人工触发闪电上行正先导始发、传输及辐射过程观测研究

An important but fundamental question in lightning studies concerns how lightning upward positive leader incept, propagate and radiate. There is insufficient understanding on initiation condition, propagation law and radiation mechanism due to a lack of direct measurement data and a limit of observation techniques. Based on the technology of artificially triggered lightning, this study will conduct detailed comprehensive observation by using continuous broadband interferometer, direct measurement of lightning current (coaxial shunt), synchronous high-speed video, and close networking observation of ground electric field change. The high-precision optical and electrical data, including electric field, current and high speed images, and continuous location data of radiation sources are acquired. The research focuses on the inception characteristics, propagation law and radiation feature. Based on the observation facts on the key physical parameters of upward positive leader initiation, the self-consistent propagation model of upward positive leader is developed. The condition for inception, continuous propagation and radiation mechanism of upward positive leader are investigated. This study is not only benefit to the enriching of our knowledge about the inception condition, propagation process and radiation law of upward positive leader, but also benefit to the understanding of the connection process in a natural cloud to ground flash. Furthermore, the study also can provide potential application for the development of lightning protection method.

闪电上行正先导激发、传输以及辐射特征一直是雷电物理研究中非常重要的基础性问题。但是由于直接观测资料的不足和观测手段的限制，对其始发条件、传输规律及辐射机制的认识还不够深入。本申请基于人工触发闪电技术，利用连续宽带干涉仪、电流直接测量装置（同轴分流器）、高速摄像以及闪电电场变化多站组网观测等观测手段，开展人工触发闪电上行正先导的精细化综合观测，获取上行正先导精细化光、电（电场、电流、高速摄像）及辐射源连续定位资料，研究上行正先导的起始特征、发展传输规律和正先导辐射特征；基于上行正先导始发关键物理参量的实际观测结果，建立上行正先导自持发展模式，探讨上行正先导的激发及连续传输条件和辐射机制。这不仅对正先导始发条件、传输物理过程和辐射规律的理解具有重要的科学意义，而且有助于深化对地闪中连接过程的认识，对雷电防护技术的发展也具有重要的实际意义。

无论是下行负地闪还是负极性上行闪电，上行正先导都是其重要的放电过程，关系到地闪能否发生以及在什么位置发生，是雷电物理及防护研究中一直关注的重要问题。项目组从提升探测定位能力、开展精细化观测试验、深入分析及模拟上行正先导放电物理过程等方面开展了研究，基本完成了研究目标。1）开展了3年度的人工触发闪电试验，成功触发闪电74次。基于发展的连续宽带干涉仪、低频电场探测阵列、电流直接测量装置以及近距离光学观测手段，开展了人工触发闪电上行正先导的精细化综合观测，获得了上行正先导精细化光、电、磁信号及辐射源连续定位综合资料。2）针对触发闪电上行正先导始发阶段放电信号弱、始发阶段持续时间长的特点，研究发展了探测定位新技术，提高了弱电流和磁场的探测能力、高时间分辨率的甚高频辐射源定位能力以及基于低频信号组网的精细化定位能力。3）基于精细化波形及定位数据的分析，研究了触发闪电的上行正先导始发特征，给出了始发过程中的电流信号演变规律，揭示了始发过程中的开始激发-不稳定先导-稳定先导的发展演变过程。4）针对上行正先导自持发展后的过程，通过磁场及辐射定位结果分析，研究了自持发展后的放电特点，揭示了先导发展的辐射形态和发展传输特征。5）初步建立了上行正先导自持发展模式，结合上行正先导始发过程的关键物理参量的实际观测结果，分析给出了上行正先导始发不同放电阶段（在信号上表现为先驱电流脉冲PCP、先驱电流脉冲簇PCPs以及始发先驱电流脉冲SPCP）发展转换的阈值。6）基于本项目的探测技术、观测试验和获得的数据，共发表文章17篇，其中SCI文章12篇，中文核心文章5篇，培养硕士研究生2名，博士研究生1名，获授权国家发明专利2项。该项目的完成，不但深化了我们对正先导始发及稳定传输条件、精细的发展传输特征以及辐射机制等方面的认识，也提升了闪电放电过程的精细化探测定位能力。