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双极性闪电的电流和380 km处电场的同时记录
Amirhossein Mostajabi1,Mohammad Azadifar1,Farhad Rachidi1,Marcos Rubinstein2,Gerhard Diendorfer3,Wolfgang Schulz3,Hannes Pichler3,Vladimir A.Rakov4,5,Mario Paolone6,Davide Pavanello7
摘要：在这篇文章中，我们介绍并讨论了在Sauml;ntis塔上发生的一次向上双极性闪击过程所产生的电流和距离该塔380km处的宽带电场波形的记录。这次闪击过程包括了23次负极性回击和一次正极性回击。正脉冲在电离层的反射高度推测大约为94.9km，该值明显大于在同一次闪击过程中的负脉冲，而负脉冲所能达到的高度范围是73到81km。此外还发现与负脉冲相比，正脉冲的电场峰值和电流峰值的比值要小大约两倍。这种差异可以归因于相对于负极性回击，正极性回击有更低的回击速度，而塔或山的存在所导致的电场加强作用对负脉冲更明显，它表现在比正脉冲有更快的上升时间。
关键词：双极性闪电，同步电流电场测量，电离层反射，场到电流转换系数
1.摘要
在一次双极性闪电中，电流波形发生极性反转，对应于负极性和正极性的对地电荷转移过程[1],[2]。双极性闪电通常是由高层建筑上的向上先导引发，但它们也可以是先导向下的闪电[3]。
Sauml;ntis塔上的闪击记录中大约有3%是双极性闪电[4]。图1显示了在2010年6月至2016年7月期间累计记录的负极性、正极性和双极性闪电的月度分布。可以看出，正极性和双极性闪电大多数发生在更温暖的季节（五月到十月）。
与双极性闪电有关的电流波形最初是McEachron在帝国大厦中的报告中提出[5]。对双极性闪电的进一步研究是基于闪电电流观测（例如[6],[7],[4]），或者电磁场，有时候也借助于高速摄像机（例如[8]-[11]）。只有很少的观测是同时包括电流和电场的记录（例如[12]-[14]）。
图1.2010年6月至2016年7月期间累计的负极性、正极性和双极性闪电的月度分布
在这篇文章中，我们介绍并讨论了Sauml;ntis塔上的电流和距离该塔380km处的宽带电场波形的同步记录，这些电流和电场波形记录都来自于在该塔上发生的一次向上双极性闪电过程。这次闪电记录于2014年12月21日，它包含23次负极性回击和一次叠加在初级电流上的正极性脉冲，根据Rakov的分类方法[15]这次闪电过程属于Ⅰ类双极性电。在这篇文章中，我们将把正极性脉冲看成是一次回击。
本文的其余部分安排如下：第二部分简要介绍了安装在瑞士Sauml;ntis塔上和奥地利诺伊多夫电场测量站的仪器；第三部分是对获得的资料的简要描述；第四部分给出结果的分析和讨论；第五部分给出结论。
2.实验装置和仪器
A . Sauml;ntis塔上的电流测量系统
自2010年5月以来，Sauml;ntis塔上就已经装备了先进的测量设备，包括远程监测和控制功能，用以精确测量雷电流参数，从而能够实现在长观侧窗口对雷电流进行高分辨率采样[16],[3]。传感器的模拟输出通过光纤链路传送到数字化系统。该系统支持远程维护，监控和控制。
采用当前采样频率为50MS / s的PXL平台对测量波形进行数字化和记录。雷击电流在2.4秒的时间内被记录，预触发延迟为960毫秒。
在2013-2014年，对整个测量系统进行了一定数量的更新。有关测量传感器和仪器系统的更多详细信息，请参阅[3],[6]-[19]。
B.电场测量系统
通过平板天线在距离Sauml;ntis塔在（奥地利北部诺伊多夫）380km的距离处测量垂直电场，并以5MS / s的采样频率进行数字化[20]。天线安装在建筑物的屋顶上，增强系数约为2.5[20]。测量到的电场修正值用以解释这种增强。积分器衰减时间常数为0.5ms，对应于约300Hz的较低截止频率。触发信号通过Sauml;ntis塔上的因特网使用TCP / IP协议传输到到现场测量站。Sauml;ntis塔和诺伊多夫野外测量站的位置如图2所示。更多有关诺伊多夫的电场测量系统的信息可以在[20]中找到。
3.获得的数据
我们在这里呈现了一次向上双极性闪电过程的记录，记录于2014年9月21日15:14:09（当地时间），同时记录的还有与其相关的距离Sauml;ntis塔380km处的Neudorf的垂直电场数据。图（3a）给出了包含持续时间约320ms（从880到1200ms）的负极性初始连续电流（ICC）的总电流波形，并且包括超过20个叠加脉冲，峰值为约0.6至6.1KA。在该初始负极性电流之后，闪电在其初始阶段呈现的电流极性发生反转，根据Rakov提出的分类属于类别Ⅰ[15]。值得注意的是，这种双极性闪击也可以归为Ⅲ类，它涉及相反极性的回击，假定正脉冲可以被视为回击的话（我们在本文中所假定的）。正极性回击的特征是峰值电流为39.6 KA，上升时间为31 微秒。图（a）中的插图表示负极性初始连续电流初始阶段的扩展图。与此次闪电有关的垂直电场在图（3b）中给出。
图2. Sauml;ntis塔（瑞士）和奥地利Neudorf电场测量站的位置，二者之间相距380km。
（a）
（b）
图3. 与2014年9月21日15时14分09秒发生的第1类双极性闪电有关的电流（a）和电场（b）波形。初始阶段间隔和两个回击用红色表示。
（a）
（b）
图4. 与2014年9月21日15：14：09双极性闪电的正脉冲相关的电流（a）和电场（b）波形
（a）
（b）
图5. 与2014年9月21日15：14：09闪击的负脉冲（图3a中标记为RS10）相关的电流（a）和电场（b）波形
（a）
（b）
图6. 与2014年9月21日15：14：09双极性闪电的回击（图3a中标记为RS18）相关的电流（a）和电场（b）波形
值得注意的是，我们的现场测量系统在200,300,400和500KHz的频率下存在比较高的噪声水平。为了减少噪声，在记录的信号中，对上述几个频率采取了加装带宽20 KHz滤波器的办法。
4.分析正脉冲和负脉冲个体
A. 电流和电场同步波形
图4给出了与双极性闪电的正脉冲有关的电流和电场的各个波形图。图5和图6给出了同一次闪电的两个负极性回击的类似图。
如[21]中所述，在所有的电场波形中都可以观察到60 KHz的震荡，这可能是连接Sauml;ntis塔和山基的长约2.3 km的缆车接地线在该频率下会形成半波谐振器[21]。
B. 电离层反射
使用zero-to-zero方法[22]，可以推断出正脉冲的电离层反射高度大约为94km。值得注意的是，这种闪电发生在白天时它的电离层反射平均高度应该是大约77km。
这次闪电过程包含了大量的其他负极性脉冲，都发生在一个正极性脉冲的前后。图7按顺序显示出这次闪电脉冲的电离层反射高度。可以看到，在此次闪击中正脉冲的反射高度（94.9km）明显高于那些负极性连续电流脉冲和回击的反射高度，它们的高度一般在73km和81km之间。
在[22],[23]中报道了向下闪击的首次回击和继后回击中电离层反射高度的变化。他们还观察到反射高度随着回击峰值电流的增加而增加。Azadifar等[21]，在他们对源自于Sauml;ntis塔的向上负极性闪击的分析中，没有观察到反射高度随着闪电过程的进行而出现任何显著的变化。正如[21]中所讨论的，在Somu等的研究[23]中指出，这可能是由于他们记录的向上闪击中的峰值电流比向下闪击中的峰值电流要小。
在我们的数据集中（见图7），在正脉冲前后的负极性回击的反射高度有非常相似的值，而正脉冲的反射高度预计值相比而言明显更高。这在一定程度上与[22]，[23]的分析结果相同，假设回击电流在负回击过程中峰值范围为2.9至13.2 KA，正脉冲峰值约为40 KA。需要更多的数据和进一步的分析来了解反射高度与源特性（回波电流峰值，频率成分，极性，通道几何形状等）之间的依赖关系。
C. 场到电流转换系数
图8展示出了所有24个检测到的脉冲的电场峰值和电流峰值的散点图。在图中，蓝色表示负极性脉冲，红色表示记录到的一次正极性脉冲。图8中还显示了最佳拟合线性回归结果（通过坐标原点）。
可以看出，与负脉冲相比，正脉冲的峰值场与电流峰的比率要小得多（约2.3倍）。下面的内容可以解释这种差异：
-正极性回击的回击速度通常小于负极性回击[24]，[26]。
-由于塔和山的存在[27]-[31]，相对于正脉冲，电场的增强对于负脉冲而言更明显，其上升时间更快。
最近对山区地形上雷电电磁场传播效应的全波理论分析[31]得到了实验观测的支持，该实验观测包括了在装有测量设备的Sauml;ntis塔上同时记录到的雷电流和与向上负极性闪电有关的电场数据， 塔和塔周围山区地形的影响导致了来自负极性回击的辐射电场的增强。需要进一步的全波分析来研究这些因素对正回击辐射电磁场传播的影响。
图7. 2014年9月21日15：14：09闪击的负脉冲（红色）和正脉冲（蓝色）的计算反射高度时序图
图8. 2014年9月21日15:14:09发生在380km处的地面波电场峰值与所有闪电脉冲的峰值电流峰值。正极性闪击用红色表示，23个负极性闪击用蓝色表示。最佳线性回归曲线也在图中画出。
5.结论
我们介绍并讨论了距离与Sauml;ntis塔发生的双极性向上闪电产生的电流和距离Sauml;ntis塔380 km处的宽带电场波形记录数据。该记录中的闪击过程包括23个负极性回击和一次正极性回击。
正极性脉冲的电离层反射高度推测为94.9 km，这个值明显大于负极性脉冲所产生的电离层反射高度，负极性脉冲的电离层反射高度在73.3 km到80.9 km之间。
同时又发现，对于电场峰值与电流峰值的比值，正极性脉冲要比负极性脉冲小大约两倍。这种差异可以归因于正极性闪击的回击速度要比负极性闪击的回击速度慢，同时也可能是由于塔和山的存在对负极性脉冲电场的加强作用要更明显，这主要表现在更快的上升特性。
致谢
感谢来自瑞士国家科学基金会的资金支持（项目号：200021_14058）和欧盟地平线2020研究和创新计划（授予协议号：737033-LLR）。
参考文献
[1] M.Azadifar et al.,”An update on the charaterictics of positive flashes recorded on the Sauml;ntis Tower, ” 2014 International Conference on Lightning Protection(ICLP).pp.777-781,2014.
[2] C.Romero, M.Rubinstein, F.Rachidi, M.Paolone,V.A.Rakov, and D.Pavanello,”Some charateristics of positive and bipolar lightning flashes recorded on the Sauml;ntis tower in 2010 and 2011,”2012 International Conference on lightning Protection(ICLP).pp.1-5,2012.
[3] M.Azadifar, M.Paolone, D.Pavanello, F.Rachidi, C.Romero, and M.Rubinstein,”An Update on the Instrumentation of the Sauml;ntis Tower in Switzerland for Lightning Current Measurement and Obtained Results.” In CIGRE Int.Colloquium on Lightning and Power System,2014.
[4] M.Azdifar,F.Rachid,M.Rubinsyein,V.A.Rakov,M.Paolone,and D.Pavanello,”Bipolar lightning flashes observed at the Sauml;ntis Tower:Do we need to modify the traditional classification?,”Journal of Geophysical Research:Atmospheres,vol.121,no.23,p.14,117-14,126,2016.
[5] K.B.McEachron,”Lightning to the empire state building,”Journal of the Franklin Institute,vol.227,no.2,pp.149-217,1939.
[6] K.Narita,Y.Goto,H.Komuro,and S.Sawada,”Bipolar lightning in winter at Maki,Ja
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资料编号：[21662]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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