基于高灵敏磁场测量的人工引雷上行正先导辐射和发展特征研究

The characteristics of radiation and development of positive leaders are fundamental research contents in lightning physics, but current research is still insufficient for lacking of high quality observation data. Rocket-triggered lightning provides a good opportunity for the comprehensive observations of upward positive leaders, and with the application of the sensitive magnetic sensor, we can clearly detect the weak discharge processes associated with the positive leaders. Relying on the triggered lightning experiment performed in the Field Experiment Base on Lightning Sciences, China Meteorological Administration (CMA-FEBLS), the project plans to investigate the characteristics of radiation and development of upward positive leaders. In addition to the measurements of sensitive magnetic fields mentioned above, the synchronous observations also include the channel-base current, high-speed video and the locations of radiation sources that are located by the continuous interferometer and GD-LMA (Guangdong Lightning Mapping Array). Considering that positive leaders radiate less HF/VHF signals than negative leaders during the development process, we will focus on the characteristics of LF/MF radiation of upward positive leaders in this project. Furthermore, combing with the charge structure of thunderstorm, we will investigate the development mechanism of upward positive leaders during the stage of initial continuous current. Since the upward lightning flashes from tall structures develop the similar upward leader process as the rocket-triggered lightning, the proposed study is also useful to reveal the physical processes of natural upward lightning.

正极性先导的辐射和发展特征是闪电物理研究中有待深化的基础性内容。人工引雷为上行正先导的综合观测提供了非常好的条件，而高灵敏磁场天线作为一种优势明显、极具特色的测量手段，能够观测到人工引雷上行正先导的弱放电过程。本项目拟依托中国气象科学研究院在“中国气象局雷电野外科学试验基地”开展的综合观测试验，基于高灵敏度磁场测量，同时结合已有的雷电流测量、快慢天线、高速摄像、连续干涉仪和GD-LMA等先进探测手段，开展对人工引雷上行正先导的综合观测。与负先导相比，正先导发展伴随的高频、甚高频辐射相对较弱，因此本项目将重点关注人工引雷上行正先导在中低频段的电磁辐射特征；此外，在已知当顶雷暴云大致电荷结构基础上，本项目拟揭示人工引雷上行正先导在初始连续电流阶段的发展机制。由于高建筑物上行闪电中存在与人工引雷相类似的初始过程，因此本项目研究对于深化理解自然上行闪电物理机制及其电磁辐射效应也有着重要的科学意义。

作为一种持续击穿的电荷传输过程，先导的激发和传播一直是闪电研究中的基础性问题。人工引雷通常发生在地面电场受当顶雷暴云中的负电荷控制的情况，即由上行正先导始发。结合针对性极强的场地观测试验，人工引雷为上行正先导的研究提供了非常好的条件。高灵敏磁场天线作为一种优势明显、极具特色的测量手段，能够有效解析出人工引雷上行正先导的弱放电过程。本项目依托中国气象科学研究院在“中国气象局雷电野外科学试验基地”开展的综合观测试验，基于高灵敏度磁场测量，同时结合已有的雷电流测量、快慢天线、高速摄像、连续干涉仪和GD-LMA等先进探测手段，开展了针对人工引雷上行正先导的综合观测。本项目3年执行期间，在中国气象局闪电野外科学试验基地共成功触发闪电20次，获得了大量的高灵敏度和高精度人工引雷上行正先导综合观测资料，通过对比低频磁场和甚高频电场信号，发现上行正先导的甚高频辐射发生在低频磁场辐射最开始的阶段，表明低频辐射是由甚高频辐射所对应击穿过程之后的电流传播过程产生，揭示了不同频段的辐射信号对应了不同的放电过程；通过将低频磁场天线的带宽拓展至中低频段，首次解析出了触发闪电信号平静期内的磁场脉冲，表明“梯级”传播形式是上行正先导的一般发展特征，另外研究发现平静期内磁场脉冲与以往观测到的爆发式磁场脉冲具有相同的产生机制，即先导头部“米”量级的放电，不过由于两种信号产生时所处的电场环境不同，幅值差异较为显著；另外，通过设定针对性的观测，证明人工引雷爆发式先导是普遍存在的一种现象，利用电磁辐射模型开展针对爆发式磁场脉冲的模拟，表明爆发式先导的放电强度在千安培量级，相应的脉冲式电荷传输过程主要存在于先导头部几米的范围，之后这种脉冲被高阻抗先导通道衰减，转化成低频的辐射形式。项目的研究结果揭示了上行正先导的起始特征、发展传输规律和电磁辐射特征，深化了对闪电物理和辐射传输机制的认识。