索煜航; 申晓志; 齐奇; 张华明

doi:10.7498/aps.74.20250448

摘要

利用无狭缝摄谱技术获取了中国广东一次人工触发闪电通道等离子体的光谱. 基于光谱诊断方法确定了该触发闪电通道电流的最大值与最小值分别为30.9 kA和25.6 kA, 并采用线性电流衰减传输线模型(modified transmission line with linear current decay, MTLL)对电流进行了模拟. 在此基础上, 采用时域有限差分方法(finite-difference time-domain, FDTD)和传输线模型研究了不同距离处的电场分布特征, 并对58 m处产生的电场进行了比较. 结果发现: 当回击速度取1.3×10⁸ m/s时, 辐射电场与实验垂直电场偏差较大, 但与FDTD方法模拟的垂直电场符合一致. 进一步, 采用FDTD方法、偶极子方法、电荷-磁场极限估算法研究了58 m, 90 m, 1.6 km的磁场分布. 与实验数据比较发现: 不同计算方法与实验值在58 m和90 m处有一定差异, 但在1.6 km处符合一致.

关键词:

Abstract

The channel plasma characteristics of an artificially triggered lightning in Guangdong, China, are analyzed using slit-free spectroscopy technology. Based on spectral diagnostic methods, the maximum and minimum values of the triggered lightning channel current are determined to be about 30.9 kA and 25.6 kA (minimum), respectively, and the current is simulated using a modified transmission line model with linear current decay (MTLL). To investigate the electric field distribution, the finite-difference time-domain (FDTD) method and transmission line (TL) model are employed. At a distance of 58 m, assuming a return stroke velocity of 1.3 × 10⁸ m/s, the TL-predicted radiation electric field deviates from experimental electric field, but is very close to the FDTD-simulation of the vertical electric field. Moreover, the analyses of magnetic fields at 58 m, 90 m, and 1.6 km are compared using FDTD simulations, dipole approximation, and charge magnetic field limit (CMFL) estimation. The discrepancies between calculated value and experimental values appear at 58 m and 90 m, which may be due to the near-field interference and measurement limitation. However, they become small at 1.6 km. This work is helpful for the study of lightning electromagnetic field properties and spectral diagnosis.

Keywords:

artificially triggered lightning /
spectroscopic diagnostics /
finite-difference time-domain (FDTD) method /
channel current /
electromagnetic field

作者及机构信息

1.

2.

3.

4.

通信作者: 申晓志, shenxz@tjnu.edu.cn ; 张华明, zhanghuaming980@163.com

基金项目: 中国气象局雷电重点实验室开放课题 (批准号: 2024KELL-B012, 2022LASWB21)和山西省气象局五台山云物理基地闪电观测研究项目(批准号: SXKZDDW20217103)资助的课题.

Authors and contacts

1.

2.

3.

4.

Corresponding author: SHEN Xiaozhi, shenxz@tjnu.edu.cn ; ZHANG Huaming, zhanghuaming980@163.com

Funds: Project supported by the Open Research Program of Key Laboratory of Lightning Protection, China Meteorological Administration (Grant Nos. 2024KELL-B012, 2022LASWB21) and the Lightning Observation Research Project of Wutai Mountain Cloud Physics Base, Shanxi Meteorological Bureau, China (Grant No. SXKZDDW20217103).

文章全文

参考文献

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	峰值电流/kA		距离/m	电场/(kV·m^–1)
类型	$i_{\text{p}}^{{\text{min}}}$	$i_{\text{p}}^{{\text{max}}}$	D	TL model		FDTD
类型	$i_{\text{p}}^{{\text{min}}}$	$i_{\text{p}}^{{\text{max}}}$	D	E_rad (v₁)^c	E_rad (v₂)^c	E_z	E_r
本文工作	25.6	30.9	38	18.2—21.9	33.6—40.7
			58	11.9—14.4	22.0—26.7	10.1—12.0	0.9—1.0
			78	8.8—10.7	16.4—19.8
			90	7.7—9.2	14.2—17.2
			102	6.7—8.2	12.5—15.1
			1000	0.4—0.7	1.3—1.5
			1600	0.4—0.5	0.8—0.9
			2200	0.3—0.4	0.6—0.7
Cai 2021^a	12.0	23.6	58	12.6—35.7
Qie 2007^b	11.9		60	18.0
注: ^{a, b} 引自文献[41]与[44]. ^c $v_1= 1.3\times10^8 $ m/s; ^d $v_2= 2.5\times10^8 $ m/s.

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	波长/nm	跃迁率	$ {E}_{k}/{{\mathrm{c}}{\mathrm{m}}}^{-1} $	谱线跃迁
	波长/nm	跃迁率	$ {E}_{k}/{{\mathrm{c}}{\mathrm{m}}}^{-1} $	上能级	下能级
N I	493.5	1.76×10⁶	106477	2s²2p²(³P)4p $\rm{}^2P^\circ_{1/2}$	2s²2p²(³P)3s ²P_3/2
N I	528.1	2.45×10⁵	107037	2s²2p²(³P)4p $\rm {}^4P^\circ_{1/2} $	2s2p⁴ ⁴P_5/2
N II	417.6	1.21×10⁸	210732	2s²2p4f F(5/2)₃	2s²2p3d $\rm{}^1D^\circ_2 $
N II	447.8	6.44×10⁶	188909	2s²2p3d $\rm{}^3P^\circ_1 $	2s²2p3d $\rm{}^1D^\circ_2 $
N II	498.7	6.98×10⁷	188937	2s²2p3d $\rm{}^3P^\circ_0 $	2s²2p3p ³S₁
N II	524.1	6.2×10⁵	221246	2s²2p5d $\rm{}^1P^\circ_1 $	2s²2p4p ¹P₁
N II	568.0	1.78×10⁷	166521	2s²2p3p ³D₁	2s²2p3s $\rm{}^3P^\circ_2 $

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	实验峰值电流/kA		距离/m	磁场/μT
类型	$i_{\text{p}}^{{\text{min}}}$	$i_{\text{p}}^{{\text{max}}}$	D	FDTD	偶极子方法	B_Q 估算
本文工作	25.6	30.9	38			95.3—115.3
			58	82.6—98.5	69.8—84.3	62.4—75.5
			78			46.4—56.2
			90	68.1—77.0	44.6—53.8	40.2—48.7
			102			35.5—42.9
			1000			3.6—4.4
			1600	2.3—2.8	2.3—2.7	2.3—2.8
			2200			1.6—2.0
实验测量
Cai^[2]	13.0		58	137.8
			90	84.9
			1600	1.4
Qie^[8]	28.1		60	66.3

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