近日,中国科学技术大学雷久侯、祝宝友和陆高鹏教授团队在雷暴云顶向上放电及多圈层耦合方面取得重要进展。他们基于自主发展的地基闪电观测阵列,结合国际空间站搭载的高时空分辨率光学观测资料, 首次揭示了雷暴云顶放电的光学特征及其诱发的低电离层扰动特征,提出了利用天电信号来探测雷暴云顶放电现象和研究中高层大气耦合的新思路。相关研究成果于11月17日以“Optical emissions associated with narrow bipolar events from thunderstorm clouds penetrating into the stratosphere”为题发表于国际学术期刊《自然·通讯》上[Nature Communication, 12,6631 (2021)]。

对流层闪电可以在临近空间区域（20-100 km）诱发绚丽的中高层大气放电现象（如图1所示）, 根据其始发位置不同可以分为雷暴云顶型（蓝色喷流和巨大喷流等）和低电离层型（红环和红色精灵）。作为对流层向中高层大气区域物质和能量注入的重要一环, 在电离层-雷暴-晴天大气构成的全球电路中扮演着重要角色, 了解雷暴如何直接影响中高层大气和电离层区域,对认识地球不同圈层之间的耦合过程具有重要意义。

图1 中高层大气放电现象（https://spaceweathergallery.com/）

已有大量观测表明低电离层型放电主要是由对流层内强闪电产生的电场激发, 导致低电离层区域中性分子的电离和击穿效应。雷暴云顶型放电通常始发于雷暴过冲云顶和平流层区域, 会显著影响对流层顶附近的温室气体含量, 同时这一区域对水汽变化最为敏感, 作为气候系统中最重要的反馈之一,决定了地球大气中长波红外辐射的收支平衡。然而, 受限于传统观测手段,缺乏高时空分辨率的立体协同观测资料,关于其现象学特征的认识严重不足, 在学术界仍然存在诸多争议问题。

研究团队基于自主研发的混合长基线天电阵列, 结合搭载在国际空间站上的大气-空间相互作用光学探测器（ASIM）, 对雷暴过境期间发生在我国华南地区的强雷暴过程进行分析,首次发现了一类特殊的云顶放电信号负极性NBE总是伴随着蓝色337 nm光谱辐射,但不伴随着普通闪电的777.4 nm辐射（图2）, 这一明显区别于普通闪电的光学特征表明NBE独特的流光发展特性, 纠正了长期以来学术界关于NBE放电不发光的传统认知, 为利用空间光学手段评估闪电类型和监测强对流提供了有力判别依据。通过对负NBE电信号及其伴随的蓝色光谱信号进一步分析, 发现NBE峰值电流强度和蓝色光学信号峰值紧密相关, 提供了基于地基电场信号来遥感云顶放电现象的新探测思路。

图2云顶放电事件光谱成像以及伴随的负极性NBE电场波形

研究工作得到了审稿人的高度评价, 认为该工作对解决困扰闪电领域长久以来的科学问题和学科发展具有重要意义：“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”, 展现了混合长基线天电阵列对雷暴云顶细微放电的强大探测能力。经过十余年的自主发展和技术革新,混合长基线天电阵列已发展成为强对流天气及其中高层大气效应的实时探测平台,并成为欧空局ASIM项目亚太地区唯一合作的地基验证平台。随着我国空间站建设日益推进,本项工作可为将来自主搭载空间载荷探测对流层放电现象及圈层耦合奠定基础。

论文第一作者是中国科学技术大学博士后刘非凡, 通讯作者是中国科学技术大学雷久侯教授和祝宝友副教授,合作者包括中国科学技术大学陆高鹏教授, 中国气象科学研究院吕伟涛研究员和欧空局ASIM项目负责人Torsten Neubert教授等。该研究获得了科技部重点研发计划、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、子午工程高端用户培育项目、中科院B类先导、国家自然科学基金委重点等项目的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26914-4

（地球和空间科学学院、科研部）