2018, 29 (3): 364-373
2. 成都信息工程大学, 成都 610103
2. Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610103
闪电的始发过程是一个重要的、基础的雷电物理过程[1-3]。目前，闪电如何始发是雷电物理研究的热点问题，已经开展了许多相关研究[4-5]。闪电初始击穿过程作为闪电始发放电过程的重要标志，在低频电场波形上通常表现为一系列宽度为微秒量级的双极性脉冲或单极性脉冲。很多研究对初始击穿进行观测[6-14]，认为初始击穿脉冲簇的第1个脉冲是一次云闪或地闪放电开始的标志，发生在梯级先导之前，初始击穿脉冲极性与后续回击脉冲极性相同[15]。Kitagawa[6]及Clarence等[7]发现初始击穿脉冲发生取决于雷暴类别或雷暴所处发展阶段，也会影响到初始击穿的探测效率。他们还发现无论是云闪还是地闪，都存在明显的初始击穿脉冲簇(IBP)，云闪初始击穿脉冲簇表现为较孤立的形式，持续时间几十毫秒，地闪初始击穿脉冲簇表现为较连续的形式，持续时间为几毫秒。Nag等[16]发现初始击穿出现概率与所在纬度有关。武斌等[17]拟合了发生在不同距离上不同类型闪电初始击穿过程的波形结构。
近些年，窄偶极性脉冲事件(NBE)被发现会出现在一次闪电过程的开始位置。Nag等[18]观测到157例正极性NBE，其中73%孤立发生，24%出现在常规云地闪的起始、之后及过程中。Betz等[19]也得到了相似的结果。Wu等[20]对包括638例正极性NBE和189例负极性NBE在内的827例NBE进行分析，发现闪电第1个放电事件为NBE的占10%。研究也发现NBE较一般闪电放电事件具有更高的放电高度[21-23]。然而，也有研究结果认为，绝大多数云闪始发均开始于类似NBE的事件。2016年Rison等[24]通过对3例近距离NBE伴随的闪电观测研究发现，NBE作为一种快的正击穿事件，导致了局域电场的增强，始发了这3次云闪放电，其进一步统计表明这种始发具有普遍性。
以上研究结果表明，IBP和NBE均可引发云闪或地闪放电过程。针对两者是否为同样的事件，Silva等[25]构建了NBE和IBP的物理模型，模拟了NBE和IBP的电场波形，模拟结果显示两者在特征上没有明显区别。而本文将从IBP和NBE观测数据着手，研究两者在闪电始发中的作用以及两者之间的特征和过程的异同。
1 试验和数据本文所用数据来自2015年中国气象科学研究院雷电团队自主研发的闪电低频电场探测阵列(LFEDA)的观测结果。该LFEDA阵列架设在广东省广州市从化区，站点分布如图 1所示，位于23°~24°N, 113°~114°E，基线范围为6~74 km。LFEDA系统每个子站采用快天线探测电场变化波形[26]，闪电信号经滤波后获得160 Hz~600 kHz的宽带信号，传送到高性能计算机的数据采集卡，通过浮动电平的方式触发记录、无死时间分段存储1 ms闪电波形，预触发位置为20%；通过高精度GPS时钟标记精度100 ns的触发时间戳。多个子站数据经后处理方式在中心站基于到达时间差(TOA)方法进行定位，给出包括经度、纬度、高度、闪电放电类型识别等闪电定位结果。
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| 图1 LFEDA站网子站分布 (阴影表示地形高度) Fig.1 Substation distribution of LFEDA network (the shaded denotes the topography) | |
本研究选取2015年8月15日14：30—16：10(北京时，下同)广州一次经过LFEDA站网中心的强雷暴且具有明显始发脉冲放电过程进行分析。首先将所获得的脉冲定位结果归为闪电，将时间间隔小于500 ms、空间间隔小于10 km的放电事件认为是同一次闪电中的放电事件。基于每次闪电数据，挑选NBE事件以及IBP事件。使用物理学定义NBE和IBP极性，即电场正向变化对应正电荷向下发展、对应负电荷向上发展。
NBE事件具有10~20 μs短的持续时间[27]，窄的双极性电场波形[21]，较高的放电高度[21, 23]，远距离观测有明显的电离层反射脉冲对(TIPPs)[28-30]，非对称的正向和负向幅度[31]、宽频的信号导致的低频电场上的高信噪比[27, 32-34]。将信噪比大于10 dB、上升沿时间小于5 μs、脉冲宽度小于15 μs且脉冲负向与正向幅度比小于0.5的脉冲作为NBE事件，典型NBE电场波形如图 2a所示。另外，根据以往的认识，IBP脉冲多出现在闪电的最开始位置，多为双极性，并以脉冲簇的形式出现。根据上面的特征，挑选出180例IBP始发的闪电。典型IBP如图 2b和图 2c所示，本文所讨论的IBP始发脉冲为脉冲簇的首个脉冲(FIBP)。
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| 图2 典型闪电始发放电事件 (a)NBE，(b)云闪IBP，(c)地闪IBP Fig.2 Typical lightning initial discharge events (a)NBE, (b)IBP waveform during intracloud lightning, (c)IBP waveform during and cloud-to-ground lightning flash | |
2 结果分析 2.1 闪电始发类型统计
表 1给出了闪电始发放电类型的统计结果。50 km以内有明显始发脉冲的云闪和地闪共212例，由NBE始发的闪电32例，由IBP始发的闪电180例。其中202次云闪放电过程中，IBP始发173例(约占14%)，NBE始发29例(约占86%)，10次地闪放电过程中，NBE始发3例(占30%)，IBP始发7例(占70%)。由INBE和FIBP的极性分布可知，云闪中正极性FIBP和INBE占绝大多数，比例分别为83%和72%；地闪中情况相反，正极性FIBP和INBE的比例分别为28%和33%。这是由FIBP和INBE发生位置决定的，云闪初始击穿常常发生在主负电荷区和上部正电荷区之间，而地闪初始击穿主要发生在主负电荷区和下部正电荷区。
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表 1 闪电始发放电事件类型 Table 1 Types of initial lightning discharge events |
对于NBE本身而言，根据不同的发生位置，可以分为始发NBE(INBE)、过程中NBE(NBE处于一次定位连续闪电过程非首个放电事件位置)和孤立NBE(NBE处于一次定位不连续闪电过程非首个放电事件位置)。统计的闪电中，共发现孤立NBE 93例，始发闪电的INBE 32例，闪电过程中NBE 50例，INBE占总NBE比例为18%。
图 3a~图 3d均为2015年8月15日闪电初始10 ms放电过程。图 3a中正极性NBE为此次闪电过程的首个放电事件，该事件距离中心测站(光联村，23.62°N, 113.60°E)30.0 km，始发高度为8.9 km，经10 ms高度上升至12.5 km，向上平均发展速度为3.6×105 m·s-1。图 3b中负极性NBE为此次放电过程的首个放电事件，该事件距离中心测站38.3 km，始发高度为7.8 km，经4 ms高度下降至5.2 km，向下平均发展速度为6.5×105 m·s-1。图 3c中正极性IBP为此次放电过程的首个放电事件，该放电事件距离中心测站24.1 km，始发高度为8.0 km，经10 ms上升至10.9 km，向上平均发展速度为2.9×105 m·s-1。图 3d中负极性IBP为此次放电过程的首个放电事件，该放电事件距离中心测站28.6 km，始发高度7.7 km，经4.6 ms下降至5.2 km，向上平均发展速度为4.3×105 m·s-1。
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| 图3 闪电始发过程个例(▲表示始发放电事件) (a)正极性NBE始发过程，(b)负极性NBE始发过程，(c)正极性IBP始发过程，(d)负极性IBP始发过程 Fig.3 Lingtning initial progress(▲ denotes initial discharge events) (a)positive NBE initial progress, (b)negative NBE initial progress, (c)positive IBP initial progress, (d)positive IBP initial progress | |
2.2 始发脉冲与后续放电
分析FIBP，INBE脉冲和后续放电脉冲的相关性，结果表明：32例NBE始发闪电中INBE脉冲后15 ms内存在放电脉冲的共24例(占75%)。INBE脉冲与其后的第1个明显可见的闪电放电脉冲的平均时间间隔为7.0 ms, 中值为3.9 ms。而180例IBP始发的闪电中FIBP脉冲后15 ms内均存在放电事件。FIBP脉冲与其后第1个明显可见的闪电放电脉冲的平均时间间隔为0.6 ms，中值为0.2 ms。由此可见，INBE在始发阶段较FIBP更孤立，其与后续第1个放电事件间隔大于FIBP。
在NBE始发的闪电中，相比于后续第1个脉冲，INBE脉冲具有相对大的强度，INBE脉冲与后续首个脉冲平均幅值比为3.5。而IBP始发闪电中，相比于后续第1个脉冲，FIBP幅值较小，FIBP脉冲与后续首个脉冲平均幅值比为0.8。同时，IBP始发的闪电中，FIBP始发脉冲多为单脉冲，但后续脉冲多为叠加脉冲，而INBE之后的放电波形均为典型的IBP脉冲簇。
2.3 闪电初始放电高度图 4a给出了NBE和IBP始发闪电的初始高度，并与闪电过程中NBE进行对比。INBE脉冲、FIBP脉冲、过程中NBE平均高度分别为9.9 km，8.1 km，13 km；高度中值分别为9.9 km，8.2 km，13 km。INBE高度明显低于过程中NBE的高度。过程中NBE高度主要分布在11~14 km，高于11 km的共45例(占90%)；而INBE初始高度主要集中在7~11 km，低于11 km的共29例(占90.6%)。INBE高度明显低于过程中NBE的高度，Wu等[20]也得到相似结果，其统计的负极性NBE、正极性NBE和INBE平均高度分别为15.9 km，13.4 km，7.9 km。FIBP始发闪电初始高度主要集中于6~9 km，与INBE分布范围较一致，整体略低于INBE。
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| 图4 各类型闪电初始高度分布特征 (a)INBE，FIBP，过程中NBE，(b)正极性FIBP和负极性FIBP，(c)过程中正极性NBE和过程中负极性NBE，(d)孤立正极性NBE和孤立负极性NBE Fig.4 Distribution characteristics of initial altitude for all-type lightning (a)initial NBE, initial IBP, intra-NBE, (b)positive and negative initial IBP, (c)positive and negative intra-NBE, (d)positive and negative isolated NBE | |
图 4b为146例正极性FIBP和34例负极性FIBP的高度分布。正、负极性FIBP始发高度主要集中于6~9 km，平均初始高度分别为8.1 km，7.8 km，初始高度中值分别为8.4 km，7.8 km。正极性FIBP高度分布高值区为8~9 km, 而负极性FIBP高度分布高值区为6~7 km。正极性FIBP初始高度整体略高于负极性FIBP，两者初始高度差别并不显著。
图 4c为29例过程中正极性NBE和21例过程中负极性NBE高度分布，两者放电高度分布并无明显差异，均集中于11~14 km。
图 4d为93例孤立正、负极性NBE放电高度分布情况。孤立的正、负极性NBE之间放电高度存在明显差别，负极性NBE放电高度主要集中于16~17 km，孤立的正极性NBE放电高度主要集中于11~15 km, 孤立负极性NBE放电高度高于孤立正极性NBE，且二者所在高度以15 km分界。这与Wu等[23]提出的孤立负极性NBE发生高度在16~19 km一致，该种NBE可能发生在上部正电荷区和屏蔽层之间，与中高层大气放电关系密切。
2.4 闪电始发脉冲与始发阶段发展形式NBE和IBP始发闪电放电初始发展方向如表 2所示，正极性IBP始发的云闪143例，其中向上发展的占闪电的96%，负极性IBP始发的云闪30例，其中向下发展的比例为77%；正极性NBE始发的云闪21例，始发向上发展的占95%，负极性NBE始发的云闪8例始发阶段均向下发展。正、负极性NBE始发闪电初始发展方向的差异性和Wu等[20]的研究结果类似，他们发现103例正极性NBE始发闪电均向上发展。因Wu等[35]利用大气电学符号定义NBE，IBP极性，故本文结论与之相反。发现负极性NBE在始发阶段多向下发展。同样，正极性IBP始发闪电发展方向多向上发展、负极性IBP多向下发展，考虑极性定义的不同，这与Wu[30]研究结论一致。可以认为，无论是正极性NBE还是正极性IBP，大多数始发了开始向上的闪电，而对应的负极性NBE和IBP则大多数始发了开始向下发展的闪电。对于IBP和NBE始发的地闪，其规律和上面的云闪结果相似。考虑到闪电起始阶段具有很大的垂直发展阶段，可以认为INBE和FIBP反映出闪电始发方向的不同和始发位置密切相关。
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表 2 闪电始发放电事件发展方向统计 Table 2 Initial propagation direction of lightning discharge events |
2.5 闪电初始放电速度
在32例INBE中选取始发阶段定位较连续的个例，计算其始发15 ms内平均传输速度。结果表明：NBE始发闪电初始阶段平均发展速度为3.1×105 m·s-1, 中值为3.0×105 m·s-1，INBE最低初始高度为4.7 km，对应的最大平均发展速度为7×105 m·s-1, 最高初始高度为13.7 km，对应最小平均发展速度为1.2×105 m·s-1。本文NBE始发闪电初始阶段平均速度与刘恒毅等[36]及Wu等[20]结果一致。刘恒毅等[36]给出闪电始发后15 ms内的平均发展速度为104~105 m·s-1量级。Wu等[20]统计INBE后向上平均传播速度为3.3×105 m·s-1, 中值为2.9×105 m·s-1。INBE初始高度与初始阶段平均速度的关系如图 5所示，NBE始发闪电初始阶段平均速度随始发高度增大而减小，这与已有研究结果一致[37]。而始发平均速度V随着始发高度H的变化呈指数衰减，拟合关系是V=aebH, 其中，a=14.3, b=-0.1。在IBP始发的180例闪电条件中，选取始发阶段定位较连续的61例，计算其始发15 ms内的平均传输速度。结果表明：IBP始发闪电初始阶段发展速度平均值为2.6×105 m·s-1, 中值为2.3×105 m·s-1。IBP始发的闪电初始阶段平均速度略小于NBE始发闪电初始阶段平均速度。对于NBE始发闪电，去除第1个脉冲INBE计算始发闪电初始阶段平均速度为2.4×105 m·s-1，这与IBP始发闪电初始阶段发展速度平均值相近，这也印证了前文INBE始发脉冲之后的放电波形均为典型IBP脉冲簇的结果。
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| 图5 闪电初始放电速度 (a)INBE初始高度与15 ms始发平均速度的关系，(b)INBE与FIBP始发闪电初始阶段速度分布对比 Fig.5 Initial discharge speed of lightning (a)relationship between INBE altitude and speed during initial 15 ms stage, (b)comparison for initial velocity distribution of initial stage by INBE and FIBP | |
上面的速度主要反映初始阶段的平均速度，为更好揭示始发闪电第1个放电事件(INBE, FIBP)的不同，分析更接近始发放电事件的速度。研究认为闪电低频放电脉冲对应闪电空间上的发展，假设始发放电事件(INBE或FIBP)与其后跟随的第1个脉冲之间距离变化对应两个脉冲放电事件的上升过程，从而得到一个能更好反映INBE或FIBP的速度。结果表明：INBE脉冲平均速度为4.7×107 m·s-1, 与Rison等[24]提出的始发INBE是一种快的正击穿结果类似，而FIBP脉冲平均速度为1.5×107 m·s-1，这也符合传统认识。
2.6 始发脉冲特征统计INBE和FIBP的脉冲参量，包括上升时间、半峰宽、脉冲宽度。上升时间定义为上升沿10%峰值点到上升沿90%峰值点的时间，半峰宽定义为上升沿50%峰值点到下降沿50%峰值点的时间，脉冲宽度定义为上升沿10%峰值点到下降沿过零点的时间。
闪电初始阶段180例FIBP中73例为单脉冲波形，与同为单脉冲波形的32例INBE进行比较。统计结果如表 3所示，FIBP和INBE的半峰宽、脉冲宽度结果相近，这与Silva等[25]提及的NBE的宽带波形在持续时间上与典型FIBP相似的结论一致；但与FIBP相比，INBE有更快的上升时间。INBE上升时间平均值为1.3 μs，最大值为3.7 μs; FIBP上升时间平均值为3.9 μs，最大值为12.4 μs。FIBP与INBE脉冲宽度差异主要集中在上升时间, 这个差异一定程度上表明FIBP和INBE速度的差异，INBE具有更大的速度，而定位结果也证实了这一点(INBE脉冲平均速度为4.7×107 m·s-1，FIBP脉冲平均速度为1.5×107 m·s-1)。
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表 3 INBE与FIBP脉冲参数对比 Table 3 Parameters comparing between INBE and FIBP |
为了了解INBE和其他NBE的区别，也统计了所有3种类型NBE的波形特征，如表 4所示。INBE、过程中NBE、孤立NBE平均脉冲宽度分别为4.4 μs，4.1 μs，4.1 μs，Wu等[20]对不同NBE研究也得到类似结果，INBE、正极性NBE和负极性NBE平均脉冲宽度为5.8 μs, 4.5 μs, 4.6 μs。三者在其他参量上升沿时间和半峰宽也没有明显差异，INBE和其他NBE在从脉冲宽度上很难区别。
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表 4 不同NBE脉冲波形参数对比 Table 4 Pulse waveform parameters comparing among different NBE |
3 结论
基于对一次近距离雷暴过程中的具有明显始发脉冲的闪电放电事件分析，给出了NBE始发闪电放电事件和IBP始发闪电放电事件的特征，讨论两者差异，结果表明：
1) NBE和IBP均能够始发闪电放电。其中NBE始发的云闪比例约为14%，地闪比例约为30%；IBP始发的云闪比例约为86%，地闪比例约为70%。INBE作为闪电始发放电事件，相比于FIBP，具有相对的孤立性，且具有相对较大的幅度。INBE和后续第1个脉冲间的时间间隔为6.9 ms，幅度比例3.5；FIBP与后续第1个脉冲间的时间间隔0.4 ms，幅度比例0.8。INBE后常跟随传统的IBP脉冲。
2) 云闪中正极性IBP，NBE多始发向上发展的闪电，负极性IBP，NBE多引起开始向下发展的闪电。INBE作为闪电始发事件，其平均高度为9.9 km，而孤立NBE的放电平均高度为13.6 km，明显大于INBE。IBP作为始发事件的平均高度为8.1 km，与作为始发的INBE无明显差别。
3) NBE作为始发事件的闪电始发过程平均速度随初始高度的增大而减小, 且平均速度相较于IBP作为始发事件的脉冲平均速度略快。这与INBE具有更快的速度相关。本文估计的始发NBE脉冲的速度为4.7×107 m·s-1，始发IBP脉冲速度为1.5×107 m·s-1。
4) INBE、过程中NBE、孤立NBE的上升沿时间、半峰宽和脉冲宽度没有明显差异，INBE和其他NBE在从脉冲宽度上很难区别。而INBE始发脉冲的上升沿时间明显小于始发IBP脉冲，这也与两者之间速度的明显差异吻合。
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