1、雷電物理學第一章 雷電研究史上的里程碑1. 富蘭克林風箏實驗與避雷針2. 閃電光譜和基于Boys相機的條紋照相3. 雷暴云內電荷結構與Simpson電場探空（作為了解）4. 雷電電流測量與 Berger回擊峰值電流分布（主要是利用高塔測量）；負地閃和正地閃首次回擊的幾何電流平均值為30kA，負地閃繼后回擊電流峰值的幾何平均值為12kAo5. 全球大氣電路概念與Carnegie曲線（作為了解）再墟時T氓哩席懂圧引第二章 雷暴云電荷結構和起電機制1. 電荷結構：偶極性、反偶極性、三極性等2. 大氣電離率：定義為單位時間內單位體積內，大氣分子被電離為正負離子的數目取決于電離強度、大氣密度。3. 非感

2、應起電機制：高于反轉溫度Tr的區域，冰晶和霰粒子碰撞，正電荷被轉移到霰粒子上， 冰晶獲得負電荷； 低于反轉溫度Tr的區域，冰晶和霰粒子碰撞，冰晶獲得正電荷，霰粒子獲得負電荷；當云水含 量過高或過低，霰粒子都獲得正電荷，而冰晶粒子都獲得負電荷，霰粒子和冰晶粒子碰撞獲得 電荷極性反轉的溫度被定義為反轉溫度（Tr）當云含水量為1g/m 3時，對應的反轉溫度為 -10C（ Takahash）或者-20 °C（ Jayaratne）,這 種差異可能與過冷水滴的尺寸分布有關；也可能與霰粒子在穿過混合區域時實際的表面溫度有關。4. 雷暴云電場探空技術（雷電監測預警）：a. 電暈針探空儀b. 場磨電

3、場探空儀c. 雙金屬球電場儀第三章下行負地閃概述預擊穿梯級先連接過首次回閃擊間直竄先繼后回過程導程擊過程導擊1. 預擊穿過程：雷暴云內的水成物粒子在電場的作用下變形引起局部電場增強，從而引起電 暈流光，并導致空氣擊穿，此過程稱為預擊穿過程。2. 雙向先導傳輸： 預擊穿過程中正、負先導起始于同一位置，在相隔幾毫秒的時間內先后沿 相反方向擊穿發展，正、負先導分別向低電位（負電荷區）和高電位（正電荷區）發展，這就是所謂的雙向先導傳輸。3. 預擊穿脈沖的特點：（負地閃預擊穿波形及脈沖寬度和相鄰脈沖間隔的統計結果）上圖給出了大興安嶺地區的負地閃預擊穿脈沖的統計結果，預擊穿脈沖序列的總持續時間為4.1ms

4、，其中 首個脈 沖前半周 期峰值 點到 首次回 擊的峰值 點之間 的時間 間隔為 55.4 ± 34.3ms單個脈沖持續時間為8.8 ± 4.9, S鄰脈沖時間間隔為111.0 ± 49.1?！?. 雷暴云內電場增強的可能原因：當環境電場為400500kV/m時，一小部分的水成物粒子能產生電暈放電，形成“種子流光”，這些種子流光相互交織，能使局部電場增強一個量級以 上。5. 先導與流光的區別： 流光呈刷狀或片狀等，很難穩定傳輸，溫度較低、導電性較差、發光 比較暗淡；而先導能穩定沿某一方向傳輸、溫度較高、導電性較好、發光很亮。6. 空中先導：由于流光通道斷裂，且前部

5、流光絲的繼續發展，必定在斷裂處堆積正電荷，形 成的孤立電荷柱稱為空中先導。7. 梯級先導：一個或多個空中先導和負先導不斷對接使得通道以梯級的形式向前發展。特征：傳播速度為：105m/s，一個先導梯級持續時間約為1s梯級長度為幾十米左右，梯級間隔時間約為501s梯級先導在幾十毫秒時間內向閃電通道沉積幾庫侖到幾十庫侖的負 極性電荷，平均先導電流約為300A,其中，單個梯級脈沖電流約1kA,與之對應的電磁場也呈脈沖形式，其脈沖寬度約為1is上升時間小于0.1 is8. 引路流光：空中先導向負先導頭部激發的正極性流光稱為所謂的“引路流光”。9. 連接先導：當下行梯級先導傳播至地面以上幾十米至上百米距離

6、時，先導頭部電荷產生的 電場對地面凸起物體的影響增加，當尖端物體表面的某一點或幾個點處的電場增加到超過 周圍空氣的擊穿閾值時，便發生向上發展的、一個或多個連接先導。10. 連接過程：產生連接先導的過程，直到下行先導和上行連接先導在某一高處相遇。11. 閃擊距離：連接點距上行先導始發點的距離稱為閃擊距離。12. 多接地點閃擊：負地閃首次回擊前的梯級先導過程通常具有較多的分支，他們中的某些分 支會在很短的時間內依次到達地面，形成多接地點閃擊形成機理：當某一先導通道先接地后，地面零電位波以接近光速向上傳播（比負梯級先導大兩個量級左右），在另一支分支先導通道接地之前，如果被零電位波趕上，則這個分支通道

7、無法接地。反之，如果零電位波沒有趕上另一支分支通道的向下發展，則可能形成多接 地先導，引多個接地點回擊。13. 一次負地閃首次回擊過程在兩個測站產生的同步電場及其變化率'攜謝 .齟離*0加汎客氓Tl負Ti隔I時柜書電畫®-ltHJ變ItS 6 4 30(1 一 亠 TfiS6T2J'y，y爲+t1.址站！i 町靑MiniQ $(clUi Cg再汀時剛陛電通遒I仍m業電烯吏化醉1(13*+-2 IIWin九皿齊HU而jfl笳mtfc電瞞毀化圖中用字母K標志的小脈沖對應梯級先導的最后一跳有明顯的緩慢上升，即意味著連接先 導始發。LB明顯向下快速移動，平均三維速度為1.2

8、X 10m/s，垂直向下傳輸的速度為5.8 X 76.4 X 7m/s，比一般的梯級先導大兩個量級左右。LB脈沖電流強度最高達20kA,且持續時間不到1s遠遠小于上行連接先導幾十至兩百微秒的持續時間。SF即慢前沿出現在LB脈沖的附近，意味著二者緊密相關，密切發展。T1和T2表示快變化過程的兩個時刻。慢前沿和快變化的物理機制：它們對應多個下行先導和連接先導的多次連接。慢前沿過程的脈沖比較小，可能對應比較小的分支。在快變化主脈沖后，也可能出現最后一個大脈沖，這個脈沖對應回擊峰值后的一肩狀結構。14閃擊距離與雷電流峰值之間的關系：J.廠 一 CrldliigL夢 q 匕w iRlIlihavH 1（

9、人悟 -Zinlcram I 于“wifi*' -v*T* actleu 二B亍 |»也 邯 p 刻一般認為閃擊距離的大小與雷電強度、地面尖端物的高度等許多因素有關。通常假定閃擊距離與雷電流幅值直接相關：r=alb，式中，r為閃擊距離（單位：m）; I為雷電流幅值（單位：kA）; a、b為常數。15. 首次回擊：由于下行先導與連接先導之間存在巨大的點位差，二者連接后會產生非常強烈 的瞬間放電現象，電流波沿著已經電離的先導通道繼續向上傳播，此過程稱為首次回擊。特點：回擊的上行速度大約為光速的1/3，隨高度的增加而減小。整個回擊過程持續幾十至上百微秒，回擊能量的迅速釋放將加熱原先

10、的先導通道，瞬間達到30000K左右，產生的高溫高壓使通道迅速擴張，并產生沖擊波，最終變為雷聲。16. 地閃回擊電流的峰值：地閃回擊電流的峰值與雷暴云和大地之間的環境電場大小有關，二者滿足Ip=kE.967 , Ip和E分別為回擊電流峰值和環境電場大小，k為系數。17. 箭式先導：首次回擊后，如果在較短時間內通道頂部能重新產生足夠的電荷則可能發生箭 式（也稱直竄）先導或箭式 -梯級先導，傳播速度一般比梯級先導大一個量級左右，約為 106107m/s 量級。18. 繼后回擊：即由箭式（直竄）先導或箭式 -梯級先導引導的回擊。19閃擊加拿大多倫多 CN塔的一次閃電回擊電流波形及其變化率x'

11、lf州 3 O 1*1,巾-_'L *、 沖 序 沖 博 港目的：利用高塔遭雷擊數據對閃電定位系統進行標定；采集記錄自然雷電流波形。從圖中看出：回擊電流變化率出現多次震蕩，對應電流波在塔頂和塔底的多次反射。將電 流變化率積分后的電流波形大致呈兩個峰值（小的脈沖是干擾產生的）第二個峰值大于第 一個峰值，第二個峰值對應電流波在塔底的反射，這是高塔測量雷電流具有的普遍特點。20. 連續電流過程：在回擊過程停止后（即脈沖電流停止），回擊通道內仍可能存在約幾百安培， 甚至高達1kA的量級的連續電流，其持續時間一般為幾十到幾百毫秒不等，可引起緩慢而大幅度的地面電場變化，且整個雷電通道持續發光，這個

12、過程被稱為持續電流過程。21. M分量過程：有時也稱M變化，是指疊加在地閃連續電流上的脈沖過程，伴隨著放電通道的突然增亮以及電場突變。22. K變化：K變化就是發生在云內的負反沖流光在地面產生的電場突變。23. K變化、箭式先導和 M分量的對比：K變化、箭式先導和 M分量具有共同或類似的物理本質，都是由發生在已經電離的通道中的負極性（或正極性）反沖流光引起。K變化對應的反沖流光沒有到達接地的通道，屬于云內放電，而箭式先導和M分量對應的反沖流光進入接地通道，發生箭式先導的接地通道導電性較差（或通道比較暗淡），在脈沖接近地面時，由于存在較大的電位差，可能觸發回擊過程。當反沖流光進入導電性能好的接地

13、通道（或 通道比較亮）時，產生放電比較慢的M分量。24. Howard等利用多站電廠變化率（dE/dt）數據，通過時間差法（TOA）定位技術分析發現， 負先導梯級過程的電場變化率可能是一次孤立的雙極性脈沖，也可能由一系列雙極性脈沖組成。負先導的梯級發展并不是單一的一次擊穿放電，而是由比較復雜的一系列放電過程組成。25.條紋相機拍攝的一次箭式先導/回擊光脈沖Y"=*iKilT町 ¥ Aft 1* t ix： 町IriVbt*H-Ulm :' ' mm ihljh ! if箭式先導產生明顯的光脈沖， 脈沖波形20%80%的上升沿時間為0.51卩朗脈沖寬度為26卩

14、$ 脈沖形狀隨高度變化不大。與箭式先導光脈沖不同，回擊脈沖從地面始發，隨高度增加，幅值減小，波頭上升沿時間增大。回擊脈沖在臨近地面時20%80%上升沿時間為12以幅值比箭式先導大23倍。26.兩次負地閃的先導/回擊電場變化波形，右列為左列的時間展開圖-> -5I -r-J*c«a°ytripM.例肯l舸卅Sb 話 u 14 d 話 S ' W i«*- ryticFfumlMnl"I '從圖中可以看出，發生距離較近的負地閃 A的先導/回擊波形基本呈 V型結構，負先導（圖中L）引起的地面電場變化為負（定義頭頂正電何在地面產生正電場），

15、先導結束點為 V型結構的底部，對應回擊的開始。發生距離較遠的地閃B的先導電場呈明顯變化。根據源電何先導模式，當距離較遠時地面電場的變化主要由于云內減少的負電何產生，因此電場極性為正；當距離較近時地面電場的變化受通道負電何控制，電場極性為負。27.一次負地閃先導過程的電場變化及其VHF輻射特征g 1PI I t Tnlft*1H4-TliMWMiHRjmet28.29.閃電發生距離為2047km，然后經過頻譜分析得到了歸一化到50km處的先導頻譜。結果表明，超過10MHz的高頻成分急劇衰減，這與粗糙海洋和陸地對高頻分量的衰減有一定關系。負先導的發展機制：大氣中的自由電子由宇宙射線或自由電子產生，

16、并吸附在其他原子上。當環境電場超過擊穿閾值時，自由電子被加速，撞擊其他粒子或粒子，產生電子雪崩。當 電子電離率大于吸附率時，流光（電暈）放電開始，對應的區域稱為活躍區。樹狀流光絲 不斷發展，等效地將負電荷向前傳輸，但負電荷主要集中在流光絲的尖端，流光通道近似 于等離子通道。由于負電何在流光絲尖端的堆積，從而對樹狀流光絲中間部位產生靜電場 屏蔽。隨著電場的減弱，通道難以維持導電性、電流消失、通道從中部某一點冷卻斷裂。不過，由于前部流光絲的繼續發展，必定在斷裂處堆積正電荷，可能形成一段孤立的電荷 柱，即空中先導。隨后，這些空中先導向負先導頭部激發的正極性流光稱為所謂的“引路 流光”。負先導前段可能

17、有一個或幾個空中先導同時發展，充足的電流使得流光通道加熱,當溫度上升到能維持通道良好的導電性時，發生“電暈-電弧”轉化（Ortega et al., 1994）,產生梯級。負先導的這種發展呈周期性，以梯級的形式不斷向前發展，速度為105-106m/s。正先導的發展機制：正先導前端的流光呈細絲狀的樹狀分支，維持先導導電性的最低溫度 為 1000-2000K 。由于電子質量小、遷移率大，因此，尖端正電荷的堆積引起了周圍自由電 子不斷匯聚，形成比較穩定的電流，產生的流光絲不斷加熱通道，維持良好的導電性。如 果產生的流光絲數目適中，則引起正先導連續傳輸，沒有明顯的梯級特點。保證正先導穩 定傳輸的流光絲

18、電荷密度為 50卩C/m速度為104m/s。如果流光絲太少，則不能加熱正先 導前端到足夠溫度，限制了先導的發展。如果流光絲太多，正流光絲的樹狀分支引起內部 電場減小，無法驅動電荷運動，內部流光通道可能產生斷流。在斷流處不斷堆積負電荷， 引起負極性擊穿，沿著正先導通道原路返回，形成速度比正先導大一個量級以上的負極性 反沖流光。30. 空中先導的電流具有明顯的雙峰現象，可能與空中先導的雙向傳輸有關。31. 負先導過程的靜電力模式：1、 源電荷先導模式： 源電荷先導模式假定環境電場為零，并認定先導始發于空間源電荷，以單極性向一個方向傳輸，在先導通道中電荷均勻分布。詳見課本P55。2、 雙向先導模式：

19、閃電可以等效為環境電場中的一個導體。詳見課本P56。32. 高塔對雷電流測量的影響： 利用地面高塔進行雷電流的測量盡管增大了獲取雷電流的概率， 但由于高塔對雷電流瞬態過程的影響，測量的雷電流及其同步磁場多少會受到不同程度的 影響首次回擊一般為 30kA，繼后回擊一般為12kA。表見課本P63。高塔對雷電流的影響是由于高塔本身的阻抗、塔的接地阻抗和雷電通道阻抗三者不匹配， 使得瞬態雷電過程在塔內存在反射，因此在塔的不同位置測量的雷電流不同。高塔對首次回擊電流波形的影響比繼后回擊大，塔頂的測量誤差比塔底小。由于繼后回擊 電流波頭較短，從頂部測量的電流波形出現次峰震蕩。其實，如果塔的高度遠小于雷電流

20、 最小的特征波長，則高塔影響可以忽略。33. 回擊電流模型1、 TL模型考慮通道高度影響，假定回擊速度v沿雷電通道無衰減傳輸，回擊前沿以上電流為 0i(z ，'t)=i(0 ， t-z ')/v2、 MTLE模型：認為回擊電流隨高度以指數減小i(?, ?)= ? ' /?(0 ? z ' /v)3、 MTLL模型：認為回擊電流隨高度線性減小i(z，t)=(1-z ' /H) i(-Z '/v第四章 正地閃、云閃和其他類型閃電1. 正地閃與負地閃區別：1. 最本質區別是正地閃向大地輸送正電荷，負地閃向大地輸送負電荷。2. 其次正地閃發生概率較低。3

21、. 正地閃通常連續發展，而負地閃通常呈梯級發展。4. 正地閃回擊數一般較少，大多數正地閃只包括一次回擊過程，相比之下負地閃一般都 包括兩次以上回擊。5. 正地閃回擊電流峰值較大且持續時間較長，釋放電荷量較大，其產生的ELF信號在幾千甚至上萬千米范圍內觀測到與負地閃相比正地閃釋放大電荷量可能性較大。6. 正地閃速度快，產生的 VHF輻射較強，正先導速度比負先導小一個量級，產生的VHF輻射很難被VHF輻射源定位探測到，(但是正先導發展過程中的負極性反沖流光是可以 探測到的)。2. 正地閃與負地閃聯系： 正地閃發展過程與負地閃類似下行負地閃的發展通常也以云內的預 擊穿開始，然后是向下發展的先到過程與

22、地面物體連接過程，回擊過程，閃擊間過程，連 續電流和 m 分量。3. 雙極性閃電： 云對地放電過程中，同時向大地釋放了兩種相反極性的電荷。4. 上行負極性地閃模型：宙塔禺培何創通迸可能斷裂消退f=tl由）班通逍就性反轉冋F展迓入正電荷區下圖給出了雙極性放電可能形成的原因：上行先導進入雷暴云主負電荷區后分叉，當分叉 通道B1斷裂后，其通道電導率逐漸減小，但電場強度方向但電場強度方向在短時間內保持如上圖a所示。不過，隨著通道B2的持續穩定發展，在負極性反沖流光作用下，大量的負電荷涌向分叉點 0,這可能引起已經消退的通道 B1周圍電場極性的反轉，可能進一步形 成穩定傳輸的負先導并向正電荷區發展。因次

23、，在B2通道向地面釋放負電荷前后，B1通道可能將上部分正電荷向地面輸送，從而形成上行雙極性地閃。5.由上圖可知，五次負地閃都具有不同的接地點，一個負先導從負電荷區附近觸發，水平發 展一段距離后，向上進入正電荷區引發一次正地閃回擊。從放電過程判斷，正地閃回擊的 發生可能是因為從負電荷區始發的負先導斷裂后，由于負先導前端的正極性反沖流光的作 用，在斷裂處形成新的正先導，并向地面發展產生正地閃。6. 按照云閃過程K變化的發生時刻劃分云閃階段以K變化的出現為標志的對云閃進行劃分比較合理。因為云閃起 始于雙向先導擊穿，沿相反方向傳輸。隨后，正先導在負電荷區 傳輸時，產生負極性反沖流光；負先導在正電荷區發

24、展，產生正 極性反沖流光，反沖流光速度比正、負先先導速度快12個量級左右。由于反沖流光的快速發展，才產生類似地閃“回擊”的云 間K變化過程。前期對應于雙向先導的初始擊穿發展，后期對應 于由于K變化而誘發的反沖流光的頻繁發生。因此，以K變化的出現為標志，對云閃進行階段劃分比較合理。1?707. 一次正常極性的云內放點的輻射源定位結果:I4I21G:;1 _山魴譏* I5 W時間舟3"樸錮則和訃出胡訂同曲變比iti.oointfO»521»)EOO V5040«N10203040距惘Im（初撫茅西方向上的止血慢g2 4 S R 10 U |442ftE-W

25、距隔/km高度伽圍乎面撓影（OQEffi北方網上的立面投U團心偌一氏正常吸比的云內放電的輻射劭圭費結魁（張史軍等，205）簾邑筑時仙由吐，*.福劉虹色空比這次閃電持續時間約 1s,放電呈雙層結構特征。分別處于911km和68km，對應與上不正電荷區和下部負電荷區。通道近似呈垂直發展，負流光向上傳輸，進入上部正電荷區后 水平發展，產生很強的輻射，傳輸約11km后高度逐漸降低。而正先導在下部負電荷區傳輸，引發的負極性反沖流光產生輻射，但輻射相對弱且彌散，不集中，表明通道分叉很多。約250ms后，上部負先導停止，而下部正先導引發的反沖流光極性增強。由圖（b）顏色對比看出，這種反沖流光基本沿原來正先導

26、形成的通道返回始發位置。8. 反極性云內放電：即發生在上負下正的電荷區域之間。負先導垂直向下發展建立通道，隨后在下部正電荷區 水平發展并產生強烈的輻射。正先導在上部負電荷區發展，輻射較弱。正、負電荷區的輻 射交替變化，同時伴隨明顯的反沖流光。負極性反沖流光不僅存在于水平發展的正先導通 道，在垂直通道也存在，不斷進入下部正電荷區，促進負先導的持續發展。9. 袖珍云閃：云閃放電過程中有時產生孤立的雙極性大脈沖或類似雙極性大脈沖，脈沖寬度約1030q,這種大脈沖在 HF至VHF頻段具有強烈的電磁輻射，其強度有的比地閃或正常的云閃都強。由于這種放電的空間尺度很小，通常為 300-1000m，稱為“袖珍

27、云閃”10. 不同測站觀測的一次袖珍云閃產生的同步電場變化：i>53?-WOW 時問Fnu（h k2O«kni現測培果的時何丁晨<?CE-AW-U-眷當屮-iodo o lounocnwoU)2(X>kTTlfl|trr:ITj亠¥呻Hran 百柵胛rL權窈闔扯 陰學単J廣 z-r-io o m 細 犧 H j i/ms 上泡站對劇b的加.oo沓割7口-1000 0 KXXJ2<KMJM)iHP時同na（CW KM魄想W世（下行先導）-50 U 5094J4m(dizskfn«MtawmHrfl超I.El遠距書與近距稱袖爹云閃產中的咀崛變化

28、0E聒對比 b砒k2000.）«1 kt）劇住匹業H戈血ki«冊理測黯HL tc）利d）竝詢較査畫監豈km的霾需建臭n“7啟眄站特杭侖的曲.f時 那（d?卄劇玄4）和CU的時聞護豪可以看出，遠距離袖珍云閃具有明顯的雙極性，但近距離波形明顯是靜電場成分占優勢， 電場波形不是雙極性。因此，袖珍云閃與雙極性大脈沖之間不能劃等號，袖珍云閃產生的 電場變化可能是雙極性的，也可能是單極性的，這與觀測距離有關。第五章 人工引發雷電及其應用11. 火箭拖線人工：傳統觸發：向起電的雷暴云發射拖帶接地金屬導線的小火箭（上行閃電） 空中觸發：火箭拖帶的細金屬導線與大地之間通過一定長度的絕緣尼龍線

29、連接利用高速攝像系統拍攝的人工引發雷電上行正先導：I .-I .1'.'J-幾小.*. . 'r I JV .*.l F 一-嚴：-I ”4 廠上川"?甲I u 匚“也!| / li - ：i ni'lJT- l.Hl.；14.人工引發雷電下行負先導和上行正先導的連接過程12. 時間分辨率為3.3 的高速攝像拍攝的下行箭式席級先導隨著先導接近地面，速度從 2.7 X 6m/s 增加到 3.4 X 6m/s。如 左圖b中的第7幅小圖所示，在 負先導尖端出現兩個明亮的先導。 空中先導主要出現在負先導尖端 的正前方，偏移正前方超過60°后不能發展，

30、意味著偏離尖端越 大，電場越小，越難維持先導傳輸。15. 一次人工引發雷電形成的第三次明顯的連接過程 圖為分別用兩套光學相機拍攝的一次人工引發雷電的光學照片。下行箭式先導的速度達1.25 X ftm/s2.5 X 6m/s.從局部放大圖可以看出，下行箭式先導過程不斷產生分叉，但分叉發光暗淡很難持續發展，分叉通道長度可達 5m，屬于溫度較低、電流較小和電導率較差的流光階段。連接先導長度為16m ,下行先導和連接先導間隔 12m ,.者之間被流光（或稱之為電暈）連接。在下行負箭式先導的頭部可看到一個空間先導,所謂的最后一步可能與這個有關。這次雷電共有5次回擊集中在離地面 4.5m的引流桿上，箭式-

31、梯 級先導距引流桿約 8m高度處出現分叉，傾斜垂直方向約40°, 與引流桿尖端引發的 3個上行先導分別連接，形成兩個環狀。另 外，還有至少兩個上行連接先導沒有被連接，其發展方向近似垂直地面，較長的一個距引流桿尖端4m。16.回擊電流波形參數定義:in3D500-la-lfl11 用 “I、4050小劇舟1滬”畑匕升?！敬?#163;dH ins內轉俸電荷具體定義如下：峰值電流（Ip）：回擊電流波形上的電流峰值； 回擊電流持續時間：從回擊電流開始變化到電流降至背景值的時間間隔；10%90%上升時間（t-io）：回擊電流波形中電流上升至 間隔；10%90%波形陡度（s-io）：回擊電流波形中電流上升至 陡度；30%90%上升時間（t-3o）：回擊電流波形中電流上升至 間隔；30%90%波形陡度（s-30）：回擊電