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高峰值电流负极性回击的闪电空间形态特征及脉冲电荷矩变化

Gaopeng Lu,1 Steven A. Cummer,1 Richard J. Blakeslee,2 Stephanie Weiss,3 and William H. Beasley3

摘要

【1】我们利用高频闪电定位和远磁场来调查高峰值电流负极性回击的闪电空间形态特征和脉冲电荷矩变化的联系。在北阿拉巴马观测的共计2126次闪电中统计共有四种闪电的形态特征。几乎所有的（gt; 90%）的最大脉冲电荷矩变化（大于200 C km）不是由普通的负地闪产生的。相反，拥有最大脉冲电荷矩变化的负极性回击与两种异常的闪电空间形态有联系，这两种闪电最初是在云内发展的正极性闪电。在第一种拥有高iCMCs的负极性回击是由从中间负电荷区产生的上部负先导停止发展后再向下发展产生的。第二种是云内上部的负先导向下发展从而有一个螺栓-蓝色负闪电。四个负极性精灵相关的测量表明，在四种类型中负极性精灵最有可能在第一种异常空间形态闪电中产生。我们的研究结果表明，峰值电流和脉冲电荷转移并不总是很好的相关性，在云内的闪电结构强烈影响地闪短时间放电的规模。

一、引言

【2】雷电峰值电流和电荷转移量是地闪的主要电气性能。峰值电流通常由几个全国雷电探测系统提供粗略估计值，峰值电流服从如闪电通道的几何形状和回程速度等假设[ Willett et al.,1989；Rachidi et al., 2004 ]。研究表明，这两个量在火箭触发闪电回击后的最初几百微秒内高度相关，但这种相关性随着时间下降表明在稍后的时间电荷转移量是不与回击电流峰值紧密联系在一起的[Schoene et al.,2010 ]。进一步的含义是，雷电峰值电流与电荷转移量在回击后不一定是一直相关的，而电荷转移量可以用脉冲电荷矩来计算（脉冲电荷矩，定义为在回击2ms后同一高度电荷转移的产品）[Cummer and Lyons,2004,2005 ]。在正极性闪电中回击主要发生在云内负先导发展形成的通道内[Lu et al.,2009 ]，与之相关的电荷转移有可能依赖原先回击通道的状态。甚至在几毫秒的时间相对较短的时间尺度，云闪电结构可能与闪电电荷转移量有重要联系，这提出了以下几个问题：雷电峰值电流和雷电电荷的转移量之间的联系变化性多大，这种变化与闪电云内的结构如何联系？

【3】这项工作的主要目标是确定闪电形态与负极性闪电脉冲电荷矩的相关性，闪电脉冲电荷矩由雷电的远的磁场决定。我们专注于NLDN在北阿拉巴马州定位出的高峰值电流负极性回击[Cummins and Murphy，2009 ]，这限制了数据大小处于合理的水平，可以看到北阿拉巴马甚高频（VHF）的闪电阵列图（LMA）[Rison et al.,1999;Goodman et al.,2005 ]。另外，一些观察到并确认的负极性精灵，包括三次2008–2009杜克大学附近的现场观测（5.1节中）和四次之前记录[ Barrington Leigh et al.,1999;Taylor et al.,2008;Lyons,2011 ]，都有大于-90kA的峰值电流。这表明，负地闪中那些有高峰值电流的回击也更容易产生较大的脉冲电荷转移，而产生的根源是我们特别感兴趣的。负极性闪电脉冲电荷矩变化且闪电能产生精灵的记录非常少[Williams et al.,2007 ]，与之相关的雷电结构仍不清楚。这里介绍的工作提供了哪些闪电形态可能有利于负极性闪电精灵的线索。

【4】我们研究了由NLDN监测到的2100次峰值电流大于-80kA的负极性闪电，80kA的阈值略低于观察到的90 kA峰值负极性精灵闪电，但是还是一个相当大的数据。这些特定时间空间的闪电都被北阿拉巴马州LMA观测到。研究发现，高峰值电流负极性回击与最大iCMCS（大于200 C km）是由两个异常形态的闪电产生的，而这两个异常形态的闪电和普通的负地闪完全不同。第一种类型的闪电发展初期为云内的正极性闪电然后进一步从负电荷区发展成负地闪。第二类是螺栓-蓝色闪电，其中负极性回击多由云闪后云内上部的先导发展而来[Rison et al.,1999;Thomas et al,2001]。对不同形态的闪电磁场统计调查表明，这些异常形态闪电先导的放电瞬间的电磁场特性和负地闪相似。这反过来表明，云内的闪电通道或电荷区支撑了有高ICMCS负极性闪电的产生。

【5】我们的研究结果表明，负精灵闪电可能与两种异常形态的闪电相关，这部分解释了负精灵闪电的相对稀疏性[Williams et al.,2007]。有趣的是，与杜克大学附近观察到的三个负精灵闪电相关的测量结果和俄克拉荷马州LMA检测范围内的一个负精灵的VHF测绘结果表明，这四个精灵闪电可能是由第一个异常形态闪电产生的（而不是由螺栓 - 蓝色闪电），其中，产生精灵的负极性闪电是因为在云的上部负先导长期持续发展，进而先导发展到云内的负电荷区。

【6】总的来说，我们确定了产生大型负iCMC的两种主要的闪电形态，在具有高峰值电流负极性回击数据中这两者都相对不常见。此外，我们的研究结果表明，峰值电流和脉冲电荷转移对于高峰值电流负极性回击并不总是有很好的相关性，并且闪电雷击结构对雷击的短时间尺度上的电荷转移具有很强的影响。

二、数据和方法

【7】我们主要关注高峰值电流负极性回击，我们的数据库由2126次雷击形成，峰值电流高于80 kA，由NLDN在以北阿拉巴马州LMA的起点（34.725°N，86.645°W）为中心的100平方公里的区域（34.30-35.20°N，86.12-87.21°W）。这些闪电占该区域内2004年至2010年NLDN检测到的负极性闪电的2％以下。北阿拉巴马州LMA是一个基于地面的多站网络，通过在连续的100 ms时间窗口中定位VHF脉冲源（使用76-82 MHz频带）来解决三维空间中的闪电随时间演变[Goodman et al.,2005] 。凭借VHF源所显示的一些众所周知的特征，确定了与每个负极性回击与闪电基本形态的关系[Shao et al.,1995;Shao and Krehbiel,1996; Coleman et al.,2003,2008]。将闪电范围限制在距LMA网络中心相对较近的位置（50公里以内），最大限度地提高了正确识别闪电形态的机会。在更远的距离，地理位置的VHF源的稀疏性可能导致错误识别[Thomas et al.,2004]。

【8】 LMA观测结果通常基于闪电双向发展的概念来解释，其将雷电描述为等离子体通道，以雷电的静电能使得通道向相反极性的两端延伸[Kasemir,1960; Mazur,2002]。在雷暴典型的三极电荷结构[Williams,1989]中，大多数LMA来源源于通过云的上部正电荷区域（用于正的IC放电）的负先导，或者穿透较低的云底部的口袋电荷区延伸到地面的先导（多发生在普通负地闪）；其余的主要反映了间断的负反冲流光（或K变化），沿先前的正先导通道穿过云中部的负电荷区[Rison et al.,1999; Thomas et al.,2001;Mazur,2002; Rust et al.,2005; Coleman et al.,2003,2008; Lu et al.,2011b]。我们的分析表明，阿拉巴马州北部的雷暴主要负云区域通常集中在海拔6公里以上（msl），与新墨西哥州中部距地表约1.8公里的雷暴没有显着差异[Rison et al.,1999]。北阿拉巴马州LMA的平均海拔高度约为200米。

【9】雷电的iCMC是由宽频带雷击磁场反演的[Hu et al.,2002; Cummer and Lyons，2004; Ross et al.,2008]，而雷击磁场由雷电流的垂直分量决定。我们的分析主要是基于一对正交磁天线的数据，其通带频率约为0.3 Hz至500 Hz。测站在杜克大学附近的背景噪声足够低的杜克森林（35.970°N，79.094°W），采样频率为2.5 kHz，数据可用于反演距离北阿拉巴马州LMA约750公里以内的小于3 C km的iCMC。 GPS时钟时间使得NLDN和LMA测量同步。在分析中不会使用系统故障或因附近雷电活动背景噪声增强的数据。雷击中冲击电荷转移的磁场通常表现为ge;2ms持续时间的脉冲。在以雷击点为原点的圆柱坐标系中，在方位角分量为主的磁场是雷电源电流和系统脉冲响应的卷积结果。

其中MI（t）是闪电随时间的电流矩（定义为雷电流和垂直通道长度的乘积），而h（t）描述了系统脉冲响应，包括根据二维时域有限差分（FDTD）模型[Hu and Cummer,2006]计算出的闪电电磁波在地球 - 电离层波导内的传播和磁传感器的频率响应。 使用已知的和h（t），MI（t）可以用Cummer和Inan [2000]发明的去卷积法求解。 脉冲充电时刻变化（iCMC或iDMq）是在闪电回击之后的前2 ms中导出的MI（t）的时间积分[Cummer，2003]，即，

其中t（ms）是回击后脉冲电荷转移的时间。将负电荷从云传播到地面的负极性回击在传感器处产生正方位角的磁场（逆时针指向），并产生负极性iCMC。 NLDN的高峰值电流负极性回击的一小部分（约2％）实际上是在正极性云内闪电发展初期的快速放电过程，可能产生可被长距离测量的正iCMC [Lu et al.,2010,2011a]，这些事件不是本文分析的一部分。

三、脉冲充电时刻的统计

【10】图1a显示了具有高峰值电流的2126个回击的iCMC分布，表现出一个有尾巴平滑的对数正态分布，长尾巴接近红闪中驱动电荷运动击穿电介质的临界值[Pasko et al.,1997]。尽管精灵闪电产生iCMCs的阈值每晚都有变化（Cummer and Lyons,2005），精灵闪电可以由相当低的正iCMC产生[Hu et al.,2002]，有限的测量粗略的表示出负精灵闪电的阈值为500 C km [Williams et al.,2007]。我们闪电的平均iCMC是83 C km，大概是Cummer和Lyons [2004]在美国的一个中尺度对流系统分析的724次峰值电流超过10 kA的负极性回击的iCMC平均值（37 C km）的两倍。图1b中的散点图表明，虽然通常随着峰值电流提高，冲击电荷转移会增加，但每个峰值电流的iCMC值范围很宽。这种分布可能部分是由于峰值电流估计依赖于回击速度的结果，回击速度是变化的且不是由闪电定位系统测量[Rachidi et al.,2004]。大于200 C km相对较高的iCMCs都发生在峰值电流大于80kA的闪电中，这表明了高峰值电流回击雷击脉冲电荷转移变化显著。

图1 （a）在以北阿拉巴马州雷电地图阵列（LMA）为中心的100平方公里地区内，由国家雷电监测网络（NLDN）检测到的2126次峰值电流超过80 kA负地闪随iCMCs分布的直方图（100公里）。 （b）散点图显示各个闪电的峰值电流和脉冲充电时间变化（iDMq）。

【11】我们的数据集中最大的iCMC（大约400 C km）比文献中列举激发精灵闪电的阈值503 C km小 [Taylor et al.,2008]。我们的观察结果与基于地面观测的负精灵的稀有性以及推测美国陆地上的高iCMC负闪的稀有性非常一致[Cummer and Lyons,2004]。我们还注意到，图1a中的iCMC直方图符合Williams等人[2007]通过舒曼共振测量雷击的全球调查。Williams等人对北美有大量电荷转移的负极性闪电的调查，也显示了一个对数正态分布，长尾巴延伸到有许多精灵生成的电荷转移的瞬间。

四、具有不同闪电形态的脉冲电荷转移

【12】我们现在将雷电现象分解去分析单个具有高峰值电流回击的脉冲电荷转移。这项研究选出的2126次脉冲是在2101次闪电中产生的，其中包括23次闪电产生两个高峰值电流回击，一次闪电有三个高峰值电流回击。虽然样本量相对较大，但这些闪电的发展分为四种不同形态，如VHF频段观测结果所示。图2显示了通常在雷云拥有的三极电荷结构的背景下，这四种闪电形态的草图[Williams，1989; Krehbiel et al.,2008]。负先导和正先导的发展分别用粗蓝色和细红线表示。表1给出了每种形态的闪电描述和闪电数量。不同形态闪电以及典型闪电的多重性可能偏高峰值电流负极性回击，这些构成了我们的数据库。

图2高峰值电流负地闪（CG）相关的四个闪电形态（在具有三极性电荷结构的正常雷云的背景下）的示意图，包括（a）普通负CG闪电，（b）混合NCG -IC闪电，（c）混合式IC-NCG闪电，（d）螺栓 - 蓝色闪电，如表1所示。负极和负先导的发展分别由粗蓝色和细红线表示。 对于雷暴类型（图2b和2c），其中包含风暴下部和上部的活动，首先出现序号为1的负先导发展过程。

表1在北阿拉巴马州观测到的四种具有高峰值电流回击的闪电形态

【13】大多数（约73％）具有高峰值电流的负极性回击发生在通常的地闪中，通常在地面上产生一系列离散的终端（称为回击）（图2a）。这种形态的闪电一直是过去广泛研究的课题[Clarence and Malan,1957; Krehbiel et al.,1979; Beasley et al.,1982; Sonnenfeld et al.,2006;Coleman et al.,2008; Maggio et al.,2009]，在这里我们报告了一个变种，最近也被Qie等人[2005a]在分析青藏高原雷暴时鉴定。这种异常形态的闪电（称为混合型NCG-IC闪电）的初始发展与普通负CG相同，但其晚期发展主要在云的上部和正IC闪电观察到的一样（图2b）。如图3a和3b所示，与这两种形态的闪电相关联的iCMCs的统计分布是相似的。这两种形态的闪电一起组成高峰值电流回击的87％，并支撑图1a所示的对数正态分布，但不是对超过200 C km的长尾显

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