双向先导正端突然延展现象的高速摄像观测

武 斌 吕伟涛* 齐 奇 马 颖 陈绿文 姜睿娇

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室， 北京 100081)

2)(中国气象局广州热带海洋气象研究所， 广州 510080)

引 言

早在1960年Kasemir[1]基于静电学原理就提出了双向先导发展理论，即极性相反的先导始发于同一位置后沿相反方向发展，整个先导通道保持电中性，但一直未引起重视。直至NASA拍摄到一架飞机被闪电击中的图像后[2-3]，双向先导传输概念才逐渐被人们接受。此后许多自然闪电、实验室长间隙放电和人工引雷试验的观测结果均证实了该理论的正确性[4-10]，并利用该理论建立了先导模式解释闪电始发和传输的物理机制[11-12]。

光学观测是研究闪电放电特征的直观手段。近年随着光电技术快速发展，商业化的高时间分辨率摄像系统在闪电放电过程的观测中得到了越来越多的应用。高速摄像系统不仅为证实先导双向发展提供了直接证据[7-9]，还能给出双向先导正、负端传输的细节特征。Jiang等[13]利用10000 帧/s的高速摄像机观测到在已击穿的通道上传输的直窜先导双向发展。Qie等[14]在人工触发闪电中发现了沿已击穿正极性通道双向传输的负极性反冲先导。Wu等[15]利用高速摄像和电场变化数据分析发现双向直窜先导的正端大部分时间是不活跃的(静止的)，或沿前一次企图先导通道的正端间歇性地伸展至未击穿的空气中。

以往观测表明:负先导以梯级方式发展[16-19]，梯级的形成主要依靠空间先导和在新先导尖端前部的电晕流光[20-22]。正先导则以连续或梯级的方式传输[23-25]，但并未在正先导尖端前部发现类似的空间先导。迄今为止，人们对正先导的传输特征和机制仍不清楚。一些研究观测到正先导突然延展行为，如Tran等[9]观测到双向先导正端，Wang等[26]报道的上行正先导以及Kostinskiy等[27]在长间隙放电试验中观测到的正先导等，这可能与正先导的传输机制密切相关，值得进一步探究。

本文利用广州高建筑物雷电观测站获取的高建筑物上的雷电高速摄像和电场变化同步数据，对比了在一次广州塔上行闪电放电过程中双向发展的直窜先导在回击前、后正端突然延展现象的细节特征，统计了双向先导正、负端传输时的二维速率参量。

1 观测与数据

广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG[28-35])作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分，目前由1个主站(站点1)和多个光学观测子站组成，主要针对高建筑物雷电开展观测，站点1位于广东省气象局一栋高约100 m的建筑物的顶部，架设的光电同步观测设备包括多台高速摄像系统、闪电通道成像系统、全视野闪电通道成像系统[36](Total-sky Lightning Channel Imager,TLCI)、快、慢电场变化天线、宽带磁场测量仪、大气平均电场仪和闪电连接过程观测系统[37](Lightning Attachment Process Observation System,LAPOS)。采用数字示波记录仪采集LAPOS和电磁场变化信号，利用LAPOS(8通道)的1个通道作为所有观测设备的触发源。每个触发事件由高精度GPS时钟授时，时间精度为30 ns。本研究只利用了站点1的观测数据，并由以下设备获取：①2台Photron FASTCAM高速摄像系统：1台SAZ摄像机(设备编号HC-1)，帧率为20000 帧/s，镜头焦距14 mm，像素数量为1024×1024；1台SA3摄像机(设备编号HC-3)，帧率为1000 帧/s，镜头焦距8 mm，像素数量为1024×1024。②1套快、慢天线(FA和SA)，时间常数分别为1 ms和6 s，采样率10 MHz，记录时间长度1 s。

文中使用的闪电定位数据由粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)提供，包括地闪回击接地点位置、发生时间、雷电流幅值和极性等物理特征参数。该系统的闪电探测效率和回击探测效率均为93%，对下行闪电首次回击、下行闪电继后回击及上行闪电回击的定位误差平均值(中值)分别为361 m(188 m)，252 m(167 m)以及294 m(173 m)[38]。

本文分析的闪电个例为2016年6月4日广州塔(高600 m)上发生的一次上行闪电(F2016048)，该上行闪电过程包含有7次回击。为便于数据分析，将F2016048的第1次回击开始时刻定义为零时刻。文中采用大气电学符号规定，向下的电场为正，正极性的电场变化对应正电荷向上传输，或者等效为负电荷向下传输，负地闪回击对应正极性的电场变化[39]。涉及的所有长度均为二维值。

2 结果分析

图1是F2016048的快、慢电场变化同步记录。由图1a可知，在F2016048始发前附近出现1次正地闪过程。正地闪回击发生在F2016048始发前约200 ms，对应的定位结果显示该正回击的接地点位于广州塔的西北方向，距广州塔约59 km，回击峰值电流约+87 kA。Saba等[40]观测认为如果正地闪距高建筑物不超过80 km，上行闪电始发前或后的1 s内，则可认为正地闪与上行闪电的始发相关。因此，F2016048可认为是1次触发型上行闪电[41]。

图1 广州塔上行闪电快电场(a)、慢电场(b)变化波形(记录时间窗口为-462.4～215 ms，R1～R7代表上行闪电的7次回击)

基于连续发展的上行先导在慢电场变化记录上表现为电场正向变化(图1b)，可以确定上行先导的极性为正。正先导持续向上传输造成电场正向变化，相当于将正电荷从地面向上抬升。这里推测正地闪回击后的电场缓慢负向变化可能是由在正地闪连续电流阶段云底水平发展的负先导向塔顶靠近引发的。

图2为基于HC-3连续帧图像获取的通道亮度、快电场和慢电场变化波形图。由图2b可知，F2016048发生了7次直窜先导-继后回击过程。7个直窜先导均沿着之前的已冷却的上行正先导通道回退至广州塔顶引发回击，7次回击(标注为R1～R7)均为负回击，回击时间间隔的平均值约为29 ms，回击峰值电流的最大值为-31 kA，最小值为-10 kA，平均值约为-18 kA。

图2 广州塔上行闪电的通道亮度(HC-3拍摄的图像所有像素点灰度值之和，记录时间窗口为-50～200 ms)(a)、快电场变化(b)、慢电场变化(c)(R1～R7代表7次回击)

图3为1000 帧/s的高速摄像(HC-3)拍摄的F2016048的正先导30帧选定图像的合成图。选择这30帧图像是为了呈现上行正先导的几何形状。本文在分析闪电通道发展特征时均简单以广州塔距观测站的距离(3.3 km)估算图像中所有通道位置的图像分辨率。由图3可见，上行正先导从广州塔顶始发，上升至1.8 km的高度时出现两个分叉(分叉1和分叉2)，分别朝图像的左右两侧伸展，之后分叉2又出现了两个明显的二级分叉。HC-3获取的7次直窜先导-继后回击过程的连续帧图像显示7次先导-回击序列均发生在上行正先导的分叉1通道中。

20000 帧/s的高速摄像(HC-1)的观测视野如图3中虚线框区域所示。图4 为HC-1拍摄的第2次直窜先导始发位置区域的连续16帧图像。由图4可见，直窜先导始发后双向传输，负端沿已冷却的上行正先导通道连续回退，到达广州塔顶引发继后回击。正端在向前传输时出现了3次突然向前延展现象。第1次正端突然伸展发生在直窜先导始发后约0.1 ms，正端近似水平地向前伸展约160 m，进入未击穿空气中，之后一个新的分叉从直窜先导的始发位置伸出(29.40 ms)，向前传输短暂时间后停止(29.45 ms)。

图3 1000 帧/s高速摄像(HC-3)拍摄的上行正先导30帧选定图像合成图(图像进行对比度增强和反相处理，图中虚线方框区域为HC-1视野范围)

第2次正端突然伸展发生在29.60 ms。在第2次延展前，正端已停止向前传输。在正端前部出现了1个悬空先导段，长度约34 m，其距离正端头部约45 m (29.50 ms)。之后第2个悬空先导段出现(29.55 ms)，长约46 m，距离正端头部更近，约28 m。第2个悬空先导段与正端连接，导致正端突然向前延展了约91 m(29.60 ms)。约0.05 ms后又发生了第3次正端突然伸展现象，伸长约94 m(29.65 ms)。

图4 20000 帧/s高速摄像(HC-1)拍摄的第2次直窜先导的16帧连续图像(图像进行裁剪、对比度增强和反相处理，图像上时间为曝光结束时间)

第1次和第3次正端突然向前延展仅出现在1帧图像上，但悬空先导段出现并与直窜先导连接过程持续了约0.15 ms(3帧图像)，因此,呈现了正端突然延展的详细过程。正端在第2次向前延展前已停止发展，且第2个悬空先导段比第1个更接近与正端头部，推测是悬空先导段朝正端方向伸展，并与正端相连。这与之前在负先导尖端头部观测到的空间先导行为相似，但尺度(平均值约115 m)比空间先导偏大(平均长度约为几米[20])。整个直窜先导过程中，正端向前传输的平均速率约为1.1×106m·s-1，3次正端突然向前延展的二维速率分别为3.2×106，1.8×106m·s-1和1.9×106m·s-1，比以往观测到的正先导在未击穿空气中传输的二维速率(104～105m·s-1)偏大。

图5为20000 帧/s的高速摄像拍摄第2次回击后的12帧连续图像。由图5可见，回击开始后，电流沿着直窜先导通道向上传播至先导始发位置附近(30.35 ms)，然后通道逐渐冷却。发现通道冷却过程中头部出现亮度很弱的流光(30.35 ms和30.40 ms)，之后头部突然向前延展，且延展通道后侧的局部通道的亮度增大(30.45 ms)。对比回击前双向先导正端伸展的路径和回击通道头部到达的位置后发现，回击通道仅到达之前双向(直窜)先导的起始位置后就停止发展，并未进入直窜先导的正端通道中。因此，推测回击后原直窜先导正端通道的极性未发生变化，仍可称为正端。值得注意的是，连续电流阶段通道的突然延展并未沿着之前直窜先导正端传输的通道，而是开辟了新的通道，发展至未击穿空气中。

第1次延展通道头部以4.1×106m·s-1的二维速率向前发展了约204 m。此后延展的通道快速暗淡(30.50～30.55 ms)，但约0.05 ms后，头部出现了第2次突然延展(30.60 ms)。值得注意的是，第2次延展始发于第1次延展通道的中段，并点亮始发位置之后的第1次延展的部分通道。第2次延展以4.4×106m·s-1的二维速率向前发展了约220 m，之后通道再次变暗。

图5 20000 帧/s高速摄像(HC-1)拍摄的第2次回击后12帧连续图像(图像进行裁剪、对比度增强和反相处理，图像上时间为曝光结束时间)

基于HC-1拍摄的第2次直窜先导连续帧图像，可获取第2次直窜先导正、负两端17个清晰二维速率计算样本，速率随时间变化如图6所示。第2次直窜先导负端二维速率范围为1.0×106～1.1×107m·s-1。去除停顿，第2次直窜先导正端二维非零速率范围为2.1×105～3.2×106m·s-1，平均值为1.1×106m·s-1。第2次直窜先导双向发展时的正端间歇性传输，速率在突然伸展时迅速增大。值得注意的是，第2次直窜先导始发后正、负端速率均先增大后减小，之后再增大(图6中I所示，时间为29.10～29.40 ms)，且正端再次向前发展后的速率变化趋势与负端相同(图6中II所示，时间为29.55～29.80 ms)。由此可见，正、负两端同时传输时，二者速率呈正相关，表明正、负端同时向前发展时可能有互相促进作用。

图6 第2次直窜先导正、负端的二维速率

3 结论和讨论

本文利用高速摄像系统获取的闪电通道图像和电场变化同步数据，分析了在一次广州塔上行闪电中观测到的双向发展的直窜先导回击前、后突然延展现象的细节特征。结论如下：

1) 上行闪电中双向发展的直窜先导的正端会间歇性地传输至未击穿空气中，在其头部可能发生多次突然伸展现象，这种突然延展现象可能是通过正端与出现在其头部附近的悬空先导序列相连所引发。

2) 第2次继后回击后，原直窜先导的正端发生2次突然延展现象，但并未沿回击前正端伸展的通道传输，而是建立了进入未击穿空气的新通道。

3) 回击前，正端3次突然伸展的二维平均速率约为2.3×106m·s-1，伸展长度的平均值约为115 m；回击后，通道头部2次突然伸展的二维平均速率约为4.3×106m·s-1，约为回击前突然延展速率的2倍，伸展长度的平均值约为212 m。

在Tran等[9]报道的悬浮通道正端、Wang等[26]观测到的上行正先导以及Kostinskiy等[27]的长间隙放电试验中的正先导也发现头部存在突然延展行为，这种突然延展在光学上表现为梯级发展。本研究中的梯级发现是由在其头部前方出现的悬空先导段与正端相连引发的，这种短先导通道段可能是沿之前已存在的正先导通道发展的反冲先导，但未被光学设备探测到，也可能类似于在正先导通道侧面产生并与之连接的双向先导[42-46]。

Tran等[9]推测观测到的千米尺度的正梯级可能是由空间先导发展而来。此外Kostinskiy等[24]在长间隙放电试验中观测到在正先导尖端前有疑似空间先导存在，但没有直接证据表明是正端头部附近存在的通常只在负先导头部出现的空间先导引发了梯级。与Wang等[26]观测的正先导梯级步长(平均值约为4.9 m)相比，文中回击前正端突然延展的长度(平均值约为115 m)偏大，两个悬空先导段的尺度(约为40 m)、直窜先导正端与悬空先导段尖端间的距离(约为42 m)远大于空间先导的长度(平均值约为5 m[24])和空间先导与负先导通道头部之间的距离(平均值约为4 m[24])，即就尺度而言，本研究在正端头部附近观测到的通道段与在负先导头部观测到的空间先导差异很大。但文中的悬空先导段形成于通道头部附近，主动靠近头部与主通道连接，这与出现在负先导头部的空间先导的行为相同，因此，仍无法排除悬空先导段是类似于空间先导的可能。

本研究发现回击前后正端延伸的路径不同，但发生的放电过程可能一致。先导双向传输阶段，正或负端向前击穿时会使另一端头部的电场增强，增大另一端头部与其附近的电势差，直至突破阈值向前击穿，因此，正、负两端在同时传输时速率表现为正相关。当然，本研究采用的高速摄像数据的时间分辨率约为50 μs，如果采用帧率更快的设备，可能会发现先导正、负端并非同时发展。而回击瞬间中和大量的负电荷，使更多的正电荷快速地涌入正端，迅速增大了正端与广州塔顶的电势差，这种增大的程度大于先导阶段，即回击后正端向前伸展的速度更快，延展的尺度更大。

回击后的连续电流阶段，原直窜先导正端发生突然延展现象，进入未击穿空气，延展二维速率也接近107m·s-1的量级。这与Stock等[47]在闪电K过程观测到的从之前正先导头部附近向未击穿空气中伸展的快速正击穿非常相似，但仍需结合闪电多站辐射源定位系统获取上行闪电云内、云外放电通道三维时空演变特征和雷暴云电荷结构深入分析。