闪电是自然界中的一种超强放电现象，也是一种严重的自然灾害^[1-4]。闪电始发的物理机制是闪电研究中的基本问题。作为理论研究的基础，试验观测在探索解决这些问题的过程中发挥着重要作用。人们通过多种观测手段给出一系列有关闪电起始位置和起始阶段发展速度的观测结果，揭示了闪电起始放电过程的形态特征，为闪电始发机制的理论研究提供了依据。这些观测按照出现时间顺序主要可以分为3类。第1类方法使用单站地面电场观测，根据偶极子放电高度与反号距离的关系确定闪电起始高度^[5]，主要反映放电中和电荷源的高度，且仅给出粗略的估计结果。第2类方法同样将闪电起始击穿过程引起的电荷中和或重新分布看作偶极子，但使用7个以上的电场变化观测站，通过同步观测得到闪电起始区域的电荷分布位置与电荷量^[6-9]。第3类方法使用甚高频 (VHF) 或更高频段的闪电定位系统给出闪电起始放电过程电磁辐射源的时空发展特征。按定位方法的不同，VHF频段闪电定位系统可分为时差法定位系统和干涉测向系统两种。

VHF和特高频 (UHF) 频段的时差法定位系统在20世纪70年代已开始被用于闪电研究^[10-11]。Proctor^[12]利用UHF时差法定位系统对闪电起始位置的观测表明，闪电起始高度在海拔5.3 km和9.2 km处存在两个分布峰值。但受到采集、记录设备的性能限制，当时的观测无法对闪电起始放电过程的发展特征进行研究。Proctor还对发生在7.4 km高度以上闪电过程的发展特征与发生位置在7.4 km以下的闪电过程进行了对比，发现两个区域内闪电的发展速度存在差异^[13]。美国LMA (lightning mapping array) 系统的定位结果中，地闪通常起始于下部正电荷区上方或中间，云闪一般起始于负电荷区与上部正电荷区之间^[14-15]，闪电辐射源的空间分布可反映雷暴的基本电荷结构^[14]，闪电辐射源时空变化还能在一定程度上反映雷暴发展过程中电荷结构演变特征^[16]。

人们在使用定位观测揭示闪电放电时空发展特征的同时，也在对相关的物理机制进行研究。LMA系统给出的闪电起始辐射源位置及起始辐射源的发展序列可被用于探测闪电起始电场阈值和起始位置电场方向^[17]，给出的闪电起始放电发展速度特征也与闪电始发机制相关^[18]。Behnke等^[18]根据LMA观测结果发现，云闪初始先导的平均速度为1.6×10⁵ m·s^-1，且在放电开始的10~15 ms中处于减速状态，认为逃逸击穿机制可对该现象进行解释。但也有分析表明，闪电通道在开始的数百微秒越来越活跃，随后变得持续欠活跃^[19]。实际情况还有待使用高时间分辨率的定位观测进行验证。近年来，工作在甚低频到中频段 (VLF~MF) 的地面电场变化天线阵列组成的时差定位系统也被用来对闪电起始脉冲过程进行定位观测^[20-21]，结合高速摄像观测进一步增进了人们对闪电起始阶段脉冲事件物理景象的认识^[22]，为建立模型计算这类闪电事件的放电参数提供条件^[23]。但时差定位系统观测结果的时间分辨率一般在数十到上百微秒^{[14, 24-25]}，可对孤立性较好的脉冲辐射源进行定位，但很难区分连续的噪音状辐射源^[26]。

与时差法系统相比，VHF干涉测向法闪电定位系统在定位结果的时间分辨率方面具有明显的优势，且对孤立脉冲型辐射和噪音状辐射均有很好的定位效果，观测能力也更为全面^[27]。早期的观测结果主要通过二维 (方位角-仰角) 定位结果推算闪电初始击穿发展速度等时空特征^[28-32]。董万胜等^[33-34]开发的宽带干涉仪系统也给出了很多类似的观测。随着三维定位技术的逐步完善，宽带干涉仪对闪电起始击穿的观测也已实现，但观测个例数量仍非常有限^[35-37]。这里使用改进的宽带干涉仪系统，对闪电起始放电过程进行观测，对地闪、云闪起始击穿过程的时空发展特征进行对比和分析。

每套宽带干涉仪系统由VHF宽带信号采集、VLF/LF宽带信号采集、GPS接收机和控制器4个部分构成^[38]。4个宽带全向天线获取的闪电VHF信号经LeCroy 7100高速数字示波器采集转变为采样率1 GHz、垂直精度8位的数字信号。快、慢电场变化仪用于测量闪电引起的地面电场变化，工作在VLF/LF频段，时间常数分别为0.5 ms和8 s。系统使用12位数字采集卡以1 MHz的采样率记录电场变化信号。GPS接收机作为示波器的外部时钟，授时精度可达30 ns。计算机作为控制器通过RJ45网口实现对示波器的控制和VHF信号与地面电场变化信号的数据同步采集、传输，并结合GPS接收机为系统提供时间信息和精确触发时刻。

两套宽带干涉仪观测站分别被架设在广州市从化区气象局观测场 (A站，23.5684°N，113.6154°E) 和人工引雷试验场 (B站，23.6394°N，113.5956°E)。A站和B站海拔高度分别为37 m和74 m，直线距离为8.15 km。两站均使用正方形VHF宽带天线阵列，基线长度分别为16 m和15 m。

数据处理程序分为二维定位与三维定位两部分。二维定位程序可提供闪电辐射源相对观测站的方位角、仰角信息^[38-39]。三维定位程序根据两个宽带干涉仪测站给出的仰角、方位角定位结果，结合触发时刻信息，利用双站交汇算法得出辐射源的空间位置^[38]，定位结果的时间分辨率可达到5 μs。仿真计算得到的双站干涉仪三维定位精度，在观测站附近10 km的范围内总体优于500 m，在观测站附近20 km的范围内优于1 km。

试验在2010年5月21日—7月21日进行。触发系统中添加了专用的触发器电路，提高了可从闪电起始阶段进行三维定位的记录数量。这里将闪电起始时刻定义为某次闪电快电场记录的第1个幅度大于本底噪声2倍的脉冲出现的时刻。如果某次闪电记录的起始时刻附近2 ms时间范围内有VHF三维定位结果，则认为该次闪电可从起始阶段进行三维定位。按照以上标准，本文选出了可从起始阶段进行三维定位的云闪80例，可从起始阶段进行定位的负地闪61例。其中，23次云闪和22次地闪的起始阶段放电超过10 ms且定位结果较连续，适合分多个时间段进行速度计算获得闪电起始阶段的速度变化特征。

图 1为发生在2010年7月21日15:30:39(北京时，下同) 的一次云闪起始阶段的部分快电场变化记录和前15 ms时间段内的VHF辐射源三维定位结果，图 1中标明了闪电起始高度与起始放电过程发展速度的计算标准。图 1a给出了这次闪电起始阶段的部分快电场变化记录。由于没有对快电场信号进行标定，这里使用信号输出幅度单位伏特表征闪电引起的地面电场变化值。图 1b为这次云闪起始后15 ms的VHF辐射源高度随时间变化。其中辐射点颜色与发生时刻对应，黑色箭头标明了0~2，0~5，5~10 ms以及10~15 ms时间段内放电发展速度的计算起止点。图 1中的黑色箭头1为闪电起始位置，同时也是速度计算起始位置。黑色箭头2，3，4，5分别为距离起始位置2 ms附近、5 ms附近、10 ms附近和15 ms附近的辐射点位置。箭头4′是因为放电过程发生分叉而选取的计算10~15 ms时间段内放电发展速度的起始位置。图 1d，1c，1e，1f分别给出了闪电起始阶段放电的三维定位结果，以及定位结果在x-z，x-y和y-z平面的投影。图 1c，1e中黑色箭头标明了0~2，0~5，5~10 ms和10~15 ms 4个时段内的放电发展路径。计算时，位置2、位置3辐射源距离起始位置1的三维直线距离除以各自时间间隔可分别得到闪电起始后大约2 ms，5 ms两个时间段内的三维平均发展速度，记为v₂，v₅。由于使用的时间间隔短，计算v₂时的误差会大于计算另外3个使用5 ms时间间隔速度参数的误差。位置4、位置5辐射源距离位置3、位置4′辐射源的三维直线距离除以各自时间间隔分别得到闪电起始后5~10 ms，10~15 ms时间段内的三维平均发展速度，记为v₁₀，v₁₅。起始位置1到位置4的发展方向可作为闪电起始放电过程定位结果的发展方向。为便于表达，这里将闪电起始放电过程的发展方向分为3类：当定位结果沿垂直地面方向向上单向发展超过1 km时，认为起始过程向上发展；当定位结果沿垂直地面方向向下单向发展超过1 km时，认为起始过程向下发展；当定位结果在垂直地面方向发展不超过1 km时，认为起始过程水平发展。这里以1 km作为发展方向判断标准是为了便于区分放电过程水平发展的情形而设立的，主要参考了已有的闪电起始阶段发展速度观测结果、电荷区分布特征和系统定位精度。

图 1

图 1. 数据处理标准示意图 (a) 一次云闪起始阶段的地面快电场变化记录，(b) VHF辐射源高度随时间变化，(c) 辐射源定位结果的x-z面投影，(d) 三维定位显示，(e) 辐射源定位结果的x-y面投影，(f) 辐射源定位结果的y-z面投影 Fig 1. The standard of data processing (a) a fast electric field change record of the initial stage of anintracloud flash, (b) the height of VHF radiation sources versus time for this stage, (c)x-z plane projection of 3D location results, (d)3D location results of this process, (e)x-y plane projection of 3D location results, (f)y-z plane projection of 3D location results

按前文给出的标准，对80次云闪、61次负地闪起始高度的计算得出云闪、负地闪起始高度的垂直分布特征。对选出的23次云闪、22次负地闪的速度和发展方向的分析可展现闪电起始阶段放电过程的时空发展特征。

图 2a和图 2b分别给出了地闪和云闪的起始高度分布结果。图 2a中地闪起始高度分布为2.7~9.9 km，在5.0 km高度存在峰值，在8.6 km高度存在一个不明显的峰值。大多数地闪的起始高度低于7 km。少量起始高度较高的地闪一般被归为起始击穿过程与云闪类似的混合型负地闪。云闪起始高度分布在3.9~12.1 km，在8.5 km高度存在峰值。综合和云闪和地闪的分布特征 (图 2c) 可以看到，闪电的起始高度呈现出5.0 km和8.8 km两个明显的峰值。这种分布可以用目前被普遍接受的雷暴云的三极性总体电荷结构进行解释。

图 2

图 2. 闪电起始高度分布 (a) 地闪，(b) 云闪，(c) 总闪 Fig 2. Distributions of the starting altitude of lightning (a) cloud to ground lightning, (b) intracloud lightning, (c) total lightning

目前一般认为，雷暴的总体电荷结构可分为3层，即中部的主负电荷层 (主要出现在-20~-10℃温度层结)、上部正电荷层和下部正电荷层^[40-41]。闪电起始于不同极性电荷层之间，在两个电荷区中同时发展。一般情况下，工作在VHF频段的闪电定位系统观测到的主要是辐射较强的向正电荷区发展并在其中传播的负极性击穿。因此，闪电起始位置集中分布的两个高度层基本对应着主负电荷区与上下正电荷区的两个交界区域。

此外，这里给出的结果与Procter^[12-13]在南非观测到的闪电的起始高度分布结果非常接近，与Rison等^[14]、Marshall等^[15]、Maggio等^[17]以及Behnke等^[18]的观测也一致。这种闪电发生位置海拔高度的一致也反映出闪电始发与所在温度层结密切相关。

表 1给出了23次云闪和22次地闪记录v₂，v₅，v₁₀，v₁₅的最大值、最小值、平均值以及标准差。其中，云闪和地闪v₂参数的标准差都大于各自v₅，v₁₀，v₁₅的标准差。这种状况可能是v₂的计算误差相对较大引起的。23次云闪v₂，v₅，v₁₀，v₁₅的平均值分别为3.7×10⁵，2.4×10⁵，1.8×10⁵ m·s ^-1和2.0×10⁵ m·s ^-1。其中，v₂的平均值明显大于另外3个时段的速度均值；v₁₅平均值在v₂，v₅，v₁₀平均值依次减小后相较v₁₀平均值又略有增大。云闪起始后10 ms内3个时段平均速度均值表现出减速趋势。22次地闪v₂，v₅，v₁₀，v₁₅的平均值分别为3.9×10⁵，2.4×10⁵，2.5×10⁵ m·s^-1和2.4×10⁵ m·s ^-1。其中，v₂的平均值明显大于另外3个时段速度平均值；v₁₀的平均值略大于v₅，v₁₅的平均值。与云闪的统计结果比，地闪除了v₅的平均值与云闪v₅的计算结果相等，v₂，v₁₀，v₁₅的平均值均略大于对应云闪参量的平均值。且从平均速度变化趋势看，地闪与云闪也存在差异。

表 1

表 1 闪电起始阶段平均发展速度 (单位:105 m·s -1) Table 1 The average developing velocities of lightning initial stage (unit:105 m·s-1) 统计参数 云闪 (23次) 地闪 (22次) 最小值 最大值 平均值 标准差 最小值 最大值 平均值 标准差 v2 1.0 9.5 3.7 2.1 2.0 7.3 3.9 1.8 v5 1.2 4.2 2.4 0.8 0.6 5.4 2.4 1.2 v10 0.7 3.8 1.8 0.9 0.8 5.7 2.5 1.2 v15 0.8 4.8 2.0 1.2 0.4 5.5 2.4 1.4

表 1 闪电起始阶段平均发展速度 (单位:105 m·s -1) Table 1 The average developing velocities of lightning initial stage (unit:105 m·s-1)

图 3分别给出了23次云闪和22次地闪距离起始位置约5，10，15 ms时间段内的闪电放电平均发展速度v₅，v₁₀和v₁₅。图中将云闪、地闪的速度数据按照v₅，v₁₀，v₁₅的大小次序不同进行分组。由表 1可知，v₂的计算误差相对较大，因此，这里未将v₂用于比较。

图 3

图 3. 23次云闪和22次地闪始发约0~5，5~10，10~15 ms时间段内的闪电放电平均发展速度 (分别对应依次减小、减小后增大、增大后减小和依次增大4种情况，N为闪电样本量) Fig 3. The average developing velocities of lightning initial discharge for time intervals of 0-5, 5-10, 10-15 ms roughly of 23 intracloud lightnings and 22 cloud to ground lightings (records classified into decrease, decrease and then increase, increase and then decrease and increase 4 groups by the order of value for v5, v10 and v15; N stands for the number of records in each panel)

图 3给出的23次云闪记录中，9次记录3个时段的平均速度依次递减，8次记录的v₁₀小于v₅和v₁₅，3次记录的v₁₀大于v₅和v₁₅，3次记录的v₅，v₁₀，v₁₅依次递增。即云闪记录中，15 ms内3个时段速度呈单一变化趋势的有12个，其中8个表现为递减趋势。如果只比较v₅，v₁₀，在前10 ms表现为减速趋势的云闪记录就达到17次，约占全部个例的74%。图 3给出的22次地闪记录中，4次记录的3个时段平均速度依次递减，8次记录的v₁₀小于v₅和v₁₅，6次记录的v₁₀大于v₅和v₁₅，4次记录的v₅，v₁₀，v₁₅依次递增。在地闪记录中，3个分段速度呈单一变化趋势的仅8个，其中，4个表现为递减趋势。前10 ms表现为减速趋势的地闪记录为12次，约占全部地闪个例的55%。从结果看，多数云闪和地闪在起始阶段前10 ms的发展速度表现出递减趋势，但云闪和地闪起始阶段的速度发展特征又存在差异。该差异主要表现为云闪起始阶段前10 ms存在减速趋势的比例更高，且在前15 ms一直保持减速趋势个例所占的比例也大于地闪。这样的结果可说明云闪与地闪的始发环境或始发过程本身存在差异。

表 2还给出了用于速度计算的23次云闪和22次地闪的起始阶段发展方向的统计结果。云闪和地闪的起始阶段放电过程均有向上、向下和水平发展3种可能。宽带干涉仪观测到的VHF信号主要来自闪电中的负极性击穿过程，即从负电荷区向正电荷区发展的放电过程。云闪起始阶段向上发展的个例占92%，地闪起始阶段向下发展的个例占88%。这样的结果与前文中给出的闪电起始位置高度分布体现了相同的垂直方向宏观电荷结构，相当于指示出闪电起始位置在垂直方向上的电场方向。因此，观测中获取的闪电起始放电过程的三维发展方向反映闪电起始位区域的三维电场方向。

表 2

表 2 闪电起始阶段发展方向统计结果 (单位：%) Table 2 Developing trends of lightning initial stage (unit:%) 发展方向 云闪 (23次) 地闪 (22次) 向上 92 4 向下 4 88 水平 4 8

表 2 闪电起始阶段发展方向统计结果 (单位：%) Table 2 Developing trends of lightning initial stage (unit:%)

使用2010年夏季在广东省观测的三维VHF宽带干涉仪闪电定位资料，对云闪、地闪的起始高度、发展方向和起始阶段的发展速度特征进行分析，得到以下结论：

1) 闪电的起始高度呈现出5 km和8.8 km两个明显的分布峰值，符合雷暴云三极性总体电荷结构的描述。

2) 云闪和地闪在始发后15 ms内的平均发展速度均为10⁴~10⁵ m·s^-1量级，多数云闪和地闪起始后15 ms内的平均发展速度表现出减速趋势，但云闪个例中前10 ms存在减速趋势的比例更高，且其中在前15 ms一直保持减速趋势个例所占的比例也大于地闪，云闪起始阶段放电过程的速度发展特征与地闪存在一定差别。

3) 云闪和地闪的起始阶段放电过程在垂直方向均有向上、向下和水平发展3种可能，可用于指示闪电始发位置的环境电场方向。

有关闪电始发机制的问题，目前还需要通过不断发展观测技术增进人们对闪电起始放电特征及闪电起始环境特征的认知来解决。这里得到的闪电起始高度分布及闪电起始放电过程的发展方向与VHF到达时间差闪电定位系统的结果类似^{[12, 17]}，均能反映出雷暴云的三极性电荷结构特征。

本文给出的云闪起始过程发展速度特征与Behnke等^[18]给出的闪电起始放电发展速度特征类似，但文献[18]中24次云闪在开始的10~15 ms内全部表现为减速趋势，而本文绝大数云闪在开始的10~15 ms内放电过程发展速度表现为减速趋势，少数云闪在起始阶段表现为加速趋势。Behnke等^[18]认为这种闪电起始阶段放电过程的减速趋势可由逃逸击穿^[42-43]闪电始发机制解释。如果这一解释成立，那么这里得到的结果可说明逃逸击穿机制确实在闪电始发过程中发挥作用，但有可能不是唯一起作用的机制。这种可能性在文中地闪起始阶段速度发展特征上也有体现。但地闪个例中前15 ms存在减速趋势的比例低于云闪，且大部分个例的减速趋势仅出现在开始的前10 ms，说明地闪与云闪的起始放电过程存在差异。这种差异在云闪、地闪的辐射场观测中也有体现^[44]，应当与闪电始发机制及雷暴云中云内微物理活动、云内电荷分布等环境因素的差异有关。但这些问题的最终确认还需要进一步发展探测技术和新的物理模型，对闪电放电过程和发生环境的多种物理量进行大量高时空分辨率的同步观测与分析。