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图3-3始于云内的地闪过程条纹照片。
(a)负地闪;
(b)正地闪
图3-4负地闪发展过程示意图
(a)静止照相,(b)Boys相机(Magono,1980)
下行负先导(downwardnegativeleader)的头部相对于地面的电位超过107V。
当先导头部接近地面时,地面的自然尖端或高大建筑物等突出物体上会自行超过空气的击穿电场,并在这些突出物体上诱发一个或几个上行的放电即上行先导(upwardleader),如图3-5所示。
由此产生所谓的连接过程(attachmentprocess)。
当一个或几个这样的上行先导在地面上方几十米的地方与下行先导相接时,先导头部的电位突然碰到很近于地电位的上行先导,这时首次回击过程便开始了。
地电位波(即回击)沿着已经电离的先导通道连续向上传播,在接近地面时,回击上行的速度大约为光速的三分之一,并随高度而衰减,从地面到通道顶部的时间一般是100μs。
回击在地面附近产生峰值电流,约为30kA,这就是首次回击的大电流脉冲,它从0到峰值的上升时间约为几微秒。
从地面测量到的电流在50μs内下降到峰值的一半,几百安培的电流在几毫秒到几百毫秒内将持续沿着通道流动。
回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道,成为回击通道。
由观测及室内实验证明,回击通道的电流核心为一厘米左右。
通道的温度在瞬间达到
图3-5一次击中Manasquan海滨沙滩的闪电照片。
照片中除主放电通道外,
还可以看到两个没有与下行先导相连接的上行先(取自Fig.6.5,Uman,1987)。
30000K,由此产生的高压使通道迅速扩张,并产生冲击波,最终变成雷声。
回击有效地将原来沉积在先导通道中的电荷以及在通道顶部的电荷输送到了地面,产生的随时间变化的电场变化可以从亚微秒量级到几毫秒。
图3-6给出了一次负地闪首次电场前后在不同的距离上产生的电场变化。
本书按照国际惯例,规定将云内负电荷释放到地面(即对应于云内负电荷的减少)的地闪在地面产生的电场变化为正。
图中B代表预击穿过程,持续时间为2-10ms;
I代表由预击穿过程向梯级先导转化的一个寂静期,称为中间(Intermediate)过程,持续时间一般为几毫秒到几百毫秒;
L代表梯级先导,持续时间一般为4-30ms;
R代表回击过程,J(Junction)代表回击之间的除去L,R的过程,简称击间(Interstroke)过程。
首次回击电流停止后,放电过程如果停止,则称为单闪击闪电。
如果在较短的时间内通道顶部能重新聚集起足够的电荷,则可能发生以直窜先导(dartleader)或直窜——梯级先导(stepped-dartleader)引导的继后回击(subsequentreturnstroke)。
直窜先导有可能沿着原来的梯级先导向下传播,
图3-6负地闪在不同距离上产生的典型电场变化波形示意图(频率范围200Hz-20kHz)。
图a、b、c、d分别为2km、5km、50km和500km处的电场。
典型持续时间:
B过程持续2-10ms;
I过程持续0-400ms;
L过程持续4-30ms。
(ClarenceandMalan,1957;
Schonland,1956)。
传播速度为3×
106m/s。
通常一次对地的放电过程中可包含一次或几次先导——回击过程,回击过程和之后的直窜先导之间在云内会发生电场变化缓慢的J过程或者连续电流(continuingcurrent)过程。
直窜先导向地面输送约1C的电荷,电流为1kA。
一些先导以直窜先导开始,在向地面传输的过程中可能会变成梯级先导,这种先导被称为直窜——梯级先导。
与第一次的梯级先导——回击相比,后来的直窜先导——回击一般没有分叉。
直窜先导的电场变化一般持续时间为1ms,其引导的继后回击电场变化与首次回击类似,一般认为比首次回击弱2倍左右。
但,近来越来越多的研究表明,至少在1/3的闪电中,有一次或一次以上的回击过程比首次回击强(Thottappilliletal.,1992;
CoorayandPerez,1994;
郄秀书等,2000)。
继后回击的电流从0到峰值的持续时间比首次回击短,但最大的电场变化率类似。
表3-1给出了负地闪放电过程的毫秒级特征参量(同时参照表3-4)。
表中参量是综合Schonlandetal.(1938)、MalanandSchonland(1951)、Pierce(1955)、ClarenceandMalan(1957)、KitagawaandBrook(1960)、Ishikawa(1961)、Krehbieletal.(1979)、Thomson(1980)、Beasleyetal.(1982)、Richardetal.(1986)、Proctor(1988)、RakovandUman(1990)、Kawasaki(1992)、Rakov(1994)、余晔等(2000)以及Uman(1969)观测结果得到的。
更高时间分辨率的放电特征,可以参见第四章。
表3-1负地闪放电过程的毫秒级特征参量(同时参照表3-4)
负极性云地闪电
最小典型值最大
总体情况
回击数
回击间时间间隔(ms)
梯级先导
持续时间(ms)
梯级长度(m)
梯级间隔(s)
平均速度(105m/s)
沉积电荷(C)
平均电流(A)
梯级电流峰值(kA)
首次回击
峰值电流(kA)
速度(107m/s)
直窜先导
传播速度(106m/s)
直窜-梯级先导
先导间隔(s)
平均速度(m/s)
继后回击
峰值电流(kA)
速度(108m/s)
13-426
340-80100
36-2050
350200
3050125
1.022.6
3520
300
1-2
210-40110
2.010>
14
2
1.022.1
0.216
500
10
1106
1
回击之间的时间间隔通常为几十毫秒,但是如果通道中在回击之后有连续电流流过的话,时间间隔可能会上升到1/10s。
连续电流大小一般为100A左右,是云中电荷直接向地面的转移。
由连续电流产生的电场变化通常是缓慢的,持续时间为100ms,并将几十库仑的电荷输送到地面。
大约有1/4到1/2的地闪过程中包含有连续电流过程。
在连续电流阶段的脉冲性电场变化称M分量。
图3-7(a,b)给出了发生于约20km处的两次多次回击地闪的毫秒级光学和电场变化示意图。
图a包含8次回击过程,并有明显的连续电流过程,而图b包含9次回击过程,没有连续电流发生。
两图中上部为光学观测,中部为快电场变化(所用仪器时间常数为70μs),下部为慢电场变化(所用仪器时间常数为4s)。
图3-7发生于约20km的两次多回击地闪光学观测和电场变化波形。
两图中上部为光学观测,中部为快电场变化(所用仪器时间常数为70μs),
下部为慢电场变化(所用仪器时间常数为4s)。
3.3正地闪过程
虽然通常情况下的对地放电过程都是将云内负电荷输送到地面的负极性放电,但是也有一些放电将云内的正电荷输送到地面,被称为正地闪过程。
由于正闪的峰值电流和所中和的电荷量较通常的负地闪大得多,因此对正地闪的研究对于雷电防护来讲就有了更实际的意义。
3.3.1正地闪的发生比例和一般特征
Beasley(1985)曾经对不同作者在不同的地区利用各种方法对正地闪的发生比例进行了总结和比较,发现在不同的地区得到的正地闪比例有较大差别,从0-100%不等。
比例最高的是日本的冬季雷暴,最高可达100%,通常在40-90%之间。
近年来随着雷电定位系统的普及和大量资料的积累,对地闪的分布情况又有了新的研究,表3-2给出了近年来不同作者在不同的地区所得到的正地闪比例。
可以看出美国正地闪的比例均小于10%。
OrvilleandHuffines(1999)利用美国国家雷电探测网络(NLDN)记录到的1989-1998年的大量地闪资料,得到正地闪的比例从3-9%不等。
在中国内陆高原的正地闪比例(郄秀书等,2000)介于美国夏季雷暴和日本冬季雷暴的结果之间。
一般来讲,虽然在夏季雷暴中正地闪较为罕见,但是其发生的比例会随着纬度的增加和地面海拔高度的增加而增加。
LewisandFoust(1945)曾经指出,随着海拔高度的增加,正地闪发生的比例也增加,在海平面上比例约为3%,在海拔高度为2-4km的地方,则为30%。
在以甘肃省为代表的中国内陆高原地区(海拔高度约为2km),正地闪的发生比例平均为15%-20%(郄秀书等,2000)。
最近的研究表明正闪的比例还随雷暴过程的不同而不同(MacGormanandMorgenstern,1998;
正地闪在具有正常偶极电荷结构的日本冬季雷暴中十分常见(Takeutietal.,1973,1980;
Brooketal.,1982;
Hojoetal.,1985;
Ushioetal,1998)。
其发生原因是由于较强的风切变,偶极电荷结构发生严重倾斜,(Brooketal.,1982;
Takagietal.,1986)。
因此产生于上部正电荷区域的正先导可以直接发展到地面,而不被中部的负电荷区域所拦截。
Takeutietal.(1980)和Brooketal.(1982)发现正地闪的比例随着风切变的增强而增加。
Brooketal.(1982)在资料分析的基础上指出,产生正地闪的最小风切变为1.5(m/s)/km,而当风切变大于(7m/s)/km时,产生的地闪全部为正极性放电。
表3-2不同地区正地闪比例对照表
作者
地域
季节
手段
地闪数
正地闪数
正地闪比例
Nakano(1979)
日本
冬季雷暴
ES,V
66CG
26
42%
Brooketal.(1982)
63CG
4l%
Yairetal.(1998)
以色列
CGR3
1989-1996
16%
CoorayandLundquist(1982)
瑞典
夏季雷暴
10-15%
MacgormanandMorgenstern(1998)
美国
LLS
25MCSs
6.6%
OrvilleandHuffines(1998)
10年
MCSs
3-9%
QieX.etal.(1991)
中国北京
10548CG
1.7%
郄秀书等(2000)
中国甘肃
7221CG
1111
15.3
ES
106CG
23
17.8%
注:
ES:
慢天线;
V:
摄像;
CG:
地闪;
MCS:
中尺度对流系;
LLS:
闪电定位系统;
CGR3:
可以识别云闪和地闪及其极性的闪电频数监测仪。
通过对正地闪的光学和电学观测证实,正闪通常只有一次回击和紧接其后的连续电流过程组成。
单次闪击正地闪占80%以上(郄秀书,2000),偶尔也会发生多次回击。
正地闪回击由正极性的先导引导,正先导一般不表现出象负先导那样的明显梯级特征,其发光近乎连续但强度被调制(见图3-3b)。
3.3.2正地闪的微秒级电场特性
对于正地闪微秒或亚微秒级时间尺度的电场变化特性可以参看Rustetal.(1981,1985),CoorayandLundquist(1982),Beasleyetal.(1983),Cooray(1984,1986),以及Hojoetal.(1985)。
表2-3给出了微秒级时间尺度的正地闪电场变化特征统计表。
表3-3正地闪回击垂直电场的统计特征
特征
回击数目
平均值
标准偏差
范围
或值
归一化到l00km的初始峰值电场(V/m)
CoorayandLundquist(l982)
58
ll.5
4.5
4.5-24.3
0-峰值上升时间(μs)
Rustetal.(1981)
CoorayandLunquist(l982)
Cooray(l986)
Hojoetal.(l985)
郄秀书等(1998)
15
64
52
20
18
6.9
l3
l2
8.9
22.3
21.3
4
3
l.7
6.1
4-l0
5-25
4-l2
7-32
0-90%上升时间(μs)
Beasleyetal.(l983)
Winter
Summer
6
32
44
l5
8.7
6.7
6.2
l.4
l.6,2.0,4.5
l.2,2.8,4.0
3-9
慢前沿持续时间(μs)
63
33
2O
10
9
8.2
l9.3
25
3-23
3-l9
3-ll
慢前沿占回击峰值的百分比
67
3l
38
45
29.8
ll
l4
7
lO-70
l0-80
3O-60
快变化0-90%上升时间(ns)
(传播路径为盐水)
560
70
4OO-8O0
3.3.3正地闪的电流和电荷转移
对地闪放电电流的获得通常有两种方法,一是当闪电击中高塔或建筑物上安装的电流测量设备时对电流的直接测量,二是在一定的模式假定下利用闪电回击在地面产生的电场变化反演得到。
Bergeretal.(1975)曾经给出了正、负地闪电流特征的比较(见表3-4),他用的是直接测量。
一般来说,正地闪电流的上升时间和恢复时间都较负地闪要长。
由表可以看出正地闪回击上升沿时间的平均值为22μs,是负地闪的4倍;
对于单次闪击地闪正闪的持续时间是负闪的7倍;
平均的正闪脉冲电荷是单次闪击负闪的3倍;
一次单闪击正地闪转移的总电荷量比单闪击负地闪大一个量级。
平均的电流虽然相差不大,分别为35kA和30kA,但是正地闪产生大电流的几率较负地闪要大的多,正地闪回击电流超过250kA的几率为5%,而负地闪回击电流大于80kA的就已经达到了5%。
正地闪转移的电荷量无论是脉冲变化部分还是整个放电过程都较负地闪大的多。
另外,闪电放电转移的电荷量还可以通过地面电场变化的多站同步观测来获得,同时还可得到毫秒时间尺度上的通道电流(Krehbieletal.,1979,Brooketal.,1982;
Krider,1989;
郄秀书等,1998)。
Brooketal.(1982)曾经利用这一技术对日本冬季雷暴的正地闪进行了分析,发现正地闪回击脉冲变化之后通常包含一个连续电流过程,对12次放电过程中的一个进行细节分析后发现,在2ms内的连续电流为105A,在4ms内转移到地球的电荷超过300C,而期间的连续电流为104A。
郄秀书等(1998)利用相同的方法对中国内陆高原夏季雷暴中的地闪进行了分析,发现一次正地闪回击和连续电流转移的电荷量约为70C,是同一雷暴中多闪击负地闪转移电荷量的7-8倍。
一般认为大部分的正地闪回击之后都跟随有连续电流过程。
Brooketal.(1982)对日本冬季雷暴中发生的12次正地闪过程进行分析发现,其中10次有较明显的连续电流过程,而Takeutietal.(1978)发现的比例则是8/12。
Fuquay(1982)对夏季雷暴的75次正地闪过程分析发现回击之后全部有连续电流过程,Rustetal(1981,1985)对夏季强风暴中的正地闪过程分析认为只有一半的正地闪回击之后有连续电流过程,并用光学的办法进行了证实。
郄秀书等(1998)对中国内陆高原夏季雷暴中的正地闪分析也认为大部分的地闪只有单次回击,且回击之后有较明显的连续电流过程。
表3-4正、负地闪电流特征对照表(Bergeretal.,l975)
个例数目
参数
超过给定值的百分比
95%
50%
5%
峰值电流(最小值2kA)(kA)
10l
负地闪首次回击
3O
8O
135
负地闪继后回击
4.6
30
正地闪首次回击(无继后回击记录)
35
250
电荷(C)
93
l.l
5.2
24
122
0.22
1l
94
负地闪(总)
l.3
7.5
4O
正地闪(总)
80
350
脉冲电荷(C)
90
1l7
0.95
4.O
正地闪首次回击
2.0
l6
l5O
上升沿持续时间(2kA到峰值)(μs)
89
l.8
5.5
L8
1l8
19
3.5
22
20O
di/dt最大值(kA/μs)
92
l2O
2l
O.20
2.4
回击持续时间(2kA到半峰值)(μs)
75
2OO
1l5
6.5
l4O
16
230
2O00
I2dt积分(A2s)
9l
6.O×
l03
5.5×
l04
l05
88
l02
6.0×
5.2×
2.5×
6.5×
1.5×
l07
闪电持续时间(ms)
负地闪(包括单次回击)
O.l5
ll0O
39
负地闪(不包括单次回击)
31
l80
9O0
正地闪首次回击(仅为单次回击)
85
500
3.4云闪
云闪定义为所有没有到达地面的闪电放电。
目前还没有有效的资料来区分云内(intracloud)闪电、云间(intercloud)闪电和云-空气(cloud-air)放电三种云闪
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