1 引言

随着现代电子信息系统的迅速发展，雷电电磁脉冲造成的损失日益显著，认识并掌握该现象的物理本质对雷电防护技术的发展至关重要。但是由于自然闪电的发生和发展带有很强的时空随机性，对它的直接观测十分困难。因此人工引雷这种在一定时空范围内可控的放电实验已成为雷电科学研究的重要手段，推动了雷电物理过程及雷电与地面物体相互作用机理的研究（Horii, 1982；Uman et al., 2000；Rakov et al., 2005；Qie et al., 2007, 2011）。传统的人工引雷实验利用火箭牵引钢丝升空，在雷暴云底强电场的作用下，接地钢丝头部和周围环境之间的电势差越来越大，达到一定阈值时，钢丝头部进行尝试性的电晕流光放电，随着火箭不断上升，电晕流光放电逐步增强并汇聚成连续发展的先导过程（陈绍东等，2009）。先导初始传播是以梯级形式前进的（Rakov and Uman, 2003；Wang et al., 2016），其二维算数平均速度在10⁵ m s^-1量级，与高塔始发的上行闪电的发展速度相当（周忠华和刘欣生，1993；张义军等，1997；王彩霞等，2012）。一般在先导始发5~10 ms之后，先导通道在高速摄像上持续可见，即对地的电荷传输进入初始连续电流阶段，该阶段还伴随有爆发式的磁场脉冲辐射（Lu et al., 2014; 樊艳峰等，2017）。但受到观测设备探测能力的限制，目前对初始连续电流过程的认识还比较缺乏，而该过程又与正先导的梯级形式发展密切联系，因此初始连续电流过程已成为雷电物理研究的一大热点。

目前对于上行先导初始连续电流过程的观测主要从电流、光学、电场和磁场这几个方面开展（Qie et al., 2009；Schoene et al., 2010；Yang et al., 2010; Jiang et al., 2014）。Fuchs et al.（1998）根据对Peissenberg塔上始发的上行闪电的多年研究发现，初始连续电流脉冲的平均峰值为3.9 kA，远小于回击电流平均峰值。Miki et al.（2005）通过对比建筑物始发和人工引雷始发的上行闪电，发现建筑物始发上行闪电的初始连续电流脉冲相比于人工引雷始发的具有更大的峰值，更短的上升时间以及更短的半峰值宽度。张义军等（2016）分析2008~2014年广东人工引雷实验时得到初始连续电流过程的持续时间在300 ms左右，平均强度150 A，转移电荷量均值44 C。Miki et al.（2002）利用自制的电场传感器，对9次人工触发闪电初始连续电流过程进行测量发现，闪电通道附近0.1 m处的垂直电场强度均值为48 kV m^-1。Lu et al.（2014）在山东沾化人工引雷实验中，利用高灵敏度宽带低频磁天线（20~400 kHz）观测到初始连续电流阶段同上行正先导（UPPL）相关的爆发式磁场脉冲序列。通过对该数据的分析得到了爆发式磁场脉冲的部分特征参数。但由于缺乏相应的光学观测，无法确定磁场脉冲序列的辐射源位置及辐射源的放电电流强度，因此也就无法对爆发式磁场脉冲的物理本质做出进一步的说明。

本文利用2014年夏季在山东测得的三次人工引雷数据，对上行正先导初始连续电流过程的特征做出描述；在对爆发式磁场脉冲的辐射源做出合理推测的基础上，通过光学观测结果和磁场数据的结合分析，对爆发式磁场脉冲的极性反转现象做出合理解释；并利用偶极子辐射理论对爆发式磁场脉冲辐射源的放电电流强度进行估算，从而进一步认识初始连续电流过程中产生的爆发式磁场脉冲现象，并对该现象的物理本质进行初步的探讨。

2 实验和数据

山东人工引雷实验点设在山东省滨州市沾化地区，由发射场，主观测站和电磁定位网组成。实验主要观测项目包括通到底部电流、高速光学、近距离电场和磁场等。实验中对雷电流的测量采用直接测量和间接测量两种方式，直接测量是将带宽为0~3.2 MHz的5 mΩ同轴分流器串联在闪电电流通道中，间接测量则是利用带宽为0.9 Hz~1.5 MHz的Pearson线圈上感应到的电磁场来反演得到雷电流（郄秀书等, 2010, 2012）。高速摄像系统是记录闪电通道发展情况的重要手段，实验采用的是帧速为50000幅/秒、分辨率设置为256×512像素的V711型高速摄像。闪电产生的电场变化测量使用带宽分别为5 MHz和2 MHz，时间常数分别为0.1 ms和6 s，采样率都为5 MHz的快慢天线系统。磁场的测量采用的是高灵敏度宽带低频磁天线，该磁场测量系统的3 dB带宽为6~340 kHz，本文磁场数据的相关说明可以参考樊艳峰等（2017）。低频磁天线主要应用在人工引雷回击过程磁场的测量上（Uman et al., 2002；Schoene et al., 2003；Yang et al., 2010），近几年Lu et al.(2014, 2016)将其用于人工引雷先导近距离辐射场的测量。测量的结果显示，高灵敏度低频磁天线可用来在近距离处（如100 m内）测量上行先导发展过程中微小脉冲电流辐射出的磁场脉冲。

本文使用的数据来自2014年8月23日山东沾化地区一次雷暴天气过程中成功触发的三次闪电个例。图 1为三次个例中上行先导发展的通道情况。表 1给出了三次先导发展过程的相关参数。结合三次个例中相关过程的基底电流、磁场、电场和光学数据（其中电场上虽存在与磁场对应的脉冲现象，但由于数据噪声较大，不利于进一步分析），可以发现在光学图像上，第一个例子中正先导发展入云，云下通道短，下折不明显，通道电流极性在整个过程中保持一致，磁场脉冲的极性虽呈现有反转特征，但先导通道光学亮度较低，无法可靠识别，因此无法与磁场数据做对应分析；第二个例子的通道下折明显，磁场数据与光学数据对应良好，但缺少基底电流数据；第三个例子的通道下折发展不明显，通道电流极性在整个过程中保持不变，磁场脉冲的极性反转很难判断。综合比较下，本文选取个例2为主要讨论对象，其它两次个例作为补充，对初始连续电流过程中爆发式磁场脉冲极性反转现象进行深入分析。

图 2a给出了个例1中人工引雷通道底部电流与光学相对亮度的相关性比较（光学相对亮度选取的是每个时刻图片除钢丝段总亮度的均值）。结果显示电流变化和光学亮度变化具有一定的正相关性，相关性系数高达0.8244，这和周恩伟（2010）从空气离化通道和气化通道两个方面来分析连续电流过程中闪电通道的积分亮度和电流的关系时，得到两种情况下亮度和电流都存在显著的正相关的结论一致（张义军等，1998；Diendorfer et al., 2002；Wang et al., 2005）。图 2b给出了该个例在970 m距离上获得的低频磁场测量数据（以闪电通道接地点为原点的柱坐标中方位角分量，以逆时针指向为正）。需要注意的是，低频磁天线两个方向（即南北方向和东西方向获得的磁场）的通道获得的波形完全不同，说明磁场传感器在该距离上不受闪电通道产生的电场影响。同图 2a对比，可以发现爆发式磁场脉冲出现在钢丝熔断前后数毫秒的初始连续电流过程中，而其他时段也有类似的爆发式磁场脉冲。结合另外两次个例可知，在该次雷暴过程中，爆发式磁场脉冲现象只出现在上行正先导发展到特定高度之上（如大于500 m）。

3 分析和结果

结合上述结论，本节重点分析个例2中观测到的上行正先导辐射出的爆发式磁场脉冲现象，拟从爆发式磁场脉冲的产生及该阶段上行正先导的特征，爆发式磁场脉冲的辐射源，爆发式磁场脉冲放电过程强度估算这三方面进行展开。

3.1 爆发式脉冲磁场特征分析

自火箭升空至先导入云一般会经历先导前脉冲过程，梯级先导发展过程和初始连续电流过程这三个阶段（陈绍东等，2009）。先导前脉冲过程和梯级先导过程产生的磁场脉冲由脉冲式脉冲和波纹型脉冲组成（樊艳峰等，2016；Lu et al., 2016），此类脉冲是由正先导始发阶段初始脉冲电流沿钢丝通道传输时辐射产生的。根据图 2可知本文讨论的爆发式磁场脉冲产生于初始连续电流过程阶段，时间上和前两个过程相互间隔。图 3a是上行正先导发展过程的静态图，通过光学数据对上行正先导的传播速度进行估算，得出正先导的二维平面瞬时速度在6.50×10⁴~1.31×10⁶ m s^-1之间，平均速度约为1.74×10⁵ m s^-1，这和Wang et al.（2016）在北京气象塔上观测到的正先导的二维平均速度一致。且随着高度的上升，正先导的传播速度不断增大（Biagi et al., 2009, 2011；Yoshida et al., 2010；Jiang et al., 2013）。

图 3b标出了火箭牵引钢丝升空的轨迹及先导传播过程的几个关键位置。A点是钢丝头部开始出现电晕流光的位置，对应上行正先导的始发；B点是上行正先导头部开始持续发光的位置，对应上行正先导开始进入初始连续电流阶段；C点是光学图像上正先导头部开始下折的位置；D点是光学图像上正先导头部再次上行发展的位置；E点是正先导头部离开高速视野的位置。根据图 2给出的通道底部电流和光学相对亮度的相关性，将图 3c中的相对亮度曲线等效为通到底部电流曲线。图中相对亮度增大区域对应着初始连续电流过程，通道突然增亮至最大值可能与钢丝气化断裂有关，此过程在磁场上反应为两个缓慢的脉冲变化。本文分析的爆发式磁场脉冲对应着图中的亮度增大区即初始连续电流过程，有关初始连续电流的产生，陈绍东等（2009）认为其与正先导发展入云，转移云中电荷有关；不过近年来在山东人工引雷实验中多次观测到先导在云下传播时即产生初始连续电流，这在一定程度上说明了初始连续电流产生所需要的条件有时在云底之下的大气环境中也存在，与先导梯级方式击穿发展密切相关，且和正先导的发展是相互统一的。

图 4给出了爆发式磁场脉冲极性及脉冲间隔的定义。对B到E段磁场脉冲的特征进行统计，得到该区域共辐射出126次磁场脉冲，脉冲间隔典型值为32 µs，每个脉冲间隔对应的空间尺度约为5 m，这和Lu et al.（2014）得到的脉冲间隔典型值30 µs相吻合；图 3c显示E点之后的10 ms时间内，低频磁天线共接收到228次磁场脉冲，脉冲间隔典型值为34 µs，两段间隔内的磁场辐射特征如表 2所示，脉冲间隔大小一致。除此之外，从图 3c可以看出，两段时间间隔内的磁场脉冲在时间上连续，都处在初始连续电流阶段；而且参考图 2a中得出的电流和光学相对亮度的相关性，可知两段爆发式磁场脉冲序列都是由正先导头部局部区域的击穿过程产生。由此推断该区域和本文重点讨论区域的辐射机制一致。将上述结果和Lu et al.（2016）讨论的正先导始发阶段辐射出的磁场脉冲时间间隔进行比较，发现始发阶段产生的脉冲平均间隔小于20 µs，远小于初始连续电流阶段正先导辐射出的爆发式磁场脉冲的时间间隔。这在一定程度上说明两种磁场脉冲的激发机制存在差别。

3.2 爆发式磁场脉冲的辐射机理

本节将B到E段的磁场数据和光学数据结合，根据光学图像上正先导头部方向的变化，将磁场数据分成三段。如图 5所示正先导头部的发展方向经历了上升，下折和再次上升三个阶段，曲线BCDE代表的是正先导头部垂直高度随时间变化的情况。对本次雷暴过程中触发的其它闪电个例及2014年夏季其它雷暴过程触发的闪电个例进行分析，并未出现通道下折现象，这说明雷暴环境因素和雷暴电荷分布共同决定先导通道的发展，相关的问题会在以后的工作中进一步讨论。图 5标出了爆发式磁场脉冲的极性，红色对应正极性脉冲，蓝色对应负极性脉冲，相关特征统计如表 3所示。

实验中电流方向定义向下传输负电荷为负，磁场方向取逆时针方向为正，因此正先导头部传播方向向上时产生的磁场脉冲极性为正。根据表 3得出，正极性脉冲间隔的典型值略大于负极性脉冲，脉冲时长与极性没有明显相关性；正先导发展过程中辐射出的磁场脉冲极性和正先导头部传播方向变化有关，即与正先导头部微小空间尺度放电电流的极性有关。由于通道中脉冲电流极性不变（个例1和3中电流均为负），通道中电流辐射出的磁场脉冲极性也应不变，因此排除爆发式磁场脉冲源自通道中初始连续电流脉冲的可能。综上可知初始连续电流过程中产生的爆发式磁场脉冲是由正先导头部较小空间尺度放电电流辐射出的，与正先导始发阶段初始脉冲电流产生的磁场脉冲的辐射机制相互区别，可能与正先导的梯级形式发展相关。对个例1和3的分析也验证了上述结论。图 5显示出磁场脉冲的规律性，即大小脉冲交替出现，且时间间隔一致，这和先导头部电晕流光放电到梯级击穿的过程相符。随着高速光学设备分辨率的提高，近年来的几次观测也表明正先导的发展有时是梯级的（Rakov and Uman, 2003；Wang et al., 2016）。Wang et al.（2016）在北京气象塔上观测到的正先导梯级的平均间隔为55 µs，与文中磁场脉冲平均间隔46 µs相近。Gao et al.（2014）通过对广州高塔上始发的上行连接先导进行分析，得到先导的三维平均速度是二维平均速度的1.3倍。利用此系数将本文得到的正先导二维平均速度转化为三维平均速度，并和单个脉冲时长相乘，估算出先导头部的放电尺度约为2 m。

3.3 爆发式磁场脉冲放电过程强度估算

本节在上文得到的磁场脉冲的时长以及正先导头部放电电流尺度的基础上，假设正先导头部辐射出的磁场脉冲波形为正弦波，进而对产生爆发式磁场脉冲的辐射源强度做出估算。

如图 6，自由空间中有一个长度为dl的无穷小垂直偶极子源，设其上载有频率为ω的时变电流源$ \mathit{\boldsymbol{i}}(l, t) = {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm H}}(t - \frac{l}{v})$，频域表达式为$ {\mathit{\boldsymbol{I}}_\omega } = {\mathit{\boldsymbol{I}}_{{\rm H}\omega }}{{\rm{e}}^{ - j\omega (\frac{l}{v})}}$（祝宝友等，2004；Thottappillil and Rakov, 2007）。偶极子的长度dl远远小于波长以及偶极子到磁天线的距离R，且先导头部的放电尺度很小，因此可以忽略偶极子上各点产生的辐射场在大小和相位上的差别，得到P点的磁矢位为

$ {\mathit{\boldsymbol{A}}_{P\omega }} = \frac{{{\mu _0}{\mathit{\boldsymbol{I}}_\omega }}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}R}}{e^{ - jkR}}{\rm{d}}l, $

(1)

其中，µ₀为真空磁导率，k为波数，且ω = kc，其中c为真空中光速，v是电流在通道中的传播速度。结合上文分析，在P点只考虑辐射场，对磁矢位A_Pω求旋度得到P点处的磁感应强度。考虑镜像原理，P点处实际的磁感应强度B_Pω为

$ {\mathit{\boldsymbol{B}}_{P\omega }} = jk\frac{{{\mu _0}\sin (\theta){\mathit{\boldsymbol{I}}_\omega }{\rm{d}}l}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}R}}{e^{ - jkR}}. $

(2)

公式（2）得到的是偶极子元dz′在P点的磁感应强度，本段估算的是正先导头部较小空间尺度的放电强度，则该小尺度放电在P点处的辐射场可视为各个偶极子源的辐射和，当dl足够小时，用积分代替求和，且只考虑辐射场，放电尺度L远小于辐射波长，电流速度v和观测距离，因此忽略电流在通道中的差别，得到

$ {\mathit{\boldsymbol{B}}_{P\omega }} = \frac{{j{\mu _0}L\sin (\theta){\mathit{\boldsymbol{I}}_{{\rm H}\omega }}}}{{\lambda R}}{{\rm{e}}^{ - jkR}}. $

(3)

假设正先导发展过程中辐射出的磁场脉冲为正弦波，且文中使用的磁场数据是东西方向磁线圈测得的，因此将实际辐射出的磁感应强度B_Pω进行方向投影，如图 6所示，可以得到B_EW：

$ {\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm EW}} = j\frac{{{\mu _0}L{\mathit{\boldsymbol{I}}_{H\omega }}\sin (\theta)\sin (\phi)}}{{\lambda R}}{e^{ - jkR}}, $

(4)

根据已经测得的磁感应强度B_EW反推出先导头部较小尺度放电电流的强度I_Hω：

$ {\mathit{\boldsymbol{I}}_{{\rm H}\omega }} = \frac{{c \cdot R{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm EW}}}}{{{\mu _0}{\nu _{\rm{m}}}\sin (\theta)\sin (\phi)\sin (kR)}}. $

(5)

从公式（5）可以得到放电强度I_Hω与放电尺度无关，这也是与实际情况相符合的。

计算得到先导头部较小尺度放电的最大值为2.49 kA，这和Wang et al.（1999）得到的脉冲电流典型值在同一量级，说明该方法对头部较小尺度放电的强度估算具有一定的参考价值。

4 总结

自2013年夏季利用低频磁天线在山东沾化人工引雷实验中观测到初始连续电流阶段的爆发式磁场脉冲之后（Lu et al., 2014），2014~2016年夏季的人工引雷实验中均观测到爆发式磁场脉冲现象。本文通过对2014年8月23日凌晨的一次人工引雷个例（个例2）进行深入分析后得出，在正先导初始连续电流过程中产生了约380次磁场脉冲，脉冲间隔典型值为33 µs，脉冲间隔对应的空间尺度约为5 m，正先导发展的二维平面速度为6.50×10⁴到1.31×10⁶ m s^-1，平均速度约为1.74×10⁵ m s^-1，且随着高度的上升，正先导发展速度逐渐增大。正先导传播过程中辐射出的爆发式磁场脉冲是由头部的较小空间尺度放电电流产生的，放电尺度约为2 m，放电强度的最大值达到2.49 kA。该辐射机制与正先导始发阶段通道中初始脉冲电流的辐射机制相互区别，可能与正先导的梯级形式发展相关。

本文结合高速摄像数据对人工引雷正先导发展过程中爆发式磁场脉冲的辐射源给出了合理的解释，且对产生这种爆发式磁场脉冲的微小尺度放电现象的原因给出了合理的猜想。但在估算先导头部放电强度时使用的是先导的二维平面速度，和先导三维实际速度相比偏小（Gao et al., 2014），这会导致电流的估算结果较实际情况偏大。对于正先导自始发至进入云端的整个过程，许多现象也还不能解释，比如爆发式磁场脉冲前后数十毫秒都没有集中的脉冲磁场辐射，正先导梯级产生的气象条件，先导下折发展的雷暴环境等。除此之外建筑物始发的上行先导是否也会产生爆发式磁场脉冲现象，正先导始发阶段产生的脉冲磁场是否也具有极性反转现象等，这些都是我们下一步研究的方向。针对这些亟待解答的问题，除了要继续开展相关的实验外，后面还考虑要进行一些模式工作，模拟建筑物和火箭始发的上行先导过程，争取实验和理论相结合对这些现象进行进一步分析和解释。

致谢: 感谢山东省滨州市气象局及沾化县久山村盐务管理站有关工作人员对山东沾化人工引雷实验基地一系列工作的大力支持；感谢中国科学院大气物理研究所、山东省防雷中心、南京信息工程大学以及中国气象科学研究院和成都信息工程大学参加野外实验的全体人员。