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从风车及其避雷塔发起的上行先导的观测特性

D. Wang, N. Takagi, T. Watanabe, H. Sakurano, and M. Hashimoto

收稿日期：2007-09-24:；修订日期：2007-11-23；接收日期：2007-12-13；发表日期：2008-01-19

摘要：我们分析了从风车及其避雷塔发起的14个上行先导的电场变化。我们发现，这些上行先导可以被细分为两种类型，一种由雷电放电活动触发，另一种是没有任何先前放电活动。我们还获得了证据表明高建筑物上始发的上行先导会因附近闪电的影响而中止。所有这些结果表明，一旦高建筑物周围的电场足够大，就可以触发先导，由附近的雷电快速放电产生的电场比自身缓慢建立的电场更能有效地触发先导。此外，我们发现若没有附近闪电放电产生的快速上升电场，与固定的风车和类似高度的塔相比，旋转的风车往往更可能触发上行先导。

引用：D.Wang, N. Takagi, T. Watanabe, H. Sakurano, and M. Hashimoto (2008),从风车及其避雷塔发起的上行先导的观测特性，Geophys. Res. Lett., 35, L02803, doi:10.1029/2007GL032136.

1. 前言

在日本的冬季雷暴中，许多地闪的放电特征为上行闪电(例如，Miyake et al.，1990；Suzuki，1992 )。这些上行闪电放电对高建筑物体造成了很大的伤害，比如大型风车。Rakov和Uman(2003a，2003b)提出了对上行闪电和日本冬季雷电的全面综述。众所周知，上行闪电的特征在于从高接地物体开始并向上方带电云传播的上行先导。关于上行闪电的一个有趣的问题是它的上行先导是如何发起的。考虑到电晕区前屏蔽电荷的缓慢积累会抑制上行先导的始发，Berger and Vogelsanger（1969）认为，如果要始发上行先导，需要云内闪电产生快速变化的电场。换句话说，认为上行先导是通过先前的云内放电活动来启动的。基于电场和高速图像的同步观测，Takagi等(2006)声称，他们观察到的所有九个上行正先导没有任何明显的云放电活动。在本文中，我们目前的证据表明，10个上行先导由附近的闪电放电活动引发，而其余4个没有任何明显的前放电活动。

2.观察和数据描述

如图1所示，风车和避雷塔周围设有5个观测点，位于日本石川县的内滩州，他们的高度分别是100米和105米。风车和塔在一个毗邻大海的小山丘上，相距约45米，海拔高度为40米。5个观测站中的3个，Center、Chitori和Hori，是用慢天线（例如Brook等.，1982）和快速天线（例如，Weidman和Krider，1978）同时对雷电放电的电场变化进行测量，而剩下的两个测站，Ooba和Shirao，只有用了快速天线。慢天线的频率带宽从几赫兹到3 MHz左右。快速天线的频率带宽从几千赫兹到5 MHz左右。快速天线比慢天线灵敏约100倍。使用数字示波器记录所有天线的输出，数字示波器以10 MHz的采样率运行，每个触发事件的记录时间为0.8s。所有的记录系统都是GPS同步的，时间精度约为100 ns。此外，在中心站点，本研究使用了各种光学观测系统，包括两台通用摄像机和一台高速视频数码相机（Kodak、hs-4540）。

在2005年12月至2006年2月的观测期间，我们共记录了21次闪电，这些闪电击中了风车或其防雷塔，如表1所示。从视频记录中，其中8次闪电打在风车上，12次在塔上，剩下的1次同时打在风车和塔上。由于观测地点的异常大雪，仅获得了这些闪电相应电场变化数据的一部分。为了避免混淆，在本研究中，我们提供了在中心站点记录的14次闪电的电场变化结果。

3.结果

3.1.上行初始先导的特征

对已记录在中心站点的电场变化详细比较，发现电场的变化可以明显地分为两种类型，如图2所示。第一种类型，如图2a所示，电场变化迅速减小，导致以下电场的饱和。第二种类型，如图2b所示，至少有两个方向相反的变化。为了方便起见，这两种类型的变化被称为1型和2型的变化。相应的先导和闪电分别被称为1型和2型先导和闪电。

为了了解这两种类型的雷击之间的区别，比较了三个地点同一时间的电场变化。图3a是2006年1月3日0:36:29在Center，Chitori和Horii三个地点记录的1型电场变化。向上的电场被定义为正。如图3a所示，虽然所有的电场变化都是饱和的，但可以确定以下三个特征：（1）三个地点的电场在相同方向上变化; （2）初始变更后，不会立即识别回击的电场变化; （3）Center点的电场变化在最靠近风车和塔楼的地方发生，该变化最早，最陡峭。所有这些特征综合表明，初始的电场变化是由来自风车的上行正先导产生的。图3b是在2005年12月25日21:25:21记录的2型电场变化。如图3b所示，所有站点的电场变化都是先增加并且在几十毫秒后开始减少。在衰减阶段，电场变化表现出的特征类似于1型先导所确定的3个特征。作者认为这3个特征表明，上行正先导是从塔起始的。相比之下，在越来越多的阶段，Chitori和Hori这两个站点的电场变化大于Center站点的电场变化。从塔或风车发起的上行先导不能产生这种电场变化。这些电场变化必须由雷电放电活动产生，如云内放点活动。如图3b所示，这种先前的放电迅速增加了风车和塔的环境电场，并且因此引发了从塔起始的上行先导。

Figure 1.Sketch map of the observation sites.

Table 1. List of Lightning That Struck a Windmill and/or Its Lightning Protection Tower and Were Recorded With Our Video Camera Systems From December of 2005 to February of 2006^a