《Atmospheric Research》：Dynamics of positive leader branching in long air gaps: A statistical exploration
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正 leader 分支的形态、演化模式及空间分布通过实验室火花实验系统分析，发现分支角度（80°-83°）和方向呈近似正态分布，主分支角度随传播向下逐渐减小，次分支偏离度更大。存在单主支主导（占比80%）和双支交替演化两种模式，分支点密度在电极尖端最高且沿 leader 路径递减，电离行为呈现先横向扩展后分裂特征，揭示人工放电与自然闪电的分支机制相似性。
郭丽丽|赵向根|王显康|刘晓鹏|姚瑶|杜亚萍|何俊佳
中国华中科技大学电气与电子工程学院先进电磁技术国家重点实验室，武汉
摘要
正极 leader 分支是影响 leader 放电发展的关键现象，但由于系统研究的有限，其特性尚未得到充分理解。为了解决这个问题，我们基于间隙长度为 2.5 米、6 米和 10 米的实验室火花进行了统计分析。本研究探讨了分支形态、演化模式、分支点的空间分布以及分支过程中的流光行为。结果表明，在所有涉及的间隙长度下，分支形态几乎保持一致：分支角度和方向都遵循近似的正态分布，分支角度通常在 80° 到 83° 之间，并且随着向下传播逐渐减小。次级分支与主通道的偏差始终大于主分支。研究发现了两种不同的演化模式——单分支主导和双分支交替，其中前者占大约 80% 的案例。分支点在电极尖端附近密度较高，沿着 leader 路径密度逐渐减小，且随着间隙长度的增加，轴向扩散有所增加。在分支过程中，流光区首先横向扩展，然后在 leader 头部附近分裂，分离现象向下传播。这些发现与自然闪电有一定的相似性，为在受控实验条件下理解自然闪电中的正极 leader 分支提供了宝贵的见解。
引言
Leader 分支是自然闪电的标志性特征，仍然是闪电物理学领域的研究重点（Bazelyan 和 Raizer，2000；Rakov 和 Uman，2003；Dwyer 和 Uman，2014）。这种行为显著影响 leader 放电的传播和击穿特性（Hill，1968；Hill，1988；Zhao 等人，2016a，Zhao 等人，2016b；Shindo，2018；Qie 等人，2019）。理解 leader 分支的特性对于推进我们对 leader 发展的认识至关重要。
在理解负极 leader 分支方面已经取得了显著进展，包括其形态特征（Liu 等人，2022）、时间发展（Pu 等人，2017）和形成机制（Jiang 等人，2017；Wang 等人，2019；Huang 等人，2018）。相比之下，我们对正极 leader 分支的理解仍然有限。这一知识空白不仅源于正极闪电的发生率极低（Yang 和 Sun，2014），还因为这种分支通常局限于少数局部区域并且在这些区域内发生频率较低。现场观测主要记录了这些事件发生在云层边界附近、靠近地面或高结构周围（Warner，2012；Warner 等人，2012；Cummins 等人，2018；Wang 等人，2020），每次事件通常只观察到有限数量的分支。
然而，最近的高速图像显示，正极 leader 分支可能比之前报道的更为广泛。例如，Warner 等人（2012）记录了沿着正极 leader 通道分布的许多玫瑰刺状微结构。其他研究还表明，负极反冲 leader 可以触发广泛的正极 leader 分支结构（Mazur 和 Ruhnke，2011；Yuan 等人，2019；Huang 等人，2021；Jiang 等人，2022）。这些发现意味着正极 leader 分支的真实范围可能被低估了，因为在自然条件下由于可见度和分辨率的限制，这些结构往往难以捕捉到（Yuan 等人，2019）。因此，尽管存在观测挑战，进一步研究正极 leader 的分支特性仍然是必不可少的。
基于这些观测结果，提出了两种解释自然闪电中正极 leader 分支形成的机制。第一种认为分支直接从 leader 头部的流光区分裂产生（Warner 等人，2012；Yuan 等人，2019）。第二种认为新分支是由双向 leader 的负端横向附着到主正通道上形成的（Mazur 和 Ruhnke，2011；Warner 等人，2016；Yuan 等人，2019；Ding 等人，2024）。值得注意的是，这两种机制可能并非根本不同。Yuan 等人（2019）指出，通过双向附着形成的分支在形态上与从流光分裂产生的分支无法区分。此外，其他研究还表明，双向 leader 可能是由衰减的通道段重新激活形成的（Mazur 和 Ruhnke，2011；Ding 等人，2024）。这表明两种情景之间的明显差异可能反映了发展过程中的不连续性，而不是真正的不同形成路径。一旦分支开始，它们的演化表现出相当大的多样性。一些分支交替传播，而其他分支则表现出不对称行为，其中一个分支持续稳定传播，另一个则间歇性传播或提前终止（Warner 等人，2012）。在某些情况下，新形成的分支呈现为针状发光结构，其特征是脉冲式光学发射但空间扩展有限（Hare 等人，2019；Saba 等人，2020；Wu 等人，2022，Wu 等人，2023）。
此外，还有一些努力试图确定触发分支的物理机制。Lalande 和 Mazur（2012）的数值模拟表明，触发分支的起始需要显著更高的电场。基于此，他们引入了 leader 尖端电压差作为分支的触发条件，并成功再现了一次闪电事件中观察到的正极 leader 分支。此外，移动-反转点范式提供了一个动态视角。反转点——即电晕-鞘层净电荷为零的位置——并不固定（Williams，2006；Iudin 等人，2022）。它的运动重新分配电荷并重塑局部电场（Iudin 等人，2025）。这一过程类似于河流网络中的沉积作用，有利于正极 leader 分支的初始出现（Williams 和 Heckman，2012；Iudin，2021；Iudin，2025）。
尽管自然闪电研究为正极 leader 分支的特性提供了重要见解，但它仍然面临重大挑战。这些挑战包括难以捕捉完整的分支过程、环境条件的不可控性以及有限的可重复性。作为回应，实验室实验已成为在受控条件下研究 leader 分支的重要工具。Zhao 等人（2016a，Zhao 等人，2016b）报告了分支与电流峰值之间的强相关性，强调了 leader 几何形状的时间响应。Kostinskiy 等人（2018）观察到在单次分支事件中既有连续分支也有阶梯式分支发展，这在定性上类似于闪电中报告的不对称模式（Warner 等人，2012）。Peng 等人（2024）证明，施加的电压越高，分支数量越多，这与更强电场促进分支的观点一致（Lalande 和 Mazur，2012）。总体而言，这些研究为正极 leader 分支提供了重要见解。然而，研究主要集中在分支的影响因素和分支发展的定性描述上。许多研究基于有限的数据集或单一事件。这导致缺乏对正极 leader 分支特性的系统量化——特别是分支形态、分支点的空间分布、分支演化以及相关的流光行为。这些空白阻碍了正极 leader 分支一般特性的推导。
为了解决这个问题，本研究对不同空气间隙长度下的正极 leader 分支事件进行了系统分析。本文的其余部分组织如下：第 2 节描述了实验设置和数据分析方法；第 3 节介绍了分支形态、发展模式、分支点的空间分布以及与分支相关的流光行为的统计分析；第 4 节将实验结果与自然闪电的观测结果进行了比较，并指出了本研究的局限性；第 5 节总结了主要发现。
实验设置和条件
为了研究正极 leader 分支的特性，使用标准开关脉冲电压在三种不同的间隙长度（即 2.5 米、6 米和 10 米）下进行了一系列击穿实验。为了更好地再现自然闪电中的正极 leader 放电，实验室实验通常更倾向于使用较长的空气间隙。然而，由于本研究中使用的 Marx 发生器的限制，最大可实现空气间隙为 10 米。尽管这个距离
Leader 分支的形态
类似地（Guo 和 Nijdam，2024），使用两个几何参数——分支角度和分支方向——来定量描述正极 leader 分支的形态。分支角度 θ，如图 3a 所示，定义为在 BP 处 MB 和 SB 之间的角度。分支方向 γ 和 δ，分别如图 3b 所示，描述了 MB 和 SB 在分支发生之前偏离 leader 通道轴的程度。注意样本计数
讨论
自然闪电和实验室火花具有几个共同特征，例如 leader 的形成和发展（Rakov 和 Uman，2003；Gallimberti 等人，2002）。考虑到这一点，我们首先将自然闪电中的 leader 分支角度与实验室放电中观察到的分支角度进行了比较。为此，我们分析了来自先前研究的数据（Mazur 和 Ruhnke，2011；Yuan 等人，2019；Wu 等人，
结论
本研究采用高分辨率光学诊断方法和系统的统计设计来研究长空气间隙中的正极 leader 分支。与早期的定性/偶发报告不同，我们测量了分支形态、生长动态、空间分布和分支前的流光活动。主要结论如下：
(1)正极 leader 分支在不同间隙长度下表现出高度的形态一致性。分支角度和方向都遵循近似的正态分布
作者贡献声明
郭丽丽：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，验证，监督，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。赵向根：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，概念化。王显康：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，调查。刘晓鹏：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，调查。姚瑶：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了中国香港特别行政区研究资助委员会（项目编号：GRF Project No. PolyU15209324，在 2024/25 财年资助）和湖北省自然科学基金，中国湖北省（项目编号：2024AFD220）的支持。作者感谢谢瑶恒博士（国家电网湖南特高压变电站公司）、谢世军博士（国家电网四川电力研究院）、谢培晓博士（国家电网湖南
