闪电是大气中的超强、超长放电现象，它具有随机性、瞬时性特点^[1-2]。M分量是闪电连续电流过程中电流的扰动或暂态增强^[3-4]，通常人们认为它与雷电通道微弱发光时，通道亮度瞬时性增强相对应^[5-6]，其电流强度和光强度随时间变化具有一定对称性^[7-11]。虽然关于M分量的研究很多，但以往研究主要集中在M分量的总体特征方面，包括波形特征、光学特性等。如Thottappillil等^[4]分析了人工触发闪电的通道底部电流，统计发现M分量的幅值范围为100~200 A，上升时间范围为300~500 μs，转移电荷量范围为0.1~0.2 C。Qie等^[11]对触发闪电中63次M分量的电流波形特征进行统计，幅值、持续时间、转移电荷量的几何平均值分别为276 A，1.21 ms，101 mC。肖桐等^[12]统计了人工触发闪电M分量对应电流和电磁场波形的特征，发现M分量电磁场和电流在峰值幅度上具有较显著的相关性，几何形状也比较一致。

随着技术手段进步和研究深入，近年对M分量机制探讨逐渐增多，也出现了对特殊M分量的关注。如研究发现千安量级的大幅值M分量，其强度和较弱的回击相当^[13]；部分M分量的幅值超过5 kA，上升时间低于2 μs，它们的波形接近较小的继后回击，并认为这类M分量是在某一条通道分支流过连续电流时，另一正在衰退的通道分支中流过直窜先导与其叠加形成的^[14]；蒋如斌等^[15]分析了6次幅值达到几千安量级的M分量，给出了波形统计特征 (幅值为3.8~7.0 kA，上升时间为12~72 μs)，且通过物理模型的反演计算，认为该类M分量和通常的M分量有不同的物理机制，其产生与雷电通道状态有一定的关系。上述研究虽然给出了大幅值M分量的描述，但未明确给出其与通常M分量的具体统计差异，也未比较其放电过程的差别。

本文分析了2008—2013年广东闪电综合观测试验 (GCOELD) 的人工触发闪电电流资料，得到31次M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量等数值特征。采用将M分量分为两类的方法，对特殊M分量和通常M分量分别进行特征统计，并进行全面比较。最后通过M分量的双波模型反演了两类M分量的电场，对它们物理机制上的异同进行探讨。

本研究所涉及的资料包括通道底部电流资料和近距离慢电场资料，均来自广东闪电综合观测试验。

自然闪电的发生具有较强随机性，很难实现定点观测^[16]。人工触发闪电技术通过在适宜的雷暴条件下将闪电人为引发到地面，具有时间和地点的可预知性^[17-18]。如图 1所示，当闪电成功触发时，电流经同轴分流器流入地面，同轴分流器能够在大电流下维持较恒定的阻值，因此，其两端电压和电流呈线性关系，HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik) 电光转换将同轴分流器的电压信号转化为光学信号，由光纤传输到控制室内，再通过HBM电流记录设备中的光电转换模块重新转换为电信号。HBM在记录雷电流的同时通过一个输出端口将信号传输至横河DL850示波器，同时，该示波器也在采集慢电场资料 (由慢电场天线测量，带宽200 Hz~2 MHz，时间常数为2 ms，距离引流杆约90 m)，示波器各路的采样率均为10 MS/s。在通过HBM获得精细雷电流波形的同时，也实现了电流、电场的同步采集。

图 1

图 1. 试验设备示意图 Fig 1. Experimental equipment diagram

本文所分析的M分量来自2008—2013年广东闪电综合观测试验，共成功触发45次，获得电流资料共包含59次回击。若M分量波形相互重叠，M分量发生时连续电流很不平稳，将无法得到准确的波形特征，这里仅对未与其他波形叠加且连续电流比较平缓的M分量进行统计，共计31个样本。

图 2a给出了一次触发闪电获得的电流波形片段 (编号20130603)。电流在20 ms附近从突变到数千安，对应了触发闪电的一次回击 (通常情况下，M分量的幅值为几百安，因此，这里所给出电流波形为2 kA量程，回击的峰值通常在几千安到几十千安，2 kA量程下，电流会达到饱和)。回击后电流并未立刻恢复初始的状态，而是经过约100 ms才缓慢下降到背景值，这是由于回击之后，雷电通道中发生了连续电流，它是一种持续的低频过程。连续电流上出现了几次小波动，这些电流脉冲对应M分量过程。参考过去对于雷电流资料的分析方法^[4]，本文首先找到回击电流脉冲，确定回击后发生连续电流，再从连续电流波形上找出相对平稳时的电流扰动，即M分量。当连续电流相比之前的电流水平出现初始扰曲，这一时刻被认定为M分量的起始点；当M分量脉冲下降到和连续电流波形无法分辨时，这一时刻被认定为M分量的终点^[4]。参考文献[17]对回击各参量的定义，图 2b给出了M分量幅值、上升时间、半峰值宽度的定义：M分量幅值是M分量峰值与M分量起始点连续电流强度的差值，上升时间是上升沿10%和90%值处的时间差，半峰值宽度为波形上升沿和下降沿50%值处的时间差。转移电荷量为图 2b中波形由起始点到终点对时间的积分。本研究主要关注M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度和转移电荷量。

图 2

图 2. 触发闪电电流示例 (a) 电流波形，(b) 电流脉冲主要参数 Fig 2. Current for artificial triggered lightning (a) current waveform, (b) parameters of current pulse

表 1列出了M分量的统计特征，幅值、上升时间、半峰值宽度和转移电荷量的几何平均值分别为301 A，341 μs，662 μs，0.207 C。由表 1可以看出，中国广东触发闪电M分量幅值的几何平均值与中国山东的结果比较接近；上升时间几何平均值与美国佛罗里达的结果接近，皆在350 μs左右；半峰值宽度几何平均值与美国佛罗里达的结果接近，均超过600 μs。不同的是，中国广东转移电荷量的几何平均远高于以往的统计结果，约是其他两地结果的2倍。总体而言，中国广东触发闪电M分量的强度和中国山东滨州的强度相近，时间参数与美国佛罗里达结果相似，转移电荷量远大于其余两地的统计结果。

表 1

表 1 不同地点人工触发闪电M分量基本特征的统计结果 Table 1 Statistical results for M-component characteristics from different experiment sites 特征量 中国广东从化 中国山东滨州[19] 美国佛罗里达[20] 幅值/A 301 276 136 上升时间/μs 341 251 353 半峰值宽度/μs 662 242 612 转移电荷量/C 0.207 0.101 0.129

表 1 不同地点人工触发闪电M分量基本特征的统计结果 Table 1 Statistical results for M-component characteristics from different experiment sites

图 3给出了M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度及转移电荷量的分布。半数以上 (21/31) 的M分量幅值低于400 A，但部分 (5/31) M分量幅值为1400~2200 A，最高达3200 A。M分量的上升时间主要分布于0~600 μs (23/31)，过半数 (19/31) 的M分量上升时间小于400 μs。大部分 (21/31) M分量的半峰值宽度小于1000 μs，1200 μs以上仅在1400~1600 μs区间有多个样本 (5/31)。M分量的转移电荷主要分布在100~300 mC (19/31)。

图 3

图 3. M分量基本特征分布 Fig 3. Distribution for M-component characteristics

M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量的分布中，有一些M分量表现出了不同特性。图 3中有6个M分量的幅值大于1 kA，最高超过3 kA。结合特殊M分量研究^{[14-15, 21]}，本文推断这6个M分量的物理机制与通常的M分量有所区别。因此，本文将按幅值大于等于或小于1 kA对M分量进行分类，深入分析M分量的特征和物理机制。

本文将M分量按照幅值大小分为两类：第1类幅值小于1 kA，第2类幅值大于等于1 kA，并分别获得了两类M分量各参量的几何平均值，结果见表 2。可以看出，第2类M分量的幅值大约是第1类M分量幅值的10倍，其上升时间和半峰值宽度约是第1类M分量的1/4。

表 2

表 2 第1类和第2类M分量特征比较 Table 2 Comparison of two types of M-component 特征量 第1类M分量 第2类M分量 幅值/A 191 2005 上升时间/μs 452 105 半峰值宽度/μs 866 216 转移电荷量/C 0.176 0.407

表 2 第1类和第2类M分量特征比较 Table 2 Comparison of two types of M-component

图 4给出了第1类M分量和第2类M分量分布。第2类M分量的上升时间均小于400 μs，其中过半数小于200 μs，第2类M分量的上升时间普遍小于第1类M分量。第2类M分量的半峰值宽度均小于400 μs。上升时间与半峰值宽度中，第2类M分量的波形不仅陡度较大，波形也较窄。第1类M分量电荷转移量多为100~300 mC，第2类M分量的转移电荷量的分布较为随机，但整体较大，半数以上的转移电荷超过了400 mC。

图 4

图 4. 两类M分量的基本特征分布 Fig 4. Distribution of M-component characteristics

对M分量进行分类后，两类M分量特征表现差异较大。第2类M分量比第1类M分量的幅值更高，上升时间更短，半峰值宽度更小，转移电荷量更大，两类M分量的产生机制可能存在区别。

图 5给出了两类M分量幅值与回击到出现M分量时间差的关系。可以看出，回击到第2类M分量出现时间普遍较短 (时间差最大为22.56 ms)，回击发生50 ms以上时，出现的M分量均属于第1类M分量。这说明，在长连续电流的中后期 (150 ms后)，仍具备产生第1类M分量的条件，而第2类M分量似乎只出现在回击发生后不久，可能由于回击发生后的一段时间内 (几十毫秒)，通道的状态更容易产生内部击穿^[21]，或在这段时间内通道存在更多分支所导致^[14]。

图 5

图 5. 两类M分量幅值与回击到M分量时间差的关系 Fig 5. Relationship between M-component amplitude and the lag between return stroke and M-component

第2类M分量的幅值远大于第1类M分量几百安培的幅值，达到数千安量级。本文研究发现，6次M分量背景值均低于100 A，而多数第1类M分量的背景值约为200 A，蒋如斌等^[15]分析了幅值较大的M分量和典型的M分量，并发现在幅值较大的 (第2类) M分量发生前，电流呈现逐渐减小的趋势，而在较典型 (第1类) M分量发生前，连续电流较明显，未呈下降趋势。连续电流状态侧面反映，当第2类M分量发生时，通道的电离程度较低，状态较差，而在第1类M分量发生时，通道内有可观的连续电流，通道状态相对较好，这与图 5所得结果一致。前一时刻通道的物理状态，是影响其后所发生物理过程的重要因素^[15], 根据通道状态的差异，可以推测第2类M分量的产生机制和第1类M分量有一定区别。

Rakov等^[6]提出了M分量的双波物理机制，机制假设雷电电流波在通道底部会发生反射，M分量由下行入射电流波和上行反射电流波叠加产生。双波物理模型已被用于M分量物理机制研究，在未考虑M分量分类的情况下，有研究对M分量产生的电场进行反演，所得计算电场和测量电场有较好的一致性，但在波形下降沿有较大差别^{[7, 15]}。模型假设如下：电流的反射系数为+1；入射波和反射波在通道中匀速传播，且不发生任何畸变；电荷的反射系数为-1，通道与地面垂直。本文针对特征上具有差异的两种M分量，采用双波模型进行反演计算验证，以期获得对这两类M分量的更深入认识。

在采用双波模型对M分量电场进行反演的研究中，电流波的入射速度和反射速度通常设为相等^{[7, 15, 19]}。事实上，电流入射波和反射波速度并不一定相等，这可能是之前研究中测量电场和计算电场在下降沿出现差别的原因。Chen等^[22]通过甚高频干涉仪观测触发闪电时发现，部分 (1次) M分量的物理过程对应了从云到地的较快下行过程 (6.2×10⁶ m/s) 及由地到云的较快上行过程 (2.2×10⁶ m/s)。下行过程沿云中电荷的击穿通道进入雷电通道，再经过雷电通道流入地面，上行过程则沿下行过程的路径反向传播。多数M分量 (7次) 对应了发生在云中的击穿过程，这样的击穿过程一般发生在分支通道的末端。Shao等^[21]也提出，部分M分量是通道上部出现的正极性流光反射形成的，而反冲流光的速度比正极性流光更快。因此，本文尝试将电流波的入射、反射速度分别设为v₁，v₂，参考Rakov等^[6]等给出的电流表达式，通道中某高度某时间的电流如式 (1) 所示：

(1)

式 (1) 中, H为雷电通道的总高度，Z对应通道中某处的高度，t为时间，v₁和v₂为电流波的入射和反射速度，这是一个以电流波发生反射的时刻作为分界点的分段函数。反射前，任意高度电流只与[t-(H-Z)/v₁]时刻通道顶部的电流强度I(H, t-(H-Z)/v₁) 有关，而在电流波传播至通道底部后，通道中入射电流波和反射电流波开始叠加，I(H, t-(H+Z)/v₂) 对应t时刻高度Z处的反射电流波强度。通过电荷密度和电流的关系，M分量电场的垂直分量和电流的关系可表示为

(2)

式 (2) 中, D为电场测量点到雷电通道的水平距离，试验场的平板天线距离接闪杆约为90 m。R＝，上面的表达式可以分为3部分，它们分别对应了静电场、感应场、辐射场。通常假设通道高度H=5 km。

这里分别选出1个第1类M分量波形和1个第2类M分量波形进行电场反演，两个M分量的电流波形如图 6所示。其中，第1类M分量的波形来自2014年6月20日触发闪电第3次回击对应的连续电流，第2类M分量的波形来自2014年6月3日第7次回击对应的连续电流。为了减小电流噪声对反演结果的影响，本文对波形进行了滑动平均处理。

图 6

图 6. 第1类M分量 (a) 和第2类M分量 (b) 的电流波形 Fig 6. Current waveform of Type 1(a) and Type 2(b) M-component

本文尝试了v₁，v₂取值为1×10⁶~40×10⁶ m/s的多种组合，图 7a给出了第1类M分量的最佳计算电场波形，对应v₁=2×10⁶ m/s, v₂=4×10⁶ m/s。图 7b给出了第2类M分量的最佳计算电场波形，对应v₁=9×10⁶ m/s, v₂=4×10⁷ m/s，两类M分量在一致性较好时的参数设置并不相同，第1类M分量对应的v₁/v₂=1/2，而第2类M分量一致性最佳时v₁/v₂=9/40，这说明了两类M分量的放电过程存在差别。计算电场和测量电场被表示在同一坐标系下，以便比较，设初始电场为0。

图 7

图 7. 第1类M分量 (a) 和第2类M分量 (b) 与测量电场一致性最佳的电场计算结果 Fig 7. Calculated result for Type 1(a) and Type 2(b) M-component, which is most consistent with measured field

有研究也佐证了本文的推测。Shao等^[21]通过无线电干涉仪观测云地闪发现，通常情况下，M分量是云中电荷通过击穿过程汇入雷电主通道，并经该通道流入地面的物理过程。但存在部分M分量，它们对应了由通道上部产生正极性流光，并沿回击通道 (非该M分量所对应回击的通道) 传播，在分支末端发生反冲，并以更快的速度沿分支通道返回，再经主通道流入地面。在验证不同速度下M分量计算电场和测量电场的一致性时，两类M分量的v₂均大于v₁，但第2类M分量的v₁，v₂相差更大。因此，第1类M分量对应了通常情况下云中电荷击穿汇入主通道的过程，而第2类M分量对应了正极性流光-反冲流光过程。

通道上部击穿引发的M分量可能是由于回击发生后，通道分支中存在未能完全中和的电荷 (可能是由于这条分支的导通性较差)，且有分支通道发生连续电流，维持主通道的电离状态。若残余电荷经过短时间的积累，发生击穿，有可能重新导通分支通道和主通道，产生上面所述的“特殊”M分量。通道上部击穿引起的流光速度较快 (2×10⁷~4×10⁷ m/s，云中电荷击穿为1×10⁷ m/s)，根据Shao等^[21]的观测数据，这类M分量出现在回击之后不久^[21]，与图 5中第2类M分量到回击的时间较小的结果一致。文献[14]认为，通常情况下, M分量的发生需要一条接地的、有连续电流的通道，而上升时间较短、峰值较大的M分量还需要一条不完全导通的、衰退的通道。通常情况下，M分量和连续电流发生在同一个通道分支中，而上升时间较短、峰值较大的M分量则需要闪电有多个分支通道，这类M分量是在一个分支发生连续电流的同时，另一个分支发生类似于直窜先导与回击的物理过程，两者同时汇入主通道而形成的。回击发生后，更短的时间通常意味着更多的残余电荷和同时存在的分支通道，结合文献[14, 21]，本文认为，电流波入射和反射速度与距离回击的时间与M分量的类型有着密切的联系，第1类M分量和第2类M分量物理机制存在一定差异。

本文分析了触发闪电中M分量的幅度、上升时间、半峰值宽度和转移电荷量，并对中国广东、中国山东和美国佛罗里达的触发闪电统计特征进行了比较, 得到以下结论：

1) 通常情况下，M分量的幅值低于400 A，上升时间小于400 μs，半峰值宽度小于1 ms，转移电荷量为0.1~0.3 C。但在幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量的分布中，均有部分M分量表现出不同的特性。

2) 第2类M分量的幅值约为第1类M分量的10倍，半峰值宽度和上升时间约为第1类M分量的1/4，转移电荷量约为第1类M分量的2倍，两类M分量的参数分布也有较大差别。

3) 采用双波放电模型对两类M分量的模拟计算表明：当模拟电场和测量电场较一致时，第1类M分量的入射速度与反射速度的比例大于第2类M分量的，反映了两类M分量形成的物理机制有一定差异。