正地闪放电特征及其对上行闪电和红色精灵(Red Sprite)的影响

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正地闪占全部地闪的10%左右,但是正地闪由于其中和电荷量大,峰值电流高,相对于负地闪常造成较严重的灾害。最近二十多年对中高层大气放电事件的研究也发现红色精灵(Red Sprite)的产生与正地闪关系密切;越来越多的高建筑物诱发上行闪电的研究也发现,绝大部分‘触发式’高建筑物上行闪电与正地闪相关。因此研究正地闪的放电特征不仅有助于正地闪机制的理解和灾害防护,也有助于认识正地闪对其它放电现象的影响和相互作用关系。本文主要利用大兴安岭地区和北京地区的多站同步快、慢天线资料对两地的正地闪放电特征进行研究,并研究正地闪在激发高塔闪电和红色精灵中的作用,主要的研究结果如下:  1)分析了大兴安岭地区和北京地区夏季雷暴正地闪的回击和连续电流特征。大兴安岭地区和北京地区夏季雷暴正地闪绝大部分为单回击正地闪。对于多回击正地闪,北京地区的回击间隔更大。北京地区正地闪回击上升时间比大兴安岭地区的结果略高。大兴安岭和北京地区正地闪带连续电流的比例分别为71.9%和84.0%,连续电流的持续时间算术平均值分别为33.3±38.4 ms和106.4±66.9 ms。北京地区正地闪的连续电流持续时间远大于大兴安岭地区。对大兴安岭地区5次正地闪回击和连续电流中和电荷源进行拟合,发现正地闪回击中和电荷源平均高度为6.1km,平均电量为5.2 C;正地闪连续电流中和电荷源平均高度为6.5km,平均电量为10.2 C;单次正地闪总中和电荷量的平均值为15.4 C。  2)基于大兴地岭地区的正地闪波形变化,分析了正地闪回击前预击穿过程、先导过程的统计特征,讨论了正地闪(+CG)与云闪(IC)的关系。发现正地闪预击穿可分别S型和D型两类,主导类型为S型。其脉冲宽度、脉冲间隔、预击穿脉冲序列持续时间和预击穿-回击间隔的平均值分别为21.1±12.6μs,148.7±117.5μs,3.0±1.6 ms和108.1±69.0 ms; PBP/+RS峰值比平均值为0.3±0.2,正地闪回击前先导脉冲间隔为31.8±18.8μs。根据正地闪与其半伴随的云内放电过程的关系可分为四类,即普通型+CG(63.8%),混合型+CG-IC(21.1%),混合型IC-+CG(5.4%)和混合型IC-+CG-IC(9.7%)。由云闪分支部分产生的正地闪比例为15.1%。  3)分析了触发高塔上行闪电的母体正地闪放电特征,并讨论了正地闪触发上行闪电的触发机制和触发因子;分析了基于高塔闪电的上行正先导激发和传输特征。8次上行闪电的母体闪电均为云内过程较长、带有较长连续电流的正地闪。8次上行闪电有1次上行正先导始发于正回击之前79.9 ms;另外7次上行正先导均发生在回击之后,与回击的时间间隔算术平均值为8.5±4.0 ms。分析上行正先导的触发机制,认为其可能均为云内过程双向先导网络的负先导经过高塔上方对高塔尖端附近的负电场产生增强作用。而触发因子则有两种情况:上行正先导由正地闪回击前云内的双向先导中的负先导所触发,使上行正先导激发在回击之前;上行正先导由正地闪回击本身对云内已有的双向先导网络的负先导的作用所激发,上行正先导激发在回击之后。基于微秒量级的高速摄像资料,上行正先导可以从高塔的多个尖端激发形成,一个方向激发失败,可以从另外一个方向继续激发。正流光向正先导的转化时间小于1 ms,期间有多次的正流光放电过程。上行正先导以梯级形式传输,表现为先导的间歇性停顿和重新发展。在每一梯级停顿时,上行正先导头部会有明显的‘电晕刷’。上行正先导局部速度为0.8±0.5×105 m/s,梯级间隔为55.6±13.9μs,梯级步长为5.2 m。  4)对产生红色精灵的母体正地闪和母体雷暴进行了分析。在华北地区一次中尺度对流系统层状云降水区上方观测到8次由正地闪所激发的红色精灵事件。红色精灵母体正地闪平均峰值电流为+77.1±22.2 kA,是总体正地闪平均峰值电流的1.4倍。母体闪电的脉冲电荷矩变化(iCMC)在+475~+922 C·km之间。在红色精灵集中发生时间段,北京闪电探测网(BLNET)探测到的正地闪占总地闪比例高达54.2%,70.2%的正地闪伴随连续电流,连续电流持续时间为58.2±50.3 ms,此时段的正地闪总体放电特征有易于红色精灵的产生。红色精灵易发生在中尺度对流系统成熟-消散阶段正地闪占总地闪比例(POP)有显著增加的时段。POP上升是中尺度对流系统产生红色精灵事件的重要条件。红色精灵发生在中尺度对流系统雷达回波25~35 dBZ的层状云降水区上方,弱回波(<30 dBZ)面积的突然增加对红色精灵的产生有重要指示作用。
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