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人工触发闪电由于在时间和空间的相对确定性,是闪电物理、雷电电磁效应和雷电防护研究的重要手段。近年来,通过人工触发闪电极大地促进了闪电物理研究的发展,而且在电子信息化逐步普及的现代社会,其应用价值也不断得到提升。自2005年起,山东人工引发雷电实验(SHATLE)在山东滨州地区展开。本论文根据2005-2008年人工触发闪电探测资料,对传统和空中两种触发方式的人工触发闪电不同放电阶段的特征进行了详细的分析研究,并得到了对于闪电物理和雷电防护具有关键意义的雷电流参数。
在传统方式的人工触发闪电中,初始阶段是一个非常独特的物理过程,本论文通过对闪电通道底部电流、通道不同距离电场资料以及高速摄像光学资料的同步分析,考察了人工触发闪电初始过程的电场变化特征和通道底部电流特征:重点针对由于引雷导线的熔断造成的通道底部电流变化特征和通道的截止和重建过程进行了深入的分析研究,表明了导线熔断过程对闪电的始发、通道建立过程的影响和作用,对本研究中传统方式人工触发闪电初始阶段物理过程进行了详细描述。这一研究结果对于深入理解闪电的始发过程,了解自然闪电通道的截止和重建过程具有重要的科学意义。
空中触发闪电为研究自然闪电中的双向先导过程提供了宝贵的技术条件,本文对空中触发闪电初始阶段的不同距离产生的电场变化进行了分析;详细讨论了初始阶段导线熔断所产生的类似回击过程的电流变化特征,分析表明初始阶段的回击过程与传统的回击过程具有相近的物理过程,通过比较不同地区观测到的仅有的几个空中触发闪电通道底部电流资料,表明其初始回击的峰值电流也具有相似性,但由于导线连接方式的不同造成了电流波形的不一致。通过数学模型建立了双向先导模式对先导的发展速度进行了估算,表明正先导的速度量级在104到106m/s之间,负先导速度在104-105m/s之间,正先导速度高于负先导的发展速度。
通过对21次人工触发闪电通道底部回击电流波形的分析,表明峰值电流的几何平均值为14.6kA;回击电流持续时间的几何平均值为3.9ms:回击间隔几何平均值为64ms;回击电流波形半峰值宽度的几何平均值为17μs;回击开始的1ms内转移电荷量的几何平均值为1.2C;回击电流的作用积分的几何平均值为6.1×103A2s;回击电流波形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;相对应的10-90%上升陡度和30-90%上升陡度的几何平均值分别为4.7 kA/μs和4.4kA/μs。对比分析了不同地区人工触发闪电和自然闪电回击电流参数,表明不同地区人工触发闪电回击参数非常接近,人工触发闪电回击参数与自然地闪首次回击参数具有明显差异,而与自然地闪继后回击的电流参数非常接近,进一步揭示了二者的相似性。
论文对人工触发闪电回击之间的M分量(M变化)过程进行了分析,表明M分量的峰值电流的几何平均值为743A,比人工触发闪电回击峰值电流低了约两个量级,其波形10-90%的上升时间和半峰值宽度的几何平均值分别为241μs和318μs,与人工触发闪电回击相比高了约两个量级;M分量与回击的持续时间没有量级差异。对于M分量的产生机制进行了讨论,表明了M分量与直窜先导-回击过程具有类似的物理过程。