强闪前雷暴下地面电场仪信号去势涨落分析.pdf

强闪前雷暴下地面电场仪信号的去势涨落分析 1)2) 1) 1) 苟学强 张义军 董万胜 1) 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000 2) 西北师范大学物理与电子工程学院,兰州 730070 E-mail ：gxq411@126.com 摘 要： 本文主要基于 Bak 等的自组织临界理论和 Nottale 的标度相对性理论，强调了 雪崩、分形及与复杂系统自组织演化的联系；利用青藏高原中部那曲地区雷电地面电场仪 资料，对信号中放电脉冲强度进行了小波定义，利用可以对非平稳信号中的内在趋势特征 进行比较可靠检测的去势涨落分析（detrended fluctuation analysis）（DFA）法，对强 闪前的信号中长程关联（long-range corrections）特性进行了分析，发现强闪发生前较 宽尺度内长程持续的存在，同时注意到大多数中等放电发生前，赫斯特指数具有下降特征， 对相关的原因进行了讨论。 关键词：雪崩；分形；自组织；去势涨落分析；长程关联；雷暴放电 1. 引 言 雷电是大气中的剧烈的大尺度放电现象，同时也是一种严重的自然灾害，耐人寻味的是， 主要地由于科技的应用，雷害的问题似乎显得比以前更加突出。雷电研究的进展，已揭露出 放电过程的丰富的细节[1 2] ，这无疑大大增进了人们对雷电及雷害机理的认识，然而以 Mandelbrot[3] 创立的分形几何为基础的当代复杂性研究已日益明显地揭示出，像雷暴放电 这类远离平衡的复杂现象，在整体上可能呈现不依赖于其组成或局域作用细节的突现 （大尺 度）的演化机制和动力行为，并且这种行为具有相当的普适性，这可能为雷电过程的认识提 供新的视角。 Prigogine[4]早就指出，系统在平衡时是平庸的，不相干的，是非平衡把它们唤醒，远 离平衡态的系统具有戏剧性，既瞬态、强烈事件发生的大概率 （这实际上也是闪电的突出特 征 ！），这也意味着强烈事件出现的演化性，与生物进化中的变异相对应的是以自发协同导 致的一系列涨落事件，其中每一个事件的发生既以（决定于局部细节）的随机的方式运作， 同时又都有一个宏观关联的背景，这种随机和有序的并存正是分形的特征；Bak[5] 等则进一 步指出，在外界的缓慢能量驱动下，系统具有内在的形成复杂而稳健（分形）结构的倾向， 所谓自组织临界理论（SOC），与 Prigogine 的涨落类似，演化的方式是雪崩（跳跃）式的 能量耗散事件，雪崩事件的强度或频度分布具有多尺度性 （分形性），雪崩的出现是由于小 扰动在不同尺度上的反馈耦合放大所致；另外，在基础物理领域，Nottal 的标度相对论[6 ] 本课题得到国家自然科学基金项目）资助 （scale relativity），将分形的标度相对性与量子力学相联系，而几率的存在正是系统内 在的自组织 （形成结构）的倾向，这可能为我们对复杂现象的认识提供更加简单而可靠的物 理背景，由是，我们可以认为，雪崩 （涨落事件）和分形可能都是自组织演化的不同侧面 ， 实际上，演化过程雪崩分形二重性特征，已经为自然界大量观察到的事件的对数周期现象[7] 所证实。 基于上述认识，本文根据 2003 年那曲的雷暴地面电场仪资料，用分形信号分析中的去 势涨落分析法（DFA）对第一次强放电（大雪崩）发生前的赫斯特指数及时间变化进行了计 算，对雷暴放电演化过程中的长程关联 （long-range corrections）特征及与放电事件之间 的关系进行了简单探讨。 2. 雷暴放电雪崩的小波检测及特征 地面电场仪可以对雷暴下地面的平均电场强度进行实时探测，其采样率 10Hz/s，由于 近地面空间电荷的屏蔽作用，电场仪所记的地面电场并不能完全反映云中电场情况，其中重 要的是云中快的放电过