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2023年4月19日发(作者：土耳其签证申请表)袖珍云闪电磁仿真特性研究

苑尚博;马启明;雷宇;符思涛

【摘要】袖珍云闪（ CIDs：compact intracloud discharges）是一种特殊的云
闪现象，与常规云闪放电相比有很多特殊性：辐射双极性脉冲并通常单独出现、电
场持续时间短、高频辐射强等。通过对袖珍云闪放电模型的建立，根据麦克斯韦方
程组推导了CIDs辐射电磁场的计算公式，仿真计算了袖珍云闪的电磁场波形；并
与实测波形进行了对比分析。分析结果显示，经该模型计算的袖珍云闪的电磁场波
形与实测结果有较好的一致性；并讨论了在放电过程中，放电位置、放电通道长度
以及通道的倾斜角度对其电磁场波形特征的影响。%Compact intracloud
discharges is a special kind of lightning, which has a lot of particularity:the
ra-diation field pulses produced by CIDs are single and referred to as
narrow bipolar pulses; the waveforms have a short duration;the high
frequency radiation is strong, of CIDs was build and derived the
calculation for-mula of CIDs radiated electromagnetic fields according to
Maxwell\'s equations, simulate the electric field of CIDs and compared with
the detected shows that the simulation result has a good
consistency with the real de-tected discharge position, the
discharge channel length and the angle’ s influence are also discussed to
the feature of the electric field of CIDs.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2015(000)032

【总页数】碌碌无为造句 5页(P117-120,151)

【关键词】袖珍云闪;电磁场特性;仿真分析

【作者】苑尚博;马启明;雷宇;符思涛

【作者单位】中国科学院电工研究所，北京100190;中国科学院电工研究所，北
京100190;中国科学院电工研究所，北京100190;中国科学院电工研究所，北京
100190

【正文语种】中文

【中图分类】P427.32

雷电是自然界中一种强烈的放电现象，按照放电位置来分可以分为云闪和云地闪，
目前对云闪和云地闪的探测技术、特征规律、电磁仿真等研究已有很多[1—3]。袖
珍云闪是区别与云闪和地闪的一种特殊放电现象。1980年Le Vine首次发现了一
类孤立的，在闪电过程中辐射极强，脉冲持续时间极短的放电事件，并在当时认为
这是闪电的一个过程[4]。1989年Willett et al总结了CIDs的一系列特性：这些
脉冲通常单独出现，电场持续时间很短，在10～ 20s之间，并且伴随有强烈的
甚高频辐射[5]。其后，Smith通过观测将CIDs这是一种与云闪和地闪不同的放电
现象，根据其放电特性将其命名为袖珍云闪[6]。Gurevich等人发现CIDs可能引
发电子逃逸并与伽玛射线有关[7]。CIDs辐射的电磁脉冲会严重干扰地面与卫星之
间的无线通信；其高频脉冲能被卫星探测到，是基于卫星辅助的VHF全球探测的
一种方法；同时CIDs主要发生在7～20km之间，在放电过程中可能改变中高层
大气的电学特性，从而引发中层大气放电。近几年对CIDs的特征及其与其它雷暴
现象之间的关系也成了研究的热门方向。
我国对袖珍云闪的研究起步较晚，祝宝友等根据在上海地区观测到的78次双极性
窄脉冲时间，分析了其上升时间，初始峰宽度，半宽，持续时间等特性[8]；刘莎

莎等人分析了CIDs与雷暴强度发展的关系[9]；吴亭等人利用电离层对CIDs的反
射，研究了CIDs的定位及电离层高度反演算法[10]。但目前对CIDs的理论研究
并不多，本文通过对袖珍云闪放电过程建模，利用麦克斯韦方程组推导了CIDs的
电磁辐射计算模型，并进行了仿真计算，与实测结果进行了对比分析。根据本文推
导的模型，带入参数求解得到的电场波形与kara等人在斯里兰卡
实际测量的电场上升时间、电场持续时间、过冲峰值与电场峰值的比值等特征参量
的一致性较好。并利用该模型分析了CIDs放电特性中放电位置、放电通道长度以
及通道倾斜角度对地面接收到的电场波形特征的影响。
袖珍云闪是一种特殊的云内放电过程，根据CIDs的放电特性，CIDs放电过程的
物理模型可以简单描述为：雷暴云层距地面的距离为H，两个直线距离为L的异
种电荷中心放电过程，其简化后的物理模型如图1所示。将云内放电通道看作是
在离地面H的高度处有一长度为L的传输线，传输线垂直于地面方向，放电过程
发生后，电流I0(t)从底部电荷中心以恒定的速度沿传输线向上传输，传输至顶
部电荷中心后完成一次放电过程。
不考虑电离层的反射，将放电通道内的整条传输线看作为由无数长度为无穷小dl
的偶极子元串联组成。根据麦克斯韦方程组及洛伦兹表达条件式

推导出柱坐标系下，袖珍云闪的电磁场计算模型如式(3)所示。
柱坐标系下
可以得到袖珍云闪的电磁场表达式为
袖珍云闪是闪电的一种，因此其电流传输模型可以采用雷电流的6种传输模型：
BG模型、TL模型、MTLL模型、MTLE模型、TSC模型和DU模型，考虑电流在
放电通道中线性衰减，本文选取的是MTLL模型。
I(z′,t)=(1-z′/H)I(0,t-z′/v)；t≥z′/v

CIDs的放电电流幅度为kA量级，放电通道基电流用脉冲函数和双指数函数表示
式(9)中：I0=9.9103；t1=0.07210-6；t2=510-6；=0.845；I1=7.5103；
t3=100.010-6；t4=610-6。
令放电高度为10km，通道长度为300m，利用上述模型，带入电流参数得到的仿
真结果如图2所示，通过与kara文中给出的在Sri Lanka地区实
际测量的CIDs脉冲波形[11]定性分析可以看出，CIDs电场仿真波形的上升时间短，
几乎没有实测波形中的慢前沿过程，脉冲宽度及脉冲幅值相当。由于仿真计算过程
中没有考虑电离层的反射和其他干扰的影响，过零点后的仿真波形非常平滑，不会
出现实八月十五夜玩月拼音版测脉冲中的高频分量。
根据kara等人的研究，CIDs的电场特性主要包括上升时间、半
宽时间、持续时间，过零点时间，电场峰值与过冲峰值之比，并给出了Sri Lanka
地区CIDs电场特征的变化范围，如表1所示。
可以看出仿真波形能很好的反映CIDs电场波形的几个特征，电场上升时间为0.4
s在 kara总结的变化范围之内；过零点时间为2.4 s，在2.16～
3.93 s变化范围内；半宽持续时间为1.4 s，在0.99～1.72 s之间；过冲峰值
与电场初始峰值的比值约0.09略小于表1中的变化范围；时序时间16 s，在
11.09～27.20s之间。因此在定量分析中仿真结果与实测结果的也有较好的一致
性。
根据CIDs电磁场的计算模型可以看出，影响CIDs辐射的电磁场的主要参数为放
电通道长度，CIDs放电位置以及放电通道倾斜角度。通过图3及表3可以看出(图
中L为放电通道长度)，随着通道长度的增加CIDs电场上升时间不变，半宽时间
与过零点时间随通道长度的增加线性增长，变化最为明显。脉冲幅值随通道长度的
增加而增加，但涨幅不大，过压也随通道长度的增加而增加，涨幅较大，因此过冲
与幅值的比也会随通道长度的增加而增大。

同样影响CIDs辐射脉冲特性的还有袖珍云闪发生的高度(图4)，但通过仿真结果
来看CIDs发生在距地面8 km、11 km、13 km以及17 km的地方，对地面
100km处的仿真结果几乎没有影响，这是因为观测点的距离距CIDs发生位置的
距离为100km量级，远远大于闪电发生高度的变化km量级，因此在100km处
不同放电高度下的CIDs电场波形几乎完全重合。
CIDs发生的雷暴云中两个异种电荷中心不一定是相互垂直的，即袖珍云闪的放电
通道可能与地面呈减字木兰花李清照一定的倾斜角度，而倾斜角度的大小对地面观测到的脉冲波形特
征也会有影响。本文仿真计算了当CIDs放电通道与地面夹角为90、75、60和
45情况下，距闪击点100km处的脉冲波形特征如图5所示，其波形特征参量如
表4所示。通过放着结果可以看出，不同的倾斜角度下，CIDs脉冲波形的上升时
间基本不变，半宽时间和过零点时间有明显变化，均会随着倾斜角度的增大而降低，
脉冲持续时间无明显变化，脉冲幅值基本保持不变，过冲幅值随倾斜角度的增加而
增加，因而导致过冲与幅值的比会随着倾斜角度的增加而增大。通过上述对不同放
电参数下的电场波形特征分析显示，放电通道长度对CIDs脉冲波形的影响最大。
本文通过对袖珍云闪放电过程的简化建模，推导了袖珍云闪的电磁场的计算模型，
根据该模型选取合适的参数仿真计算了100km处地面观测到的袖珍云闪电场脉冲
波形，并与实际观测结果进行了对比分析。根据本文的计算模型得到的仿真结果与
实际观测结果在波形特征及其特征参量都有很好的一致性，反映了本文模型的正确
性。分析了放电通道长度，放电高度以及放电通道与地面的倾斜角度对袖珍云闪辐
射电磁场脉冲波形特征的影响，分析结果显示，除放电高度外，其余参数对袖珍云
闪的脉冲波形都有明显的影响，主要影响其半宽时间，过零点时间以及过冲与幅值
的比值，而放电通道的长度对脉冲波形特征影响最大。

【相关文献】

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