电，我们的M分量经过时间的几何平均值为52.5 毫秒，而Campos等人（2007）获得42毫秒在负极性闪电中；两者都与Thottappillil等人（1995）在人工触发闪电中得出的9.1毫秒有差异。本研究和Campos等人（2007）看不到持续时间低于2毫秒，对这种差异的一个可能的解释是，两个研究的数据集包括一些非常长的连续电流。获得的持续时间的最大值为318毫秒（正地闪），负地闪为538 毫秒（Campos等人，2007）。Thottappillil等人（1995）发现的持续时间的最大值低于256 毫秒（从直方图的持续时间轴的最大值中检索）。

3.2.2 相邻M分量之间的时间间隔

在正地闪的连续电流期间相邻M分量之间的172个时间间隔的分布如图5所示。 在同一结果中，还显示了负地闪中的情况（Campos等人，2007）。90％以上负M分量间隔和99％正M分量间隔短于60 ms（图5）。

3.2.3 M分量持续时间

图6a ，b显示了345负（Campos等人，2007）和190正M分量的持续时间的分布。虽然对于正，负M分量，超过90％的例子持续时间少于10 毫秒，正极性的往往较短：30％持续不到2 毫秒，而只有10％的负极性包括在这个范围里。此外，和仅有30％的负M分量相比超过60％的持续时间少于4毫秒。对于负闪击数据集，峰值发生在4到6 毫秒之间（约为负数据集的30％），极端情况持续21 毫秒（Campos等人，2007）;在正M分量中，峰值发生持续时间小于2 毫秒（也是正数据集的约30％），观察到的极值为24 毫秒。在负地闪和正地闪数据集中，对于触发闪电它们的极端情况比Thottappillil等人（1995）提出的直方图中显示的16 毫秒的最大统计范围更长。由于相机的时间分辨率，不可能精确地确定M分量的精确持续时间小于2ms，尽管它们可以在统计学中被观察和考虑为具有2ms持续时间的M分量；有关本工作仪器局限性的更多细节，请参阅Saba等人（2006a，2008）的研究和Campos等人（2007）。根据Thottappillil等人（1995）的研究，2 毫秒长或更短得M分量代表了触发闪电的50％。但只有10％负极性（Campos等人，2007）和30％正极性案例在这个范围内，表明自然的M分量的持续时间往往会更长。

1. 结论

本文利用Campos等人（2007）提出的相同方法介绍

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