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闪电是自然界存在的一种复杂的放电现象,闪电通道的形成是一定程度上的瞬态、随机的过程。闪电放电过程会产生频率范围很宽的电磁辐射,对建筑物和电力电子设备等有直接或间接的破坏作用。闪电探测与定位技术是认识雷电特征与放电物理过程的重要手段,利用VHF辐射源定位可以实现对闪电放电通道的重构,对于雷电物理研究具有重要意义。
本论文以研究闪电放电物理过程为目的,从观测仪器设计和资料分析两个方面开展研究。首先,研制了闪电VHF辐射源短基线定位系统,设计和完善了定位算法,在此基础上对闪电放电过程辐射源进行了定位观测。其次,根据辐射源定位资料和闪电电场变化等多参量观测资料,分析了闪电放电过程的发展特征。第三,根据闪电宽带VHF辐射测量资料,对闪电各阶段放电过程在125～200 MHz频段上的辐射能量分布特征进行了分析。最后,结合对闪电初始放电阶段VLF/LF辐射场波形特征的统计和模拟分析,讨论闪电初始击穿放电过程的物理机制。主要结论如下:
(1)研制开发了闪电VHF辐射源短基线定位系统,设计了时间差和相位差两种定位软件,通过对两种定位算法进行比较,确定了适用于该短基线定位系统的时间差定位算法,并对系统定位误差进行了试验标定和理论分析。利用该系统在西藏羊八井地区和东北大兴安岭地区开展了闪电观测试验,实现了对闪电放电通道的重构,得到了云闪和地闪辐射源随时间演变的二维图像信息。
(2)利用快、慢电场变化观测资料,地面电场变化观测资料,闪电VHF辐射源定位资料,结合闪电放电物理过程的理论分析,对地闪放电通道特征进行了分析。发现负地闪预击穿过程起始于雷暴云主负电荷区与下部正电荷区之间,预击穿过程平均速度为104-105m/s量级。预击穿过程激发了梯级先导,首次回击之前的梯级先导产生的辐射较强,梯级先导过程平均速度为105m/s量级,直窜先导过程平均速度为106 m/s量级。K过程主要对应于正极性击穿放电沿负流光已电离的通道,从负流光头部向闪电放电起始位置发展。企图先导沿先导形成的通道发展,往通道下部沉积电荷,未发展至地面。正地闪先导过程主要为正极性击穿放电,辐射较弱,短基线定位系统基本未探测到正先导过程产生的辐射,正地闪回击结束后,负流光沿已电离的通道向放电起始位置发展,产生较强的辐射。
(3)根据闪电VHF辐射源定位资料,结合快、慢电场变化观测资料,对云闪过程放电通道的发展特征进行了研究。发现云闪起始阶段,击穿放电发生于雷暴云负电荷区与下部正电荷区之间,放电过程向下发展到正电荷区后,在正电荷区沿水平方向延伸。云闪过程起始阶段流光发展平均速度为105m/s量级;活跃阶段云内放电过程较为复杂,主要是云内击穿放电的发展,放电通道的延伸,云闪K过程从负电荷区向正电荷区输送大量电荷,K过程平均速度为105m/s量级；云闪结束阶段,K过程中的流光沿之前已电离的通道向起始放电位置发展,平均速度在106m/s-107m/s量级。
(4)利用宽频带VHF辐射测量资料,对地闪和云闪各阶段在125～200MHz频段范围的VHF辐射能量进行了详细分析,并与国内外闪电频谱分析研究结果进行了对比分析。个例分析发现,正、负地闪各阶段辐射频谱特征基本相同,正、负地闪K过程VHF辐射能量谱密度均表现为较大的变化。对6次正地闪、35次负地闪和28次云闪各阶段的VHF辐射频谱特征的统计分析发现,能量谱密度均呈现随频率增加,幅值减小的趋势,在通带范围上均遵循f-2.9的衰减率递减。
(5)基于闪电快电场变化观测资料,对2008年西藏羊八井地区与2009年东北大兴安岭地区闪电初始放电阶段的双极性脉冲序列特征进行了统计分析。发现无论是云闪还是地闪,初始阶段快电场变化波形均表现为一系列脉冲形式,且以归一化幅值小于0.5、脉冲宽度小于等于10μs的窄脉冲为主；同低海拔地区相比,高原地区地闪预击穿阶段脉冲总数相对较高,窄脉冲所占比例相对较低,幅值可与首次回击峰值相比拟的双极性大脉冲的发生比例较低。高原地区雷暴云下部较大的正电荷区可能是造成地闪预击穿过程较为复杂的主要原因。在统计的基础上,对闪电初始阶段双极性脉冲序列进行了模拟分析,对产生双极性脉冲的物理机制进行了讨论,发现较大的电流传播速度和电流衰减长度是导致双极性大脉冲波形幅值远大于其它脉冲的主要原因。