闪电形态学特征对回击脉冲电荷传输强度的影响研究

After the onset inside the parent thunderstorm, the subsequent spatial development of lightning has a considerable influence on the strength of impulsive cloud-to-ground (CG) charge transfer, and further affects the impact of lightning on the middle atmosphere and the specific form. The analysis on the morphological characteristics of parent lightning for the positive and negative polarity red sprites indicates that, the development of horizontal lightning channels prior to the CG stroke enhances the impulsive charge transfer from in-cloud charge reservoir to the ground. In particular, for the hybrid intracloud-CG lightning and "bolt-from-the-blue" lightning as the main candidates for negative sprite production, both develop the relatively long horizontal paths in the upper part positive charge region of thunderclouds. On the basis of lightning effects research platform, by conducting the low-light-level optical observation from multiple stations in East China, we will deploy several low-frequency magnetic stations around Lake Taihu as the key research area and obtain the three-dimensional structure of lightning flashes to study the temporal and spatial correlation between red sprites and their parent lightning. By combining the remote sensing measurement of impulse charge transfer based on the ultra-low frequency magnetic field, we will analyze the influence of lightning morphology on the strength and duration of impulse charge transfer, and further examine the evolution rules of impulse charge transfer during the lifetime of different types of thunderstorms (such as ordinary single-cell storms, supercell storms, and mesoscale convective systems) in East China.

在闪电于雷暴体内部始发之后，其后继空间发展特征对地闪过程的脉冲电荷释放有着重要的影响，进而影响地闪放电对中层大气空间环境影响的程度和具体表现形式。对正、负极性红色精灵母体闪电的形态特征分析表明，地闪之前的云内水平通道在一定程度上增强了后继的云-地脉冲电荷传输，尤其是混合型的云闪-负地闪和“晴天霹雳”负地闪，这两种类型的负地闪均在雷暴云上部正电荷区中发展了较长的水平通道，因而可能产生负极性红色精灵。在闪电近地空间效应研究平台的基础上，通过在华东地区开展多站的低光度光学观测，并以太湖周边为重点研究区域架设多个低频磁场测量站点开展闪电的三维成像研究红色精灵与母体闪电之间的时空相关性。结合基于超低频磁场测量的脉冲电流遥感测量，我们拟分析闪电形态特征对地闪脉冲电荷传输强度及持续时间的影响，进而研究华东地区不同类型雷暴（如单体雷暴、超级单体和中尺度对流系统等）生命周期中地闪脉冲电荷传输强度的演变规律。

项目拟研究雷暴中闪电始发后其空间发展特征对地闪回击脉冲电荷强度的影响，这直接关系到地闪放电在临近空间环境中引起的中高层放电形态。通过对北美地区高速光学观测获得的两例正极性红色精灵事件进行同步的低频磁场数据定量反演分析，发现对地电荷传输的时间尺度在很大程度上影响了中高层放电的具体形态（包括光晕的形成及其到流光部分的转化等）。雷暴的尺度（尤其是其内部正电荷分布区域的大小）有效的限制了对地电荷释放的时间尺度，这导致在赤道马六甲地区观测到的多个正极性红色精灵尺度比中纬度地区观测到的事件均较小。另一方面，负极性地闪回击的脉冲连续电流时间尺度均较小，导致其产生的中高层放电现象主要体现为光晕现象，且出现流光部分放光时也较为局限。通过对ISUAL卫星平台在2004-2015年期间获得的观测数据，这样的强负地闪在海洋雷暴中较为常见（并且在青藏高原南麓地区似乎也较为频繁，这有待于后续地基观测进一步证实），且经常伴随巨大喷流现象，表明这两种现象都同雷暴云内较大的负极性电荷分布有关。ISUAL在南美地区获得的一次反常明亮负极性红色精灵个例则从另外一个局角度证实了地闪回击时间尺度对红色精灵形态的影响：此次事件的负极性母体闪电回击时间尺度是正常观测个例的两倍左右，而该红色精灵则体现出之前未曾观测到的较强亮度和“精灵电流”信号。此外，利用机器学习的方法，我们对2014-2015年期间ISUAL在全球获得的红色精灵事件进行了分析，获得了全球的正负极性红色精灵分布特征。项目期间通过不同平台面向广大中小学生多次做了以“雷暴与临近空间”为主题的科普报告，增进了大众对圈层耦合研究的认识，并接触到国内中高层放电观测爱好者，获得了华南地区大量地基观测数据，为后续研究提供了良好的条件。