近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)雷久侯教授、祝寶友教授和劉非凡副教授團(tuán)隊(duì)在云頂放電產(chǎn)生機(jī)理方面取得新認(rèn)識(shí)。團(tuán)隊(duì)基于自主研制的地基閃電觀測(cè)陣列，發(fā)現(xiàn)云頂放電存在極性競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，提出了主導(dǎo)云頂放電產(chǎn)生的新概念模型。相關(guān)研究成果以“Polarity transitions of narrow bipolar eventsin thundercloud tops reaching the lower stratosphere”為題發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》[Nat. Commun，2024]。
云頂放電是一類發(fā)生在穿透性過沖云頂附近的藍(lán)色放電現(xiàn)象，作為對(duì)流層雷暴向平流層及中高層大氣物質(zhì)和能量注入重要一環(huán)，這類放電可以直接改變平流層區(qū)域的氮氧化物和臭氧等溫室氣體含量，間接影響地球大氣中長(zhǎng)波紅外輻射的收支平衡，最新研究表明這類放電能在低電離層80-90千米高度誘發(fā)大尺度光學(xué)擾動(dòng)現(xiàn)象（圖1）。因此，探究其產(chǎn)生機(jī)理對(duì)認(rèn)識(shí)雷暴在圈層耦合中所扮演的角色具有重要意義。
圖1 云頂放電誘發(fā)大尺度低電離層擾動(dòng)示意圖
傳統(tǒng)理論模式認(rèn)為，云頂放電是由普通閃電誘發(fā)的云內(nèi)電荷不平衡所導(dǎo)致。然而，由于受到云層遮擋和嚴(yán)重的瑞利散射，學(xué)術(shù)界對(duì)該類放電事件的觀測(cè)研究還相當(dāng)不充分，關(guān)于其始發(fā)閃電源及產(chǎn)生機(jī)理尚存在較大爭(zhēng)議，引發(fā)學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。為此，歐空局ESA和美國(guó)宇航局NASA相繼在國(guó)際空間站和地球同步靜止衛(wèi)星上搭載光譜和射頻探測(cè)器，開展針對(duì)雷暴云頂放電的連續(xù)成像和多譜段觀測(cè)試驗(yàn)，同時(shí)期望聯(lián)合地基閃電觀測(cè)陣列，探究其始發(fā)機(jī)理以及對(duì)中高層大氣的影響。研究團(tuán)隊(duì)圍繞云頂放電產(chǎn)生機(jī)理及其圈層耦合效應(yīng)，開展了系統(tǒng)性研究工作, 在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了云頂放電和一類具有明顯低電離層反射對(duì)的雙極性窄脈沖NBE事件物理同源，提出了基于電學(xué)信號(hào)遙感云頂放電的新思路 [GRL，2018；Nat. Commun，2021]，為進(jìn)一步揭示云頂放電產(chǎn)生機(jī)理提供了可能。
近期，研究團(tuán)隊(duì)基于自主研制的新一代地基閃電觀測(cè)平臺(tái), 利用閃電低頻信號(hào)通過電離層反射的信息，觀測(cè)到臺(tái)風(fēng)登陸期間發(fā)生在外雨帶云頂?shù)腘BE爆發(fā)現(xiàn)象，首次發(fā)現(xiàn)云頂不同極性NBE之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的“競(jìng)爭(zhēng)性”關(guān)系。對(duì)表征云內(nèi)對(duì)流發(fā)展的雷達(dá)資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明，過沖云中對(duì)流發(fā)展階段對(duì)云頂放電的產(chǎn)生起到主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為爆發(fā)性正NBE總是發(fā)生在過沖云的對(duì)流抬升階段，而云頂負(fù)NBE通常爆發(fā)性產(chǎn)生在過沖云的對(duì)流下沉階段，并總伴隨著平流層“云上卷云”的形成。進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)從云內(nèi)對(duì)流發(fā)展的角度出發(fā)，提出了對(duì)流強(qiáng)度主導(dǎo)云頂放電產(chǎn)生的新概念模型，即對(duì)流抬升程度所調(diào)制的不同電荷層高度變化主導(dǎo)了云頂放電的產(chǎn)生（圖2）。
該研究成果為云頂放電的產(chǎn)生機(jī)理提供了一種新視角，為后續(xù)評(píng)估云頂放電的全球發(fā)生率及其導(dǎo)致的平流層化學(xué)擾動(dòng)提供了可能，為進(jìn)一步探究云頂放電對(duì)中高層大氣和低電離層影響奠定了基礎(chǔ)。
圖2 對(duì)流程度所主導(dǎo)的云頂放電誘發(fā)機(jī)制新概念模型
論文第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授劉非凡，通訊作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)雷久侯教授和祝寶友教授，合作者包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸高鵬教授，南京氣象科技創(chuàng)新研究院呂偉濤研究員、呂凡超副研究員，和丹麥技術(shù)大學(xué)Torsten Neubert教授團(tuán)隊(duì)等。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)和中國(guó)氣象科學(xué)研究院專項(xiàng)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51705-y
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）
