气象学报  2016, Vol. 74 Issue (5): 655-671   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.051
中国气象学会主办。
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张义军, 吕伟涛, 陈绍东, 郑栋, 张阳, 颜旭, 陈绿文, 董万胜, 但建茹, 潘汉波 . 2016.
ZHANG Yijun, LV Weitao, CHEN Shaodong, ZHENG Dong, ZHANG Yang, YAN Xu, CHEN Lvwen, DONG Wansheng, DAN Jianru, PAN Hanbo . 2016.
广东野外雷电综合观测试验十年进展
A review of lightning observation experiments during the last ten years in Guangdong
气象学报, 74(5): 655-671.
Acta Meteorologica Sinica, 74(5): 655-671.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.051

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2016-03-08 收稿
2016-05-20 改回
广东野外雷电综合观测试验十年进展
张义军1, 吕伟涛1, 陈绍东2, 郑栋1, 张阳1, 颜旭2, 陈绿文2, 董万胜1, 但建茹3, 潘汉波3     
1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室, 北京, 100081;
2. 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室, 广州, 510080;
3. 从化市气象局, 广州, 510900
摘要: 雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。
关键词雷电     野外观测试验     人工触发闪电     雷电物理过程     雷电防护    
A review of lightning observation experiments during the last ten years in Guangdong
ZHANG Yijun1, LV Weitao1, CHEN Shaodong2, ZHENG Dong1, ZHANG Yang1, YAN Xu2, CHEN Lvwen2, DONG Wansheng1, DAN Jianru3, PAN Hanbo3     
1. Laboratory of Lightning Physics and Protection Engineering/State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Guangzhou Insititute of Tropical and Marine Meteorology/Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, CMA, Guangzhou 510080, China;
3. Conghua Meteorological Bureau, Guangzhou 510900, China
Abstract: Lightning field experiment is an important approach to understand physical processes involved in the occurrence and development of lightning as well as its disaster-causing mechanism. It is also an important way to carry out tests of lightning protection technology under real lightning electromagnetic environment. Since 2006, comprehensive lightning field observation experiments have been jointly conducted by Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau. Research results of physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as tests of lightning protection technology are reviewed in this paper. A total of 94 flashes were successfully triggered during the ten-year period, and the maximum and average peak current of return stroke is 42 kA and 16 kA, respectively. Types and difference characteristics of electric field change pulse involved in the preliminary breakdown process of natural lightning are analyzed. It is found that the length of upward connecting leader initiated from tall structures can be several hundred meters or even more than 1 km, and its speed can reach up to the magnitude of 106 m/s. Great diversity is found in the attachment of downward leader and upward connecting leader. Tests of lightning protection technology show that the voltage on the overhead lines induced by close-distance electromagnetic wave coupling from artificially triggered lightning could be up to the magnitude of kV. Multiple return strokes, continuing current and ground potential rise are the main factors that cause damages to surge protective device (SPD). Results of performance evaluation for the Lightning Location System of Guangdong-Hongkong-Macau show that the detection efficiency of flash and stroke are 96% and 89%, respectively; the arithmetic mean value of location error is 532 m; the estimated value of return stroke current intensity is about 63% of the true value.
Key words: Lightning     Field observation experiment     Artificially triggered lightning     Lightning physical process     Lightning protection    
1 引言

雷电的发生可以产生大电流和强电磁辐射从而造成人员伤亡和各种严重的灾害,但至今对雷电发生、发展物理过程、地闪连接过程及其成灾机理等科学问题的认识仍不清晰,其主要原因在于雷电的发生具有很大的随机性和瞬时性,研究难度大,需要大量的野外观测。近年来,国际上已开展了多个雷电综合观测试验,如美国2010年开始实施的DARPA NIMBUS观测计划,研究内容包括雷电起始、传播、连接过程;雷电在中高层大气中的电效应;雷电的高能辐射特征和机理;雷电灾害防御措施等(Gamerota et al, 2014Cummer et al, 2015)。因为人工触发闪电可直接测量雷电流,并对闪电放电进行可控观测,是雷电物理研究和雷电防护机理及技术研究的一个重要手段。美国在佛罗里达建有国际雷电研究和测试中心(ICLRT),从1993年开始开展人工触发闪电、自然闪电的观测研究和各类防护测试试验(Uman,2008;Rakov et al, 2012Dwyer et al,2014);巴西和法国也合作开展了多年的人工触发闪电和自然闪电观测试验(Pinto et al, 2005Visacro et al, 2012)。中国针对雷电物理过程研究一直在开展相关的观测试验,如中国科学院大气物理研究所在山东滨州一直在持续开展人工触发闪电试验,揭示了人工触发闪电先导发展传输物理过程,获得了雷电流直接测量参量(Qie et al,2007, 2009, 2011);中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在青海大通开展了自然闪电放电过程的多站观测试验,给出了闪电放电通道发展三维结构和传输特征(Zhang G S et al,2010Li et al, 2013);目前正在进行国家973项目“雷电重大灾害天气系统的动力—微物理—电过程和成灾机理”(Qie et al,2014b),其中雷电物理过程和成灾机理研究是一项重要内容。已开展的雷电观测试验进一步增进了人们对雷电发生、发展物理过程的科学认识,如观测发现闪电放电过程可以产生高能辐射,闪电的发生可激发中高层放电(Dwyer et al,2014),对电离层产生影响(Shao et al, 2013),特别是最近利用甚高频定位技术发现闪电初始击穿过程是由正先导引发(Rison et al, 2016)。为了深入认识雷电放电物理过程和成灾机理,中国气象科学研究院和广东省气象局合作,建立了广州野外雷电试验基地,自2006年开始每年夏季开展广东雷电野外综合观测试验(GCOELD),其主要目的包括4个方面:(1)人工触发闪电物理过程研究;(2)高建筑物雷电物理过程研究;(3)雷电防护测试试验应用研究;(4)雷电定位系统探测性能评估方法研究。本文综述了十年试验的主要进展。

2 试验布局和测量设备

观测试验在广州野外雷电试验基地开展,主要由3个观测站组成,观测站1设在广州市从化区气象局,主要针对自然闪电放电的光、电、磁特征开展综合观测,同时兼顾人工触发闪电的观测和雷暴天气的监测,主要观测设备有:大气电场仪(采样率为每秒1次)、闪电快电场变化测量仪(时间常数为2 ms,带宽为1 kHz—2 MHz)、慢电场变化测量仪(时间常数为6 s,带宽为10 Hz—3 MHz)、磁场测量仪(带宽为100 Hz—5 MHz)、光辐射测量仪、闪电宽带频谱仪、闪电宽带干涉仪、高速摄像机等。观测站2位于广州市从化区北部,主要开展人工触发闪电及其防护测试试验,两个测站相距约8.4 km。图 1是测站2人工触发闪电试验场布局照片,在测站2有6个火箭架用于人工触发闪电,建有4要素自动气象站、风力发电机模型、通讯基站、200 m长的10 kV高压输电线、1.3 km长的低压配电线以及100 m的网线等测试设施。主要测量设备有:人工触发闪电电流测量系统,其传感器采用1 mΩ精密电阻(同轴分流器),带宽为200 MHz,上升沿为1.8 ns。分流器的输出电压由光隔离系统进行数据采集和传输,在控制室进行数据记录和存储。所采用的光隔离系统进行过2次升级,2008年之前的带宽为10MHz,2008—2011年的带宽为20 MHz,2012年之后的带宽为25 MHz。记录系统在2012年之前采用的是日本横河DL750示波记录仪,采样率为10 MS/s,在2012年之后采用的是HBM Gen 5i,采样率最高为100 MS/s。考虑到闪电不同放电阶段电流的大动态范围,电流测量系统设置了±2和±50 kA两种量程。触发闪电通过一“田”字形、外边长为10 m、深度为1 m、接地电阻为6.7 Ω的地网入地。大气电场仪、快电场变化测量仪、慢电场变化测量仪、磁场测量仪分别用于测量地面大气电场强度、闪电电场变化和磁场变化。闪电在线路上产生的感应电压采用阻容式分压器测量,其分压比分别为204.9:1和203:1,感应电流的测量采用皮尔森线圈,带宽为150 Hz—150 MHz。感应电压和电流信号的采样率为5 MS/s,经光纤隔离系统传输到计算机,记录长度0.8 s。在距离测站2约2 km的一建筑物顶上建立了光学观测室,用于人工触发闪电和自然闪电的光学观测。观测室内安装有高速摄像机、雷电连接过程观测系统(LAPOS)及普通摄像、照相机。测站3设在广州市一高100 m的建筑物顶,距离测站1约70 km,主要针对击中高建筑物的闪电开展观测,该站也被称为广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)(Lu et al, 2010, 2012)。观测站的主观测点架设了多种观测仪器,包括大气平均电场仪、快电场变化测量仪、慢电场变化测量仪、磁场测量仪、麦克风阵列、普通摄像机、高速摄像机和雷电连接过程观测系统等,针对不同视野设置了不同高速摄像的采样率,分别为1000、10000、50000帧/s。另外还建有一个辅助观测点,两站相距约4.8 km,架设了普通摄像机,与主观测点的光学观测系统相配合,对视野范围交叉区域内的高建筑物上的闪电进行双站光学观测和三维通道的重构(Lu et al,2015Gao et al, 2014; 高彦等,2015)。

图 1 人工触发闪电试验场布局照片(a)和通信基站上的触发闪电照片(b) Figure 1 Photographs of the experiment field for lightning-trigger (a) and the triggered lightning connected on the iron tower at the wireless communication base station (b)
3 试验和结果 3.1 人工触发闪电试验和雷电电流特征

广东雷电野外综合观测试验中,采用火箭-导线技术开展了人工触发闪电试验(Zhang Y J et al,2014),触发方式采用了火箭携带导线接地的地面触发方式和导线通过一段尼龙线接地的空中方式。2006—2015年共成功实现人工触发闪电94次,其中地面方式触发闪电81次,空中方式触发闪电13次,包括采用地面方式时火箭上升过程中接地导线被拉断而形成的3次空中触发闪电。其中2011—2013年的试验中,还成功将8次触发闪电引到15 m高的通讯塔顶上,并在塔顶测量了雷电流。图 1b是通讯基站上的触发闪电照片。2010—2012年,绝大多数火箭携带的金属导线是铜丝,其他年份为钢丝。试验中,除2015年在地面为正电场的条件下获得一次仅有初始连续电流过程的由上行负先导起始的触发闪电外,其余均是地面电场为负极性情况下由上行正先导起始的负极性触发闪电,其中包括一次反常的触发闪电事件(Zheng et al,2012)。人工触发闪电电流测量系统如图 2所示。6枚火箭安装在与地绝缘的火箭发射架上(图 2b),火箭下部线轴上的金属导线与引流杆(图 2a)直接连接,通过位于控制室的火箭发射控制装置(图 2c)发送光信号控制火箭的点火,当闪电成功触发时,电流经过同轴分流器流入地面(图 2d)。

(a.外部设备, b.火箭和点火系统, c.火箭发射控制器, d.闪电电流测量设备; 引自Zheng et al, 2013) 图 2 广东雷电野外综合观测试验的人工触发闪电系统 Figure 2 Artificial lightning-trigger system of GCOELD

图 3是2009年6月22日一次触发闪电电流波形,包括上行先导连续发展之前的先驱脉冲(PP)、上行先导连续发展以及初始阶段(IS)电流(某些初始阶段电流上叠加有初始连续电流脉冲(ICCP))、初始阶段停止一段时间后(通常几毫秒至几十毫秒)先导-回击过程引起的回击(RS)电流以及可能叠加在回击电流之后连续电流之上的M分量电流脉冲。触发闪电过程类似自然上行闪电过程,其不包含自然下行地闪的首次回击,但触发闪电回击过程与自然闪电的继后回击过程类似(Rakov et al,2003)。

(a.整体电流波形(由大量程通道测量), b.先驱脉冲电流, c.初始阶段电流和初始连续电流脉冲, d.回击电流及其后连续电流上叠加的M分量电流; 其中, 图a、d中的电流波形由大量程通道采集, 图b、c的电流波形由小量程通道采集) 图 3 经典人工触发闪电(2009年6月22日16时32分47秒)电流波形 Figure 3 Current waveforms of classical artificially triggered lightning at 16:32:47 BT 22 June 2009

表 1给出了2008—2014年人工触发闪电主要放电过程的电流特征参数统计结果,主要包括:样本数(N),峰值电流(Ip)、平均电流(Ia)、电流幅值(A)、10%—90%上升时间(T10—90)、半峰宽度(THPW)、持续时间(D)、转移电荷量(Q)。

表 1 2008-2014年人工触发闪电放电电流参量几何平均值统计结果 Table 1 Statistical results of artificially triggered lightning current parameters during 2008-2014
放电子过程NIpIaAT10-90THPWDQ
先驱脉
冲电流
单极性21826 A--0.33 μs0.73 μs-27 μC
双极性7867 A--0.24 μs0.70 μs-54 μC
初始阶段电流33-150 A---290 ms44 C本研究
3796 A279 ms27 C Wang等(1999)
初始连续
脉冲电流
528--69 A-1.5 ms3.5 ms-本研究
230.09 kA437 μs712 μs0.1 CYang等(2010)
113 A
(N=296)
464 μs
(N=267)
943 μs
(N=247)
2.59 ms
(N=254)
Miki等(2005)
回击电流10616 kA--0.4 μs19 μs-1.43 C*本研究
3612.1 kA1.9 μs14.8 μs0.86 CYang等(2010)
12.2 kA
(N=165)
0.9 μs
(N=81)
19 μs
(N=142)
1 C
(N=151)
Schoene等(2009)
M分量374--195 A379 μs638 μs-107 mC本研究
63276 A251 μs242 μs1.21 ms101 mCJiang等(2013)
117 A422 μs816 μs2.1 ms129 mCThottappillil等(1995)
*: 1 ms内中和电荷量

广东雷电野外综合观测试验中获得两种先驱电流脉冲波形,其中,对应钢丝导线为单极性单峰脉冲,对应铜丝导线为双极性振荡型脉冲,其中铜线的双极性脉冲特征与Lalande等(1998)展示的先驱脉冲类似。对218例单极性和78例双极性先驱脉冲(第1个峰)的特征进行统计(表 1)发现,双极性先驱脉冲的峰值电流以及中和电荷量大于单极性先驱脉冲相应值的2倍,双极性先驱脉冲上升时间更快,但两种先驱脉冲在半峰宽度上几乎相同。通过利用传输线模型,假定铜丝和钢丝为无损传输线,并在导线顶端注入单极性电流脉冲(由头部放电自身引起的放电应该是单极性的(Biagi et al,2012)),结果表明:铜线由于电阻特性与地网电阻特性差异大,电流在铜丝通道内出现反射,导致底部测量到明显的双极性振荡型脉冲,同时峰值幅度也约是注入波形的2倍,与实测结果一致;而钢丝阻抗特性由于与地网接近,其通道底部电流的波形和幅度相比顶端注入波形未有明显变化,说明对应钢丝的先驱脉冲测量结果更加接近真实情况。

初始阶段电流是从上行先导稳定连续向上发展开始,持续到通道底部电流为0,对应先导向上传播以及入云并在云内延伸发展的过程。统计了33例人工触发闪电的初始阶段电流的特征,对比Wang等(1999)的相应值(Ia=96 A,D=279 ms,Q=27 C),其平均持续时间较为接近,但广东雷电野外综合观测试验触发闪电的初始阶段电流具有更大平均电流(150 A),从而也导致更大的电荷中和量(44 C)。初始连续电流脉冲是叠加在初始阶段电流上的电流快速变化脉冲,其参量特征见表 1。与Wang等(1999)和Mike等(2005)对触发闪电初始连续电流脉冲的研究结果对比,广东雷电野外综合观测试验触发闪电中的初始连续电流脉冲具有更大的半峰宽度(1.5 ms对1和1.1 ms)和持续时间(3.5 ms对2.5 ms),更小的幅值(69 A对144和76.6 A)。初始连续电流脉冲与自然上行负地闪的差别更加明显,比如Wada等(1996)Diendorfer等(2000)Miki等(2006)分别报道的自然上行放电的初始连续电流脉冲宽度为0.1、0.3和0.2 ms,持续时间分别为0.5、1.2和0.8 ms,都远小于本研究结果,但其幅值分别为781、377和512 A,却远大于本研究结果。

回击是闪电中最强的放电过程,对106次回击电流的分析表明,回击峰值电流最小约3 kA,最大约42 kA,回击峰值电流几何平均值约16 kA,其他回击参量特征可参考表 1。对比回击的峰值情况,广东雷电野外综合观测试验中的回击峰值电流几何平均值大于山东触发闪电的相应值(~14 kA)(Qie et al, 2014a; Yang et al, 2010),也显著大于佛罗里达触发闪电的相应值(~12 kA)(Schoene et al,2009)和在加拿大CN塔观测自然上行放电的回击峰值电流(~6 kA,该值为算术平均值)(Hussein et al,2004)。Zheng等(2013)在对GCOELD触发闪电的分析中还发现回击峰值电流与电流陡度、回击1 ms内电荷传输以及回击1 ms内比能量具有非常显著的函数拟合关系。

M分量是叠加在回击之后发生的连续电流之上的电流快速变化脉冲,其参量统计特征见表 1。广东雷电野外综合观测试验触发闪电M分量幅值(195 A)小于山东触发闪电的结果(276 A)(Jiang et al,2013),但大于佛罗里达触发闪电的相应值(117 A)(Thottappillil et al,1995);GCOELD中M分量10%—90%的上升时间(379 μs)和半峰宽度(638 μs)在3个试验中居中(251和242 μs)(蒋如斌等,2011Jiang et al,2013)、(422和816 μs)(Thottappillil et al,1992),但3个试验中M分量中和电荷量比较接近。

分析还发现,触发闪电回击电流与连续电流存在禁区相关性,如图 4所示,若回击峰值大于25 kA,通常不会出现持续时间大于40 ms的连续电流样本,若连续电流持续时间在40 ms以上,则其前面的回击电流峰值通常在25 kA以下;而连续电流持续时间大于40 ms且回击峰值大于25 kA所对应的区域可称为“禁区”。同样的,回击1 ms内中和电荷量以及比能量与连续电流持续时间存在禁区相关性。这说明回击过程与后续的连续电流过程存在对电荷的竞争关系,电荷的转移通过快变化的回击过程和慢变化的连续电流过程共同完成,但其分配机制还有待进一步研究。

图 4 连续(CC)电流持续时间与回击峰值电流的关系 Figure 4 The relationship between the duration of continuous current and the peak value of return stroke current

连续电流持续时间与叠加在其上的M分量个数存在线性关系,连续电流时间越长,产生M分量的个数可能越多,连续电流持续时间与M分量的平均幅值存在禁区相关性,幅值大于1000 A的M分量几乎不出现在持续时间大于40 ms的连续电流中,而长连续电流也很少出现大幅值的M分量。这同样说明,连续电流的慢变化与M分量的相对快变化对电荷传输存在竞争关系。

Lu等(2008a)给出了人工触发闪电通道的光学特性,Zhou等(2013)利用雷电流的直接测量资料和高速摄像机的光学观测资料分析了触发闪电连续电流过程的电流和光辐射的相关性,并给出了两者的关系式。Zheng等(2012)根据高速摄像观测,结合电场资料揭示了一次具有两次上行先导的反常触发闪电的发展特性。这些结果揭示了人工触发闪电放电的不同特征。

3.2 自然地闪放电过程的观测和特征

自然地闪放电过程包含初始击穿、先导、回击、连续电流等主要子物理过程,大量的观测已经揭示了这些过程的宏观特征。在广东雷电野外综合观测试验期间,基于自行发展的电磁场探测技术、宽带多频段信号综合观测技术以及高速摄像技术,对地闪始发过程以及先导发展传输等过程进行了观测研究(Lu et al, 2008b张义军等,2013)。根据初始击穿脉冲极性与回击极性的差别,初始击穿脉冲簇可分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种类型,它们分别具有和回击脉冲相同的极性、相反的极性以及混合极性(正负极性兼有)。并且,无论在北京还是广州,无论是正地闪还是负地闪,均包括上述3种类型的初始击穿放电。针对158次负地闪(北京80次,广州78次)初始击穿放电分析发现,类型Ⅰ最为常见,百分比为88%(北京81%,广州95%),类型Ⅱ的百分比为9%(北京13%,广州5%),类型Ⅲ为3%(北京6%)。北京和广州,相同类型的负地闪初始击穿脉冲簇特征参量并无明显差别,单个脉冲的平均持续时间、相邻脉冲峰值的时间间隔均值、脉冲序列的平均持续时间分别为13.9 μs、92 μs、3.9 ms。但是,不同类型的脉冲簇特征参量存在一定差异,3种类型的脉冲序列中首个脉冲与首次回击的时间间隔分布均值分别为42、116和106 ms。而初始击穿最大脉冲幅度与首次回击幅度具有可比性,而且北京地区的预击穿过程具有较大的相对幅度,其幅度比为0.5。

针对正地闪初始击穿过程的研究发现(Zhang Y et al, 2013),无论在广州还是北京地区,类型Ⅰ均具有最高比例,但是3种类型的百分比有一定的差异。北京地区类型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的百分比分别是55%、39%和6%,而广州地区的百分比分别为81%、15%和4%。并且,广州和北京地区初始击穿脉冲参量也存在不同, 北京地区脉冲间隔和脉冲宽度更小。北京和广州,相对于类型Ⅰ,类型Ⅱ具有更长的初始击穿—回击时间间隔,更小的持续时间和相对回击幅度。这些差别可能很大程度上是由于两个地区电荷结构的差异所致。

Zhang Y等(2015)研究发现不同闪电其初始击穿之后的放电存在很大差别,可以将伴随初始击穿的放电划分为A、B、C和D 4种类型(图 5),其中前3种在初始击穿放电之后分别跟随有云闪放电、混合闪电(云闪和回击)放电以及先导回击放电,D型放电不能观测到明显的初始击穿脉冲,而仅仅为典型的先导回击。与首次回击前传统的BIL(Breakdown,Intermediate, Leader)类型放电过程(Clarence et al,1957)不同,C类型放电缺少典型的I阶段。B、C类型放电具有较长的初始击穿—回击间隔,其定位结果也显示了更长的云内水平发展传输过程,并且具有更大的相对回击幅度。上述4种放电在广州和北京地区的比例并不相同,北京地区A和B类型放电具有明显高的百分比。这些差异很大程度上归因于下部正电荷区的贡献。在典型的三极性雷暴结构中,负地闪通常起始于主负电荷区和下部小正电荷区之间,大的下部正电荷区大量中和下行先导通道中的电荷,从而一定程度上阻止或阻碍先导通道延伸出下部正电荷区。

图 5 与初始击穿相关的4种放电波形(Zhang et al, 2015) Figure 5 Four waveforms involved in the initial breakdown process (Zhang et al, 2015)

地闪先导过程在云外很容易通过光学的方法进行观测,因此高速摄像系统成为了观测地闪先导发展特征的有效手段,观测揭示了先导的发展速度、分叉现象以及闪电通道亮度变化等。Zhang Y J等(2009)基于高速摄像对4次负地闪的观测,发现不同先导以不同的速度传播,并且先导通道的形态(分叉)能够影响先导传输速度。其中3个个例为具有多分支的下行负先导闪电,其通道发展速度为105 m/s,而一个没有通道分支的下行先导的发展速度为2.2×106 m/s。同时,随着通道向下传播,先导亮度具有增加的趋势。对于继后回击前的直窜先导,其发展速度更快。当从地面上1.26 km发展到0.36 km时,其速度从5.2×105 m/s增大到1.7×106 m/s。同时,利用地闪先导过程的电场变化观测资料,进一步揭示了地闪下行先导发展过程中出现的一类不规则脉冲簇事件(CPT)的特征(Lan et al,2011)。脉冲簇事件是一种初始极性、脉冲宽度、脉冲间隔以及幅度都毫无规律的脉冲放电现象,并伴有高频辐射(图 6)。基于对2012年广州地区6次雷暴过程中负地闪脉冲簇放电事件的分析(周威等,2014),发现脉冲簇事件是负地闪放电过程中普遍存在的放电现象, 具有脉冲簇事件特征的负地闪比例高达75.2%,主要发生在继后回击之前,其百分比为66.7%。随着继后回击次序的增加,发生脉冲簇事件的概率成减小的趋势,并且相当比例的脉冲簇事件伴随着K变化而发生。发生于继后回击前先导阶段的脉冲簇事件通常也称为不规则先导(CL),其快电场变化波形脉冲间隔平均值为5.3—9.0 μs,持续时间476 μs(Lan et al, 2011)。相对于梯级先导以及直窜先导,不规则先导具有更强的高频辐射。刘恒毅等(2013)研究显示,不规则先导在30—290 MHz频段的功率谱密度平均值分别比同次地闪中的梯级先导和直窜先导强1.8—11.6 dB和2.4—12 dB;并且该先导具有和直窜先导以及企图先导类似的速度,平均发展速度在3.23×106—1.93×107m/s,平均值为1.02×107m/s。

图 6 (a)脉冲簇事件(CPT)的电场变化和辐射场波形, (b)不规则先导的电场变化波形和甚高频辐射源(Lan et al, 2011) Figure 6 (a) Changes in the electric field and waveform of the radiation field for CPT, (b) the waveform of electric field change and radiation sources of the chaotic leader (Lan et al, 2011)

Zhang Y等(2016)利用闪电快电场、慢电场变化以及光辐射观测数据,结合高速摄像光学图像资料研究获得了不规则先导的特点、发生规律以及通道发展过程,揭示了两种不规则先导的成因。第1类表现为继后回击前的持续不规则脉冲簇(图 6a),第2类表现为以不规则脉冲簇开始但是并未持续到继后回击(图 6b)。第2类具有更大的快电场和光信号的相对幅度,归因于其相对长的先导前回击间隔。高速摄像记录进一步证实,第1类不规则先导沿着以前先导的某一多分支通道持续发展到地面,而第2类不规则先导起始沿以前先导的某一分支通道传播,同时产生强的光辐射和电场变化,但中途熄灭。

3.3 自然地闪的连接过程

自然地闪的连接过程一直都是雷电物理和防护研究中重点关注的一个过程,也是人们最缺乏清晰认识的闪电物理过程。主要是因为地闪的瞬时性以及发生时间和空间位置的随机性,很难对击中地面或低矮物体的地闪过程开展近距离、高时空分辨率的综合观测,所以,迄今为止对下行先导诱发的上行先导的起始和发展特征、下行先导和上行先导的相互作用等缺乏系统的观测数据。而高建筑物为人们针对自然地闪过程中的连接过程开展观测和研究提供了合适的观测平台。图 7是广东雷电野外综合观测试验期间测站3的光学观测视野照片。Lu等(2010)分析了广州高建筑物雷电观测站观测到的两次下行地闪,其中一次击中了高610 m的广州塔(2010年降为600 m),其上行连接先导的长度超过450 m,两次地闪中上行连接先导的平均发展速率均为105 m/s量级。城市地区高建筑物密集,一次闪电会在多个高建筑物上诱发上行先导,Lu等(2012)在19次地闪中观测到45个上行未连接先导,统计得到了这些先导的起始高度、起始时间、与接地点的距离、起始时与最近的下行先导头部的二维距离、二维长度和平均速率等特征。

(拍摄于2011年7月5日, 引自Lu et al, 2012) 图 7 广州高建筑物雷电观测站视野范围内的高建筑物 Figure 7 Tall structures seen from the TOLOG

采用帧率达104帧/s(fps)量级的高速摄像系统,Lu等(2013)观测到击中广州国际金融中心(高440 m)的一次下行负地闪,分析表明:该闪电的上行连接先导的发展特征受下行先导的影响较为明显,特别是在回击前的160 μs内,上行先导的速率从105 m/s量级快速升至106 m/s量级,亮度也快速增强;而下行先导的发展受上行先导的影响相对较弱,只有在先导头部间距减小至60 m以下才观测到下行先导明显朝向上行先导弯曲,速率和亮度才有明显提升。5万帧的高速摄像资料清楚地体现出该次闪电的连接点位于上行先导头部以下,即“头部—侧面”连接,这在之前的文献中未见报道(图 8)。进一步的分析表明,对于高建筑物上的雷电连接过程呈现多样性,且“头部—侧面”连接行为出现的概率比“头部—头部”连接还高(Lu et al, 2016)。

(采样率: 5万帧/s, 每帧曝光时间20 μs; 空间分辨率: 2.4 m/pixel; TD为回击前最后一帧高速图片中下行先导主分叉(最终与上行连接先导连接的分叉)头部的位置, TU为该帧中上行连接先导头部位置, HU为在回击通道上可确定出的上行连接先导通道的最高点; 为了更好的显示效果, 所有图片进行了反相处理; Lu et al, 2013) 图 8 闪电F1111的高速摄像记录 Figure 8 High-speed video frames of flash F1111 with a sampling rate of 50, 000 frames per second, a frame exposure time of 20 μs, and a spatial resolution of 2.4 m per pixel

观测还发现地闪连接过程中下行先导和上行先导二维发展速率比(Vd/Vu)随时间逐渐降低,变化范围为1.8—0.12。而在已有的闪电先导发展模式中,有人采用恒定的Vd/Vu假设(如1、2、4等),也有人采用Vd/Vu线性递减的假设(如4到1)。假设的Vd/Vu最小值均不小于1,即认为上行先导的速率不会超过下行先导,而广东雷电野外综合观测结果表明:Vd/Vu会明显小于1,即上行连接先导的发展速率可能会明显高于下行梯级先导的发展速率,这在已有的模式中均未考虑到。

Chen等(2016)分析了在广州高建筑物雷电观测站观测到的一次包含6次回击的下行双极性闪电(首次为正,继后的5次为负),基于电场变化、高速摄像以及闪电连接过程观测系统的同步观测资料,对该次闪电的先导发展特征及回击光强脉冲波形进行了分析,结果表明所有回击均沿着由首次回击之前的下行正先导开辟的通道进行;首次回击之前的下行正先导发展通道无分叉现象,平均二维发展速度为2.5×106 m/s,在发展过程中其光强出现明显的梯级脉冲变化,在被击中建筑物的顶部观测到了二维长度约为80 m的负极性上行连接先导;各次负极性直窜先导的平均二维发展速度约为4.0×106—12.4×106 m/s;首次回击和各次继后回击的回击速度差别不大,约在1.0×108—1.3×108 m/s,回击光强脉冲的10%—90%上升时间约在2.2—3.2 μs,半峰值时间约在53.4—81.6 μs。

Qi等(2016)针对一次近距离(350 m)的负极性闪电下行梯级先导过程的分析结果指出, 在梯级先导电磁场波形中有多个可能由梯级过程导致的波形变化,它们波峰之间的时间间隔在13.9—23.9 μs,平均值为17.4 μs;在明显的梯级脉冲之间,还发现了几十个较小的脉冲,这些小脉冲之间的时间间隔在0.9—5.5 μs,平均值为2.2 μs,标准差为0.82 μs;还观测到了23个明亮的空间发光段,它们的二维长度在1—13 m,平均长度为5 m;它们到先导头部的距离在1—8 m,平均距离为4 m;根据这些观测结果推测了闪电先导梯级的形成过程和3种可能的发光空间段的发展情形:(1)发光空间段没有能够与先导通道进行连接并最终消失不见;(2)发光空间段与已经存在的先导通道相连,亮度逐渐变暗然后消失不见,几十微秒后在相同位置上形成低亮度的流光;(3)发光空间段与已经存在的先导通道相连,形成了新的梯级先导通道,光波向通道上部传播几十米,也点亮了原来的先导通道,使其与先导头部的亮度相当。

另外,在二维光学观测的基础上,建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法(高彦等,2015),利用该方法,结合连接过程的高速摄像资料,对6次高建筑物雷电连接过程中上行连接先导的三维发展特征进行了分析(Gao et al,2014),结果表明:重建得到的6个上行连接先导通道三维长度的范围为180—818 m,平均值为426 m;计算得到了38个三维发展速率,其变化范围为0.8×105—14.3×105 m/s, 平均值为4.7×105 m/s,其中4个(11%)处于106 m/s量级;对应的二维长度和发展速率的变化范围分别为147—610 m和0.3×105—10.6×105 m/s;平均来看,上行连接先导的三维发展速率为二维的1.3倍;上行连接先导的发展速率随时间呈现逐渐增加的趋势,4个106 m/s量级的三维速率都出现在回击前的0.2 ms内;对于三维长度短于300 m的上行连接先导,77%(20/26)的三维速率小于5×105 m/s,而对于三维长度超过300 m或者头部高度超过650 m的上行连接先导,其三维速率均高于5×105 m/s。对其中一次地闪首次回击前的连接过程的分析表明(Lu et al,2015):在回击前的2 ms内,下行先导的三维发展速率的变化范围为1.3×105—6.8×105 m/s,平均值为2.7×105 m/s,对应的二维速率的变化范围为1.1×105—4.9×105 m/s(平均值:2.1×105 m/s);除了回击前的200 μs内,下行先导的发展速率随时间无明显的变化趋势;上行连接先导的三维发展速率的变化范围为0.8×105—13.7×105 m/s,平均值为4.5×105 m/s;在下行先导的影响下,高建筑物顶部起始的上行先导的发展速率随时间有明显的增加趋势,特别是回击前的1 ms内;下行先导与上行先导三维发展速率的比值随时间逐渐降低,从2.2减小到0.2。

3.4 雷电防护技术测试试验

在广东雷电野外综合观测试验期间,利用人工触发闪电技术开展了多种雷电防护技术测试试验,如通讯基站、自动气象站、架空线缆、埋地线缆以及浪涌保护器(SPD)等。Zhang Y J等(2013)分析发现,自动气象站10 m高风塔的风速、风向垂直信号线产生的感应过电压波形由一个负极性主峰和正极性的次峰组成,主峰波形呈“V”字型,7次回击幅值几何平均值分别为-1.2 kV和412.4 V。试验过程中,信号线路在塔底没有安装信号浪涌保护器的情况下,采集器与信号线连接端口有明显受损和灼伤的痕迹,其耐绝缘水平无法承受近距离闪电所产生的感应过电压。试验场附近的架空配电线路长约1.3 km,附近自然地闪发生时,架空线路上可产生较大的感应过电压。统计7次多回击和5次单回击自然地闪发现,自然闪电引起线路感应过电压以单极性为主,有正有负,与闪电发生的位置有关。自然地闪首次回击感应过电压基本要大于继后回击所产生的感应过电压。首次回击产生的负极性感应过电压幅值范围3.2—3.9 kV,平均3.5 kV,对继后回击,其值平均为0.92 kV,都小于1 kV;首次回击产生的正极性感应过电压幅值平均1.9 kV,对继后回击其值平均为0.81 kV。对近距离人工触发闪电,回击和连续电流阶段都能在架空输电线路上产生较强的感应过电压,其波形特征表现为双极性脉冲,回击对应最大负极性峰值范围-5.0—-10.3 kV,平均值为-7.9 kV。连续电流引起感应过电压正、负极性脉冲峰值约1 kV。

于晖等(2010)测量了近距离自然地闪条件下不同埋地线缆的雷电感应过电压,发现电缆屏蔽层具有明显降低雷电感应过电压的作用;对同一次自然地闪,相对于电源电缆,控制电缆和信号电缆上感应电压脉冲波形峰峰值分别为65%和26%。钢带屏蔽层能够有效抑制控制电缆感应过电压400 kHz—1 MHz的频率分量,铜编织带屏蔽层对信号电缆感应过电压50 kHz以下频率分量的削弱效果明显,铜编织带比钢带具有更好的屏蔽效果。同时还揭示了不同埋设条件下电源电缆感应电压的特点和规律,发现土壤对闪电电磁脉冲具有明显的屏蔽作用,相对于埋设在地面的电源电缆,闪电在深埋0.5 m的电源电缆上产生的感应电压峰值减少52.2%,且在905.5 kHz—1.5 MHz频段减少尤为明显。

浪涌保护器是目前通用的一种雷电防护器,为了测试浪涌保护器在真实雷电环境下的响应特性,在2008和2014年利用试验场架空配电线路,测试了浪涌保护器的残压和流经接地线的电流,试验研究了近距离闪电电磁感应、地电位抬升等因素对浪涌保护器的影响。Chen等(2016)通过对2014年的一次人工触发闪电(T201404)11次回击引起线路浪涌保护器残压和接地线电流的观测和分析,发现雷击架空线路附近时,浪涌保护器两端的电压波形在起始阶段呈正极性脉冲,主要由先导接近地面时的电磁场变化在线路上的耦合所引起,之后为负极性,主要是回击过程在线路上耦合的感应电压所引起,11次回击浪涌保护器残压持续时间范围95.2—269.0 μs,平均为157.3 μs。浪涌保护器接地线上的电流峰值范围-198.3—-961.0 A,平均值为-506.0 A,10%—90%电流上升时间平均值为17.5 μs,电流半峰宽度平均值为68.1 μs,对于浪涌保护器接地线电流波形特征参数来说,触发闪电的10%—90%电流平均陡度是个关键因子。试验还发现,距离触发闪电地网约40 m时,触发闪电引起的地电位抬升对浪涌保护器仍有一定的影响。回击发生时,浪涌保护器两端的电压以线路感应过电压为主,地电位抬升为辅,残压表现为负极性,与没有地电位影响的自然闪电的残压波形特征基本类似,回击阶段地电位抬升影响主要表现在残压后的反冲现象,其对应回击电流恢复零值过程中电流又没有完全为零阶段,这时感应过电压已为零值,但是地电位还有一定的负值,两者之差为正值,反冲的持续时间平均值为683.8 μs。

值得注意的是,这次人工触发闪电的13次M分量中有6次电流较小的M分量引起浪涌保护器残压是正极性的,且接地线电流也是正极性的反击电流,与11次回击和其他M分量极性相反,这是由于地电位所产生的负极性电压大于在线路上产生的负极性感应过电压所导致的。因为电流较小的M分量,其不仅电流小,电流变化率也比较小,在导线上耦合的感应过电压相对较小,而地电位抬升与电流本身的大小有很大的关系,当其值相对较大时,浪涌保护器残压也就变为正极性了(图 9)。

图 9 较小电流的M分量引起浪涌保护器两端过电压和流经的电流 Figure 9 Residual voltage waveforms of the SPD and the corresponding current waveforms flowing through the SPD during two minor M-component stages in T201404

浪涌保护器安装在离触发闪电地网5 m时,触发闪电发生后地电位抬升的作用明显,回击及其之后连续电流及M分量过程在线路上产生的感应电压引起的浪涌保护器残压远小于地电位抬升的作用。回击之后如果有较长时间的连续电流及M分量时,造成浪涌保护器残压持续时间会达到毫秒量级,试验发现一次人工触发闪电7次回击过程在浪涌保护器两端产生的残压持续时间很长,平均3.1 ms(陈绍东等, 2009),通流量20 kA的氧化锌浪涌保护器被损坏,其主要原因是地电位抬升引起的残压持续时间长,造成加载在浪涌保护器的能量很大,同时,多次回击在短时间内(1 s以内)的连续冲击,导致氧化锌的热脱扣装置损坏。因此,较近距离地网之间的反击在雷电防护设计中是特别值得关注的问题,当其中一个地网有直击的可能性时,另一个地网的设备及保护设备的浪涌保护器等都应该与之有一定的安全距离。

3.5 地闪定位系统探测性能的评估

闪电定位系统可实时、大范围地监测闪电活动,给出地闪的发生时间和位置信息以及雷电流峰值和极性等参数,是目前最主要的雷电监测技术手段。对闪电定位系统实际业务性能进行评估和分析,是有效应用闪电定位资料的前提和基础,因此一直是雷电科研和业务人员非常关注的问题。为了客观、全面地对闪电定位系统探测效能进行评估,需要获取真实闪电事件准确的发生时间、位置、回击次数、回击电流幅值等参数后,与相应的闪电定位结果进行对比,以得到闪电定位系统的闪电探测效率、回击探测效率、空间定位误差以及回击电流幅值反演精度等评估参数。

广东地区目前建有多套闪电定位系统投入业务运行对雷电活动进行实时监测,其中较为典型的包括电力部门建设的广东电网闪电定位系统和气象部门建设的粤港澳闪电定位系统及全闪探测系统。近年来,基于广州人工触发闪电试验和高建筑物自然闪电综合观测试验获取的观测结果,对广东省多套闪电定位系统开展了效能评估。

广东电网闪电定位系统由广东省电力试验研究所与武汉高压研究所于1996年开始组建,该定位系统采用磁向、时差综合定位方法,探测结果包括地闪回击的经纬度、发生时间、雷电流幅值、极性、定位站数等信息。当前该定位系统已经积累近19年的历史观测资料,是中国持续稳定运行时间最长的闪电定位系统之一。Chen等(2012)根据28次人工触发闪电(2007—2011年)和34次高建筑物自然闪电(2009—2011年)的观测资料,对广东电网闪电定位系统进行了效能评估,发现其闪电探测效率和回击探测效率分别为94%和60%,定位误差的算术平均值为710 m,回击电流幅值相对于人工触发闪电雷电流直接测量值偏差的算术平均值为16.3%。

粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)是一套由广东省气象部门和港、澳气象部门三方共建的闪电定位系统,采用维萨拉公司的产品。该系统在2005—2011年仅包含5个探测子站(采用IMPACT探头),主要覆盖香港附近区域。2012年,该系统增加了11个探测子站(采用LS-7000探头),基本对全省形成覆盖。在此根据2007—2015年56次人工触发闪电(包含238次可确认的回击事件)以及2009—2015年获取的96次自然闪电(包含250次可确认的回击事件)的观测数据,对粤港澳闪电定位系统在2012年升级前后的性能参数进行了评估分析。对比结果表明,粤港澳闪电定位系统在2012年升级之后,闪电探测效率和回击探测效率分别从之前的74%和40%提高到96%和89%,定位误差算术平均值从之前的2660 m降低到532 m(图 10)。但闪电定位系统对回击电流幅值的估算精度没有改善,2007—2011年,回击电流幅值的估算值约为人工触发闪电雷电流直接测量值的0.75倍,2012—2015年约为0.63倍。

图 10 (a)粤港澳闪电定位系统对2012-2015年124次高建筑物自然闪电及133次人工触发闪电回击事件的定位结果(原点代表真实的闪电接地点), (b)2012-2015年人工触发闪电回击电流幅值的直接测量结果与相应粤港澳闪电定位系统探测结果的对比 Figure 10 (a) Plots of GHMLLS locations versus the corresponding actual strike point for 124 lightning stroke on high buildings and 133 triggered lightning discharges during 2012-2015 (the origin corresponds to the stroke grounding point), (b) GHMLLS-reported peak current versus that directly measured in the lightning-trigger experiments during 2012-2015

全闪探测系统由广东省气象局建设,采用地球网络公司(Earth Network)的宽带传感器系统,可同时探测云闪和地闪,到2015年初共建成了16个探测子站。根据2015年13次人工触发闪电和9次自然闪电的观测资料,发现该系统的闪电探测效率和回击探测效率分别为77%和76%,定位误差的算术平均值为685 m,对回击电流幅值的估算结果约为人工触发闪电雷电流直接测量值的0.61倍。

结果表明,广东目前业务运行的闪电定位系统的探测效率和定位精度已经基本接近美国国家闪电定位网和奥地利闪电定位系统等同类闪电系统(Diendorfer, 2010; Nag et al, 2011),但电流幅值估算还存在一定的差距。闪电定位系统效能评估工作不仅可为闪电定位资料的应用提供可靠的依据,还可为系统的升级和优化提供重要的参考。

4 结语

通过十年的野外雷电观测试验,完善了火箭-导线人工触发闪电技术,成功触发了不同类型的闪电94次。获得了一批雷电电流波形直接测量结果,回击电流峰值平均为16 kA。发现了雷电连接过程中的侧击现象,揭示了雷电连接过程中上行先导速度会显著大于下行先导速度的特征,给出了地闪多回击特性以及地电位抬升引起的防雷器件在额定电流内的损坏机理,定量评估了广东省3套雷电监测网的实际运行性能。人工触发闪电由于可以预知其发生的时间和位置,可以在通道底端直接测量雷电电流,且回击过程与自然地闪的继后回击特性一致,所以为雷电物理过程研究和雷电防护测试提供了有利条件,但人工触发闪电没有类似自然地闪的首次回击,这是一个缺陷。而高建筑物上的自然闪电,尽管可以有更高的概率被捕捉到,但电流的直接测量是个难题。最近深圳正在建设一个360 m的气象观测塔,设计并实现了在塔顶直接测量雷电流的方案。因此未来试验基地将开展人工触发闪电、高建筑物自然闪电和高塔自然闪电的协同观测,进一步深入开展雷电放电物理过程及其效应研究。同时也将观测试验进一步拓展,开展雷暴电学观测研究,因为雷电在云中的始发机制一直是一个未解的问题,也是雷电研究领域的重要内容,近年来通过光学和电学观测结果揭示了雷电起始过程的一些新的现象,加深了人们对这一过程的认识,而雷电的发生是与强对流过程相伴随的,雷电的信息对灾害性天气的监测预警具有重要的意义,闪电资料在模式中的同化已经给出了较好的结果(Qie et al, 2014c),因此未来雷电野外观测试验还需要在以下几个方面加强:(1)全闪电雷电探测系统与多参数雷达的协同观测试验,着重揭示强对流天气过程雷电活动与雷暴结构及其演变特征的相关性;(2)闪电信息在灾害天气监测预警中的应用研究,特别是闪电活动与灾害天气过程发生的相关性研究;(3)探索闪电活动对气候变化的响应机制,重点开展闪电产生氮氧化物的观测以及气溶胶对雷电活动的影响研究。

致谢: 中国气象科学研究院、广东省气象局、广州市气象局、从化市气象局的很多工作人员和研究生参加了野外试验工作,在此表示衷心感谢。
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