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大气所在闪电发展传输物理特征和机制方面取得系列研究进展
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2017-07-06 | 【 【关闭】

  自然界中的闪电通常发生于强烈起电的雷暴云内或云与大地之间,起始于所谓的“先导”过程的发展和传播。先导以击穿空气的形式为随后强烈的闪电放电过程提供电离通道,其发展传输的物理过程和机制是闪电物理研究的关键问题。但由于闪电具有的瞬时性和随机性,以及先导快速传播过程的微弱光辐射和电磁辐射,对先导的探测存在较大难度,国际上提出的闪电物理研究十大难题中,就有四个与先导过程直接相关。 

  基于火箭-拖线技术的山东沾化人工引雷实验自2005年夏季开始持续开展,最近中科院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室郄秀书研究员和蒋如斌副研究员等,在国家“973”项目和国家自然科学基金重点项目等支持下,通过自主研发高时空分辨率闪电探测和动态定位设备,开展有针对性的科学观测,获取人工引发闪电和自然闪电放电电流、高速光学和电磁场等高分辨率综合同步资料,在国际上首次发现了沿已击穿人工引雷放电通道中同时沿两个相反方向发展的双向先导过程,类似一种所谓的双向“反冲先导”,但其极性与传统的反冲先导相反,从而拓展了对这一先导类型的认识。通常,人工引雷所引发的闪电为负极性,除上世纪我国前辈科学家在内陆高原地区特殊雷暴电荷结构条件下引发的正极性闪电外,人工引发正闪在国际上比较罕见。近来,研究团队在山东人工引发闪电实验中,成功引发了两例正极性闪电和三例双极性闪电。基于宝贵的观测资料,研究得到了相应的上行负极性先导过程的起始电流、脉冲波形、梯级电荷量等重要物理参量,并揭示了负极性先导初始阶段的多分叉和梯级形成过程。 

  研究团队通过精心设计观测方案,还获得了每秒高达15-18万幅的闪电先导发展图像,最近在Scientific Reports上发表的文章,清晰阐释了闪电通道分叉和蜿蜒曲折的根源:负先导前方多个“空间先导”集簇出现,空间先导与先导主通道依次连接并持续发展,从而导致了闪电众多分支通道的同时传播并蜿蜒前行,研究定量给出了空间先导发展方向的概率密度分布。另外,团队还通过高塔闪电观测,首次揭示了正先导在自持传输阶段的梯级跳跃式发展传输特征,并提出了与负先导梯级机制不同的“头部电荷聚集—跳跃—停顿”的正先导梯级形成机制,更新了正先导连续传输的传统认识。 

  上述系列研究成果近期发表在Journal of Geophysical ResearchGeophysical Research LettersScientific Reports等期刊上。   

  论文信息: 

  Qie X., Y. Pu, R. Jiang, Z. Sun, M. Liu, H. Zhang, X. Li, G. Lu, and Y. Tian (2017), Bidirectional leader development in a preexisting channel as observed in rocket-triggered lightning flashes, J. Geophys. Res. Atmos., 122, 586-599, doi:10.1002/ 2016JD025224. 链接 

  Jiang R. X. Qie, H. Zhang, M. Liu, Z. Sun, G. Lu, Z. Wang, and Y. Wang (2017), Channel branching and zigzagging in negative cloud-to-ground lightning, Sci. Rep., 7:3457, DOI:10.1038/s41598-017-03686-w. (链接) 

  Pu, Y., R. Jiang, X. Qie, M. Liu, H. Zhang, Y. Fan, and X. Wu (2017), Upward negative leaders in positive triggered lightning: Stepping and branching in the initial stage, Geophys. Res. Lett., 44, doi:10.1002/2017GL074228 链接 

  Wang Z., X. Qie, R. Jiang, C. Wang, G. Lu, Z. Sun, M. Liu, and Y. Pu (2016), High speed video observation of stepwise propagation of a natural upward positive leader, J. Geophys. Res. Atmos., 121, 14,307-14,315, doi:10.1002/2016JD025605. 链接 

    

人工引雷照片

人工引雷场地

[video:高速光学观测到的地闪先导发展过程]
 
高速光学观测到的地闪先导发展过程

 

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