新型閃電電場變化測量儀的研究與初步應(yīng)用

徐黃飛，張其林，杜賽，薛奇

（1.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東 廣州510080；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641；4.南京大橋機(jī)械有限公司，江蘇 南京211101）

1 引言

閃電產(chǎn)生的電磁波頻譜非常寬，因此探測閃電電磁波是進(jìn)行閃電物理研究的重要途徑。利用閃電電場變化測量儀可以探測閃電在近地面的垂直變化電場，根據(jù)電場波形就可以對閃電的特征進(jìn)行分析。此外，閃電電場變化測量儀在閃電定位研究中也發(fā)揮著巨大作用，建立閃電觀測網(wǎng)，可以對探測范圍內(nèi)閃電進(jìn)行準(zhǔn)確定位，對于雷暴監(jiān)測預(yù)警與雷電防護(hù)的意義非常重大。因此，閃電電場變化測量儀的研究及使用很有意義。

1979年，Krehbiel等[1]最早利用平行板電容天線測量大氣電場變化在天線板上感應(yīng)的電荷量變化，進(jìn)而獲得閃電的電場變化，并提出了利用兩種不同時(shí)間常數(shù)的電場變化儀來記錄閃電電場變化的方法。在之后的幾十年內(nèi)，電場變化儀被廣泛應(yīng)用于自然閃電電場以及人工引雷電場的探測[2-8]。國內(nèi)，劉欣生等[9]研制的場強(qiáng)變化儀，其探測帶寬為0～5 kHz，時(shí)間常數(shù)為5s。張廣庶、王懷等[10-11]分別于2002年和2004年申請了“慢電場變化測量儀”和“快電場變化測量儀”的發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。郄秀書等[12]研制了時(shí)間常數(shù)為2 ms，帶寬為10 Hz～2 MHz的閃電電場變化測量儀。2012年周壁華等[13]提出了利用一臺(tái)儀器同時(shí)獲取雷電電場的快變化和慢變化波形的技術(shù)方案。Rakov等以及Thottappillil等[14-17]早期發(fā)表了使用時(shí)間分辨率較高的閃電電場變化測量系統(tǒng)觀測得到了Florida地區(qū)的正負(fù)地閃的各項(xiàng)特征。隨后，Cooray等[18]報(bào)道了利用類似的方法得到的瑞典的閃電特征。郄秀書等[19]利用時(shí)間分辨率為微秒級別的電場變化測量系統(tǒng)第一次在中國高原地區(qū)對多個(gè)雷暴過程中的正地閃和負(fù)地閃特征進(jìn)行了觀測和統(tǒng)計(jì)分析。王東方等[20-21]利用閃電電場變化測量系統(tǒng)對大興安嶺林區(qū)地閃放電特征進(jìn)行了探測和統(tǒng)計(jì)。王宇等[22]在大興安嶺林區(qū)利用閃電電場變化測量儀對正負(fù)地閃的預(yù)擊穿過程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

綜上所述，閃電電場變化探測儀相關(guān)的研究很多，但是之前的探測儀中沒有低通濾波電路，導(dǎo)致探測儀會(huì)接收到很多高頻干擾，使得主要研究頻段的電場波形失真，且積分電路的時(shí)間常數(shù)為2 ms左右，無法精確地反映亞微級別的閃電電場特征。所以本文對閃電電場變化測量儀進(jìn)行了改進(jìn)，加入了低通濾波電路，濾除了頻率在5 MHz以上的信號，設(shè)定了該新型閃電電場變化測量儀的探測范圍，大大減少了非探測波段信號干擾，簡化了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。該新型閃電電場變化測量儀中積分電路時(shí)間常數(shù)降至0.1 ms，能夠更加精確地反映亞微秒時(shí)間尺度的閃電電場特征，并且本文對測量儀進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定。本文利用該新型測量儀對南京地區(qū)2016年5月和6月發(fā)生的多個(gè)雷暴過程展開3站同步觀測，并選取了58例含有明顯預(yù)擊穿的負(fù)地閃資料，并統(tǒng)計(jì)分析了南京地區(qū)負(fù)地閃的預(yù)擊穿過程以及首次回?fù)綦妶霾ㄐ蔚奶卣?，并將結(jié)果與國內(nèi)外研究結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證本文設(shè)備的可靠性。文中統(tǒng)計(jì)的負(fù)地閃均發(fā)生在距離測站15～40 km的范圍內(nèi)，這樣盡量減小了超近距離探測時(shí)閃電電場波形主要為靜電場分量以及超遠(yuǎn)距離時(shí)預(yù)擊穿過程和回?fù)暨^程電磁波衰減不一致導(dǎo)致對統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成的影響[22]。

2 測量儀的工作原理

閃電電場變化測量儀利用與大地絕緣且水平放置的金屬圓板作為電場信號接收天線。當(dāng)探測范圍內(nèi)有閃電發(fā)生時(shí)，金屬圓板周圍的垂直電場發(fā)生變化，根據(jù)感應(yīng)原理，金屬圓板上的感應(yīng)電荷也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，通過放大電路獲取該變化的電荷信號將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，就可得到閃電引起的地面附近垂直電場變化。

測量儀的基本工作原理如圖1所示。A是金屬圓板，R和C分別是積分電路中的電阻和電感。金屬圓板通過導(dǎo)線與積分放大電路的輸入端相連接，電荷變化將以電流信號的形式進(jìn)入積分放大電路并以電壓信號形式輸出。如圖1所示，假設(shè)金屬圓板的面積為A，RC積分放大電路的電阻R和電容C跨接于放大器的輸入端和輸出端。在閃電垂直電場E的作用下，根據(jù)高斯定律，金屬圓板上將產(chǎn)生感應(yīng)電荷Q，Q=εA E，ε為真空介電常數(shù)。上述中因感應(yīng)電荷變化而產(chǎn)生電流信號i流過積分電路中的電阻R和電容C時(shí)，根據(jù)積分電路公式可知：

圖1 測量儀工作原理圖

將i=代入式(1)得：

式(2)兩邊同時(shí)乘dt再除去C得：

當(dāng)所考慮的放電過程持續(xù)時(shí)間dt?R C時(shí)，由式(3)得：

根據(jù)上式(4)可得，積分放大電路的輸出電壓與電場變化呈線性而極性相反的關(guān)系，經(jīng)過極性處理后，閃電電場變化測量儀就能夠真實(shí)反映電場波形?？芍?，圓板天線的面積和積分電路中電容C的取值將對測量儀的信號響應(yīng)能力有很大影響，天線面積越大，電容越小，測量儀靈敏度就越高。

3 測量儀的研制

3.1 新型閃電電場變化測量儀外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)式(4)可知，圓板天線的大小直接關(guān)系到測量儀的靈敏度，當(dāng)式中電容大小固定時(shí)，天線面積越大，測量儀的靈敏度就越高，但是天線的面積卻不能做得很大，因?yàn)殪`敏度越高，周圍環(huán)境中的干擾電場信號對閃電電場變化測量儀的影響就越大，當(dāng)干擾信號大到一定程度時(shí)，幅值較小的一部分閃電信號就會(huì)被干擾信號覆蓋，從而影響探測閃電電場信號。綜合考慮閃電電場變化測量儀體積和觀測距離，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測試后，決定將圓板天線直徑設(shè)為24 cm。

因?yàn)殚W電電場變化測量儀需要在雷雨天氣中使用，根據(jù)式(4)可知，測量儀的輸出信號與空氣的介電常數(shù)ε有直接關(guān)聯(lián)，而大氣濕度、溫度等會(huì)對ε的大小產(chǎn)生影響，為了保證文中閃電電場變化測量儀信號輸出的穩(wěn)定性和抗雨水干擾的能力，決定在天線上加上圓柱形保護(hù)罩，且針對保護(hù)罩是否會(huì)對天線探測造成影響做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明保護(hù)罩對新型閃電電場變化測量儀的探測性能沒有影響。圓板天線上的電荷信號會(huì)通過天線底部設(shè)置的信號傳送點(diǎn)與信號處理電路相連。圓板天線底部通過絕緣層與金屬支撐桿相連。支撐桿上掛有信號電源箱，該信號電源箱做了防水處理，箱中布置有信號處理電路、開關(guān)控制電路以及交流轉(zhuǎn)直流電源。所有信號的傳輸都采用同軸屏蔽線，經(jīng)測試，該同軸屏蔽線不僅機(jī)械強(qiáng)度高而且信號傳輸中幾乎沒有外界電磁干擾。

圖2 測量儀實(shí)物圖

3.2 新型閃電電場變化測量儀內(nèi)部信號處理電路設(shè)計(jì)

電路功能原理的框圖如圖3a所示，電路主要部分設(shè)計(jì)如圖3b所示。新型閃電電場變化測量儀的信號處理電路主要分為三個(gè)模塊，圓板天線接收到的電場變化信號會(huì)先經(jīng)過積分放大模塊，該模塊的作用在閃電電場變化測量儀原理中已經(jīng)具體介紹，即將信號積分放大并把電場信號轉(zhuǎn)化為與其線性相關(guān)的電壓信號；信號經(jīng)過放大后，再經(jīng)過低通濾波模塊，濾波模塊的作用是將不做研究的高頻電場信號濾除；經(jīng)過濾波后的信號進(jìn)入跟隨器模塊，跟隨器具有較大的輸入阻抗以及較小的輸出阻抗，可以起到承上啟下的作用，減小信號傳遞過程中的反射和損耗，保證信號的穩(wěn)定傳輸。此外，處理電路中還加入了供電保護(hù)設(shè)計(jì)，保證電路的供電穩(wěn)定。

圖3 電路原理框圖(a)和電路設(shè)計(jì)圖(b)

4 測量儀標(biāo)定

由上式(4)和電路設(shè)計(jì)可知，理論上，經(jīng)過信號處理電路的電壓信號與電場變化是線性相關(guān)的，由觀測得到的電壓信號反演出電場信號，需要確定兩者之間在頻域上的數(shù)值關(guān)系，因?yàn)殚W電電場變化測量儀對不同頻段電場信號的響應(yīng)能力是不同的，所以需要通過實(shí)驗(yàn)來確定輸出電壓與被測電場在頻域上的數(shù)值關(guān)系，并繪制出兩者的關(guān)系曲線——標(biāo)定曲線。根據(jù)金屬極板間電壓公式E=V/d，在間距為d的平行金屬板上施加交流電壓，根據(jù)上述公式可知：平行金屬板間電場的峰值為電壓峰值與間距d的比值。當(dāng)閃電電場變化測量儀處于變化的電場中時(shí)，將產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，電壓信號頻率與施加的電壓頻率一樣。所以，利用該方法得到探測范圍內(nèi)各頻率上的輸出電壓與電場的數(shù)值關(guān)系。

閃電電場變化測量儀的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)需要信號發(fā)生器、示波器、兩塊直徑一米的鋁板（其中一塊鋁板中心處有一圓形空洞）、支架、規(guī)格一致的絕緣方塊等。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)示意圖如圖4所示。

圖4 新型閃電電場變化測量儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)圖

在平行鋁板間施加交流電壓，在頻段（0 Hz～10 MHz）中選取適量采樣點(diǎn)，按照選定采樣點(diǎn)的頻率改變施加電壓的頻率，同時(shí)記錄下示波器上輸出電壓波形的頻率和峰值。文中定義頻率一定時(shí)電場峰值與輸出電壓峰值之比為兩者在該頻率上的關(guān)系系數(shù)。所繪出的標(biāo)定曲線如圖5所示，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為輸出電壓峰值與對應(yīng)電場峰值之比。由圖5可知，在低頻段（10 Hz～4 kHz），頻響曲線是快速單調(diào)上升的，在4 kHz～5 MHz主探測頻段，頻響曲線近似為一條水平線，其值保持在0.015左右，在5 MHz以后的頻段，頻響曲線快速下滑。標(biāo)定曲線是進(jìn)行電場反演不可缺少的重要部分，其優(yōu)劣決定了閃電電場變化測量儀探測精度的高低。理想情況下的頻響曲線在探測頻段內(nèi)是一條非零的水平直線，其他頻段都為零，因此，在理想情況下，整個(gè)探測頻段內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)都為一定值，所以在進(jìn)行閃電電場反演時(shí)就只需要在時(shí)域內(nèi)變換，即將探測得到的電壓波形整體除以轉(zhuǎn)換系數(shù)，就能夠得到閃電電場的波形，省去了對信號做傅里葉變換和逆變換的過程。然而實(shí)際中無法做到這點(diǎn)，所以本文通過設(shè)計(jì)電路使得標(biāo)定曲線近似“門”型，即在低頻段曲線快速上升，在主要探測頻段曲線近似為水平線，在超出探測帶寬的高頻段曲線快速下滑。在這種情況下，進(jìn)行電場反演時(shí)，需要通過分析程序?qū)Φ玫降妮敵鲭妷盒盘栕龈道锶~變換，將時(shí)域電壓信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，然后結(jié)合標(biāo)定曲線對各個(gè)頻域電壓信號進(jìn)行分段處理，再進(jìn)行整合后得到頻域的電場信號，最后將該頻域電場信號進(jìn)行傅里葉逆變換，才能得到時(shí)域中真實(shí)的電場波形，電場波形的獲得都是通過數(shù)據(jù)分析程序結(jié)合標(biāo)定曲線參數(shù)自動(dòng)完成。

圖5 新型閃電電場變化測量儀標(biāo)定曲線

5 測量儀初步應(yīng)用

2016年4 月，將新型閃電電場變化測量儀分別布置于南京信息工程大學(xué)（海拔高度約為20 m）、南京市浦口區(qū)氣象局（海拔高度約為55 m）和江寧國家氣候基準(zhǔn)站（海拔高度約為39 m），探測站分布圖如圖6所示，以檢驗(yàn)新型閃電電場變化測量儀的探測能力，探測設(shè)備采樣頻率為5 M/s。南京信息工程大學(xué)、浦口區(qū)氣象局和江寧國家氣候基準(zhǔn)站的儀器處在較為開闊的平地上，附近無高大建筑或樹木遮擋，觀測視野開闊，遠(yuǎn)離城區(qū)，周圍電場干擾也較小，是進(jìn)行閃電電場同步觀測的理想場所。

圖6 閃電探測站分布圖

2016年5月31 日，江蘇地區(qū)發(fā)生了多個(gè)強(qiáng)雷暴過程，根據(jù)雷達(dá)資料顯示，該雷暴過程于21:00（北京時(shí)，下同）在兩測站的北部地區(qū)開始發(fā)展并逐漸向測站方向移動(dòng)，23:00移動(dòng)到兩測站探測范圍內(nèi)，并繼續(xù)向南移動(dòng)，于次日03：00移出測站范圍，該雷暴在測站區(qū)域內(nèi)持續(xù)時(shí)間為6小時(shí)，31日21:00以前雷達(dá)回波范圍較小、強(qiáng)度較弱，雷暴處于初始發(fā)展階段。21:00以后，30 dBZ的回波范圍不斷擴(kuò)大，回波中心強(qiáng)度在45 dBZ以上，閃電開始連續(xù)發(fā)生且閃電頻數(shù)迅速增加。23:00時(shí)回波強(qiáng)度在35 dBZ以上的回波范圍最大，回波中心強(qiáng)度達(dá)到了50 dBZ，這說明雷暴到達(dá)測站范圍內(nèi)時(shí)已經(jīng)處于成熟階段。次日02:00以后回波范圍逐漸減弱并遠(yuǎn)離測站范圍。

此次雷暴過程中，利用三套新型閃電電場變化測量儀獲得了大量閃電同步數(shù)據(jù)。文中選出一組探測效果較好的同步數(shù)據(jù)用來反演閃電電場波形。結(jié)合標(biāo)定曲線對同步數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到同步閃電電場波形(圖7)。

圖7 反演后負(fù)地閃地面電場波形

觀察圖7可知，反演后所得的閃電電場波形一致性極好，顯然，三站反映的是同一次閃電過程。根據(jù)閃電數(shù)據(jù)時(shí)間對比2016年5月31日江蘇省閃電2D定位資料可知，圖6中的同步波形對應(yīng)一次負(fù)地閃放電過程（118.6973°E，32.3017°N，電流峰值為-18.05 A），在南京六合區(qū)內(nèi)，距離南京信息工程大學(xué)11 km左右，距離浦口區(qū)氣象局站約28 km左右，距離江寧國家氣候基準(zhǔn)站約45 km左右，由于南京信息工程大學(xué)站和浦口站的建站條件比較好，都是在地面觀測場中建立，而江寧站是建在較高的樓頂上，因此測得的電場會(huì)有所增強(qiáng)，本文中三站同步波形是沒有進(jìn)行高度同化訂正的波形，因此圖中江寧站距離此次地閃最遠(yuǎn)，但是探測得到的閃電電場幅值卻顯示最大，并且增強(qiáng)效應(yīng)主要是影響波形的幅值，不影響波形的樣子，因此也不影響本文中對波形參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。負(fù)地閃放電過程一般分為預(yù)擊穿過程、中間過程、梯級先導(dǎo)、首次回?fù)?、繼后回?fù)艉突負(fù)糸g過程等子過程。圖7負(fù)地閃電場波形中可以觀察到明顯的預(yù)擊穿、首次回?fù)艉屠^后后繼等過程（梯級先導(dǎo)過程被電場噪聲所覆蓋所以不是很明顯）。浦口區(qū)氣象局站和江寧國家氣候基準(zhǔn)站距該次負(fù)地閃過程較遠(yuǎn)，所以探測到的地閃放電電場主要以快速變化的輻射場波形為主，而南京信息工程大學(xué)站距離此次負(fù)地閃很近，所以探測到的波形以緩慢變化的靜電場為主，預(yù)擊穿和回?fù)舻冗^程的波形疊加在靜電場波形上。

6 統(tǒng)計(jì)結(jié)果與對比分析

負(fù)地閃放電過程一般分為預(yù)擊穿過程、梯級先導(dǎo)、首次回?fù)簟⒗^后回?fù)艉突負(fù)糸g過程等子過程。利用2016年5月20日—6月20日期間的雷暴過程中，浦口站（該站探測干擾最?。╅W電資料中具有明顯預(yù)擊穿過程的58例負(fù)地閃數(shù)據(jù)，對南京地區(qū)負(fù)地閃預(yù)擊穿過程和首次回?fù)暨^程的電場波形特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對比分析。

6.1 預(yù)擊穿過程特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果及對比分析

預(yù)擊穿過程是發(fā)生于云內(nèi)的初始擊穿過程。圖7中預(yù)擊穿過程（PBP）的拓展波形如圖8所示。由圖8可知首次回?fù)羟暗腜BP的電場波形由一系列脈沖寬度為微秒量級的雙極性脈沖或單極性脈沖組成。本文中統(tǒng)計(jì)的預(yù)擊穿過程主要參數(shù)有：(1)PBP中單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間t1；(2)PBP中脈沖序列間隔時(shí)間t2，即相鄰兩個(gè)脈沖前半周期峰值的時(shí)間間隔；(3)PBP總持續(xù)時(shí)間t3，即PBP中首尾脈沖的前半周期峰值間隔時(shí)間。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。

圖8 預(yù)擊穿過程同步電場波形

圖9 預(yù)擊穿過程參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖9a為PBP中單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間t1分布統(tǒng)計(jì)圖，共統(tǒng)計(jì)200例，t1時(shí)間分布范圍為6～32μs，其中分布在6～14μs之間的有60例（占30%），14～24 μs之間的有112例（占56%），24～32μs之間的有28例（占14%），算術(shù)平均值為16.9μs；圖9b為PBP中脈沖序列間隔時(shí)間t2分布統(tǒng)計(jì)圖，共統(tǒng)計(jì)150例，t2時(shí)間分布范圍為0～500μs，其中分布在100 μs以內(nèi)的有32例（占21.3%），100～250μs之間的有99例（占66%），250μs以上19例（占12.7%），算術(shù)平均值為153.2μs；圖9c為PBP總持續(xù)時(shí)間t3分布統(tǒng)計(jì)圖，共統(tǒng)計(jì)58例，t3時(shí)間分布范圍為0～22 ms，其 中 分 布 在0～6 ms之 間 的 有46例（占79.3%），6～12 ms之間的有10例（占17.2%），12 ms以上的有2例（占3.4%），算術(shù)平均值為4.2 ms。

本文中統(tǒng)計(jì)得到的PBP中單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間t1的算術(shù)平均值為16.9μs，是王宇等[22]在大興安嶺地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間8.8μs的1.9倍，是張義軍等[23]在廣州地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間21μs的80.5%，是Nag等[24]在美國弗羅里達(dá)地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間4.5μs的3.5倍。本文中統(tǒng)計(jì)得到的PBP相鄰脈沖時(shí)間間隔t2算術(shù)平均值為153.2μs，是王宇等[22]在大興安嶺地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的PBP相鄰脈沖時(shí)間間隔111 μs的1.4倍，是張義軍等[23]在廣州地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的PBP相鄰脈沖時(shí)間間隔256μs的59.8%，是Nag等[24]在美國弗羅里達(dá)地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的PBP相鄰脈沖時(shí)間間隔65μs的2.4倍。本文中統(tǒng)計(jì)得到的PBP總持續(xù)時(shí)間t3算術(shù)平均值為4.2 ms，是王宇等[22]在大興安嶺地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的PBP總持續(xù)時(shí)間4.5 ms的93.3%，是張義軍[23]等在廣州地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的PBP總持續(xù)時(shí)間5.1 ms的82.4%，是Nag等[24]在美國弗羅里達(dá)地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的PBP總持續(xù)時(shí)間3.4 ms的1.2倍。對比分析可知不同地區(qū)的負(fù)地閃PBP中單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間t1和PBP相鄰脈沖時(shí)間間隔t2存在較大差異，而負(fù)地閃PBP總持續(xù)時(shí)間t3差異不大。

6.2 首次回?fù)籼卣鹘y(tǒng)計(jì)結(jié)果及對比分析

圖7中首次回?fù)鬜1的電場拓展波形如圖10所示。觀察圖10可知，首次回?fù)綦妶霾ㄐ纬尸F(xiàn)“V”型，且上升時(shí)間和下降時(shí)間都是微秒級的，本文中統(tǒng)計(jì)了58例負(fù)地閃首次回?fù)?0%～90%上升沿時(shí)間T1和過零時(shí)間T2，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。

圖10 首次回?fù)鬜1地面電場波形

圖11 首次回?fù)暨^程參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖11a為首次回?fù)?0%～90%上升沿時(shí)間T1的分布統(tǒng)計(jì)圖，共統(tǒng)計(jì)58例，T1分布范圍為1～9μs，其中分布在0～2μs之間的有7例（占12.1%），2～4 μs之間的有32例（占55.2%），4～6μs之間的有12例（占20.7%），6～8μs之間的有6例（占10.3%），8 μs以上的有1例（占1.7%），算術(shù)平均值為3.2μs；圖11b為首次回?fù)暨^零時(shí)間T2的分布統(tǒng)計(jì)圖，共統(tǒng)計(jì)58例，T2分布范圍為0～27μs，其中分布在0～2 μs之間的有4例（占6.9%），2～4μs之間的有30例（占51.7%），4～6μs之間的有15例（占25.8%），6～8μs之間的有2例（占3.4%），8μs以上的有7例（占12.1%），算術(shù)平均值為4.7μs。

本文中統(tǒng)計(jì)得到的首次回?fù)?0%～90%上升沿時(shí)間T1的算術(shù)平均值為3.2μs，是郄秀書等[25]在甘肅中川地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到負(fù)地閃首次回?fù)?0%～90%上升沿時(shí)間4.7μs的68.1%，是王東方等[20]在大興安嶺地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的首次回?fù)?0%～90%上升沿時(shí)間1.9μs的1.7倍。本文中統(tǒng)計(jì)得到的首次回?fù)暨^零時(shí)間T2的算術(shù)平均值為4.7μs，是郄秀書等[25]在甘肅中川地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到首次回?fù)暨^零時(shí)間10.2μs的46.1%，是王東方等[20]在大興安嶺地區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的首次回?fù)暨^零時(shí)間51μs的9%。根據(jù)對比可知，不同地區(qū)的負(fù)地閃首次回?fù)舻奶卣鞔嬖诤艽蟮牟町?，甘肅以及大興安嶺地區(qū)負(fù)地閃首次回?fù)舻某掷m(xù)時(shí)間相對南京地區(qū)更久，并且由于地閃電場能量主要集中在100 kHz以內(nèi)，測量儀處理電路中濾波器的起始工作頻率為5 MHz，因此可以排除濾波器對回?fù)羯仙龝r(shí)間和過零時(shí)間的影響。

7 結(jié)論與討論

本文根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，成功研制出一種探測帶寬為10 Hz～5 MHz的新型閃電電場變化測量儀，利用三套測量儀對南京地區(qū)多個(gè)雷暴過程進(jìn)行了實(shí)際探測，并將負(fù)地閃過程的電場波形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對比分析，得到主要結(jié)論如下。

（1）減小了積分電路中的積分常數(shù)，能夠反映亞微秒時(shí)間尺度的閃電放電特征；在天線上安裝了防護(hù)罩（該防護(hù)罩對探測效果沒有影響），減少了因雷雨天氣的降水造成的干擾。

（2）通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定了新型閃電電場變化測量儀的電壓輸出信號與閃電電場信號在頻域上的數(shù)值關(guān)系。

（3）利用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行閃電電場反演，得到了一次負(fù)地閃過程的電場波形，并分析了負(fù)地閃過程中各子過程的特點(diǎn)，分析后證明該新型閃電電場變化儀能夠準(zhǔn)確反映出地閃中預(yù)擊穿過程和回?fù)舻冗^程，證明該新型閃電電場變化測量儀的可靠性。

（4）統(tǒng)計(jì)了負(fù)地閃預(yù)擊穿過程單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間t1、預(yù)擊穿過程脈沖序列間隔時(shí)間t2、預(yù)擊穿過程總持續(xù)時(shí)間t3、首次回?fù)?0%～90%上升沿時(shí)間以及首次回?fù)暨^零時(shí)間，對應(yīng)的算術(shù)平均值為：16.9μs、153.2μs、4.2 ms、3.2μs和4.7μs。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)地區(qū)的負(fù)地閃預(yù)擊穿過程和首次回?fù)綦妶霾ㄐ翁卣鞔嬖谳^大差異。

本文通過新研發(fā)的閃電電場變化測量儀，對南京2016年5月和6月發(fā)生的多個(gè)雷暴過程進(jìn)行了觀測研究，對其中的58次負(fù)地閃過程電場波形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對負(fù)地閃過程的特征有了一定的了解，但僅僅通過統(tǒng)計(jì)分析難以解析其物理本質(zhì)，通過對比不同地區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來分析負(fù)地閃波形特征有其局限性，因?yàn)橥坏貐^(qū)不同次雷暴過程中的負(fù)地閃特征也會(huì)存在較大差異，所以接下來需要布置更多測站以獲得更多地區(qū)和時(shí)間的負(fù)地閃資料，以對負(fù)地閃波形一般特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對比分析。