闪电以其大电流，高电压，强电磁辐射和发生的瞬态性为特征。闪电放电击穿过程会产生频率宽，强功率电磁辐射，对电子器件和高集成精密测量仪器有很大危害。因此，闪电电磁辐射特征一直受到广泛的关注。早在上个世纪，就利用多种探测手段，分析各频段闪电电磁辐射特征、辐射频谱与闪电放电总能量关系(Taylor，1978; Proctor，1971; Lhermitte and Krehbiel，1979; Warwick et al，1979)，同时对闪电不同阶段，如云内放电、回击等过程电磁辐射，电荷结构分布特征进行研究(张义军等，1998; Le Vine and Krider，1977; Le Vine et al，1979; 曹冬杰等，2008; 武斌等，2013; 邵选明和刘欣生，1987; 刘欣生和郭昌明，1987; 张义军等，1997)，结果显示云内放电产生辐射最强。Le Vine et al(1977，1979)通过分析5个频段(3~300 MHz)电磁辐射，比较辐射场和快电场在闪电各放电过程持续时间和两种探测仪器接收辐射脉冲时间顺序，总结了各个阶段的辐射场波形特征。Shao et al(1999)研究正地闪辐射能量发现，正地闪先导过程在 HF、VHF和UHF 段辐射能量非常小，但在回击后爆发能量很强的电磁辐射。郄秀书等(1988，1990)通过宽带观测(带宽2 kHz~80 MHz)发现，地闪和云闪的辐射能量都按照 1/f^{1. 4}的规律衰减; 在20 MHz频段云内K变化有很强的辐射源，其强度与首次回击辐射强度相当甚至更强。

随着闪电辐射源定位技术的发展，已能跟踪闪电放电通道的三维时空发展路径。国外Krehbiel et al(2000)研发的LMA定位系统，国内张广庶等(2010)研制了闪电VHF辐射源三维定位系统(简称LLR)，这些系统可以对每个闪电定位出成百上千个辐射源点，能够连续跟踪显示闪电三维时空结构图像，利用该系统对雷暴云的电荷结构、放电时空发展进行了研究，得到了很好的结果(Rison W et al，1999; Thomas R J et al，2004; Krehbiel P R et al，2000; 王才伟等，1987; 张义军等，2003)。Thomas R J et al(2001)利用LMA系统研究了闪电辐射源功率，发现最强的辐射源倾向于出现在雷暴云上部的正电荷区。张广庶等(2010)利用LLR系统研究了闪电放电全过程时空演变特征，同时计算双极性窄脉冲峰值功率，得到普通闪电辐射源功率一般在100 mW~500 W范围，而双极性窄脉冲峰值强度高达16. 7 kW。研究闪电VHF电磁辐射功率特征对于了解闪电放电过程产生机制和雷电防护有重要意义。此外对灾害性天气监测预警也有指示作用，可为灾害天气的监测和预警提供重要信息。利用LLR系统可以深入研究闪电放电通道发展过程，但目前较多还是关注于闪电辐射源时空发展，利用辐射源密度分布特征来判断云内放电电荷层结构(李亚珺等，2012)，较少研究闪电辐射源功率的时空分布特征。本文利用自制的闪电VHF辐射源三维定位系统和VHF辐射脉冲功率接收系统，获得的青藏高原雷暴过程闪电资料，进行了VHF辐射脉冲峰值功率计算，分析了辐射源功率的三维时空分布以及发展特征，并利用辐射源功率时空分布特征，初步研究了云内放电电荷层结构。

采用和分析的数据来自于在青海省大通县进行的雷电综合观测实验。实验由7个子站组成同步观测网络(图 1)，包括VHF辐射脉冲功率接收系统、宽带电场接收系统和GPS时间同步系统，大通县下旧庄明德小学(明德)设为中心站。7个子站的VHF辐射脉冲功率接收天线中心频率为270 MHz，带宽为6 MHz(267~273 MHz频段)，其输出信号的数字化(A/D转化)的速率为20 MHz，精度为14 bit。利用无线宽带通讯系统组成同步观测网络，实现中心站控制记录方式，并利用GPS同步的高精度时钟(50 ns)记录触发时间(张广庶等，2003; 张广庶等，2008)，接收的闪电VHF辐射脉冲，采用时差法定位技术对辐射源实现三维定位，精确描绘闪电放电通道(张广庶等，2010; 张广庶等，2003)，闪电VHF辐射源三维定位网络的精确度，网内辐射源在网络中心上空的水平定位误差范围为10~48 m(RMS: 均根值)，平均误差21 m(RMS)，垂直定位误差范围为20~78 m(RMS)，平均误差为49 m(RMS)(张广庶等，2015)。

图 1(Figure 1)

图 1 观测网络站点分布 Figure 1 Distribution of the observation stations

由于闪电VHF辐射源功率接收系统采用了自行设计加工的天线，天线参数未知，为了指导野外标定实验及比较，首先对闪电VHF辐射源功率接收系统的对数放大器等做了室内标定。根据电磁波传播理论，系统接收到电磁辐射功率与闪电辐射源功率有如下关系:

式中: P_r为系统接收功率。P_s是闪电辐射源功率，r为闪电辐射源与接收天线之间的直线距离，G为天线的增益系数，λ为波长(中心频率为270 MHz，带宽为6 MHz。波长约为λ=1. 11 m)。

根据接收系统的放大器功率增益，得到了室内标定函数，即接收功率与输出电压的函数关系式:

式中: P_r的单位为dBm，V_out单位为V。

为了计算方便，假定自制天线的增益系数为1，将(2)式代入(1)式得到辐射源脉冲功率P_s(mW):

为了精确定量测量闪电VHF辐射源脉冲功率，我们利用自行研制的球载闪电模拟信号发射源和标准VHF辐射脉冲测量系统(由标准对数天线和频谱分析仪组成，Tektronix，型号为WCA200A，测量精度为±0. 6 dBm。)，对自制的闪电VHF辐射脉冲功率接收系统(267~273 MHZ频段)进行了野外同步标定。闪电模拟信号发射装置由系留探空气球携带，距离两套接收系统约2 km，标定实验原理如图 2所示，主要由球载闪电模拟信号发射源装置、频谱分析仪标准系统及闪电VHF辐射脉冲功率接收系统组成。球载闪电模拟信号发射源装置发射频率为270 MHz，脉冲发射功率约2 W(包括天线)，并携带GPS接收机(Motorola M12m)，提供位置和时间信息，每秒向地面发射10个脉冲。标准VHF辐射脉冲功率测量系统的对数周期天线由北京无线电仪器二厂制造，型号ZN30505C，在270 MHZ中心频率的增益系数为4. 2，由中国计量研究院校准，其不确定度为±0. 3 dB。频谱分析仪测得的功率实际上是包括了对数天线增益后的值，所以频谱分析仪测量的功率值除以其天线增益系数4. 2，得到真实辐射源功率。被标定的闪电VHF辐射脉冲功率接收系统由自制的偶极子天线、前置放大器和对数放大器组成。

图 2(Figure 2)

图 2 闪电VHF辐射脉冲功率标定实验原理图 Figure 2 The principle diagram of the VHF lightning radiation pulse power calibration experiment

标准VHF辐射脉冲测量系统和被标定的闪电VHF辐射脉冲功率接收系统的天线安装在同一位置(图 2)，标准对数周期天线正对系留探空气球方向，随着气球不断升高，两系统同步接收球载闪电VHF辐射脉冲模拟信号发射源发射的脉冲信号(图 2)，两系统同时接收到的脉冲信号功率满足正相关关系，分别输出功率值和数据终端电压值V_out。通过最小二乘法拟合得到系统接收功率(包括天线)和电压的函数关系式(4)。图 3是由关系式得到的功率标定曲线图。

根据电磁波传播损耗公式，最后得到闪电辐射源脉冲功率P_s(mW)的计算公式:

式中: f为中心频率(单位: MHz)，r为闪电辐射源点与接收点的距离(单位: km)。

由野外系统标定功率值与室内标定功率值比较，我们得到了自制天线的增益系数约为0. 985，说明自制天线符合理论设计值。另外，通过野外标定获取的数据，计算了标准偏差，得到两点相距2 km的辐射功率的标准偏差为±5. 11 mW(包括标准天线误差和频谱分析仪的测量误差)。

图 3(Figure 3)

图 3 闪电VHF辐射脉冲功率标定曲线图 Figure 3 The curve diagram of the VHF lightning radiation pulse power calibration

利用闪电VHF辐射源定位系统对闪电进行定位后，得到了每次闪电辐射源三维时空发展结构图，同时由闪电VHF辐射脉冲功率接收系统对应每个辐射源，输出电压值代入函数关系式(5)计算出每个辐射源三维时空位置的功率值，进而得到闪电VHF辐射功率三维时空分布图。

文中应用了正负击穿的特点，即正电荷区辐射强，而负电荷区辐射弱，对29次闪电(22次云闪和7次地闪)的VHF辐射源功率三维时空分布特征进行了初步统计分析，并通过单个闪电放电辐射功率推断了雷暴电荷层结构。

通过2012年7月24日16:40:25(北京时，下同)云闪(简称164025)辐射功率三维时空分布(图 4，闪电辐射源功率强度用不同的颜色表示，即闪电辐射功率三维时空分布图中色阶按功率值的大小变化进行划分)中可以看出，该次闪电起始主要是从下部负电荷区开始，向上发展到雷暴云上部电荷区域，呈现出明显的两层结构，图 4(b)中用+、-符号来表示两层结构的电荷特性。计算得到了该云闪上部正电荷区的辐射脉冲功率最小值为21 mW，最大值为3. 2×10⁵ mW，平均值为7. 1×10³ mW(辐射源数: 1203个)。云闪下部负电荷区的辐射脉冲功率最小值为13 mW，最大值为4. 6×10⁴ mW，平均值为2. 0×10³ mW(辐射源数: 185个)。结果表明，上部正电荷区的辐射主要是负极性击穿，所以辐射很强。Thomas et al(2001)对闪电辐射强度的分析认为，正电荷区的闪电辐射源功率远远大于负电荷区。负电荷区的辐射功率弱是由于正流光速度低，其强度弱，传输距离短。此次云闪上部正电荷区的辐射功率明显高于下部负电荷区，所以推断该次闪电放电的电荷层为正常偶极性电荷结构。按照李亚珺等(2012)利用辐射源密度判别雷暴云电荷结构的方法，判断此次闪电放电所处雷暴的电荷结构与其结果基本一致。

图 4(Figure 4)

图 4 2012年7月24日16:40:25正云闪辐射功率特征 (a)闪电辐射源高度随时间的变化，(b)南北方向上的立面投影，(c)辐射源发生数目随高度的分布，(d)平面投影，(e)东西方向上的立面投影 Figure 4 The radiation power characteristic of the positive cloud lighting at 16:40:25 on 24 July 2012. (a)The different panels show height time plots panel，(b)north-sourthward vertical projection，(c)height distribution of number of radiation events，(d)plan view，(e)east-westward vertical projection of lightning radiation sources

由云闪(144801)辐射功率三维时空分布(图 5)可知，该云闪起始于上部负电荷区，向下发展到下部正电荷区域。图 5(b)中用+、-符号来表示两层结构的正负电荷结构特性。下部正电荷区辐射源总数为896个，辐射脉冲功率最小值为6 mW，最大值为2. 57×105 mW，平均值为4. 3×103 mW。上部负电荷区辐射源数为52个，辐射脉冲功率最小值为27 mW，最大值为2. 1×104 mW，平均值为1. 2×103 mW。表现出典型的负偶极性电荷结构(上部为负电荷区，下部为正电荷区)，下部正电荷区的平均辐射脉冲功率约为上部负电荷区的3. 6倍。

图 5(Figure 5)

图 5 2012年8月19日14:48:01负云闪辐射功率特征 (a)闪电辐射源高度随时间的变化，(b)南北方向上的立面投影，(c)辐射源发生数目随高度的分布，(d)平面投影，(e)东西方向上的立面投影 Figure 5 The radiation power characteristic figure of the negative cloud lighting at 14:48:01 on 19 August 2012. (a)The different panels show height time plots panel，(b)north-sourthward vertical projection，(c)height distribution of number of radiation events，(d)plan view，(e)east-westward vertical projection of lightning radiation sources

通过负地闪(151125)辐射功率的三维时空分布(图 6)可以看出，参与放电的负电荷区在正电荷区的上部，负地闪始发于负电荷区，向下发展到正电荷区域，梯级先导出云后向下传输接近地面时引发回击。图 6(b)中用+、-符号来表示两层结构的正负电荷结构特性，图 6(a，b)中小三角表示闪电出云后向下传输接近地面时引发回击接地点。正电荷区辐射源总数为1099个，辐射脉冲功率最小值为7 mW，最大值为 7. 2×10⁴ mW，平均值为2. 1×10³ mW。负电荷区辐射源数为89个，辐射脉冲功率最小值为5 mW，最大值为2. 0×104 mW，平均值为1. 7×10³ mW。

图 6(Figure 6)

图 6 2012年8月19日15:11:25负地闪辐射功率特征 (a)闪电辐射源高度随时间的变化，(b)南北方向上的立面投影，(c)辐射源发生数目随高度的分布，(d)平面投影，(e)东西方向上的立面投影 Figure 6 The radiation power characteristic figure of the negative ground lighting at 15:11:25 on 19 August 2012. (a)The different panels show height time plots panel，(b)north-sourthward vertical projection，(c)height distribution of number of radiation events， (d)plan view，(e)east-westward vertical projection of lightning radiation sources

为了分析计算方便，我们选择层次结构明显的29次闪电(其中7次负地闪)，分析了辐射源脉冲功率分布特征(表 1)。从表 1中可以看出，在29次闪电中，负电荷区辐射源数都少于正电荷区，绝大多数正电荷区的平均辐射脉冲功率大于负电荷区，但个别闪电的负电荷区平均辐射脉冲功率大于正电荷区，这可能是负电荷区存在较强的负极性击穿所致。在正云闪中，上部正电荷区平均值为4. 8 W，下部负电荷区平均辐射脉冲功率为1. 6 W。而负云闪，其下部正电荷区平均辐射脉冲功率为3. 2 W，上部负电荷区平均辐射脉冲功率为2. 5 W。负地闪其负电荷区平均值为3. 0 W，正电荷区平均辐射脉冲功率为4. 7 W。

通过观测267~273 MHz频段的闪电辐射脉冲功率分布，对青藏高原东北部闪电放电时的云内电荷结构做了初步分析，同时对闪电VHF辐射源功率接收系统进行了标定。定量得到了闪电放电辐射源功率三维时空发展分布特征，得到如下结论: (1)通过最小二乘法拟合，得到标准功率值与被标定功率接收系统的函数关系式P_r=AV_out+B，直线的斜率A=42. 4742，其截距B=-97. 1751。

表 1(Table 1)

表 1 闪电VHF辐射脉冲功率分布特征参数 Table 1 The lighting of the VHF radiation pulse power of the characteristics distribution parameters 序号 闪电名称 类型 负电荷区 正电荷区 辐射源数/个 功率范围 功率平均值/W 辐射源数/个 功率范围 功率平均值/W 1 162432 负云闪 100 12mW~40W 1.80 537 16mW~100W 2.5 2 152534 负云闪 82 17mW~61W 1.10 987 16mW~211W 3.2 3 145104 负云闪 258 13mW~170W 3.70 1150 14mW~203W 4.5 4 151125 负云闪 89 5mW~20W 1.70 1099 7mW~72W 2.1 5 150720 负云闪 92 20mW~178W 1.40 839 17mW~142W 3.7 6 144253 负云闪 38 9mW~12W 1.20 722 4mW~92W 3.1 7 144608 负云闪 52 93mW~291W 12.00 768 17mW~126W 4 8 144655 负云闪 59 8mW~37W 2.80 905 21mW~60W 3.2 9 145331 负云闪5 4 7mW~22W 2.70 536 3mW~300W 3.8 10 151015 负云闪 43 16mW~20W 1.10 716 24mW~139W 3.3 11 152340 负云闪 45 14mW~15W 0.90 1196 16mW~119W 2.3 12 144908 负云闪 52 24mW~21W 1.10 896 6mW~257W 4.3 13 150210 负云闪 119 27mW~21W 4.20 770 27mW~21W 3 14 145937 负云闪 94 11mW~100W 0.80 692 14mW~156W 2.8 15 150024 负云闪 75 22mW~76W 1.90 832 20mW~130W 2.4 16 151234 负云闪 253 18mW~42W 2.50 509 12mW~186W 3.1 17 151501 负云闪 53 8mW~56W 1.50 596 23mW~192W 2.9 18 150210 负云闪 119 23mW~110W 4.20 770 19mW~178W 3 19 164025 正云闪 185 13mW~46W 2.00 1203 21mW~320W 7.1 20 155145 正云闪 435 30mW~31W 1.50 632 41mW~95W 4.3 21 162432 正云闪 366 6mW~73W 2.00 930 7mW~218W 3.6 22 155316 正云闪4 7 31mW~14W 1.40 859 12mW~125W 4 23 150303 负地闪 161 7mW~108W 2.70 886 3mW~120W 3.4 24 151525 负地闪 89 5mW~20W 1.70 1099 7mW~72W 2.1 25 144022 负地闪 37 18mW~23W 1.80 815 18mW~129W 4.2 26 144801 负地闪 52 27mW~21W 2.20 896 6mW~257W 4.3 27 151302 负地闪 126 20mW~28W 1.70 1370 5mW~230W 2.4 28 150815 负地闪 113 42mW~100W 5.00 1068 12mW~58W 2.7 29 150954 负地闪 177 20mW~164W 1.80 450 17mW~42W 2.4

表 1 闪电VHF辐射脉冲功率分布特征参数 Table 1 The lighting of the VHF radiation pulse power of the characteristics distribution parameters

(2) 在正云闪中，上部正电荷区的辐射源功率值要比下部负电荷区的辐射源功率高。上部正电荷区平均值为4. 8 W，下部负电荷区平均辐射脉冲功率为1. 6 W。在负云闪中，下部正电荷区的辐射源功率值高于上部负电荷区的辐射源功率。下部正电荷区平均辐射脉冲功率为3. 2 W，上部负电荷区平均辐射脉冲功率为2. 5 W。

(3) 在负地闪中，负电荷区平均辐射脉冲功率为3. 0 W，正电荷区平均辐射脉冲功率为4. 7 W。

(4) 在29次闪电中，负电荷区辐射源数都少于正电荷区，绝大多数正电荷区的平均辐射脉冲功率大于负电荷区，但个别闪电的负电荷区平均辐射脉冲功率大于正电荷区。

利用单个闪电放电的辐射功率分布特征，初步分析了闪电所在雷暴过程中的不同电荷结构特征。因为在云内还存在不参与放电的电荷层，所以以上在讨论判定电荷结构时没有考虑此部分的影响。计算的闪电VHF辐射脉冲峰值功率值与Thomas R J et al(2001)的计算结果相比偏小，可能是因为我们采用的中心频率(270 MHz)比其采用的频率(63 MHz)高的原因。

对29次闪电的VHF辐射源功率的三维时空分布特征初步统计分析发现，有些负地闪的负电荷层的平均辐射脉冲功率略大于正电荷层，可能是在计算负电荷层辐射脉冲功率时包含了回击和K分量的辐射脉冲。在负云闪中，大部分是下部正电荷区的辐射源功率值高于上部负电荷区的辐射源功率，但我们统计中还发现，上部负电荷区的平均功率大于下部正电荷区的闪电个例，其下部正电荷区平均功率值为3. 0 W(辐射源数: 770个)，而上部负电荷区平均功率值为4. 2 W(辐射源数: 119个)，这可能是由于在负电荷区中局地存在负极性击穿所致，有待进一步分析。文章对雷暴电荷结构的分析，是根据单个闪电放电时的辐射功率分布推断的。作为今后判断整个雷暴过程的电荷结构依据，有待结合电场变化和辐射源密度以及雷达资料做进一步研究。

利用闪电辐射源功率分布特征来区分的电荷层结构比较直观，正负电荷层平均功率相差大。但也发现极少数复杂的闪电，辐射源功率分布不明显，而且电荷层随高度变化大的也不易分辨，在这种情况下有可能是两个闪电合并的，文中只对特殊闪电做了初步分析，也有待今后对这些复杂闪电(混合型)进行深入分析。