一次人工触发闪电通道光谱结构分析

用无狭缝光谱仪获得了广东地区一次人工触发闪电首次回击过程的发射光谱,同时测量了回击电流峰值为18.3kA,回击持续时间为4.5ms。发现导线部分通道的发射谱线中存在407.5,419.0,425.3和517.9nm等激发能比较高的谱线,具有强闪电通道发射光谱的谱线结构,空气部分则具有弱闪电通道的谱线结构;导线部分与空气部分的基本谱线的相对强度差别较小,强闪电特征谱线相对强度相差非常大。通过对导线部分与空气部分谱线激发能等参数的分析,发现回击开始时,导线部分先导通道还未完全消失,回击脉冲电流对先导闪电通道等离子体进行了进一步激发,增加了等离子体的温度和密度,使得导线部分具有较高激发能的谱线被完全激发,相对于空气部分407.5,419.0,425.3和517.9nm等谱线的强度有较大程度的增加,造成导线部分通道与空气通道两种不同的光谱结构。通过光谱分析,获得了闪电通道不同部分的温度、电子密度等参数,发现导线部分通道的辐射特性不同于空气通道是导线部分通道发光亮度与电流相关性较差的原因。     

人工触发闪电通道的导电特性

用光学多道分析仪(OMA)获得了山东地区人工触发闪电回击过程的发射光谱.与以往的自然闪电光谱相比,除了氮、氧的中性原子及一次电离的离子谱和Hα谱线外,这次人工触发闪电的光谱还记录到了微量元素ArⅠ 602.5 nm及ArⅡ 666.5 nm的谱线.在局部热力学平衡近似下,根据光谱线的相对强度等参量,计算了闪电通道等离子体的温度;利用Hα线的Stark加宽、通过半经验方法获得了闪电通道的电子密度;首次结合等离子体理论得到了闪电通道的电导率,并由此讨论了通道的导电特性,分析了通道电导率与回击电流之间的相关性,为进一步计算回击电流提供了参考数据.结果分析得出:闪电通道是良导体,电子是通道电流的主要载体;一般情况下,人工触发闪电的通道亮度比自然闪电通道大,而通道回击电流小于自然闪电.     

人工触发闪电电流波形特征参数分析

通过分析在夏季强雷暴活动频繁的山东滨州地区连续4年人工触发闪电实验中所获得的闪电回击通道底部电流资料,结果表明人工触发闪电回击峰值电流几何平均值为14.6kA,电流波形10％—90%上升时间和30％—90%上升时间的几何平均值分别为2.3μs和1.8μs,相应上升陡度分别为4.7kA/μs和4.4kA/μs.波形半峰值宽度的几何平均值为17μs,回击1ms内转移电荷量的几何平均值为1.2C,回击电流作用积分的几何平均值为6.1×10³A²s.对比研究表明回击峰值电流与接地状况、回击电流波形的上升时间以及半峰值宽度之间没有明显相关性,但与电流波形上升陡度以及回击1ms之内转移电荷量之间存在相关性,回击峰值电流（I_p）与回击1ms内转移电荷量（Q）之间满足关系式：I_p=14.1Q^0.69.通过与自然闪电放电参数的对比分析表明,人工触发闪电回击过程与自然地闪放电的继后回击过程相似. 关键词： 人工触发闪电 地闪 闪电电流 回击     

依据光谱研究闪电回击通道核心的特征参数

闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源.随着现代科技的飞速发展,闪电防护工作显得越为重要.为了完善闪电防护系统,需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制.截至目前,光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段.2015年夏天在青海高原地区的野外试...     

闪电回击场多尺度分析

利用聚合经验模式分解(EEMD)方法对闪电负地闪回击电场波形进行了分析并得到一系列具有物理意义的内禀模态函数 (IMF)。 结果表明,IMF1是高频噪声项,趋势项R主要是静电场作用的结果。 IMF2~IMF11表现出闪电通道的不同尺度放电特征。通过计算IMF分形维数,发现越高阶的IMF对应着越大的分形维数,表明越高阶的IMF对应着越曲折的闪电放电通道。相比于基于经验模式分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（HHT）谱和小波谱,基于EEMD的HHT谱能改善模态混叠现象,EEMD更适合于观察像闪电这种非平稳非线性信号。     

闪电回击场多尺度分析

利用聚合经验模式分解(EEMD)方法对闪电负地闪回击电场波形进行了分析并得到一系列具有物理意义的内禀模态函数 (IMF)。 结果表明,IMF1是高频噪声项,趋势项R主要是静电场作用的结果。 IMF2~IMF11表现出闪电通道的不同尺度放电特征。通过计算IMF分形维数,发现越高阶的IMF对应着越大的分形维数,表明越高阶的IMF对应着越曲折的闪电放电通道。相比于基于经验模式分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（HHT）谱和小波谱,基于EEMD的HHT谱能改善模态混叠现象,EEMD更适合于观察像闪电这种非平稳非线性信号。     

一次空中触发闪电通道光谱分析

利用无狭缝光谱仪获得了一次空中触发闪电过程中400～660 nm的发射光谱,对空中触发闪电小回击和上行正先导通道的发射光谱进行了分析,讨论了人工触发闪电导线通道与空气通道光谱的差异,发现导线段通道光谱持续了约140 ms,而空气段通道仅持续了0.167 ms;结合Fe,N,O等元素的电离能、激发能,给出了导线通道亮度强、持续时间长的原因。在电流强度相同的情况下,人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发,能产生更多的光谱辐射,导线段通道的亮度远强于空气段,导线段通道的光谱强度也远强于空气段;在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。通过对小回击以及上行正先导导线通道上部、下部空气段光谱结构以及通道温度等参数与广东地区自然闪电特征谱线及温度等参数的比较,发现小回击通道光谱主要由NⅡ离子低激发态之间的跃迁组成,具有NⅡ 444.7 nm,NⅡ 517.9 nm,NⅡ 616.8 nm等广东地区一般强度自然闪电的特征谱线。上行正先导下部空气段通道具有高激发能的谱线开始消失,出现了H_α,H_β,OⅠ 615.8 nm等激发能较低的谱线,具有闪电回击后期的光谱结构。小回击通道以及上行正先导通道下部空气段温度分别为21 000和20 000 K,通道温度低于自然闪电温度。     

光谱法研究闪电回击放电通道的电阻及电流的热效应

闪电放电通道的电阻及电流产生的热效应对雷电灾害研究以及防护设计都具有重要意义,放电通道的热力学特性与其等离子体辐射光谱密切相关。利用无狭缝摄谱仪获得的两次云对地多回击闪电放电的等离子体辐射光谱,依据谱线波长、强度等信息,结合同步地面电场变化资料,应用空气等离子体传输理论,计算了闪电回击放电通道的电导率、峰值电流、核心通道半径,进而得到了闪电回击等离子体通道单位长度的电阻、峰值电流时的热功率及在回击初始前5 μs内通道储存的热能。并与常规金属导体进行比较,分析了闪电回击放电在峰值电流时等离子体通道的热功率与电阻、电流平方之间的相关性关系。结果表明：利用光谱研究得到的闪电放电通道的电阻为0.04～8.41 Ω·m-1、峰值电流时的热功率为0.88×108～2.20×108 W·m-1、回击初始前5 μs内通道储存的热能为1.47×102～3.66×102 J·m-1,以上结果与文献报道的利用其他方法得到的结果相比,在合理的范围内;与常规金属导体相比,闪电回击放电等离子体通道在峰值电流时的热功率与电阻成正比,但与电流的平方呈指数减小的关系;由于闪电等离子体通道的电阻与温度的3/2次方成反比,通常回击放电通道中峰值电流越大,通道温度越高,而电阻会迅速降低,因此热功率也会急剧减小。此结论进一步验证了采用欧姆加热方法加热等离子体的致命缺点。     

依据不同波段光谱诊断闪电回击通道温度

利用高速无狭缝光栅摄谱仪捕获到的一次闪电光谱资料,结合等离子体光谱理论,选用不同波段的光谱信息估算了闪电回击通道温度.结果表明:用不同波段的谱线组—单电离氮原子(NII)、中性氧原子(OI)和中性氮原子(NI),基于玻尔兹曼图法估算的闪电回击通道平均温度分别为43270 K,17660 K和17730 K;同时用NII和NI两个谱线组,基于萨哈-玻尔兹曼图法估算得到的闪电回击通道平均温度为24770 K.依据闪电通道电晕鞘模型和光谱辐射理论推断,单独选用NII谱线组获得的温度应该是闪电回击通道核心的温度,单独选用NI或OI谱线组获得的温度应该是围绕在闪电回击通道核心周围电晕鞘的温度;同时选用NII和NI谱线组,获得的温度应该是在曝光时间内整个通道截面(包括通道核心和电晕鞘)的平均温度.     

地闪通道底部回击速度的频变特性分析

回击通道的光学观测对于研究回击发展过程和物理机制、完善工程回击模型都具有重要的意义。采用雷电发展过程高速光学观测系统（LiPOS）测量了人工引雷中距离通道底部21 m至309 m的一组通道发光波形,基于系统辨识的输出误差（OE）模型建立了回击向上传播过程光辐射脉冲间的传递函数,获得了1 kHz～1 MHz频段内群速度和相速度曲线。时域分析表明,通道辐射光脉冲波形前沿上升时间由靠近底部的1.1 μs变化为309 m高度处的1.84 μs,色散特性是其变化的重要原因。频域分析表明,OE模型能够有效抑制测量噪声的影响、获得清晰的分析曲线,100 kHz以下低频段内群速度呈显著的非单调变化,500 kHz以上区域群速度稳定在58%光速左右。将分析结果与相关文献的研究进行了对比和讨论。研究结果对于定量评价回击电流传播色散特性具有重要参考价值。     

雷电回击参数对回击电磁场计算的影响研究

基于BG,TL,MTLL,MTLE和TCS 5种模型,研究了雷电回击通道高度、回击速度和大地电容率对雷电回击电磁场的影响。计算中5种模型采用相同的通道基电流波形,通过计算总结了几种参数对回击电磁场的影响。     

一次强云对地闪电首次回击过程的光谱分析

利用无狭缝光栅摄谱仪, 获得了一次强云对地闪电首次回击过程400～600 nm范围的光谱, 将原子结构的理论应用于闪电光谱的研究, 用多组态Dirac-Fock方法, 计算了有关光谱线的波长﹑振子强度以及相应的激发态能量等参数, 并重新辨认了波长为419.0和425.3 nm的谱线. 结合相应的光谱跃迁参数和电学观测资料对试验光谱进行了分析, 并发现, 回击通道的光谱结构及特性与闪电放电的强度密切相关, 在强闪电回击过程中, 激发能量较高的OⅡ离子谱线增强. 根据光谱特征推断, 强闪电回击通道的峰值温度应高于过去的估算值.     

雷电回击参数对回击电磁场计算的影响研究

 基于BG，TL，MTLL，MTLE和TCS 5种模型，研究了雷电回击通道高度、回击速度和大地电容率对雷电回击电磁场的影响。计算中5种模型采用相同的通道基电流波形，通过计算总结了几种参数对回击电磁场的影响。     

光纤传输过程中的色散特性

基于光纤传输对于光纤通讯技术的重要意义,数值模拟光纤传输过程中的色散关系,得到随着光纤长度的增加,光纤传输中比特率减小,当入射波长为1.28μm时,光纤色散为0ps·nm<'-1>km<'-1>,研究结论为光纤传输器件设计提供理论依据.     

一次人工触发闪电上行正先导的传输特征

利用山东一次人工触发闪电的高速摄像和30 m, 60 m和480 m的同步电场测量, 清晰显示了人工触发闪电上行正先导的传输特征.上行正先导头部光强相对较强, 二维发展速度变化波动较大并呈现明显不规则性,表明上行正先导发展具有明显的梯级特征. 在先导开始阶段从340 m到705 m高度之间上行正先导平均发展速度为9.8×10⁴ m/s,起始速度是 3.8×10⁴ m/s,局部速度总体上随高度呈现增加趋势.电场变化在近距离产生有规律的梯级状 变化,记录到的28个梯级相邻梯级间隔变化从14 μs 到 39 μs,几何平均值为25.1 μs. 估计的先导梯级长度分布在0.9 m到3.7 m,几何平均值为1.7 m.先导电场变化由慢的正向梯级状变化和 脉冲变化组成,结合光学和电场变化测量结果,得出正先导头部通道发生弯曲可使其电场变化的梯级特征减弱 或消失;正负先导梯级形成机制可能类似,均由其先导头部前端的双向流光发展而来.     

闪电过程中电磁辐射功率的变化特征

利用无狭缝摄谱仪获得的地闪回击光谱,结合同步电场资料,计算了一次闪电放电过程中的通道温度、电导率、回击电流峰值、通道光亮度和电磁功率峰值等参数,均在文献报道的合理范围内。并由此讨论了回击前截止时间、回击通道光亮度及电磁功率峰值之间的相关性,研究了放电通道的电导率、电流和电磁功率之间的变化关系。结果表明：回击前截止时间越长,回击过程中所中和的电荷越多,形成的电流越大,辐射出的电磁能量越大。当通道电导率变大,同时电场变化峰值也增大时,通道内电流变大,回击过程中辐射出的电磁功率也变大。这方面的工作为计算闪电放电过程中产生的光学能量和电磁能量提供一定的参考依据。     

闪电首次回击过程中通道温度与电导率的演化特征

利用以高速摄像机为记录系统组装的无狭缝摄谱仪,在青海地区获得了多次云对地闪电首次回击过程400-900 nm波长范围的时间分辨光谱,分别计算了闪电电流核心通道和外围发光通道的温度;结合空气等离子体的传输理论,获得了闪电通道的电导率,探讨了回击过程中通道温度及电导率的演化特征.结果表明,闪电电流核心通道的温度比外围通道高约5000-7000 K,并且,与以往关于通道峰值温度持续时间的观点不同,回击过程中,通道保持高温的时间远远大于峰值放电电流存在的时间,在回击电流缓慢减小的数百微秒内,核心电流通道维持20000 K以上高温,这一特性是热效应导致雷电灾害的主要根源.     

闪电首次回击过程中通道温度与电导率的演化特征

利用以高速摄像机为记录系统组装的无狭缝摄谱仪,在青海地区获得了多次云对地闪电首次回击过程400-900 nm波长范围的时间分辨光谱,分别计算了闪电电流核心通道和外围发光通道的温度;结合空气等离子体的传输理论,获得了闪电通道的电导率,探讨了回击过程中通道温度及电导率的演化特征.结果表明,闪电电流核心通道的温度比外围通道高约5000-7000K,并且,与以往关于通道峰值温度持续时间的观点不同,回击过程中,通道保持高温的时间远远大于峰值放电电流存在的时间,在回击电流缓慢减小的数百微秒内,核心电流通道维持20000K以上高温,这一特性是热效应导致雷电灾害的主要根源.     

光谱法研究闪电通道的导电特性

依据无狭缝光栅摄谱仪在青海获得的云对地闪电回击光谱信息,结合空气等离子体传输理论,用四种不同方法计算了同一闪电放电通道的电导率。结果表明：各种方法所得闪电核心通道的电导率数量级均为104 S·m-1;且同一通道内的电导率随通道高度的增加有减小的趋势;通道内电子与一次、二次电离离子的碰撞以及它们各自的碰撞对通道电导率的贡献不可忽略;用碰撞积分的方法计算闪电核心通道的电导率结果更为合理。在通道电导率的基础上估算了回击通道的放电电流,与辐射峰值电场实验资料所得的相应峰值电流相比,其结果在合理的范围内, 并进一步探讨了温度与电流放电特性的相关性, 为研究闪电放电电流提供了一条可行的途径。     

人工触发闪电通道的辐射特性分析（英文）

利用无狭缝光谱仪获得了一次人工触发闪电过程的发射光谱,其时间分辨率为20μs,同时获得了通道底部电流强度,对不同电流强度下闪电光谱的辐射特性进行了分析。根据谱线持续时间将谱线分为三类,结合谱线激发能以及通道电流变化对影响谱线持续时间的原因展开了研究。对光谱总强度随时间的变化规律进行了分析,对闪电光谱短波段与长波段连续背景辐射的不同机制进行了分析,给出了两种辐射机制对连续背景辐射衰减的影响。