使用高速摄像机观察正极性云地闪中下行先导的特征及其电场变化外文翻译资料

英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

使用高速摄像机观察正极性云地闪中下行先导的特征及其电场变化

Xiangzhen Kong,1 Xiushu Qie,2 and Yang Zhao1

Received 21 November 2007; revised 15 January 2008; accepted 13 February 2008; published 15 March 2008.

用时间分辨率为1000帧/秒的高速摄像机拍摄到正极性单脉冲云地闪中先导过程，这个正极性先导过程和云内放电过程在持续大约600ms的回击之前，通过结合快速和慢速的数据进行详细分析。初始阶段，先导分支大约以10⁴m/s的速度在雷云外水平发展，先导发光的时间大约是12ms，并且尖端的发光强度比其后的通道强的多，呈现出明显的阶梯状特征。梯级先导的二维传播速度不等，在0.1*10⁵m/s到3.8*10⁵m/s之间。时间间隔在最后0.5ms内的26个先导脉冲之间，根据电场变化，行程大约17us

引用：Kong, X., X. Qie, and Y. Zhao (2008), Characteristicsof downward leader in a positive cloud-to-ground lightning flash observed by high-speed video camera and electric field changes, Geophys. Res. Lett., 35, L05816, doi:10.1029/2007GL032764.

1. 引言

[2]正极性云地闪向大地闪出较低的正电荷，通常会中和相比于负极性更多的电荷。众所周知，全球不到10%云地闪是正极性的[Uman，1987]，正极性云地闪通常由单次闪击组成，往往会伴随一个持续几十到几百毫秒的持续性趋势[Fuquay, 1982; Beasley等, 1983; Beasley, 1985]，而大约80%的负极性云地闪包含两个或者更多的闪击[Rakov等，1994]。Saba等人在2006年发现峰值电流大于20kA和持续性电流大于40ms的闪击发生正极性闪电的概率比负极性的大，正极性闪击往往是先于云内放电或者预击穿过程。[Fuquay, 1982; Shao 等, 1999]长时间预击穿过程似乎表明正电荷可以由云端分支放电引发，否则由云放电产生[Rakov and Uman,2003]. Krehbiel [1981]报告中指出佛罗里达的三次正极性闪击包含于或者是长（超过40k m）的水平放电的产物。

[3]从触发闪电和自然闪电的时间分辨光学图像看来，正极性上行先导以阶梯方式传播[Berger and Vogelsanger, 1966]。一个下行正先导通过唯一可用的条纹拍摄并没有表现出明显的阶梯，只表现出强度的一些波动[Berger and Vogelsanger, 1966]。因为其接近地面，这个先导的传播速度从 4*10⁵ m/s 增加到 2.4 *10⁶ m/s。Wada等人在2003年的报告中指出从日本200m高的高塔上观测到上行连接先导的速度为0.6 *10⁵ m/s 到14* 10⁶ m/s，特殊情况下正极性先导的速度比较低，Les Renardie`res团队观察到在长时间的实验室放电实验中正极性先导的速度大约10⁴m/s。Laroche和Yuko等人在1985年报道到箭式先导中初始的上行正先导速度大约10⁴m/s。起源于高耸建筑物或者固定在地面的电极引发的上行正先导的速度不同于自然下行正先导。Saba等人在2007年报道到两种正极性先导的速度在2.21*10⁵ m/s和7.77*10⁵ m/s之间，均值为4.99*10⁵ m/s。另外，正极性先导通常呈现低强度，而且比负极性先导拍摄起来更难。本文中，我们对下行先导基于高速摄像机的光学和电场观测以及根据快速和慢速天线得到的电场变化进行叙述。

1. 使用仪器

[4]山东人工触发闪电实验（SHATLE）[Qie et al., 2007]，于 2006年夏季在山东省(37.5076°N; 118.0157°E)华东地区，使用1ms时间分辨率（1000帧/秒）的高速摄像机记录闪电放电通道的时间分辨图像。高速摄像机的传感器是256times;240 CCD阵列，持续时间为2.2秒，由闪电放电产生的电场变化通过慢天线和快天线系统来提供有关闪光的类型（云闪或者是云地闪），慢速和快速天线系统的时间常数分别为6 s和2 ms，高频截止频率分别为2 MHz和5 MHz。

图1.电场变化波形和闪光灯231402通道的相对亮度：（a）慢天线波形，（b）快速天线和（c）接地支路相对亮度。

记录仪在预触发模式下运行，总计2100毫秒，包括触发电平之前约512毫秒和1588毫秒，记录为单次闪击。

[5] 2006年6月16日，一个自然正极性下行云地闪，命名为Flash 231402，高速摄像机在伴有冰雹的强雷暴期间观测到电场变化。闪电出现于北京时间23:14:02，在这个系统的消散阶段，距观测点约5.1公里。

3. 结果

[6]图1显示了正极性闪电231402的电场变化波形和放电通道的相对亮度。它仅包含一个回击过程，标记为R（参考时间t = 0）。 整个放电过程的持续时间约为990毫秒。 这个过程分为两个部分：一个长时间的云内放电过程（IC）和随后的主要放电过程，包括正极性先导（L），回击（R）和持续电流（CC）。前者持续约600毫秒，后者约390毫秒。 基于光学图像，正极性先导过程（L）持续约26ms。冲击后持续电流（cc）的亮度持续约230ms，在此期间发生几个M分量。

3.1 云内放电过程

[7]图2示出了在IC处理期间从-125ms到-40ms的Flash 231402的部分视频图像。

图2.闪回231402的光学图片的部分从返回行程之前的125 ms到40 ms

有趣的是，通道中有两个亮点，分别标记为A和B，分别是距离地面约2.0公里和1.9公里。 A点首先在-125 ms处发光。如图1a所示，IC的慢速电场从-626 ms开始出现明显变化，表明放电几乎在此时开始，而相机在-125 ms开始捕获发光图像，对应于放电通道分支从电源到云底。通过结合电场变化和光学图像，建议在501 ms（从-626毫秒到-125毫秒，如上所述）从电源区到云底的分支行进。假定通道分支以大约10⁴m / s的速度垂直传播[Les Renardie`res Group，1977; Mazur等人，1998]在这一时期的云中，放电源区的高度估计大约高出地面7.0公里。

[8]从-125 ms开始，通道向左侧水平展开。它在20ms（从-125ms到-105ms）的周期内运行了约300m，相应的二维平均速度约为1.5times;10^4m / s。在-105毫秒时，另一个亮点B出现。它位于云体下方引导分支的开始点，时间为-26毫秒。水平分支在-85毫秒处出现在云底下面，光强比以前明亮得多。在这段时间内（从_105毫秒到_85毫秒），右分支在B点右侧行进约100米。其二维平均速度约为0.5times;10^4米/秒。与此同时，左分支向左（距离A点约550米）传播约350米，速度约为1.6times;10^4米/秒。右侧和左侧分支分别在-77ms和-40ms到达相机视野边缘，距离A点约650m和920m。因此，云底下的水平通道长度估计至少为1.5公里。 Fuquay [1982]也报道了正极性闪电放电通常涉及的水平通道。

3.2。 先导过程的光学和电学特性

[9]图3示出了从-26毫秒到3毫秒的连续视频图像的序列，包括下行先导和回击的发展。

图3. Flash 231402的引导和返回行程从26毫秒到3毫秒的光学图像。 相邻帧之间的时间间隔为1 ms。

先导分支出现在回击前的-65 ms处，向上或向下发展，但它们的发光强度很弱且具有间歇性。当先导尖端距离地面大约1.0公里时，在-12毫秒（速度计算在这时开始）清楚地检测到下行先导的连续图像。光学图像还表明，下行先导的尖端的亮度比后面的通道的光度更强，类似于一个负极性云地闪的梯级先导的特征[Qie and Kong，2007]，但与Berger [1978]报道的正先导的较低光亮度不一致。在下行先导过程中，中心区域（A点和B点附近）的亮度仍然非常明亮。这可能是由于遇到雷云下方的正电荷以及云底下通道形成的回击负电荷所致。没有从A点和B点下方的先导通道发现新的分支，但A点和B点附近的分支仍在发展。Beasley等人在1983年报道了没有分支的三次正极性云地闪，但由Fuquay [1982]发表的正极性闪电照片确实显示出了分支。

[10]图4a示出了从图12所示的光学图像获得的从-12ms到-1ms的下行正先导的二维速度。

图4.正向先导的进展速度和快速电场变化的演变：（a）在冲击之前从12ms到1ms的速度演变和（b）在行程之前0.5ms的快速电场变化

从两个相邻帧估计的二维传播速度， 先导接近地面时，从0.1times;10^5 m / s增加到3.8times;10^5 m / s。 从最后两帧估算的速度（3.8times;10^5 m / s）比初始速度大1个数量级。 先导尖端靠近地面时，上行连接先导和高潜在能量的先导很可能会加速下行先导。 Yuko等人 [1985]观察到火箭引发的闪电中的正先导在启动后加速到其初始速度（10^4 m / s）的5到10倍。在距离地面1公里处传播到12毫秒时，先导的二维平均速度为8.4times;10^4米/秒。 这个速度与实验室模拟的正极先导初始阶段的结果（10^4 m / s）一致[Les Renardieres Group，1977]和箭式先导[Laroche等，1985; Yuko等人，1985]相似，但比Berger、Vogelsanger [1966]和Wada等人报道的少了至少1个数量级。[2003]。

[11]图4b示出了Flash 231402先导的电场变化（快速电场变化）从-0.5ms到0ms的时间变化。该波形清楚地显示了明显的脉冲，在回击前0.5 ms呈现阶梯状发展。 图4b中26个先导脉冲之间的时间间隔范围为3ms至31ms，平均值约为17ms。 Hojoet等人 [1985]报道，在26%-30％的正极CG闪光的回击之前可以检测到阶梯性。 Cooray和Lundquist（1982）报道瑞典正极性闪电的阶跃脉冲之间的时间间隔为26ms。 Proctor [1997]在南非的175次闪光中观察到了两次正极性梯级先导。

4. 讨论与结论

[12]根据高速摄像机的图像和由快慢天线得到的电场变化，讨论了正极性下行先导的特点。整个放电过程持续约990毫秒。它可以分为两部分：IC阶段（从-626ms到-26ms）和之后的主要放电过程，包括先导，回程和持续电流过程。在IC的最后阶段，放电通道在雷暴底部外部附近以约10^4m / s速度水平传播。另外，有几个分支生成并向上或向下传播，只有一个向下的先导分支触及地面，然后引起正极性回击。图像清楚地显示，正极性回击是由IC放电的一个分支引起的。 Mazur等[1998]从光学图像中发现，正极性闪电似乎起源于云底附近较早的负极性消失处附近。Rakov和Uman [2003]认为，对地面的正极性放电可以由云中放电的一个分支引发，或者由大范围的云中放电产生。这个推测被此处报告的光学图像和电场变化所证实。

[13]基于闪电 231402的光学图像，正极性先导发展的二维速度随着时间的增加而增加，从 10^5 m/s增加到3.8*10^5米/秒。图3中的光学图像显示了其从-12ms到0ms的阶梯状发展特征并且在先导尖端强度很高。快电场中的脉冲在回击之前大约0.5毫秒时（图4b）也显示出阶梯状的发展。正先导通常表现为连续发光的通道图像，或者以亮度增强的形式叠加梯级上或者没有这些阶段[Rakov和Uman，[2003]]。 Avansky等人[1992]报告说，长实验室电火花中的正先导是否表现出梯级过程取决于湿度，而较高的湿度有助于梯级过程出现。 Les enardie`res Group [1977]也在先前观察到类似的效应。闪电231402发生在雷雨过程中降水阶段，因此高湿度的空气可能有利于形成正极梯级先导。

[14]最后，在云底的正极先导二维传播速度在早期阶段约为10^4 m/s。但由于缺乏对这种闪电云内放电过程中HF / VHF辐射测量，我们无法得出这种正地闪的发展过程和结构全貌。使用宽带HF-UHF和窄带VHF射频（RF）观测，Shao等人[1999]发现正极性地闪的辐射通常在第一次回击发生之前的几百毫秒开始。他们还发现，自然正地闪的正先导从HF到UHF频段没有产生或只有非常弱的辐射。未来还将继续对自然正先导的电气和光学联合测量以及VHF定位技术进行研究。

[15]致谢

本研究得到国家杰出青年科学基金（40325013），中国科学院知识创新工程（批准号：KZCX2-YW-206）和国家自然科学基金（40605003）资助。 作者要感谢X. Liu和C. Guo以及E. Krider提出的宝贵建议，

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21680]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word