基于人工引发闪电的多频段辐射特征和放电机理研究

基于改进的火箭-导线人工引发闪电技术和先进的高时间分辨率多频段综合测量系统，开展传统和空中人工引发闪电实验，获取放电通道底部电流波形,15m、30m、60m和500m四个距离上的闪电电场变化，近距离磁场，甚高频电磁辐射和放电通道发光特征的高速演化图像等多参量综合同步观测资料；研究正极性先导发展的物理图像和传输特征，揭示正先导与负先导发展的微观物理机制异同；基于导线不直接接地的空中引雷技术，研究揭示下行负先导和上行连接正先导的连接过程和物理图像；研究先导-回击过程、连续电流过程和M-分量过程三种云-地间电荷转移模式的物理特征和机制差异，分析各放电阶段闪电通道电流、近距离电磁场、通道发光等特征及相关物理参量之间的关系。研究结果不仅对揭示闪电放电过程的物理机制有重要的科学意义，而且对了解闪电与地面物体的相互作用，制定科学的闪电防护措施也有重要的实际应用价值。

闪电发展传输特征和放电机理是闪电物理研究的重要内容，也是闪电防护设计的重要基础。本项目通过开展基于专用引雷火箭--导线技术的人工引发闪电实验和综合观测研究，在4个方面取得了重要进展：1）改进闪电探测技术，对引发闪电和自然闪电进行高时间分辨率综合探测，获得了闪电通道底部电流、近距离地面电场变化、磁场、高速光学、短基线VHF辐射源定位等多频段、多参量综合同步探测资料。2）研究了闪电正、负先导发展特征，发现从火箭顶端起始向雷暴云发展的上行正先导速度在10^5m/s的量级，正先导在起始阶段具有类似于负先导的梯级传输特征，并产生具有一定时间间隔的脉冲电流和台阶状地面电场变化；而由云中向下发展的负极性直窜先导的二维传输速度在10^6-10^7m/s的量级，继后回击中先导起始辐射源位置随回击数增加向其他电荷区域延伸；研究还首次揭示了自然闪电发展过程中存在的正、负极性先导双向传输的直窜先导；提出了多接地点的两种形成机制：云内初始击穿的不同放电通道发展出云形成不同通道先后接地，或者同一梯级先导的不同分叉通道先后接地。3）揭示了对地连接过程的物理图像，发现负地闪首次回击连接高度在50 m左右；与常规只有几米的直窜先导连接过程不同，发展速度达10^7m/s量级的直窜先导可产生具有不规则特征的电场变化，连接高度可达百米量级，并引发强烈的继后回击。4）对ICC脉冲、M分量、回击等几种不同脉冲类云对地电荷转移过程进行了系统研究；发现了一种具有回击和M-分量特征的混合型云对地电荷转移方式；建立了更接近实际的M分量演化和对地电荷转移过程的物理模型。目前为止，项目在JGR、AR等刊物上共发表论文16篇，其中SCI收录论文11篇，EI收录论文3篇，国内核心期刊收录论文2篇；另有国际会议收录论文3篇，获得软件著作登记权2项，申请发明专利1项，授权实用新型专利1项。项目共培养博士后1名，博士生9名，硕士生2名；1人获2014年国际雷电防护会议（ICLP）青年科学家奖，1人获中科院院长奖学金优秀奖、“亚太国际雷电会议”最佳学生论文奖。