中国科大雷电研究团队通过改进的磁场测量手段揭示人工引雷正先导梯级形式传播的普遍性

      中国科大地球和空间科学学院大气科学专业陆高鹏教授研究团队多年来通过将高灵敏度低频磁场传感器应用于人工引雷测量，取得了一系列原创性研究成果。近日，陆高鹏教授联合中国气象科学研究院樊艳峰博士在国际地学著名期刊《Geophysical Research Letters》(IF=4.58)发表了题为“Characterizing radio frequency magneticradiation of initial upward leader in triggered lightning with interferometriclightning mapping”的研究论文，汇报了在该方面工作的最新进展。在2019年中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工引雷试验中，樊艳峰博士通过改进陆高鹏教授早先在山东沾化人工引雷实验中使用的低频磁场传感器，将传感器测量带宽拓展至中频波段（约1.2MHz），使之更为适合于近距离人工引雷测量，在揭示正先导梯级形式传播的普遍性方面取得重要结果。本论文的第一作者为樊艳峰博士，陆高鹏教授为论文的通讯作者。

图1、2019年广东从化人工引雷测量示意图（右上角：人工引雷的光学图像；右下：改进前后的的磁场天线及其频率响应曲线）

作为一种持续击穿的电荷传输过程，先导的激发和传播一直是闪电研究中的基本问题。人工引雷为上行正先导的综合观测提供了非常好的条件，不过受观测设备灵敏度和带宽所限，对于上行正先导在人工引雷初始连续电流阶段，尤其是持续始发上行正先导之后的数毫秒时间段内的发展机制仍然没有定论。

图2、2019年7月广东从化人工引雷平静期内近距离磁场和甚高频测量结果

结合针对性极强的人工引雷场地观测试验，本文利用中低频高灵敏度磁场天线首次解析出了以往电磁信号“相对平静期”内的磁场脉冲，对应了这一阶段上行正先导的“梯级”形式的传播过程，表明这种传播形式是上行正先导的一般发展特征。统计结果显示，平静期磁场脉冲的时间间隔与之前观测到的“爆发式磁场脉冲”相似，而且短基线定位结果发现平静期磁场脉冲的极性也与先导发展方向密切相关，这些观测事实均表明两种磁场脉冲具有相同的产生机制，只不过因为两种信号产生时所处的电场环境不同而表现出了较为明显的幅值差异。此外，文章还对比分析了甚高频辐射信号和中低频磁场信号，发现甚高频辐射脉冲簇出现在单个磁场脉冲产生的初始阶段。由于甚高频辐射对应了上行正先导的击穿过程，因此可以推断上行正先导的中低频辐射是由击穿过程所产生的电流传播过程产生，即不同频段的辐射信号对应了不同的放电过程，这对于理解工作在不同频段定位系统所定位到的辐射源信息有重要作用。

该研究受到国家重点研发计划项目课题“雷暴云起放电过程的立体协同精细化观测”(2017YFC1501501)和基金委卫星联合基金项目“基于硬X射线调制望远镜(HXMT)的地球伽玛闪母体闪电及雷暴特征研究”(U1938115)的资助。

参考文献：

Fan, Y., G. Lu*, Y. Zhang, W.Lyu, D. Zheng, X. Fan, X. Li, and Y. Zhang (2020), Characterizing radiofrequency magnetic radiation of initial upward leader in triggered lightningwith interferometric lightning mapping, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2020GL089392.

Fan, Y., G. Lu*, X. Li,H. Zhang, R. Jiang, M. Liu, X. Qie, Y. Zhang, Y. Zhang, W. Lyu, and D.Zheng (2019), Measurements of burst of magnetic pulses during the initialcontinuous current in rocket-triggered lightning, J. Geophys. Res.: Atmos., https://doi.org/10.1029/2019JD031237.

Lu, G., R. Jiang, X. Qie, H. Zhang, Z. Sun, M. Liu, Z. Wang, andK. Liu (2014), Burst of intracloud current pulses during the initial continuouscurrent of a rocket-triggered lightning flash, Geophys. Res. Lett., 41, doi: 10.1002/2014GL062127.

通讯员：石涛

2020-11-9