中高层大气放电“光-电”同步观测及其产生机理研究

Transient Luminous Events (TLEs) are kinds of newly discovered (1989) brief large scale discharges which occur above thunderstorms. Relationships between TLEs,thunderstorms and lightning, and the physical process in TLEs themselves are unresolved hot front topics in the middle and upper atmosphere research. Multiple simultaneous observations,including low-light-level observations of TLEs, VLF/ELF radio atmospherics, Beijing lightning electric field change and radiation pulse detection network (BLNET), Beijing SAFIR3000 three dimensional lightning location system, the research 3 cm Doppler dual-polarization radar and lightning location network, will be conducted. Statistical morphological characteristics of TLEs and their time-space evolutions will be documented. Method of analysis of ELF information will be developed and will be used to get parent cloud-to-ground lightning (CG) （flahses that generate sprite）characteristic parameters, and relationship between TLEs and parent CGs will be obtained. Thunderstorm type,characteristics of thunderstorm dynamic meteorology and mircophysical structure,lightning activities, and meteorological conditions of TLEs-producing thunderstorms will be investigated. The ELF sferic characteristics,location and height of the charge transferred of parent CG in the thunderstorm will be obtained and its mechanism will be studied. The expected results not only have important scientific significance for studies of coupling between troposphere, middle atmosphere,ionosphere and even magnetosphere, but also have practical value for development of the near space.

中高层大气放电是1989年新发现的发生于雷暴云上方的一类大尺度瞬态放电现象，它们与对流层雷暴雷电的关系及其本身包含的物理过程，是中高层大气研究尚未解决的前沿热点问题。本项目拟以中高层放电光学观测、雷电极低频/甚低频辐射测量、北京地区闪电电场变化和辐射脉冲综合探测、北京SAFIR3000三维闪电定位、研究型3 cm多普勒双偏振雷达为基础,开展综合同步观测实验,揭示中高层放电形态统计特征与时空演变规律；发展由极低频辐射信息定量提取对流层母体雷电（产生中高层放电的雷电）放电参量的方法，研究中高层放电与母体雷电的关系；系统研究产生中高层放电的雷暴类型、雷暴动力微物理结构、雷电活动特征和气象条件；揭示母体雷电在雷暴云中的位置、转移电荷高度及其极低频辐射信息，研究中高层放电的产生机理。研究结果不仅对研究对流层-中层-电离层甚至磁层之间的耦合具有重要的科学意义，而且对临近空间的开发利用具有实际应用价值。

中高层大气放电是上世纪90年代新发现的一类发生在雷暴云上方的大尺度瞬态放电发光现象，由于中高层放电本身的复杂性及其在各大气层间耦合机制方面的重要科学意义和在临近空间开发利用中的实际应用价值，目前与中高层大气放电相关的科学问题已成为大气和空间电学研究的前沿和热点。本项目拟利用自主研制集成的中高层放电微光观测系统，基于野外观测试验获取的第一手观测资料，对中高层大气放电的形态特征及其时空演变规律；产生中高层大气放电的对流层雷暴特征、雷电活动规律等；中高层大气放电与母体雷电放电物理过程、放电特征参量等的关系，中高层放电的产生机理等内容展开研究。..经过4年精心组织的野外观测试验，获取了多次中高层放电光学以及相关的对流层雷暴、闪电等综合同步观测数据；基于获取的第一手观测资料，明确了红色精灵（sprites）的形态特征和时空尺度，发现红色精灵形态以圆柱状和胡萝卜状为主，持续时间一般为几十ms；发现了巨大喷流（gigantic jet）可以由弱对流（产生巨大喷流雷暴区域的云顶高度低于对流层顶高度）产生的新观测事实；揭示了产生巨大喷流的雷暴特征和演变规律，雷暴云内探空数据首次为巨大喷流产生机制的假设（雷暴上层存在较强的风切变）提供了观测证据；发现了4例不寻常光辐射事件，但没有找到它们与对流层闪电以及地球磁共轭点处闪电的联系；研究了产生红色精灵的雷暴和闪电活动规律，发现红色精灵多出现在雷暴成熟到消散阶段，伴随着闪电频数的下降，为红色精灵的预警预报奠定了观测事实基础；研究了红色精灵与雷暴结构、母体闪电放电物理过程、放电参量等的联系及其产生机理，发现绝大多数红色精灵是由对流层正地闪和可能存在的连续电流共同产生的，红色精灵多出现在正地闪的连续电流阶段。红色精灵也可能由两个独立的正地闪共同产生。..经过4年的野外观测试验，获取了一批中高层大气放电综合同步观测资料，为我国临近空间的开发利用和飞行器的安全运行提供第一手重要基础实验数据。由于某些类型的中高层大气放电穿过多个大气层，因此，对中高层大气放电的研究，对于认识对流层、平流层、中间层甚至磁层之间的耦合机制具有重要的科学意义。同时，由于中高层放电本身的复杂性以及它们与对流层雷暴和闪电活动规律之间关系的复杂性，对中高层放电的研究，有助于深入对中高层放电产生机理这些基本科学问题的认识。