基于高速光学和多频段电磁场观测的闪电连接过程研究

On the basis of the observation platform and the existing equipments of SHandong Artificially Triggering Lightning Experiment (SHATLE), this project will conduct high-speed optical and multiband electromagnetic field observation on the attachment process of triggered lighting and tower lightning, and the simultaneous data of high-speed images, channel luminous evolution, electromagnetic field changes, VHF source location, and channel current will be acquired. The characteristics of channel luminosity, channel structure, and propagation speed of leaders will be studied, and the physical parameters regarding the initiation of upward connecting leader will be revealed through the data analysis. Furthermore, the dynamic interaction between downward leader and upward connecting leader will be checked. The physical model on lightning attachment process, which includes the mechanisms of sustaining development of leaders in different polarities, will be established and simulated. The prospective results will be conducive to the scientific contribution on the understanding of the lighting attachment process, and will be significant to the lightning protection design as well.

依托山东人工引发闪电实验基地现有的仪器设施和场地条件，针对人工触发闪电及基地附近高塔闪电的连接过程开展高速光学、多频段电磁辐射场综合观测，获取高速摄像、闪电通道光强演变、地面电磁场变化、VHF辐射源定位以及闪电放电电流等具有高时间分辨率的综合资料；在此基础上，分析下行和上行先导的通道亮度、通道形态、传输速度等发展特征，明确与上行连接先导起始有关的重要物理参量，研究下行和上行先导之间的动态响应和相互作用；建立和发展包含正负先导自持发展机制和影响机理的连接过程三维物理模型并进行模拟计算。研究结果不仅对于揭示闪电连接过程的详细发展特征和物理机制具有重要的科学意义，而且对于认识闪电与地物之间的相互作用，制定科学有效的闪电防护措施也具有重要的实际应用价值。

连接过程是闪电物理研究的重要内容，也是进行闪电防护设计所必需深入认识的基础问题。本项目紧扣连接过程所涉的先导发展传输特征、连接过程参量、上下行先导相互作用和影响科学问题，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、改进探测技术，进行了多视野多分辨率的高速摄像观测、闪电通道不同高度处光强瞬态演变探测、闪电近距离快慢电场变化探测、低频磁场变化探测、闪电VHF辐射源高精度定位反演、闪电通道底部电流直接测量等多手段高时空分辨率同步探测，获得了一批高质量的观测数据，并基于综合资料分析研究，取得了以下几个方面重要进展：1）揭示了自然下行负梯级先导分叉和蜿蜒曲折发展的物理机制，负先导前方多个“空间先导”集簇出现并与先导主通道依次连接、持续发展，是导致闪电形成多分支通道并蜿蜒曲折前行的物理根源，研究定量给出了空间先导发展方向的概率密度分布。2）首次揭示了正先导在自持传输阶段的梯级跳跃式发展传输特征，发现正先导梯级间隔达53.7 μs；同时，首次定量给出了上行负先导初始梯级与分叉过程的研究结果，发现负先导起始的梯级过程传输的电荷量约为正先导梯级过程的10倍。3）得到下行先导发展至近地面的传输特征及其诱发上行连接先导的相互作用特征和连接高度参量，负地闪首次回击的连接高度在50 m量级，下行梯级先导的丰富分叉可引发多处上行连接先导，接地位置不仅与连接先导起始的先后有关，也受到下行分叉发展强度的影响。4）理论归纳了负梯级先导发生分叉的两种基本物理过程，新生成的通道分叉的进一步发展存在一定交替性；建立了具有观测事实基础的正先导的梯级过程物理机制模型，与负先导不同，正先导梯级形成主要包含“头部电荷聚集—跳跃—停顿”三个主要阶段。研究结果澄清了对闪电连接过程一些重要问题的认识，增进了对闪电物理机制的客观理解，并可为闪电防护技术的改进提供科学依据和参考。