近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)雷久侯、祝寶友和陸高鵬教授團(tuán)隊(duì)在雷暴云頂向上放電及多圈層耦合方面取得重要進(jìn)展。他們基于自主發(fā)展的地基閃電觀測陣列,結(jié)合國際空間站搭載的高時空分辨率光學(xué)觀測資料, 首次揭示了雷暴云頂放電的光學(xué)特征及其誘發(fā)的低電離層擾動特征,提出了利用天電信號來探測雷暴云頂放電現(xiàn)象和研究中高層大氣耦合的新思路。相關(guān)研究成果于11月17日以“Optical emissions associated with narrow bipolar events from thunderstorm clouds penetrating into the stratosphere”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上[Nature Communication, 12,6631 (2021)]。

對流層閃電可以在臨近空間區(qū)域（20-100 km）誘發(fā)絢麗的中高層大氣放電現(xiàn)象（如圖1所示）, 根據(jù)其始發(fā)位置不同可以分為雷暴云頂型（藍(lán)色噴流和巨大噴流等）和低電離層型（紅環(huán)和紅色精靈）。作為對流層向中高層大氣區(qū)域物質(zhì)和能量注入的重要一環(huán), 在電離層-雷暴-晴天大氣構(gòu)成的全球電路中扮演著重要角色, 了解雷暴如何直接影響中高層大氣和電離層區(qū)域,對認(rèn)識地球不同圈層之間的耦合過程具有重要意義。

圖1 中高層大氣放電現(xiàn)象（https://spaceweathergallery.com/）

已有大量觀測表明低電離層型放電主要是由對流層內(nèi)強(qiáng)閃電產(chǎn)生的電場激發(fā), 導(dǎo)致低電離層區(qū)域中性分子的電離和擊穿效應(yīng)。雷暴云頂型放電通常始發(fā)于雷暴過沖云頂和平流層區(qū)域, 會顯著影響對流層頂附近的溫室氣體含量, 同時這一區(qū)域?qū)λ兓顬槊舾? 作為氣候系統(tǒng)中最重要的反饋之一,決定了地球大氣中長波紅外輻射的收支平衡。然而, 受限于傳統(tǒng)觀測手段,缺乏高時空分辨率的立體協(xié)同觀測資料,關(guān)于其現(xiàn)象學(xué)特征的認(rèn)識嚴(yán)重不足, 在學(xué)術(shù)界仍然存在諸多爭議問題。

研究團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的混合長基線天電陣列, 結(jié)合搭載在國際空間站上的大氣-空間相互作用光學(xué)探測器（ASIM）, 對雷暴過境期間發(fā)生在我國華南地區(qū)的強(qiáng)雷暴過程進(jìn)行分析,首次發(fā)現(xiàn)了一類特殊的云頂放電信號負(fù)極性NBE總是伴隨著藍(lán)色337 nm光譜輻射,但不伴隨著普通閃電的777.4 nm輻射（圖2）, 這一明顯區(qū)別于普通閃電的光學(xué)特征表明NBE獨(dú)特的流光發(fā)展特性, 糾正了長期以來學(xué)術(shù)界關(guān)于NBE放電不發(fā)光的傳統(tǒng)認(rèn)知, 為利用空間光學(xué)手段評估閃電類型和監(jiān)測強(qiáng)對流提供了有力判別依據(jù)。通過對負(fù)NBE電信號及其伴隨的藍(lán)色光譜信號進(jìn)一步分析, 發(fā)現(xiàn)NBE峰值電流強(qiáng)度和藍(lán)色光學(xué)信號峰值緊密相關(guān), 提供了基于地基電場信號來遙感云頂放電現(xiàn)象的新探測思路。

圖2云頂放電事件光譜成像以及伴隨的負(fù)極性NBE電場波形

研究工作得到了審稿人的高度評價, 認(rèn)為該工作對解決困擾閃電領(lǐng)域長久以來的科學(xué)問題和學(xué)科發(fā)展具有重要意義：“This is a good paper which reports new results addressing a long-standing puzzle in lightning science. The observations of emissions from the tops of thunderclouds is not only impressive but is also tremendously important for the research”, 展現(xiàn)了混合長基線天電陣列對雷暴云頂細(xì)微放電的強(qiáng)大探測能力。經(jīng)過十余年的自主發(fā)展和技術(shù)革新,混合長基線天電陣列已發(fā)展成為強(qiáng)對流天氣及其中高層大氣效應(yīng)的實(shí)時探測平臺,并成為歐空局ASIM項(xiàng)目亞太地區(qū)唯一合作的地基驗(yàn)證平臺。隨著我國空間站建設(shè)日益推進(jìn),本項(xiàng)工作可為將來自主搭載空間載荷探測對流層放電現(xiàn)象及圈層耦合奠定基礎(chǔ)。

論文第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后劉非凡, 通訊作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)雷久侯教授和祝寶友副教授,合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸高鵬教授, 中國氣象科學(xué)研究院呂偉濤研究員和歐空局ASIM項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Torsten Neubert教授等。該研究獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、子午工程高端用戶培育項(xiàng)目、中科院B類先導(dǎo)、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26914-4

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77546.htm

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