闪电先导发展速度和发光特性的研究

袁 萍,李琴琴,王雪娟,岑建勇

(1.西北师范大学 物理与电子工程学院,甘肃 兰州 730070；2.山西师范大学 物理与信息工程学院,山西 临汾 041004)

闪电梯级先导的发展与紧随其后回击过程的放电特征密切相关，梯级先导的传播特征对闪电发生过程物理机制的研究具有重要意义.高速摄像技术能以较高的时空分辨率呈现闪电放电通道的发光信息和几何形状，所以较为广泛的用来研究闪电先导的发展特征及传播速度.基于高速摄像资料，Zhang等[15]分析了四个自然下行负地闪的传播，并给出了有分支和无分支闪电放电通道梯级先导的平均传播速度；Stolzenburg等[12]估算了初始流光的二维传播速度；Campos等[2]计算了多种类型先导的二维速度，并给出了相应的统计分布；Kong等[6]得到了下行正地闪的传播速度.此外，先导速度随时间的演化也是人们关注的问题，目前关于负地闪先导速度的报道较多[2,7,8]，但对其他类型的闪电先导传播速度随时间演化的研究较少.而关于通道分支对先导传播过程影响的报道非常少.2015年Qiu等[11]使用雷电甚高频定位系统TVLS，研究了负地闪在接近地面时，通道出现分支对传播速度的影响.

闪电放电通道的发光强度与通道的放电特征等紧密相关[16-18].近年来，基于光学图片资料，研究闪电先导发光特征的报道较多[9,12,15].但是，对通道发光信息进行数字化分析的报道较少，而这一工作将会为进一步定量研究闪电先导通道的传播特性奠定基础.基于发光信息的数字化资料，Jordan等[5]分析了直窜先导的发光强度，得到直窜先导在接近地面时通道亮度保持稳定状态.利用ALPS系统，Chen等[3]研究了两个下行梯级先导通道的发光强度；Wang等[13]报道了下行正梯级先导和下行负梯级先导的通道光学特征相似.此外，Lu等[9]和Wang等[14]研究了有分支闪电通道的发光特性.文中基于高速摄像机得到的光学资料，分析了地闪和双向闪电先导通道的相对发光强度和梯级先导二维传播速度随时间的演化.同时，也初步探究了通道分支对主通道发光强度和先导二维传播速度的影响.

1 实验观测和结果分析

在青海高原进行了闪电野外观测实验，观测点海拔高度约2500 m，雷电发生时的环境温度约为20 ℃.闪电传播全过程的光学图像由高速摄像机记录得到，高速摄像机的时间与GPS系统的时间同步，高速摄像机是美国Phantom生产的M310.

依据观测资料，分析了4个自然闪电的梯级先导和其中2个直窜先导的传播特征.通过对沿闪电通道直径所有像素点灰度值的积分，可以得到通道的相对发光强度.依据声光差估算闪电通道到观测点的距离，从而得到梯级先导的二维传播速度.为了方便起见，把这4个闪电分别命名为闪电A,B,C,D.其中，闪电A,B,C是负极性云地闪电(CG)，闪电D是双向闪电(BI).拍摄这4个闪电时，高速摄像机的拍摄速率和图片分辨率列于表1.

表1 4个闪电的高速摄像参数

1.1 通道发光强度

1.1.1 地闪 图1a-c给出了地闪A梯级先导发展过程中的主通道、完整梯级先导通道和标记了样点的通道;图2a-c给出了地闪B的梯级先导传输阶段的主通道、反转灰度值的完整梯级先导通道和样点标记通道；图3a-b给出了地闪C的完整梯级先导通道和标记了样点的通道图.根据观测距离估计的地闪A，B，C的可见通道长度分别约为1 560，1 370和370 m.

a 主通道;b 完整先导通道；c 样点标记通道；其中图1a相邻两帧图片间的时间间隔为206 μs；符号bi表示主通道的分支，下同

图1 闪电A的通道

Fig 1 Images of channel A

a 主通道;b 完整先导通道;c 样点标记通道；其中图2a相邻两帧图片间的时间间隔为103 μs

图2 闪电B的通道

Fig 2 Images of channel B

图4(a)-(d)给出了地闪A,B,C梯级先导通道以及地闪B第二次回击前直窜先导通道在样点位置相对发光强度随时间的演化(时间坐标和相应闪电与图1-3一致).从图4(a)-(c)可以看出，地闪A,B,C的梯级先导通道从云端向地面发展的过程中，在先导头部到达的每一位置，其发光强度都会出现一个亮度脉冲，即第一个亮度脉冲.

a 完整的先导通道;b 样点标记通道;其中图3a相邻两帧图片间的时间间隔为666 μs

图3 闪电C的通道

Fig 3 Images of channel C

图4 先导在样点位置通道发光强度随时间的变化

由图4(a)可以看出，对地闪A的第一亮度脉冲，在样点473,414,365,266和148 m位置的脉冲峰值大约是其他位置脉冲峰值的2倍.由图1b可以发现，当闪电A的梯级先导头部传播到样点473 m位置附近时，主通道上出现了分支b1，当先导传播到样点148 m位置附近时，主通道上出现了分支b2，分支的出现导致其附近的亮度增大，如在414,365和266 m处.当地闪A的梯级先导头部通过每一位置后，亮度脉冲会消失，且通道发光强度基本保持稳定，直到梯级先导接近地面时，通道的发光强度会略微增强.如样点986 m处，在约2 500～10 000 μs，其梯级先导通道的发光强度基本保持稳定状态，而在约10 000 μs之后，通道发光强度有小幅度增强.

从图4(b)可以看出，地闪B的梯级先导通道也在先导头部通过每一个样点后，该样点位置的亮度脉冲消失，且通道的亮度保持稳定.但在约4 431 μs时，通道从1 158 m到775 m的位置，以及在约7 317 μs时，通道从628 m到301 m的位置，梯级先导通道再次出现了亮度脉冲.从图2(b)可以看出，在4 431 μs时的整个先导通道和在7 317 μs时的先导通道头部的亮度有明显增强.同时也可以看到，分支b2在约4 431 μs时出现在先导通道的775 m位置附近，而分支b3在约7 317 μs时出现在通道的220 m位置附近，所以先导通道亮度的增强应该与这些分支的出现有关.此外，当梯级先导传播至接近地面时(约在9 069 μs)，地闪B先导通道上的所有位置亮度增强，这与Lu等[9]和Zhang等[15]报道的结果一致.

由于地闪C的梯级先导通道在云端的发光强度较弱，所以图4(c)中仅给出了在离地高约200 m范围内的通道亮度变化.可以看出，与地闪A，B类似，先导头部在通过每一位置之后，该位置的发光强度也基本保持稳定.而出现分支的位置附近，先导通道会再次出现亮度脉冲.例如，在图4(c)中，约4000 μs时先导通道发展到样点95 m位置附近，分支b的出现引起了95,69 m等位置的通道头部亮度增强.同样，梯级先导通道在接近地面时，整个先导通道的亮度都会增强，且此时先导头部的光强幅值强于尾部的光强幅值.

图5以103 μs的时间间隔给出了闪电B第二次回击前直窜先导的传播(时间标记与图4(d)一致).从图4(d)可以看出，对地闪B第二次回击前的直窜先导，其通道上所有位置的发光强度都是到达亮度峰值后单调减小.且在地闪B的直窜先导通道上，样点971 m位置的分支b1和样点220 m位置的分支b3仍然存在，但此时分支的存在对直窜先导主通道的发光强度基本没有影响，这与梯级先导通道观察到的亮度变化特征不相同.在直窜先导接近地面时，通道的发光强度呈减小趋势，这与Zhang等[15]报道的结果类似.

图5 闪电B第二次回击前的直窜先导发展

1.1.2 双向闪电 图6a-b给出了一次双向闪电D的样点标记图和反转灰度值的先导通道发展图.其中，竖直路径的样点用离地高度表示，水平路径的样点用到水平初始点0 m(X0)的水平距离表示.从图6可以看出，闪电D的梯级先导通道在相机视野中有两个发展路径：一个水平路径(传播方向从0 m到936 m)和一个竖直路径(传播方向从599 m到地面)，2个路径对应的可见通道长度分别约为1 210 m和830 m.但是，因为没有记录到闪电D对应的电场数据，所以无法正确判断两个路径的极性情况.因此我们不能确定本文的双向闪电与其他研究者报道的多先导通道的闪电是否一致[4,10,19-22].

图7a-b给出了闪电D竖直路径和水平路径的梯级先导通道在样点位置的发光强度随时间变化的波形图，两图使用相同的计时起点，图7c是闪电D第三次回击前竖直路径直窜先导的通道发光强度随时间的变化，图7d给出了闪电D整个传播过程的时间序列.从图7a-c可以看到，对闪电D的两个路径，在先导头部到达的每一个位置都会出现亮度脉冲.同时从图6b可以看到，闪电D的竖直路径在梯级先导传播过程中，只能观察到先导头部的发光信息.

图6 闪电D的样点标记图和反转灰度值的 梯级先导发展图

a 竖直路径梯级先导;b 水平路径梯级先导;c 竖直路径第三次回击前直窜先导的通道发光强度在样点位置随时间变化的波形图；d 双向闪电D发展的时间线;其中符号bi和bci代表主通道上的分支

图7 双向闪电D先导在样点位置通道发光强度随时间的变化

Fig 7 Light intensities of flash D versus time at the sample points

从图7a中可以看出，闪电D竖直路径上分支的出现会影响梯级先导通道头部的发光强度，如先导头部到达样点402 m位置附近时出现分支b1，导致此处的亮度增强；在样点297 m位置出现分支b2， 其附近样点位置308,308′和297 m的亮度峰值高于其他位置的亮度峰值.由于闪电D梯级先导的竖直路径在接近地面时，其通道的发光强度明显减弱，所以没有在图7a中给出.图7b中，对闪电D水平路径的梯级先导，在约5 032 μs时从67 m到395 m的位置都出现了一个较强的亮度脉冲.从图6看出，此时有一分支bc1出现在先导通道的443 m位置处，从而引起了整个水平路径梯级先导通道发光强度的增强，同时，在约6 677 μs时分支bc2出现在样点643 m位置处，引起了主通道先导头部亮度的增强.图7c中，闪电D竖直路径的直窜先导发光强度在接近地面时保持稳定，这与Jordan等[5]报道的云地闪电直窜先导的通道亮度变化特征一致.

1.2 梯级先导的传播速度和头部亮度

1.2.1 地闪 表2列出了闪电A,B,C,D梯级先导的二维传播速度.其中，地闪A,B,C梯级先导二维传播速度分别是由其首次回击前约15 000,10 000,6 000 μs内的光学发展图片计算得到.文中得到的地闪梯级先导二维传播速度范围为0.1×105～3.5×105m·s-1，其平均速度为1.1×105m·s-1.Berger和Vogelsanger[1]分析了19个下行负梯级先导，得到其传播速度的范围是0.6×105～11.0×105m·s-1.Campos等[2]得到了正极性和负极性云地闪电先导的平均速度量级都为105m·s-1.Zhang等[15]报道了无分支闪电下行负梯级先导的平均速度约为2.2×106m·s-1，而有分支闪电梯级先导的传播速度数量级都为105m·s-1.由于在本文分析的地闪放电通道都存在分支，所以表2列出的先导传播速度在文献所报道的结果范围内.

表2 4个闪电梯级先导的2-D传播速度

其中，Max为最大值，Min为最小值，AM为平均值.上标CG和C分别代表双向闪电竖直路径和水平路径的速度值.

符号bi代表主通道的分支，蓝色的三角符号标记速度的减小，竖直的红色虚线表示亮度增强的时间前沿，而水平的蓝色虚线标记对应时段的平均速度

图8 地闪A，B，C的传播速度和头部亮度

Fig 8 The estimated 2-D propagation speeds and tip luminous intensities

图8(a),(c),(e)分别给出了地闪A，B，C梯级先导二维速度随时间的变化，并在图中用水平虚线表示分段的平均速度(将研究速度所涉及的时间范围平均分为三段).可以看出，随着梯级先导传播接近地面，地闪A和地闪C的梯级先导传播速度随时间呈现或多或少的增大趋势.而地闪B的梯级先导传播速度随时间的变化没有明显的单调趋势.上述关于地闪梯级先导传输速度变化的规律与其他文献报道的结论一致[2,7,8].

图8(b),(d),(f)分别给出了地闪A，B，C梯级先导头部亮度随时间的变化.可以看出，地闪梯级先导通道头部亮度在接近地面的时候，都呈现或多或少的增强趋势.同时，我们在图8中，用竖直的红色虚线表示分支出现时亮度增强的时间前沿，用三角符号表示对应速度的减小，可以注意到闪电通道上分支的出现，引起了主通道头部亮度的增强和传播速度的减小，Qie等[11]也报道了在先导传播到闪电分支点位置附近时，先导传播速度会减小.

1.2.2 双向闪电 将双向闪电D水平路径的初始位置0 m(X0)出现的时刻定义为梯级先导发展的0时刻(和2.1.2节的时间标记一致).分析0～10 547 μs时间段内水平路径的先导传播图像，得到水平路径梯级先导的传播速度特征值，同时分析5 515 μs～10 547 μs时间段内竖直路径传播过程的图像，得到了竖直路径梯级先导传播速度的特征值，结果都在表2中给出.从表2可以看出，闪电D水平路径和竖直路径的传播速度大小非常相近，其平均值都在105m·s-1数量级.

三角符号标记速度减小，竖直的虚线标记亮度增强的前沿，水平虚线标记传播速度的平均值

图9 双向闪电D在竖直路径和水平路径的 二维传播速度及尖端亮度

Fig 9 The estimated 2-D propagation speed and tip luminous intensity versus time for the stepped leader of the vertical path and the horizontal path for the bidirectional leader flash D

图9(a)-(b)分别给出了闪电D竖直路径梯级先导的二维传播速度和头部亮度随时间的变化.可以明显看出，竖直路径梯级先导的二维传播速度和头部亮度随时间的变化趋势基本一致，都在接近地面的时候呈减小趋势.图9(c)-(d)分别给出了闪电D水平路径梯级先导的二维传播速度和尖端亮度随时间的变化.可以看出，对闪电D的水平路径，二维传播速度和尖端亮度随时间都没有明显的单调变化趋势.此外，双向闪电D的先导通道在分支出现时，梯级先导通道的头部亮度增强，而梯级先导的传播速度减小.

2 结论

基于高速摄像机记录的闪电光学资料，分析了地闪以及双向闪电先导传播过程的通道发光强度和二维传播速度随时间的变化.同时，初步探究了闪电通道分支的出现对主通道发光强度和先导传播速度的影响.

对地闪和双向闪电的梯级先导通道，在先导头部到达的位置出现一个亮度脉冲；而在先导头部通过后，亮度脉冲消失，发光强度基本保持稳定.当梯级先导接近地面时，地闪通道头部的亮度和整个通道亮度都呈增强趋势；对双向闪电的竖直路径，随着先导接近地面，通道头部亮度和整个通道亮度呈减小趋势，而双向闪电的水平路径，通道头部的亮度和整个通道亮度随时间的变化都没有明确的单调趋势.此外，直窜先导在接近地面时，整个通道的发光强度保持稳定或减小趋势.

地闪梯级先导的二维传播速度随时间呈现增加或无规律的变化趋势，双向闪电竖直路径梯级先导的二维传播速度随时间呈现减小趋势，而双向闪电水平路径梯级先导的传播速度随时间没有明确的单调变化趋势.

另外，通道分支的出现会引起闪电梯级先导通道亮度或先导头部亮度的增强，而且，大多数情况下梯级先导的传播速度会减小.通道周围的电场分布与先导通道的发展方向和传输速度密切相关.从理论上初步推断，先导通道在分支附近亮度增大，说明闪电放电通道粒子的激发辐射增强.而径向电场的局部增强有利于分支的出现，且通道内的电荷密度与径向电场正相关，意味着分支附近通道内电荷密度增大，从而碰撞辐射增强.另一方面，局部的电荷聚积会使电荷沿通道轴向的传输相对削弱，从而导致先导传播速度减小.受到高速相机时间分辨率和所分析闪电个例数量的限制，目前还不能准确的确定在亮度减小和速度增强之间的时间间隔，而对这一初步结论的进一步研究和优化还需要大量的数据分析.

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