用卫星光学测量法估计闪电电流瞬时波形外文翻译资料

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用卫星光学测量法估计闪电电流瞬时波形

1. 引言

脉冲就是几种中高层大气瞬态发光事件（TLEs）中的一种，它出现在活跃的雷暴云上空。现在被广泛认同的是，由闪电感应得到的准静电场是脉冲发生的推动力。最近，已经提出了闪电的瞬时作用，如M分量过程。为了阐明脉冲和闪电之间的电动力耦合过程，过去的实验研究推测闪电电荷的瞬时变化（雷暴云电荷转移和其高度的结果）是和高海拔准静电场线性相关的。我们使用两种不同的估计方法：远程雷电分析（Cummer和Inan，1997；Cummer和Inan，2000）和舒曼共振分析技术（Burke和Jones，1992；Huang，1999）。这些技术表明600-1000Ckm的脉冲产品的临界值基本和理论上的预测结果是一致的。然而，在一些情况下，我们发现伴随着较小的电荷瞬时变化的闪电会产生脉冲。我们需要对光学的和电磁场数据有更多的细致分析，来充分理解闪电脉冲耦合过程。

在FORMOSAT-2卫星上的ISUAL可以全面的测量发生在全世界的脉冲和闪电的光学特征。它可以提供精确的观察结果，从中可以得到脉冲中的电能量和电场。云照明的光辐射同样也被用于推测闪电过程。此外，通过结合由ISUAL观察到的伴有光度计的反应的舒曼共振无线电特征得到的全部电荷瞬时变化，Adachi等（2008）得到了闪电电流瞬时变化，并且发现它们和光晕以及/或脉冲的产生之间的密切联系。这些研究基于假定云照明的光特性是闪电中电性能的一个很好的定质的/定量的指示（如Campos等，2009，以及其中一些相关的）。为了支持这一假设，Cummer等（2006）发现在两次闪电活动中，IUSAL光度计和ULF的磁场特性之间有密切的相关性。然而，从统计的角度来看，在脉冲产生闪电中从来没有检测到光学和无线电之间的相关性，而这就是目前研究的目的。

1. 仪器和观察

我们通过分析FORMOSAT-2/ISUAL分光光度计数据和Duke磁力计数据来分别推测光辐射强度和脉冲产生闪电中的瞬时电流。FORMOSAT-2卫星在891km的高度上的与太阳同步的（9:30-21:30）的两极轨道上飞行，并且携带着一个叫做ISUAL的系统有效负载。ISUAL包括一个六色滤波轮的成像器，一个六色的分光光度计（SP）以及一个双色阵列光度计（AP）。它观察在地球边缘方向的闪电和TLEs，并且首次用精确的光谱信息表现了它们的全球分布。在目前的研究中，使用ISUAL中的SP数据可以得到闪电的光辐射强度。SP由包含不同波长范围的六个通道组成，并且对于这个分析，通道5（SP5:774-785nm）主要观察的是在777.4临界处的闪电氧原子发射线。所有的光度计通道有一个时间分辨率为100mu;s的520度（水平）的场视角。从对ISUAL的AP数据的分析中，我们可以发现脉冲发射的贡献小于SP5数据的1%。对噪声等级的细致检测表明光度的最小可靠振幅可能是一些磁共振（MR）。在这里使用的其他数据是由Duke大学（35.975N，79.100E）多次操作的两个正交磁力计得到的，它测量的是由闪电引起的磁场波动。线圈的频率范围是从0.1Hz到500Hz，以至于缓慢变化的持续电流可以被准确测量[Cummer和Fullekrug，2001]。GPS定时提供所需要的准确性来确定ISUAL探测的闪电。通过分析磁场数据，我们用使用的传感器的带宽来限制时间分辨率，从而可以得到闪电电流垂直方向上的瞬时变化。在这个研究中的最小可靠振幅可能是2-5kAkm。细致的分析表明，通过这个方法提取电流瞬时波形被一个350Hz的二阶低通滤波器进行了有效的滤波，以至于窄脉冲能拓宽到大约2ms。这个最小时间尺度在下面的比较中起着十分重要的作用。

在2004年7月4日到2007年6月23日期间，通过在Duke磁力计的探测覆盖范围内的ISUAL观察到72次脉冲，这些脉冲中的12个在SP5数据和磁力计数据中均有足够的特性。我们通过成像器数据来估计每一次闪电的位置，这个成像器的数据通过计算视线到云光照的三维向量并通过假定云光照的高度为10km，可以有plusmn;5km的误差得到的。定位的误差是由于向量计算上的准确性和假设的云高度，但这个误差要好于经度0.4度，纬度0.2度的，而且不会对这次研究所获得的结论产生影响。

1. 相关性和一致性的比例因子

图1所示的是在2006年8月13日06:32:28（UT）观察到的一次典型的脉冲产生闪电的过程。图1中上方的那幅图显示的是由ISUAL成像器通过曝光时间为29ms的宽频红滤波（633-751km）来捕获的闪电和TLEs的连续图像。由闪电放电激发的云闪的时间变化在这些图片中可以大致看出。在画面2中，一个明亮的云光照可以被识别可能是由于回击和光环。闪电亮度又在下一幅画面中得以恢复，并且随后在画面4中增加到和画面2中的首次闪电几乎同一程度。结构性的脉冲辐射伴随着第二次闪电，缓慢消逝。图1中间的那幅图显示的是在Duke大学观察到的相应的磁场变动。三次闪电天电出现在与上方那幅图所显示的成像器数据一致的时间。图1底部的那幅图比较了由Duke磁场数据计算得到的电流瞬时变化的时间演变和由ISUAL中的SP5观察到的777.4nm光度的时间演变。为了进行定量的比较，通过校正MODTRAN-4模式的大气透射比来获得绝对光度，应用本仪器的函数，包括敏感度和入射角依赖，并且将闪电源到观测者的3000km的距离规范化。贯穿这个工作，the optical data were filtered with a 512 points(= 51.2 ms) hamming window for the low amplitude，慢慢的改变一些部分来有效的减小仪器的噪声，并且接着filtered with an 8 points (= 0.8 ms) hamming window for the entire period来匹配光学的时间尺度和无线电数据。这里，低振幅缓慢变化的部分被定义为光度的时间导数不会超过那些平均以十为因数的背景噪音的阶段。因为ISUAL通过高分散的雷暴云观察到闪电，观测到的光学辐射已经被缓和到大约1ms。因此，通过应用0.8ms hamming window的额外的滤波器，光学数据以同样的方式能有效的加宽到2ms，让提取的电流瞬时波形通过有限的传感器带宽来变得光滑。在这个计算中，我们可以很清楚的看到光辐射和在闪电高振幅快速部分（2ms时间尺度，10s to 100s of kAkm）和低振幅连续电流（100ms的时间尺度，几kAkm）里的瞬时电流都有较好的相关性。紧接着电流瞬时数据里的高振幅快速部分的一些明显的特征是产生于分析过程的人工产品，我们将从下面描述的比例因子的计算中排除这些部分。图2所示的是在2006年2月3日和2005年8月24日观察到的两次闪电的瞬时电流和光辐射的比较。此外，在快和慢的部分，777.4nm光度和瞬时电流都有密切关系。

图1.在2006年8月13日06:32:28（UT）观测到的典型的脉冲产生闪电活动。上图是ISUAL闪电和脉冲的连续图像。中间的图是在Duck大学观测到的磁场波动。下面的图是在闪电中777.4nm光度和电流瞬间变化的比较。

图2.在2006年2月3日04:45:10（上图）和2005年8月24日06:24:32（下图）观测到的典型的闪电活动

为了进一步确认统计上的相关性，同时也为了测试在不同闪电中是否有数量上的一致的比例因子，我们用同样的方法来分析所有的12次闪电活动。图3a散点图显示的是在10次典型的闪电活动中，光度和瞬时电流之间有统计上的相关性。它们和剩下的两次有两个闪电中心的闪电活动相比，这些闪电活动只有一个明亮中心可以在成像器数据上看到，这就是这十个闪电的典型特征。由于光度计和磁力计的时间分辨率是不同的，两者的数据都被重新抽样，它们的时间间隔均为50mu;s，并且所有重新产生的数据点比背景标准噪声程度大两个因子的。我们发现即在使用最小二乘法得到的0.82 MR/kA-km的一致比例因子的统计角度，相关系数仍然很高（r=0.94）。图3b显示的是在不同振幅下计算出的比例因子。平均值在0.82 MR/kA-km左右，其中有plusmn;20%的变动，这在plusmn;50%标准误差的范围内。因此，我们推断，闪电光度和瞬时电流几乎是线性相关的。这些发现可以使我们通过基于卫星的光学测量方法来确定闪电的电荷和电流转移特性。

图3.（a）是在10次典型的闪电活动中，光度和瞬时电流的散点图。图中有一万多个数据点。（b）在不同振幅下计算得到的比例因子。误差条代表标准偏差。由于在这个研究中的最小有效振幅大约为2-5kAkm，从而在灰色阴影区域的数据是有严重误差的 。

在10次典型闪电里的7次闪电活动中，通过ISUAL AP数据，可以准确的确定脉冲的发生时间。估计的延迟时间t_d定义为闪电和脉冲的初始之间的时间差异，它的范围是0.8-6.4ms。我们通过瞬时电流从0到t_d的时间积分来计算脉冲初始时的瞬时电荷。这里，通过基于ISUAL SP5数据的天电分析方法和光电-电流相关方法来估计瞬时电流。通过磁场数据计算得到的电荷瞬时变化在200-2200C-km的范围内，而通过ISUAL计算得到的就是在220-2200C-km的范围内。在单独闪电活动中的差异的范围是从约0%（低于分析误差）到约40%。我们可以清楚的看到从两种方法中得到的结果是一致的，而且和过去的经验研究也是一致的。因此，新的分析方法是一个有用的方法来估计仅仅基于卫星光学数据的脉冲产生闪电的瞬时电流波形和电荷瞬时变化。

1. 其他情况

在这两次的闪电活动中，比例因子比在其他十次闪电活动中发现的要大的多。图4显示的是在2007年2月25日04:56:57（UT）观测到的是这两次闪电活动中的一个。这次的闪电活动有两个明亮的中心：左边的更明亮一些，右边的稍微微弱一些。这表明这次闪电活动包含了更复杂的过程，比如地闪对地面有多个雷击点，或者强烈的云内水平活动中伴随着垂直的地面闪击。我们得出比例因子大约为8 MR/kAkm，这就表明它比典型的闪电在光学上要更为“明亮”。另外一个闪电活动（在图中没有显示）是在2006年3月6日04:48:43（UT）被观测到的，它也有大约为3 MR/kAkm的“明亮”的比例因子，并且同样存在两个明显的闪电光学辐射中心。既然这两次闪电活动通过ISUAL和Duke方法，在发生地点，发生阶段和闪电源观测距离这些方面都没有特别之处，那么这里获得的比例因子不是由于观测和分析过程中的误差而产生的。

图4.在2007年2月25日04:56:57（UT）观测到的其他闪电活动。上图是ISUAL图。与在图1中的典型闪电活动中的一个明亮中心相比较，我们发现子在这次闪电中有两个明亮中心。中间图是Duke磁场数据。下图是光度和瞬时电流的对比。这次的闪电活动看上去明显比典型的闪电活动“明亮”得多。

作为闪电的两个明亮中心以及“明亮”比例因子的原因，全部云地闪通道的非常长或者中高层的水平分量是其中一个可能的原因。自从ISUAL从空间中观测到闪电，水平云内闪通道的光学辐射比那些低层的云地闪通道要更加明亮，后者遇到厚的大气和雷暴云将会更加严重的衰减。另一方面，全部通道的水平云内闪部分不能在Duke磁力计中被识别，因为它仅仅发现从闪电源的垂直电流辐射来的无线电波的水平磁场分量。因此，水平云内闪通道可以使得光的/电的比例因子更加“明亮”，正如在这两次闪电活动中发现的一样。

1. 结论

在脉冲产生闪电中，3000km距离的777.4-nm亮度和垂直瞬时电流波形之间发现了明显的相关性。在12次闪电活动里的10次闪电活动中，发现两个参数之间的比例因子约为0.82 MR/kAkm，其中有plusmn;50%的标准误差。明显的，这个比例因子的有效性贯穿了闪电的高振幅快速部分（约2ms的时间比例，10s到100skAkm）到低振幅持续电流（约100ms时间比例，即kAkm）。这个发现提供了一个可能的方式来通过光学测量得到闪电电流/电荷瞬时变化。然而，剩下的两次闪电活动有更高的比例因子，分别约为3和8MR/kAkm。这些成像器数据认为复杂闪电过程的存在将显著增加光的/无线电的比例因子。这些另外的情况我们将进一步的研究。

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