基于北京325米气象塔的亚微秒分辨率雷电综合观测及物理过程研究

The synchronous observation in sub-microsecond resolution on the channel base current, the electromagnetic field and the high speed optical features of the natural lightning flashes striking at the 325 m meteorological tower in Beijing will be conducted by using the equipments of current measurement with data transmitted via fiber-optic link system, fast antenna and slow antenna for measuring electric field changes，magnetic field measuring facility, electric field mill，two high speed cameras in the nearly perpendicular direction and high-speed data recording equipments. Discharge current and characteristic parameters of natural lightning striking at the tower will be summarized and analyzed. To pursue the difference between the positive and negative leader and the reason of producing the difference, and to reveal the possible mechanism of leader propagating, the developing and propagating characteristics of them are analyzed, compared and theoretically studied, and the physical model of the leader are expected to be revised based on the observational results. In order to comprehend more about the initializing and developing physical process of the steamer and upward (attachment) leader initiated from the lightning rod at the top of the tower，and understand the attachment mechanism, the starting development process of the upward lightning and the grounding process of the downward lightning induced by the meteorological tower will be studied by comparing the initial processes and developing characteristics of the steamer and the transforming condition from steamer to leader. The results of this study are not only scientifically significant for well understanding the physical process and mechanism of lighting discharges, but also practically important for developing and improving of lightning protection techniques.

本项目拟使用光纤传输电流测量系统，快、慢天线电场变化仪，磁场测量仪，大气平均电场仪，基于正交方向上的两套高速摄像系统，以及亚微秒时间分辨率的高速大容量数据记录设备等，对击中北京325米气象塔的自然闪电进行电流、电场、磁场和光学同步综合观测，总结击中气象塔的自然闪电放电强度及特征参数；对正、负先导时空发展过程及传输特征进行分析、比较和理论研究，寻找正、负先导的异同及其产生原因，揭示先导的发展传输机制,修正先导物理模型；对气象塔诱发的上行闪电起始发展过程和下行闪电接地过程进行研究，对比分析两种不同条件下塔顶引雷针尖端产生流光的始发条件和发展特征，以及流光向先导的转化条件等，揭示流光和上行（连接）先导的激发和发展物理过程，并探讨闪电连接过程的物理图象和机理。本项目对深入认识和理解闪电放电物理过程和放电机制等具有重要理论价值和科学意义，对闪电防护技术发展和改进也具有重要实际应用价值。

本项目基本按照计划书规定的内容开展研究。实验方面，实现了气象塔雷电电流直接观测；实现了对高塔闪电三维空间光学探测、电流探测、电场、磁场的综合同步探测。四年观测到击中气象塔的闪电共19例，获得了一批高质量气象塔闪电综合同步观测资料。基于已积累的资料和新获取的资料，对气象塔闪电的光学和电学特征、上行闪电起始以及发展传输的特征、上行先导的梯级发展特征进行了分析和总结，对先导回击模型进行了模拟研究；对高塔闪电的产生机理、激发机理、先导的梯级发展物理机制进行了研究，取得了一些突破性进展；并对闪电的接地过程中的先导发展特征及避雷针对回击接地点的改变的影响进行了探讨性分析和研究。取得的重要研究成果如下。（1）正先导精细梯级传输特征。研究并得出气象塔上行闪电正先导发展的精细梯级传输特征，研究发现，每一个梯级过程中先导头部以出现一个明显的“电晕刷”开始。（2）梯级先导发展物理机制。结合上行闪电正先导头部出现明显的“电晕刷”现象进行了深入分析和研究， 将先导的每一个梯级过程分成四个阶段，从理论角度阐述了梯级发展的物理过程。(3) 高塔上行闪电的产生机理。 通过对雷电的成因分析，认为云内水平通道的负先导过程的接近是高塔闪电的上行先导产生和发展的重要条件。(4) 高塔闪电的激发机制。相应雷暴的雷达回波表明，气象塔上的他激闪电倾向于在雷暴消散阶段发生，当雷暴进入成熟期时，自激闪电更有可能发生。（5）接地过程研究。结合一个打到避雷针的自然闪电观测，研究了避雷针对先导的影响作用及回击接地点改变原因。上述观测及研究是雷电物理观测研究中的新发现，该项目研究结果为更加深入细致闪电的发生、发展、接地等过程，揭示其物理机制具有重要理论价值和科学意义，气象塔闪电观测资料对于我国电子、电力、通讯设备、高建筑物雷电防护技术的改进和设计、北京地区大气活动的综合观测研究等具有实际应用价值。