基于闪电甚高频辐射源定位的云内放电K过程研究

The K process is a common intracloud discharge event observed in lightning flashes. Because it occurs inside the cloud and lasts for a short time, the physical mechanism of K process is still unclear. Based on the observation platform and the existing equipments of SHandong Artificially Triggering Lightning Experiment (SHATLE), this project will develop the two sites observation of short-baseline lightning very high-frequency (VHF) radiation location systems with continuous signal acquisition, combining with simultaneous observations of electric field changes and low-frequency (LF) magnetic field measurements. The locating observation for both of the rocket-triggered lightning and natural lightning flashes will be with high precision and high temporal and spatial resolution, and the simultaneous data of the progression of K process discharge channel and LF/VHF electromagnetic field will be acquired. The characteristics of channel structure and propagation speed of leaders for both positive and negative K processes will be studied, the difference and contacts with these two types of K processes will be revealed, and the spectra characteristics, emission mechanisms for different spectral bands will be investigated. Furthermore, the physical model on K process will be established to explain the progression of K processes in different polarities based on the bi-directional leader concept. The prospective results will be conducive to the scientific contribution on the understanding of the lighting discharge process in different polarities, and will be practically important for studying the principle and improving the protection design for lightning electromagnetic pulse and as well.

K过程是闪电放电过程中发生的一种常见的云内快速击穿放电事件，由于发生在云内且持续时间短，目前对其物理机制认识不清。本项目拟依托山东人工引发闪电实验基地现有仪器设施和场地条件，发展完善连续采集的短基线闪电甚高频（VHF）辐射源定位系统双站观测，结合电场变化及低频（LF）磁场同步测量，实现对人工触发闪电、自然闪电放电过程的高精度高时空分辨率三维定位观测，获得K过程通道发生发展和LF/VHF电磁场辐射的综合同步观测资料。分析正、负极性K过程通道形态、传输速度等时空发展特征，明确不同极性K过程发生发展过程的差异及相互联系，探讨不同频段电磁场频谱特征、辐射机制及相互联系；在双向先导发展模型基础上，建立理论模型揭示K过程发生发展物理机制。研究结果不仅对深入认识雷暴云内正、负极性击穿放电过程的发生发展规律及物理机制具有重要的科学意义，而且在雷电电磁脉冲防护原理研究及措施制定方面也具有重要的实际应用价值。

K过程是闪电放电过程中的一种多发快速放电事件，常发生于云闪中后期或地闪回击之后，低频电场表现为台阶变化，并伴随较强的高频辐射。目前，由于云内K过程收到云层遮挡且发展速度快，有关K过程放电的高时空分辨率定位资料较少，其发生规律、发展特征及物理机制仍不明确。随着探测技术的进步，使用VHF干涉仪定位系统可以计算获得高时空精度的闪电辐射源时空演变特征。针对K过程的发展速度、放电尺度等放电特征，国内外已经做了大量的观测研究工作且取得一定成果，通常认为是一种在已有击穿通道内快速发展的负反冲先导。为了进一步解决K过程发生规律、通道特征及物理机制的科学问题，发挥VHF干涉仪在小尺度快速击穿过程的定位反演优势，基于中国科学院大气物理研究所在山东沾化建立的人工引发雷电实验基地，开展人工引雷和自然闪电综合观测实验，发展、改进原有闪电短基线VHF干涉仪定位系统，设计实施多站闪电短基线VHF干涉仪协同观测，发展闪电VHF辐射源高精度三维定位反演算法，结合闪电高速摄像观测、快慢电场变化及磁场探测等多手段，获得了一批高质量的闪电放电高时空分辨观测数据；基于综合资料分析研究，观测到多例在已电离通道内形成的一种新的双向反冲先导过程，与一般反冲先导中负极性先导分支沿已电离的正先导通道反冲传播，正极性先导继续向前传播恰好有相反的极性。已衰减的先导通道可能相当于一个空中导体，双向先导在雷暴电场作用下激发并在已电离通道内发展。双向先导的正先导端沿负先导的已电离通道反向发展，同时负先导分支向下传播。理论归纳了双向反冲先导的基本物理模型，与通常的负极性反冲先导不同，正极性反冲先导中止后可能引发更为快速的负极性先导沿着相同的放电通道再次击穿。研究结果补充了对闪电K过程即反冲先导一些重要过程的认识，深化了对闪电物理机制的客观理解，并为闪电放电过程的研究提供了重要的定位技术及观测手段。