地闪放电过程的高速摄像观测研究

在2006年7～8月和2007年5～8月,中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室在广州从化进行了人工引雷和自然闪电野外观测试验,其中采用了美国Red Lake公司生产的MotionPro HS-4型数字化高速黑白摄像机对闪电通道的发展特征进行观测。MotionPro HS-4的成像器件为CMOS面阵,包含512×512个像素点,每个面元的尺寸为16μm×16μm,动态范围为59dB,像素灰度取值范围0～255。拍摄时设置的时间分辨率为0.2ms,曝光时间为197μs,记录时间长度为1.6s,采用的镜头为3.5mm定焦广角镜头。本文主要利用在2006年和2007年野外试验中获得的高速摄像资料,对地闪先导-回击发生发展的物理过程进行研究,结合其它同步观测资料,对2次自然闪电,1次空中触发闪电和4次地面触发闪电的放电过程进行详细分析,并对4次地面触发闪电上行正先导传播过程中的特征参量进行了计算,得到以下主要结论: 在一次多回击地闪中,观测到β型梯级先导,其平均速度为2.23×106m/s;一次直窜先导的传播速度随先导尖部高度的减小而增大;一次企图先导的传播速度随先导尖部高度的减小而减小。 人工触发闪电试验中上行正先导的传播速度均在105m/s的数量级上,随着其尖部高度的增加,上行先导传播所经过的通道发光逐渐增强,但是在初始连续电流阶段通道发光达到峰值时,上行先导并不一定已经传播入云。 在一次负极性自然地闪和一次负极性空中触发闪电中,观测到双向先导的传输过程。两次过程中正、负先导的传播速度均在105m/s的量级上,它们的正、负先导都出现了分叉。 在一次具有13次回击的自然闪电和一次具有12次回击的地面触发的人工引发雷电中,回击及紧跟其后的连续电流过程的发光总量与此次回击之前闪电通道的截止时间有关,较大的发光总量对应于较长的截止时间,较短的发光总量对应于较短的截止时间,但二者没有固定的比例关系。 将在一次多回击地闪中观测到的17次M分量与在一次地面触发闪电中观测到的15次初始M分量进行比较,发现地面触发闪电中的初始M分量的持续时间和时间间隔均长于自然闪电中的M分量。 计算得到一次地面触发闪电的上行先导传播所经过通道的平均线电荷密度为76.43～466.83μC/m,平均值为250.0μC/m,先导电流的强度为0.0133～0.0835kA,平均值为0.0353kA;三次地面触发闪电的上行正先导在距离闪电通道100m处产生的电场变化率dE/dt的平均值分别为4128,3793,1722(V/m)/ms。