基于快慢天線的閃電電場特征分析

李海雷，劉向科，商 鵬

（山東省雷電防護技術(shù)中心，濟南 250031）

基于快慢天線的閃電電場特征分析

李海雷，劉向科，商 鵬

（山東省雷電防護技術(shù)中心，濟南 250031）

通過分析單站快慢天線（時間常數(shù)分別為0.1ms，300ms）測量的2015年7—8月的3855次快慢電場數(shù)據(jù)，選取了18次干擾波形較少的閃電進行分析。18次閃電中負(fù)地閃占比83.3%，平均回?fù)舸螖?shù)1.78次，2次閃電慢電場出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。預(yù)擊穿平均持續(xù)時間264ms，梯級先導(dǎo)平均持續(xù)時間781.4μs。慢前沿過程持續(xù)時間平均6.85μs，快變化2.388μs，過零時間平均40.45μs。

快慢天線；雷電；快電場；慢電場；電場特性

引言

雷電的電場輻射是雷電致災(zāi)的主要原因之一，分析雷電的快慢電場對雷電的放電機理及過程研究具有重要的意義，也是雷電防護技術(shù)進步的動力之一，對電涌保護器等的改進具有巨大的指導(dǎo)意義。上世紀(jì)90年代，郄秀書等利用時間常數(shù)為5s的慢天線對甘肅中川地區(qū)的一次負(fù)地閃初始過程進行了分析，證明了高海拔地區(qū)云層底部大范圍正電荷的存在，并對輻射源進行了定位[1]，對地閃回?fù)舻妮椛鋱鲞M行了分析，得出慢前沿及快變化的時間特征[2]。進入21世紀(jì)后，王東方等利用多站時間常數(shù)2ms的快天線得到的電場特征，進行了輻射源較好的定位[3]，劉恒毅等利用1s時間常數(shù)，帶寬160Hz～3MHz的快天線閃電電場變化資料，分析了雷電波形的時域特征[4]。此文試圖利用快慢天線測量到的電場數(shù)據(jù)，

對地閃的快慢電場進行分析。

1 快慢天線簡介

快、慢電場變化測量儀即快、慢天線，可以探測雷電引起的電場變化大?。ㄏ鄬χ担┖蜆O性，分別用來測量雷電放電的快速變化過程和較慢的變化過程，是雷電探測和研究的常規(guī)設(shè)備。此次研究采用的快慢天線由中國科學(xué)院大氣物理研究所研制并安裝調(diào)試，于2015年7月在山東省雷電防護技術(shù)中心投入使用，時間常數(shù)分別為0.1ms和300ms，帶寬為1.5kHz～2MHz和0.5Hz～300kHz，分辨率0.2μs，每次記錄時間為1s，采樣頻率5MHz，采用固定觸發(fā)模式，觸發(fā)沿0.2V/m，記錄觸發(fā)點前200ms及觸發(fā)后800ms的快慢電場數(shù)據(jù)。輸出的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過濾波處理[5，9]，輸出極性與電場變化的大小成線性關(guān)系而極性相反。大時間常數(shù)的快慢天線容易飽和，低時間常數(shù)的快慢天線不易測量連續(xù)電流期間的電場變化，目前尚未有相關(guān)文獻(xiàn)資料表明有類似時間常數(shù)的快慢天線投入使用。

2 快慢電場數(shù)據(jù)分析及樣本的選取

快慢天線于2015年7—8月成功捕獲了3855次閃電數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中包含了干擾波形、近距離閃電波形及遠(yuǎn)距離閃電波形，大多數(shù)波形上疊加的干擾波形較多，此次選取了18次閃電過程進行分析，其中有15次負(fù)地閃，占比83.3%，3次正地閃，正負(fù)比例5:1。單回?fù)舨ㄐ?次，占比50%，多回?fù)糸W電9次，最多回?fù)舸螖?shù)4次，平均回?fù)舸螖?shù)1.78次。此文利用18次閃電電場波形，對自然地閃的電場變化進行分析，以期揭示閃電電場的變化特征。圖1為2015年7月31日1時55分54秒產(chǎn)生的快慢電場波形圖（以閃電發(fā)生時間對其編號，定義為7310155次閃電），PBP代表預(yù)擊穿過程，I代表寂靜期，R代表回?fù)暨^程，該閃電為單回?fù)糸W電。

圖1 7310155閃電總體波形圖

3 樣本閃電電場特征分析

一次地閃放電過程可以分為預(yù)擊穿過程、梯級先導(dǎo)、回?fù)?、直竄先導(dǎo)、繼后回?fù)?、回?fù)糸g的過程等過程[6]。

3.1 預(yù)擊穿及梯級先導(dǎo)過程電場分析

3.1.1 預(yù)擊穿電場

關(guān)于預(yù)擊穿的研究目前尚無定論，有學(xué)者認(rèn)為，預(yù)擊穿本質(zhì)是閃電的云內(nèi)放電過程，部分學(xué)者認(rèn)為預(yù)擊穿是先導(dǎo)在云內(nèi)的傳播路徑。預(yù)擊穿是閃電過程的一個子過程，預(yù)擊穿過程持續(xù)時間從幾毫秒到幾百毫秒不等[6]。

預(yù)擊穿過程電場波形以可識別的分離的雙極性脈沖蔟為主，前期脈沖極性變化與后續(xù)回?fù)粝嗤?，預(yù)擊穿過后將是連續(xù)的回?fù)鬧6-9]。

展開樣本首次回?fù)羟半妶霭l(fā)現(xiàn)，在首次回?fù)羟?，有兩個可識別的脈沖，圖2所示為兩個波形的展開圖，圖2b波形密度大于圖2a，圖2a波形時間寬度大于圖2b，圖2a中脈沖時間寬度60μs左右（圖2a中t所示），圖2b脈沖持續(xù)時間3μs～20μs不等，波形間隔時間10μs～60μs不等。該次閃電的預(yù)擊穿過程持續(xù)時間83ms，寂靜期40.18ms。

18次閃電中有明顯預(yù)擊穿波形的有10次，占比55.6%，部分閃電的預(yù)擊穿波形可能淹沒在噪聲干擾中不易識別，平均持續(xù)時間264ms，最長持續(xù)時間700ms，最短持續(xù)時間5.34ms，與曹冬杰統(tǒng)計的大興安嶺地區(qū)預(yù)擊穿波形所占比例相近（55.8%），但平均持續(xù)時間（37ms）相差較大[9]，這可能是統(tǒng)計方法不同造成的，在統(tǒng)計預(yù)擊穿時間時發(fā)現(xiàn)回?fù)羟暗念A(yù)擊穿并不是連續(xù)的脈沖蔟，將兩次及以上的脈沖蔟中間部分也算作預(yù)擊穿過程。假定該過程為先導(dǎo)在云內(nèi)的傳播路徑，對應(yīng)云閃的先導(dǎo)速度為105m/s，典型值為2×105m/s[1，6]，則平均傳播路徑52.8km，顯然是不可能的，因此預(yù)擊穿的實質(zhì)是云內(nèi)放電過程。

圖2 7310155閃電預(yù)擊穿過程展開圖（a：第一次預(yù)擊穿波形；b：第二次預(yù)擊穿波形）

3.1.2 梯級先導(dǎo)電場

部分閃電的梯級先導(dǎo)過程波形不明顯，如圖3所示，L為另外兩次閃電的梯級先導(dǎo)，圖3a為7302051次閃電梯級先導(dǎo)展開，圖3b為7302248次閃電梯級先導(dǎo)展開，慢電場波形呈V狀梯級排列。慢電場明顯突變的地方為梯級先導(dǎo)的開始，此時云層內(nèi)大量電荷開始向放電通道內(nèi)輸送，V型結(jié)構(gòu)底部為梯級先導(dǎo)的結(jié)束[10]。梯級先導(dǎo)的脈沖串上均有小波形疊加。18次閃電中有6次閃電的梯級先導(dǎo)過程有可識別的脈沖，平均梯級先導(dǎo)持續(xù)時間為781.4μs，最短持續(xù)52.8μs，最長2.32ms。兩次梯級先導(dǎo)的波形有較大的差別，造成圖3a及圖3b波形不同的原因可能是輻射源距離，距離較遠(yuǎn)時，地面電場變化主要受云內(nèi)減少的電荷產(chǎn)生，電場極性為正[10]（圖3b）。

圖3 兩個梯級先導(dǎo)展開圖（a：7302051次閃電；b：7302248次閃電）

3.2 首次回?fù)暨^程電場

回?fù)舻倪^程可分為慢前沿過程和快變化過程。連接過程之后即開始了回?fù)暨^程。首次回?fù)艨炻妶鲎兓€見圖4所示，黑色曲線為慢電場變化，紅色曲線為快電場變化。圖4a中K表示梯級先導(dǎo)的最后一跳[10]，K之后的最低點為回?fù)糸_始時間。在統(tǒng)計閃電回?fù)暨^程中，有兩次回?fù)舻穆妶鲞_(dá)到了飽和狀態(tài)，其中一次波形在50μs內(nèi)連續(xù)三次出現(xiàn)了飽和狀態(tài)，另一次的飽和狀態(tài)持續(xù)6μs（圖3a）。

3.2.1 慢前沿過程分析

慢前沿過程（SF）的小脈沖對應(yīng)的是連接過程形成的閃電分叉多次連接，同理，快變化及肩狀結(jié)構(gòu)也是分叉連接，肩狀結(jié)構(gòu)是疊加在回?fù)艉舐妶鱿陆颠^程中的一個突出小脈沖。LB不是由連接先導(dǎo)引起的，是慢前沿過程的一個梯級狀電場變化[10]。圖4a中F為慢前沿和快變化的分界點。

慢前沿過程的6個可識別的脈沖可能對應(yīng)先導(dǎo)的6個分叉連接過程[10]，慢前沿持續(xù)13μs，總體呈連續(xù)上升過程，前期陡度較小，后期陡度明顯變大，電場變化率增加，前期平均電場變化速率為5.59×10-4/μs，后期平均變化速率4.20×10-3/μs。部分學(xué)者給出了慢前沿上升時間約2.9μs～5μs，部分學(xué)者統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)得到其持續(xù)時間為90ns，偏差40ns[6]，郄秀書給出的負(fù)地閃慢前沿上升時間為1～20μs，均值9.4μs[2]。雖然數(shù)據(jù)有一定的差距，這可能是儀器不同造成的。在慢前沿過程中，快電場幾乎無變化，慢前沿與快變化的分界點F處，快電場開始出現(xiàn)可識別的突出變化，與慢電場變化極性相同。18次閃電的慢前沿過程平均時間為6.85μs，持續(xù)時間范圍1～16μs。

3.2.2 快變化過程分析

快變化開始后，快電場開始出現(xiàn)波動，慢電場中的快變化過程上升沿時間2μs，相對電場變化速率2.3×10-2/μs，可見快變化過程相對變化速率高于慢前沿過程一個數(shù)量級。18次閃電的快變化過程平均時間為2.388μs，持續(xù)時間范圍0.4～6μs。18次閃電中有9次在首次回?fù)艉笥屑鐮罱Y(jié)構(gòu)，占比50%，肩狀結(jié)構(gòu)見圖4b中α所示。

圖4 回?fù)艨炻妶鲎兓╝：7310155次閃電；b：7310722次閃電）

3.3 回?fù)艉蟮碾妶龇治?/p>

回?fù)糸g過程包括連續(xù)電流和擊間過程（J過程），其上又疊加了M變化和K變化。

3.3.1 過零時間

過零時間是判定閃電類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，一般認(rèn)為首次回?fù)魩资缴习傥⒚牒蠹纯僧a(chǎn)生過零（負(fù)反沖），張其林對甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的地閃進行分析后發(fā)現(xiàn)，負(fù)地閃首次回?fù)舻倪^零時間為66ms[11]。經(jīng)統(tǒng)計17次（剔除一次特殊波形，過零時間5.51ms）閃電過零時間平均值40.45μs，時間區(qū)間為7.4～155.8μs。

3.3.2 連續(xù)電流過程

連續(xù)電流即回?fù)艉髮Φ氐倪B續(xù)放電過程，它會引起連續(xù)的緩慢的電場變化，并在放電通道內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)發(fā)光現(xiàn)象，超過40ms的連續(xù)電流稱為長連續(xù)電流[6，10]。因沒有相關(guān)設(shè)備，不能利用發(fā)光現(xiàn)象判別連續(xù)電流過程，只能通過電場的變化形態(tài)來確定。

回?fù)粼斐傻碾妶鲎兓翘菁壸兓?，梯級變化后第一個突變部分作為連續(xù)電流的開始，在連續(xù)變化后第一個突變部分作為連續(xù)電流的結(jié)束，連續(xù)緩慢變化的電流產(chǎn)生的電場也將是連續(xù)緩慢的，且主要集中于幾十赫茲以內(nèi)的極低頻和低頻[10]。連續(xù)電流過程伴有明顯的M變化和K變化，M變化是疊加在連續(xù)電流上的分量，一般認(rèn)為M變化呈U[6]型或V型[10]，兩種變化都是電場先負(fù)向變化，然后快速正向變化。

由于儀器時間常數(shù)小，放電時間短，測量到的波形變化較劇烈，為了便于分析連續(xù)電流中的各種分量，我們將回?fù)艉蟮牟ㄐ芜M行了處理（圖5所示），回?fù)艉箅妶霾ㄐ斡休^為對稱的V型波形，其上疊加有小波形，我們稱之為M變化，M分量是引起連續(xù)電流的必要條件[12]，在M變化開始43ms后出現(xiàn)了快電場突出變化，即結(jié)束了連續(xù)電流過程。連續(xù)電流過程持續(xù)時間43ms。遺憾的是未能在18次閃電過程中監(jiān)測到明顯的K變化。

圖5 回?fù)艉舐妶霾ㄐ?/p>

4 總結(jié)與討論

此文綜合分析了18次閃電過程的電場變化，發(fā)現(xiàn)在18次閃電過程中，有15次負(fù)地閃，占比83.3%，3次正地閃，正負(fù)比例5:1。單回?fù)舨ㄐ?次，占比50%，多回?fù)糸W電9次，最多回?fù)舸螖?shù)4次，平均回?fù)舸螖?shù)1.78次。所有回?fù)糁?，?次回?fù)舻穆妶龀霈F(xiàn)飽和狀態(tài)，占比6.25%。

11次閃電出現(xiàn)了明顯的預(yù)擊穿過程，預(yù)擊穿過程持續(xù)時間264ms。有6次閃電梯級先導(dǎo)有可識別的脈沖，平均持續(xù)時間781.4μs。慢前沿及快變化過程明顯，慢前沿過程持續(xù)時間平均6.85μs，快變化2.388μs，過零時間平均40.45μs。

此次分析僅針對干擾波形較少的18次閃電，尚未對其余閃電進行詳細(xì)分析，在今后的工作中，將繼續(xù)積累數(shù)據(jù)，進一步揭示閃電電場的變化規(guī)律，為雷電防護技術(shù)的發(fā)展提供有力的支撐。

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P427.3

：B

：1005-0582（2016）04-0034-05

10.19513/j.cnki.issn1005-0582.2016.04.007

2016-10-10

山東省氣象局青年科研基金項目（2016SDQN11)和山東省雷電防護技術(shù)中心自立課題（2016fl05）共同資助

李海雷（1982—），男，山東萊蕪人，本科，工程師，主要從事雷電防護技術(shù)研究工作。