（大气物理学与大气环境专业论文）人工触发闪电近距离磁场的测量和放电参量的估算.pdf

中文摘要 中文摘要 空中人工触发闪电因和自然闪电的放电过程类似而倍受重视，但由于空中触 发闪电击中引流杆的概率很小，对其电流直接测量十分困难，所以对空中触发f j _ = | 电电流的间接测量( 反演) 是非常重要的。本论文在自制低成本近距离闪电磁场 测量系统的基础上，2 0 0 5 年夏季在山东人工触发闪电实验( s h a t l e ) 中获得了 传统人工引发闪电和空中人工引发闪电的放电特征，所得主要结论如下： ( 1 ) 近距离磁场测量系统 自制的磁场测量系统包括两个正交的环形天线、积分电路和采集记录等。在 武汉大学高电压与绝缘实验室对测量系统进行的标定表明，磁场测量系统得到的 磁感应强度曲线与电流曲线非常一致。当采用高增益天线时，天线在距引流杆 6 0 米处能测得的闪电通道最大电流值为3 7 7 k a ；当采用低增益天线时，天线在 距引流杆6 0 米处能测的最大电流值为8 4 4 k a 。 ( 2 ) 人工触发测电初始阶段放电特征 无论是传统人工触发l 刈电还是空中人工触发闪电，磁场测量系统记录到的孤 立脉冲是火箭上升过程中激发的不连续发展上行正先导产生的。传统触发闪电中 不连续发展上行正先导幅值的平均值比空中触发闪电要小，摄大值也比空中触发 闪电小；空中触发闪电脉冲间的时间间隔分布更离散。 连续发展的上行正先导脉冲在6 0 m 处产生磁感应强度峰值比不连续发展上 行正先导要大，连续发展上行正先导电流峰值平均值为2 3 0 a ，变化范围 1 6 9 4 1 0 a ，电流峰值与磁感应强度峰值之间的关系为，。= 6 1 9 b + 2 5 6 。另外， 先导在地面6 0 m 处产生电场峰值的平均值为1 6 7 v m ，电场峰值与电流峰值之间 满足，= 1 4 2 e 一2 3 3 。 与传统触发闪电中上行正先导的发展过程类似，空中触发闪电中下行负梯级 先导也经历了不连续发展和连续发展两个阶段。不连续发展阶段，负梯级先导在 6 0 m 处产生电场的变化范围3 0 2 9 0 v m ，对应的磁感应强度0 3 9 3 5 6 1 t t ，此阶 段中电场和磁场波形规律性较差；在负梯级先导的连续发展阶段，电场和磁场波 形的规律性增强，在6 0 m 处产生的电磁场幅值也较大( 电场3 5 - 7 0 0 v m ，磁感 中文摘要 应强度3 0 6 5 0 4 9 t ) ，说明下行负梯级先导逐渐接近地面。另外，连续发展阶段 的下行负梯级先导中和电荷量达到1 7 7 7 8 4 8 6 3 1 h c 。 ( 3 ) 人工触发闪电直窜先导一回击放电特征 人工触发闪电直窜先导一回击电场变化呈v 形。传统人工触发闪电0 5 0 3 回 击电流峰值的平均值为1 1 9 k a 。直窜先导、回击在6 0 m 产生的电场变化分别为 1 7 8 k v m 和1 8 k v m 。直窜先导、回击在6 0 m 处产生电场变化的一致性说明回击 过程基本将箭式先导通道的电荷完全中和。 估算得到传统人工触发闪电直窜先导电荷密度、电位分别为5 9 9 c m 和 6 1 m v ，均与回击峰值电流成正相关( r 2 = 0 8 2 ) ：反演出的空中触发闪电直窜先 导回击放电参量比传统人工触发闪电略高，但没有量级上的差别。将传统和空 中触发l = j 、】电直窜先导一回击放电参量一起拟合得到直窜先导的电荷密度、电位与 回击峰值电流成正相关( r 2 = 0 8 9 和r 2 = 0 8 8 ) ；直窜先导速度、目击速度与回击 峰值电流之间没有相关性。 关键词：磁场测量系统人工引发闪电电流电磁场 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea l t i t u d e t r i g g e r e dl i g h t n i n ga t t r a c t sm o r ea t t e n t i o nf o ri t sd i s c h a r g ep r o c e s s b e i n gs i m i l a rt ot h en a t u r a ll i g h t n i n g b u tt h ec u r r e n to f a na l t i t u d e - t r i g g e r e dl i g h t n i n g i sv e r yd i f f i c u l tt ob em e a s u r e dd i r e c t l yb e c a u s eo f t h el o wp o s s i b i l i t yo f t h er o db e i n g s t r u c kb yt h es u c c e s s f u l l yt r i g g e r e df l a s h t h e r e f o r e ，t h ei n d i r e c tm e a s u r e m e n to fi t s c u r r e n ti s v e r yi m p o r t a n t al o w - c o s tm a g n e t i cf i e l dm e a s u r i n gs y s t e mo fc l o s e l i g h t n i n gh a sb e e nd e v e l o p e di nt h ed i s s e r t a t i o na n du s e di nt h es h a n d o n ga r t i f i c i a l l y t r i g g e r i n gl i g h t n i n ge x p e r i m e n t ( s h a t l e ) i nt h es u m m e ro f2 0 0 5 t h ep r o p e r t i e so f b o t hc l a s s i c a l - - t r i g g e r e dl i g h t n i n ga n da l t i t u d e - t r i g g e r e dl i g h t n i n ga r ei n v e s t i g a t e di n d e t a i lw i t ht h ed a t ao b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t t h em a i nr e s u l t so f t h ed i s s e r t a t i o n a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a g n e t i cf i e l dm e a s u r i n gs y s t e mo f c l o s el i g h t n i n g t h em a g n e t i cf i e l dm e a s u r i n gs y s t e mi n c l u d e st h r e em a i np a r t s ，am a g n e t i cf l u x d e n s i t ys e n s o ro ft w oo r t h o g o n a la n t e n n a ei nv e r t i c a l ，a ne l e c t r o n i ci n t e g r a t o ra n da d a t ar e c o r d i n gs y s t e m t h ed e v e l o p e ds y s t e mw a st e s t e de x p e r i m e n t a l l yi nt h e l a b o r a t o r yo fh i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o n ，w u h a nu n i v e r s i t y t h ec u r v eo ft h e m a g n e t i cf i e l di sv e r ys i m i l a rt ot h a to ft h ec u r r e n t t h eu p p e r l i m i to ft h es y s t e mi s 3 77 k aw i t hah i g h g a i na n t e n n a el o c a t i n ga t6 0 mf r o mt h el i g h t n i n gr o da n d8 4 4 k a w i t hal o w - g a i na n t e n n a e ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ei n i t i a ls t a g eo f t r i g g e r e dl i g h t n i n g t h ei s o l a t e dp u l s e si nt h ei n i t i a ls t a g eo fm a g n e t i cf i e l dw e r ea t t r i b u t e dt ot h e d i s c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h eu p w a r dp o s i t i v el e a d e r ( u p l ) t h et i m ei n t e r v a l b e t w e e nt h ep u l s e si sd i s p e r s e d t h i sp h e n o m e n o no c c u r r e di nb o t hc l a s s i c a l - t r i g g e r e d l i g h t n i n g a n dt h ea l t i t u d e t r i g g e r e do n e c o m p a r i n gw i t ht h ec l a s s i c a l - t r i g g e r e d l i g h t n i n g ，t h ei s o l a t e dp u l s e so ft h ea l t i t u d e t r i g g e r e do n eh a sl a r g e ra m p l i t u d ew i t h m o r ed i s p e r s e dt i m ei n t e r v a l s t h em a g n e t i cf i e l do fu p li nt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ts t a g ei sl a r g e rt h a n t h a ti nd i s c o n t i n u o u s d e v e l o p m e n ts t a g e t h eg e o m e t r i cm e a no ft h ec u r r e n to fu p l a b s t r a c t i nc l a s s i c a l - t r i g g e r e dl i g h t n i n gi s2 3 0 aw i t hap e a kv a l u eb e i n ga b o u t1 6 9 4 1 0 a t h ep e a kc u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l dh a v ea r e l a t i o n s h i po f ，。= 6 1 9 b + 2 5 6 b e s i d e st h eg e o m e t r i cm e a no ft h ee l e c t r i cf i e l da t6 0 mf r o mt h el i g h t n i n gc h a n n e li s 1 6 7 v i m s i m i l a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e a ke l e c t r i cf i e l da n dp e a kc u r r e n to f t h eu p l c a l l b e f o u n da s ，。= 1 4 2 e 一2 3 3 s i m i l a rt ot h e d e v e l o p m e n t o ft h e u p w a r dp o s i t i v e l e a d e ri nt h e c l a s s i c a l t r i g g e r e dl i g h t n i n gt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l d ( 6 0 m ) s h o w e dt h a t d e v e l o p m e n to ft h ed o w n w a r ds t e pl e a d e ri nt h ea l t i t u d e t r i g g e r e do n ec a na l s ob e d i v i d e di n t ot w os t a g e s ，d i s c o n t i n u o u sp r o c e s sa n dc o n t i n u o u sp r o c e s s t h ep e a k e l e c t r i cf i e l da t6 0 mv a r i e df r o m3 0t o2 9 0 v ma n dm a g n e t i cf i e l df r o mo 3 9t o 3 5 6 p ti nt h ed i s c o n t i n u o u sp r o c e s s i nt h i sp r o c e s st h ew a v e f o r mo fe l e c t r i ca n d m a g n e t i cf i e l dh a sl i t t l er e g u l a r i t y i nt h ec o n t i n u o u sp r o c e s st h er e g u l a r i t yi n c r e a s e s t h ee l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l db e c o m el a r g e r ( e l e c t r i cf i e l d3 5 7 0 0 v m ，m a g n e t i c f i e l d3 0 6 - 5 0 4 p t ) ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ed o w n w a r dl e a d e ra p p r o a c h i n gt h eg r o u n d t h ec h a r g et r a n s f e r r e di ne a c hs t e po ft h el e a d e rv a r i e df r o m17 7 7 8 p ct o4 8 6 31p c ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d a r t - l e a d e rr e t u r ns t r o k ei nt r i g g e r e dl i g h t n i n g t h ee l e c t r i cf i e l do f t h ed a r t - l e a d e rr e t u r ns t r o k ei na r t i f i c i a l l y - - t r i g g e r e dl i g h t n i n g a p p e a r e da sv - s h a p e dw a v e f o r m t h eg e o m e t r i cm e a no ft h ep e a kc u r r e n to ft h e r e t u r ns t r o k ei nc l a s s i c a l t r i g g e r e dl i g h t n i n gi s11 9 k a t h ee l e c t r i cf i e l do fd a r t - l e a d e r a n dr e t u ms t r o k ea t6 0 mf r o m l i g h t n i n gc h a n n e l i s1 7 8 k v ma n d1 8 k v m ， r e s p e c t i v e l y , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ec h a r g ed e p o s i t e di nt h el e a d e rc h a n n e la l m o s t c o m p l e t e l yn e u t r a l i z e db yt h er e t u ms t r o k e s t h ed a r t l e a d e r c h a r g ed e n s i t y , l e a d e rp o t e n t i a l i s 5 9 b c m a n d6 1 m v , r e s p e c t i v e l y ，b o t hh a v eap o s i t i v er e l a t i o n s h i pw i t ht h er e t u r ns t r o k ep e a kc u r r e n t ( r 2 = 0 8 2 ) t h er e t r i e v e dc h a r a c t e r i s t i c so fa l t i t u d e t r i g g e r e dl i g h t n i n gh a v el a r g e r a m p l i t u d e st h a nt h ec l a s s i c a l t r i g g e r e do n e b u tt h e r ei sn oo r d e rd i f f e r e n c eb e t w e e n t h e m f o ra l lt h ed a r t 1 e a d e rr e t u r ns t r o k e so b t a i n e df r o mb o t hc l a s s i c a l t r i g g e r e d l i g h t n i n ga n da l t i t u d e - t r i g g e r e do n et h ed a r t - - l e a d e rc h a r g ed e n s i t y , p o t e n t i a la n dr e t u r n s t r o k ep e a kc u r r e n th a v ep o s i t i v er e l a t i o n s h i p s ( d a r c - l e a d e rc h a r g ed e n s i t yv sr e t u r n a b s t r a c t s t r o k ep e a kc u r r e n tr 2 = o 8 9 d a r t l e a d e rp o t e n t i a lv sr e t u r ns t r o k ep e a kc u r r e n t r 2 = o 8 8 ) n or e l a t i o n s h i pw a sf o u n db e t w e e nl e a d e rv e l o c i t y r e t u ms t r o k ev e l o c i t y a n dr e t u r ns t r o k ep e a kc u r r e n t k e y w o r d s ：m a g n e t i cf i e l dm e a s u r i n gs y s t e m a r t i f i c i a l l y t r i g g e r e dl i g h t n i n g d i s c h a r g ec u r r e n t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 闪电可分为地闪和云闪。地闪的峰值电流一般为几万安培、有时可超过1 0 力安培川。如此强大的电流直接入地必然会对地面各种设施和建筑物、附近的 电子设备和通信系统等造成破坏。为了了解闪电的放电特性，很早人们就开始对 自然闪电的电流进行直接测量【2 。7 】。然而，由于自然闪电放电的随机性、瞬时性 和破坏性等特点，使得雷电流资料的获取十分困难，从而对雷电放电过程和机理 的认识也受到制约。自7 0 年代发展起来的陆地人工引雷技术【引为雷电的研究提 供了一条有效途径。 最常用的人工触发闪电技术是火箭一导线技术。按触发方式不同，可以分为 传统和空中两种触发方式。传统触发方式是在一定的雷暴电环境下，从地面向云 体发射拖带接地金属导线的小火箭，当火箭上升到一定高度时，在火箭的头部就 会产生向上发展的正先导( 这里以中和云内负电荷的负地闪为例) ，当上行正先 导到达雷暴云电荷区时将发生初始连续电流过程，然后是直窜先导一回击过程。 上行正先导和初始连续电流构成上行雷放电的初始阶段。传统触发闪电的放电过 程与高大建筑触发的上行雷的放电过程十分类似。所以对传统触发闪电的研究可 以为建筑物的防雷提供参考。空中触发方式与传统触发方式不同的是，金属导线 和地面之间连接有一定长度的尼龙线，从而使金属导线和地面绝缘。空中触发闪 电则可以模拟自然闪电中的下行梯级先导过程和首次回击过程】。通常空中人工 触发闪电所用尼龙线的长度为几十米到上百米。 人工触发闪电的电流测量p m 】、近距离电磁场观测1 7 1 和光学观测l s - 2 2 l 等 对了解雷电的放电机理、放电强度和放电过程是十分重要的，放电电流和近距离 电磁场的波形特征也是雷电防护设计所必须了解的重要参量。目前，人工触发闪 电的电流大多是采用传统触发方式得到的。由于空中触发闪电的金属丝与地面是 绝缘的，闪电击中引流杆的概率较小，所以对空中触发闪电电流的直接测量目前 仍存在较大的困难。因而对人工触发闪电的近距离电磁场进行遥感测量，从而反 演闪电的放电特性就显得非常重要。 本论文“人工触发闪电近距离磁场的测量和放电参量的估算”通过自制的磁 第一章绪论 场测量系统来测量人工触发闪电的近距离磁场，并结合其它测量手段来反演闪电 的放电特性，尤其是空中触发闪电的放电特性。下面将对近距离磁场测量及国内 外人工触发闪电相关研究进展进行简要回顾。 1 2人工触发闪电近距离磁场的测量 对自然闪电远距离磁场的测量最早是k r i d e ra n dn o g g l e 2 3 1 采用天线环后面 接积分电路的方法来实现的。他们使用一个天线环，得到的远距离电场和磁场波 形几乎完全一样，系统的输出电压与磁感应强度之间的关系精度在1 0 以内。 后来，k r i d e ra n d n o g g l e 等【1 4 】利用宽带磁场测量系统制作了磁场定向仪，即我们 所说的d f 。它主要是利用两个f 交环形天线所测到的地| ! j 】回击波形中的初始峰 值来确定地闪的方位。由于回击的速度在1 0 8 m s 量级，所以最初几微秒的峰值 一定是对应地面上几十到几百米的闪电通道，而这部分通道通常接近于垂直地 面。闪电定位系统对于尽早识别闪电引起的森林火灾、尽早确定雷击引起的高压 线故障点等是十分重要的。但他们着重的是远距离的地闪，对近距离( 几十米， 几百米) 闪电的磁场研究的很少。在电子技术迅速发展的时代，近距离闪电的强 电磁辐射对电子设备和高新技术装备造成的危害是不容忽视的，由近距离闪电的 强电磁辐射引起的间接雷害造成的损失通常更为巨大，所以深入的了解闪电近距 离电磁场显得尤为重要。由于自然闪电发生的瞬时性、随机性和破坏性，难以对 放电电流进行直接测量，因此对人工触发闪电的近距离遥感观测，是了解闪电放 电特性的重要手段。在n e wm e x i c o 的触发闪电中就曾利用近距离磁场来反演电 流【1 0 1 。 国外曾利用多种测量设备实现了对闪电近距离磁场的测量1 2 5 _ 2 舯，并得到了回 击的放电特性。主要的放电参量有回击的峰值、上升时间、半峰值宽度等。国内， 为了研究人工触发闪电的近距离磁场，周忠华等【2 9 】制作了磁场测量系统，主要 目的是测量触发闪电的近距离磁场，带宽在1 k h z 以下。实际上，无论自然闪电 还是人工触发闪电，放电过程包含丰富的频率成分，地闪的谱峰值出现在 2 0 k h z - 8 0 k h z t 30 1 ，l k l q z 的带宽无疑会有一定的局限性。所以，研制较宽频带的 磁场测量系统、对全面了解人工触发闪电的放电过程以及直窜先导一回击特征是 十分必要的。 第一章绪论 1 3 人工触发闪电的国内外研究进展 利用地面装置人为引发闪电的可能性最早是由美国的b r o o k t 引】和n e w m a n 3 2 】 等明确提出的。在6 0 年代，n e w m a n 等【3 3 ”】通过发射拖带细接地金属丝的小火 箭在海边首次引发闪电成功。1 9 7 3 年 8 , 3 6 1 法国引发闪电成功。在以后的几十年里， 同本、中国和巴西都进行了人工触发i = l 电研究。我国在1 9 8 9 年1 3 7 1 采用专用引雷 火箭引雷成功。在1 9 9 6 年又成功发展了引雷导线不接地的空中引雷技术f 3 8 】，为 研究雷害机理及防护丌辟了一条新途径”9 1 。张义军等 4 0 - 4 1 1 通过研究发现，中国 南北方雷暴电结构的差异导致了人工引发雷电的放电特征也很不同，南方人工引 发雷电一般包含多次回击，峰值电流达到1 0 k a 以上。王才伟等4 2 郫1 利用高速数 字化摄像系统，对人工引发雷电过程的发光特征和闪道的形态变化进行了量化观 测研究。通过对高速摄像、闪道电流和地面电场变化的分析，证实了空中引发雷 电时先导的双向传输现象1 4 4 蛳j 。除了人工触发闪电实验的观测研究，还进行了人 工引雷的数值模拟实验，研究了云中电荷结构对触发高度及成功引雷空间范围的 影i g j 46 1 ，同时根据地面电晕离子产生和演化的数值模式1 4 ”，对人工引雷成功及 失败个例进行了空间电场的计算结果比较4 7 m 】。 以上主要介绍了国内人工触发闪电的研究成果，卜- 面对国外人工触发闪电研 究相关进展做简单回顾。在近距离电磁环境方面，r u b i n s t e i n 等 1 7 , 5 0 】研究了几 十米一几百米之间距离范围内的人工触发闪电的电场，发现先导一回击电场呈“v ” 形：u m a l l 等洲和f i s h e r 等旧首先进行了人工触发闪电的近距离电场的多站测量； r a k o v 等1 5 , 5 3 1 研究发现，在非常近的距离处，直窜先导的电场变化率与回击的变 化率接近，近距离处直窜先导电场变化与随后的回击峰值电流之间成正相关； s c h o e n e 掣2 6 1 给出了人工触发闪电近距离电磁场及其时问变化率的统计特征，得 到1 5 m 处电场变化率为3 1 3 k v m p s ，3 0 m 处电场变化率为1 1 1k v m g s ，磁感应 强度在1 5 m 处的变化率为9 2 3 9 w b m 2 u s ，3 0 m 处为4 1 7 9 w b m 2 p s ：u m a n 等【1 6 , 5 4 】 分析了人工触发闪电近距离电流、电场和磁感应强度的变化等；c r a w f o r d 等1 5 “ 详细分析了人工触发闪电直窜先导电场随距离的变化；m i k i 等【56 j 测量了非常近 距离的人工触发闪电的电场，发现有些直窜先导一回击的波形呈“v ”形，有些 并不具有此性质，而且，测量的结果还发现，垂直电场的变化范围为 1 7 6 k v m 1 _ 5 m v m ，水平电场的变化范围为4 9 5k v m - 1 2m v m 。r a k o v 等p 第一章绪论 对人工触发闪电表现出剩余电场的直窜先导回击放电特性进行了研究，发现剩 余电场随距离的变化关系为r 小5 ，而且通过模拟他们发现，剩余电场与地面上方 1 5 3 0 m 处几百p c 一几m c 的等效点电荷相关。 除了对人工触发闪电的近距离电磁场研究，w a n g 等通过光学手段观测到 了上行连接先导：r a k o v 等【28 】对人工触发闪电中电流中断、恢复机理进行了探讨： w a n g 等【2 2 】和o l s e n 等 5 8 】对闪电通道底部几百米范围内的首次回击速度进行了观 测研究；w a n g 等1 2 2 1 发现闪电通道6 0 m 左右的回击的速度为1 3 1 0 8 m s 和 1 5 x 1 0 8 m s ( 文中分析了两个个例) ；o l s e n 等分析了5 个回击，其中4 个回击 的速度是先随高度增加，然后减小，但所得到的回击速度的数值与已有结果一致。 r a k o v 等5 9 6 田和b e j l e r i 6 1 等对人工触发闪电和地面目标之间的相互作用进行 了研究。d w y e r 等 6 2 - 6 4 1 和a 1 一d a y e h 等发现人工触发闪电能够产生x 射线，而 且。研究还发现x 射线与人工触发闪电的直窜先导有关，能量范围在3 0 2 5 0 k e v ， 由于人工触发闪电的回击与自然闪电的继后回击类似，因此他推断，x 射线辐射 可能是自然闪电的一个普遍性质。 对人工触发闪电研究另一个很重要的内容是人工触发闪电的电流测量。 f i e u x 等 3 6 1 通过对法国人工触发闪电的研究计算得到直窜先导的速度在 ( 2 1 0 ) x 1 0 6 m s ，峰值电流的最大值达到4 2 k a ，每个洲电总体转移电荷量的几何 平均值为5 0 c ，有些甚至超过了1 0 0 c ，与自然闪电向地面输送的电荷量( 几十 库仑) 接近叽h u b e r t 等1 叩对n e w m e x i c o 的人工触发闪电进行了研究，得到转 移电荷量的几何平均值为3 5 c ；i d o n e 等【67 发现人工触发闪电继后回击的峰值光 强和峰值电流之间有很好的相关性；d e p a s s e 等【6 8 】对人工触发闪电的电流及其时 间变化率进行了测量，统计分析的结果表明，电流的变化范围为2 5 k a 6 0 k a ， 电流变化率的变化范围为5 0 4 1 1 0 k a p s ，二者之间的相关系数在o 5 6 0 7 9 之间i f i s h e r 等【也发现回击峰值电流和回击电流的变化率之间有很好的相关性( 相关 系数在0 7 以上) ；w a n g 等【69 】利用通道底部测得的电流资料，对负极性人工引雷 初始阶段的总体特征和连续电流脉冲特征进行了分析，得到初始阶段的持续时间 和电流的几何平均值分别为2 7 9 0 m s 和3 1 6 0 a 。除此以外，还得到了连续电流 脉冲的一些特征参量( 幅值、上升时间、持续时间、半峰值宽度、电荷转移等) ； l a l a n d e 掣7 0 】曾对人工触发闪电的先导特征进行了研究，得到先导脉冲的时间间 第一章绪论 隔为2 0 0 2 5 o p s ，对应的电流为几十到几百安培；m i k i 等 7 u 比较了人工触发闪 电的初始阶段和高大建筑触发的上行雷的初始阶段，得到人工触发闪电初始阶段 的持续时间、转移电荷量和平均电流与g a i s b e r g 塔、p e i s s e n b e r g 塔触发的上行雷 初始阶段的放电特征类似，而这些高塔常常是自然闪电击中的目标。加强对地面 建筑的雷电防护不得不考虑闪电的放电参量，人工触发闪电试验数据的积累为雷 电防护水平的提高奠定了坚实的基础。 上面大部分是传统人工触发闪电的研究成果，出于空中触发方式成功触发的 闪电击中引流杆的概率很小，所以对空中触发闪电电流的测量至今仍然十分困 难。迄今为止，空中触发闪电直接测到电流资料的只有三次。两次是在美国的 c a m p b l a n d i n g ( f l o r i d a ) t 1 ”，另外一次是在巴西的c a c h o e i r a p a u t i s t a 72 1 。r a k o v 等 【l5 】的结果表明，在闪电通道非常近距离处，直窜先导在电力和其它系统上产生 的过电压和电流可以和回击相比拟；p i n t o 等1 72 】比较了空中人工触发闪电、传统 人工触发闪电和自然闪电的回击峰值电流，在巴西，自然闪电首次回击电流峰值 的几何平均值为4 5 k a ( 继后回击的电流的几何平均值为1 8 k a ) ，传统人工触发 闪电的电流峰值的几何平均值为1 7 k a 、空中触发闪电为3 3 k a ：而美国电流峰 值的几何平均值仅为2 1 k a ；s a b a 等【7 3 1 得到的结论是，空中触发闪电的电流峰 值的变化范围在2 2 4 4 k a 之间，电流峰值的几何平均值比传统触发闪电要高2 - 3 倍，电流总作用积分、电流变化率、半峰值宽度等电流参数也与传统人工触发闪 电的结果有很大不同。空中触发闪电由于接近自然闪电的放电过程具有更重要的 实际意义。同时，无论是自然闪电还是人工触发闪电，其发生和发展必然和局地 的环境要素密切相关，所以研究不同区域闪电的放电特征也具有重要的实际应用 价值。 1 4 本工作的主要内容及意义 基于以上原因，本论文旨在自行研制近距离磁场测量系统的基础上，对人工 触发闪电尤其是空中人工触发闪电的近距离磁场进行直接测量，从而反演闪电的 放电特性，为工程上的雷电防护提供基础数据。具体研究内容主要有以下几部分： 第一章：绪论。回顾国内外相关研究进展。 第二章：近距离闪电磁场测量系统。重点介绍了近距离磁场测量系统的设计 第一章绪论 方案及标定结果。 第三章：人工触发闪电初始阶段的放电特征。 主要结合2 0 0 5 年山东人工触发闪电试验( s h a t l e ) 所取资料。 对传统人工引发闪电和空中人工引发闪电初始阶段的放电特征进 行分析，并着重分析上行正先导和下行负梯级先导的放电特征。 第四章：人工触发闪电直窜先导一回击放电特征分析。 结合2 0 0 5 年山东人工触发闪电试验( s h a t l e ) 所取资料，对传 统人工引发闪电和空中人工引发闪电的直窜先导一回击放电特征 进行分析，并与不同地区的触发闪电和自然闪电相比较。 第五章：结论与展望。 第一章绪论 参考文献： 1 王道洪，郄秀书，郭昌明著雷电与人工引雷上海：上海交通大学出版 社，2 0 0 0 【2 h u s s e i na l im ，j a n i s c h e w s k y jw ，c h a n gj - s ，e ta 1 s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t o fl i g h t n i n gp a r a m e t e r sf o rs t r o k e st ot h et o r o n t oc a n a d i a nn a t i o n a lt o w e r j g e o p h y sr e s ，1 9 9 5 ，1 0 0 ( d 5 ) ：8 8 5 3 8 8 6 l 3 d i e n d o r f e rgm a i rm ，s c h u l zw ie ta 1 l i g h t n i n gc u r r e n tm e a s u r e m e n ti n a u s t r i a e x p e r i m e n t a ls e t u pa n df i r s tr e s u i t s 2 5 “o i n t e r nc o n fo nl i g h t n i n g p r o t e c t i o n i c l p , ( 2 0 0 0 ) ：4 4 - 4 7 4 h e i d l e rf ，w z i s c h a n k ，j w i e s i n g e r ，e ta 1 s t a t i s t i c s o fl i g h t n i n gc u r r e n t p a r a m e t e r sa n dr e l a t e dn e a r b ym a g n e t i cf i e l d sm e a s u r e da tt h ep e i s s e n b e r gt o w e r 2 5 ”i n t e r nc o n fo n l i g h t n i n g p r o t e c t i o ni c l p , ( 2 0 0 0 ) ：7 8 8 3 5 】h u s s e i na l im ，wj a n i s c h e w s k y j ，j - sc h a n g ，e ta 1 s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t o fl i g h t n i n gp a r a m e t e r sf o rs t r o k e st ot h et o r o n t oc a n a d i a nn a t i o n a lt o w e r j g e o p h y sr e s ，1 9 9 5 ，1 0 0 ( d 5 ) ：8 8 5 3 8 8 6 1 6 】b e r g e rk ，a n dev o g e l s a n g e r n e wr e s u l t so fl i g h t n i n go b s e r v a t i o n s i np l a n e t a r y e l e c t r o d y n a m i c s ，l ，e d s s c c o r o n i t ia n dj h u g h e s ，19 6 9 ：4 8 9 5 10 ，n e wy o r k ： g o r d o na n db r e a c h 7 b e r g e rk ，a n d e r s o npr ，k r o n i n g e rh p a r a m e t e r so fl i g h t n i n gf l a s h e s e l e c t r a ， 19 7 5 ，8 0 ：2 3 3 7 8 f i e u xrp ，g a r yc ，h u b e r tp ，e ta 1 a r t i f i c i a l l yt r i g g e r e dl i g h t n i n ga b o v el a n d n a t u r e 1 9 7 5 2 5 7 ：2 1 2 - 2 1 4 9 h o r r ik ，e x p e r i m e n to fa r t i f i c i a ll i g h t n i n gt r i g g e r e dw i t hr o c k e t ，m e mf a ce n g n a g o y au n i vj a p a n ，19 8 2 ，3 4 ：7 7 - 1 12 1 0 】h u b e r tra n drl a r o c h e ，t r i g g e r e dl i g h t n i n gi nn e w m e x i c o j g e o p h y s r e s ，8 9 ( d 2 ) ，2 5 1 1 2 5 2 1 111 f i s h e gr j g h s c h n e t z e r , r t h o t t a a p p i l l i l ，e ta l ，p a r a m e t e r so ft r i g g e r e d l i g h t n i n g f l a s h e si nf l o r i d aa n da l a b a m a ，j g e o p h y s r e s 19 9 3 ，9 8 ： 2 2 ，8 8 7 - 2 2 9 0 2 7 笙二! 堑堡 1 2 l i ux ，z h a n gy r e v i e wo f a r t i f i c i a l l yt r i g g e r e dl i g h t n i n gs t u d yi nc h i n a t r a n s i e ej a p a n ，1 9 9 8 ，1 18 - b ( 2 1 ：1 7 0 1 7 5 1 3 】w a n gd ，r a k o vva ，u m a nma ，e ta 1 c h a r a c t e r i z a t i o no f t h ei n i t i a ls t a g eo f