我國大氣電學(xué)研究的最新進(jìn)展

郄秀書 朱江皖 底紹軒 駱爍名 黃子凡 劉冬霞 張鴻波 袁善鋒 劉明遠(yuǎn) 孫竹玲 徐晨 孫春發(fā) 王東方 蔣如斌 楊靜

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LAGEO), 北京 100029

2 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

1 引言

大氣電學(xué)是大氣科學(xué)的重要分支學(xué)科，主要研究地球大氣和近地空間發(fā)生的電學(xué)過程及其機(jī)制和影響，包括雷電物理和影響、雷暴電學(xué)、雷電氣象學(xué)和氣候?qū)W、以及晴天大氣電現(xiàn)象等研究?jī)?nèi)容。雷電作為自然界中的一種長(zhǎng)距離放電現(xiàn)象，不僅是重要的大氣物理過程，也是常與短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)和龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣災(zāi)害相伴生的一種嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，對(duì)人類生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。得益于近年來高時(shí)空分辨率雷電探測(cè)定位技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，近十年來我國大氣電學(xué)研究取得了顯著成果，特別是在雷電物理和雷電氣象學(xué)研究方面取得了重要進(jìn)展（Qie and Zhang, 2019; Lyu et al., 2023）。

雷暴不僅在對(duì)流層產(chǎn)生我們熟知的雷電，也在雷暴云上方誘發(fā)中高層大氣放電事件，并通過深對(duì)流對(duì)水物質(zhì)的直接輸送和重力波等影響近地空間的大氣環(huán)境。雷電還是對(duì)流層中氮氧化物（NOx）的唯一自然來源，對(duì)對(duì)流層上部的大氣氧化能力以及對(duì)流層大氣化學(xué)具有一定影響。此外，雷電也常引發(fā)野火和森林火災(zāi)，進(jìn)而影響生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化。因此，近年來的大氣電學(xué)研究已經(jīng)大大拓展了傳統(tǒng)的研究范疇，并與空間科學(xué)、高能物理等多個(gè)領(lǐng)域開展了交叉科學(xué)研究。

本文對(duì)近五年來我國大氣電學(xué)領(lǐng)域取得的主要研究成果進(jìn)行回顧，內(nèi)容包括以下六個(gè)方面：高精度雷電探測(cè)和定位技術(shù)、雷電物理過程和機(jī)制、雷暴對(duì)中上層大氣的影響、雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和數(shù)值模擬、強(qiáng)對(duì)流天氣的雷電特征與預(yù)報(bào)、以及雷電對(duì)氣候變化的影響與響應(yīng)等。最后，對(duì)大氣電學(xué)未來發(fā)展進(jìn)行展望。

2 高精度雷電探測(cè)和定位技術(shù)

高時(shí)空分辨率雷電精細(xì)化探測(cè)是認(rèn)識(shí)和研究雷電的重要手段和基礎(chǔ)。雷電產(chǎn)生的寬頻帶電磁輻射既是認(rèn)識(shí)雷電物理過程的主要研究對(duì)象，也為雷電探測(cè)和雷電定位提供了豐富的信號(hào)源。目前對(duì)雷電的探測(cè)主要是通過探測(cè)不同頻段的電磁波和光輻射來開展，高時(shí)間分辨率的雷電精細(xì)定位是當(dāng)前雷電探測(cè)的核心和發(fā)展方向。雷電定位的目的是確定雷電發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度，目前雷電定位技術(shù)已經(jīng)從1980 年代開始的地閃回?fù)袈涞攸c(diǎn)的定位，發(fā)展到具有放電過程和通道可分辨的定位能力。本節(jié)主要介紹在雷電高精度定位技術(shù)和雷暴云內(nèi)電場(chǎng)探空技術(shù)等方面的進(jìn)展。

2.1 基于低頻/甚低頻信號(hào)的研究型雷電定位技術(shù)

基于低頻/甚低頻（LF/VLF，Low Frequency/Very Low Frequency）信號(hào)的雷電定位技術(shù)具有衰減小、探測(cè)距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可用于大范圍內(nèi)的雷電定位。LF/VLF 信號(hào)雖然在傳播過程中衰減小，但該頻段由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，定位精度相對(duì)較低，因此針對(duì)雷電研究的需要，如何在該頻段提升雷電定位的精度和準(zhǔn)確度是一個(gè)重要問題。

中國科學(xué)院大氣物理研究所2008 年開始自主開發(fā)了寬頻段雷電定位網(wǎng)（Beijing Lightning Network，BLNET），從當(dāng)初的8 個(gè)測(cè)站，逐步發(fā)展到目前的22 個(gè)測(cè)臺(tái)，站間距離20～40 km，覆蓋了京津冀大部分地區(qū)，每個(gè)臺(tái)站都部署了快天線、慢天線，部分臺(tái)站同時(shí)還安裝了磁天線和甚高頻（Very High Frequency，VHF）傳 感 器。BLNET采用到達(dá)時(shí)間差（Time Of Arrival, TOA）的定位原理，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷暴過程中雷電全閃（地閃和云閃）輻射源的三維實(shí)時(shí)定位，全閃探測(cè)效率可達(dá)93.2%（ Wang et al., 2016； Srivastava et al.,2017），還可以精細(xì)定位給出云閃和地閃的三維放電通道結(jié)構(gòu)（王東方等, 2020；Yuan et al., 2020）。同時(shí)，在位于山東濱州的人工引雷實(shí)驗(yàn)基地周圍也建立了低頻輻射源三維雷電定位網(wǎng)（VLF-LMS，Very Low Frequency-Lightning Mapping System），采用快天線、dE/dt和磁天線三種低頻傳感器，通過對(duì)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和噪聲脈沖分析，既保證了數(shù)據(jù)采集的高效穩(wěn)定，也有效解決了背景噪聲對(duì)雷電輻射源三維定位的干擾（Ma et al., 2021）。通過研發(fā)基于到達(dá)時(shí)間差原理和相位差原理的多種定位算法，包括Chan 與基于Tent 映射多尺度變異粒子的雙群粒子群（Chan-DPSO，Chan-Discrete Particle Swarm Optimization）相結(jié)合的定位算法、Chan 氏算法與局部三維尋優(yōu)結(jié)合定位算法等，實(shí)現(xiàn)了雷電云內(nèi)放電的高精度三維成像，基于人工引發(fā)雷電放電通道得到的定位精度約為100 m。

京津冀和山東北部的兩個(gè)精細(xì)雷電定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，構(gòu)成了華北地區(qū)雷電全閃局域定位網(wǎng)（NCLLN，North China Lightning Location Network），用于雷暴尺度上的雷電活動(dòng)特征研究以及強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；在北京和山東北部可分別進(jìn)行放電通道可分辨的高時(shí)空分辨率雷電放電過程的精細(xì)定位，用于雷電物理研究。圖1 給出了一次云閃放電過程的三維低頻輻射源定位結(jié)果，可以明顯分辨出雷電通道隨時(shí)間的發(fā)展演化和清晰的通道分叉。圖1a 和圖1b 中還可以清晰地看到雷電在云內(nèi)的分層發(fā)展，上部對(duì)應(yīng)正電荷區(qū)，下部對(duì)應(yīng)負(fù)電荷區(qū)。

圖1 山東人工引雷實(shí)驗(yàn)基地周圍布設(shè)的VLF-LMS 給出的一次地閃放電過程的低頻輻射源三維定位結(jié)果：（a）輻射源高度（彩色點(diǎn)）和電場(chǎng)（黑色波形）隨時(shí)間的演化，彩色點(diǎn)從藍(lán)色到紅色代表時(shí)間演化；（b）輻射源在東西方向立面投影；（c）輻射源在水平面上的投影；（d）輻射源隨高度的分布；（e）輻射源在南北方向上的立面投影。Fig.1 Three-dimensional localization results of the low-frequency radiation source during one ground flash discharge given by the VLF-LMS (Very Low Frequency-Lightning Mapping System) deployed around the Shandong Triggering Lightning Experiment: (a) Evolution of radiation source height(color dots) and electric field (black waveform) with time, color dots from blue to red represent time evolution; (b) projection of radiation source in the east-west direction in the elevation; (c) projection of radiation source in the horizontal plane; (d) distribution of radiation source with height;(e) projection of radiation source in the north-south direction in the elevation.

中國氣象科學(xué)研究院在廣東雷電野外實(shí)驗(yàn)基地部署了低頻電場(chǎng)探測(cè)陣列（Low-Frequency Electric Field Detection Array，LEFDA），用于廣東地區(qū)的雷電觀測(cè)和研究，通過處理后的波形進(jìn)行定位，獲得雷電放電過程的三維精細(xì)定位結(jié)果，定位精度在百米左右。Chen et al.（2019a）基于LEFDA 的快電場(chǎng)波形，將時(shí)間反演技術(shù)引入雷電三維定位算法當(dāng)中，與傳統(tǒng)的時(shí)間到達(dá)法相比，該方法具有一定的抗干擾能力，并且只需要4 個(gè)測(cè)站參與定位。Fan et al.（2021a）在LEFDA 所獲取的電場(chǎng)波形處理中應(yīng)用了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）技術(shù)，可以在LF/VLF 頻段提高時(shí)間到達(dá)法的探測(cè)能力，將改進(jìn)后的EMD技術(shù)引入LF/VLF 電場(chǎng)信號(hào)的處理和雷電定位當(dāng)中，提出了一種雙面雙向鏡（Double-sided bidirectional mirror，DBM）技術(shù)來克服EMD 的端點(diǎn)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了低頻濾波和高頻降噪，大大提高仿真信號(hào)的精度。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在江淮地區(qū)建立了一個(gè)混合長(zhǎng)基線江淮天電探測(cè)陣列，2019 年以來該探測(cè)網(wǎng)絡(luò)已有13 個(gè)測(cè)站，基線距離從百公里到上千公里，該定位系統(tǒng)采用GPU 并行處理技術(shù)，具有實(shí)時(shí)定位能力，除了觀測(cè)雙極性窄脈沖事件（Narrow Bipolar Event，NBE）之外，同時(shí)也用于對(duì)我國東部沿海地區(qū)的大尺度的雷暴過程進(jìn)行雷電定位（Liu et al., 2021c）。

南京信息工程大學(xué)在全國范圍內(nèi)建立了VLF（5～30 kHz）廣域雷電定位網(wǎng)絡(luò)，各站以1 MHz的采樣率連續(xù)采集雷電電磁場(chǎng)輻射信號(hào)，并將大于閾值的原始波形資料傳輸至中心站進(jìn)行處理和定位。該系統(tǒng)通過提取雷電電磁波球面地波峰值點(diǎn)的方法，并與等效傳播速度法相結(jié)合進(jìn)行雷電定位，探測(cè)半徑達(dá)3000 km，可對(duì)中國及周邊地區(qū)的雷電活動(dòng)進(jìn)行大范圍探測(cè)（Li et al., 2022）。為了提高該探測(cè)系統(tǒng)的精度，Zhang et al.（2022a）進(jìn)一步提出了一種補(bǔ)償?shù)夭▊鞑パ舆t的方法，Dai et al.（2022）提出了一種改進(jìn)后的經(jīng)驗(yàn)小波方法（Modified Empirical Wavelet Transform，MEWT），可以處理不同頻率的雷電信號(hào)，同時(shí)對(duì)500～3500 km 的雷電VLF 信號(hào)也有降噪效果。

此外，解放軍理工大學(xué)也建立了基于LF 的閃電定位系統(tǒng)，并將頻域時(shí)間反轉(zhuǎn)法（Time-Reversal Approach In The Frequency Domain, TRFD）應(yīng)用于閃電輻射源定位中，通過多個(gè)個(gè)例分析表明，該定位方法所給出的結(jié)果比TOA 方法給出的結(jié)果更細(xì)致連續(xù)（Liu et al., 2020a）。

近兩年，一些新的定位算法不斷被提出，例如，Wang et al.（2021d）將Pearson 相關(guān)算法與EMD相結(jié)合進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間脈沖序列的電場(chǎng)脈沖匹配，提高了雷電脈沖匹配的精度，定位結(jié)果精度和質(zhì)量顯著提高。Wang et al.（2021c）提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的波形編碼特征匹配方法，提高了匹配效率和定位速度，同時(shí)也具有更好的精細(xì)定位能力和抗干擾能力。

2.2 基于VHF 頻段的雷電定位技術(shù)

基于VLF/LF 輻射信號(hào)的定位技術(shù)雖然也實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電放電通道的分辨能力，但VHF 信號(hào)由于可對(duì)一些小尺度的空氣擊穿放電事件進(jìn)行探測(cè)，具有以高時(shí)空分辨率對(duì)雷電放電通道精細(xì)定位的優(yōu)勢(shì)。近幾年VHF 閃電定位技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在不同定位算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)在雷電干涉儀的應(yīng)用方面。

Wang et al.（2018b）將 電 磁 時(shí) 間 反 轉(zhuǎn) 技 術(shù)（Electromagnetic Time Reversal, EMTR）應(yīng) 用 到VHF 寬帶干涉儀定位中，基于陣列信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)理論和時(shí)間反轉(zhuǎn)原理，提高了閃電的先導(dǎo)—回?fù)暨^程定位的時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性，并對(duì)弱輻射源定位具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提出了一種雷電VHF干涉儀定位的多重信號(hào)分類算法，提高了對(duì)放電過程的定位質(zhì)量（Wang et al., 2020）。Li et al.（2021a）針對(duì)雷電VHF 寬帶干涉儀，開發(fā)了一種結(jié)合到達(dá)時(shí)間差技術(shù)（Time Difference Of Arrival，TDOA）和EMTR 技術(shù)的雷電通道成像混合算法，稱為TDOA-EMTR，基于FFT（Fast Fourier transform）頻譜分析去除每個(gè)時(shí)間窗口的低功率頻率點(diǎn)，可以對(duì)輻射強(qiáng)度較弱的信號(hào)和雷電分支通道上同時(shí)產(chǎn)生的多個(gè)輻射信號(hào)進(jìn)行有效定位，定位效率可提高3～4 倍。Liu et al.（2020b）將波形相互交叉相關(guān)方法應(yīng)用于VHF 閃電探測(cè)中，在小的時(shí)間窗口（10 μs）中使用原始波形的希爾伯特變換和三步互相關(guān)解析方法計(jì)算時(shí)間差，使得閃電通道定位的連續(xù)性得到改善。Fan et al.（2023）提出了一種基于脈沖匹配和峰值提取的雷電定位方法，通過使用集合EMD 方法優(yōu)化干涉儀原始VHF 數(shù)據(jù)，以帶通濾波對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行質(zhì)控，從而僅保留40～80 MHz 的相對(duì)高頻分量，并通過主窗口和輔助窗口結(jié)合，利用廣義互相關(guān)實(shí)現(xiàn)了不同天線波形的匹配。在微尺度窗口（11 ns）中，脈沖信號(hào)被進(jìn)一步精確匹配，并且在閾值和相似性約束下計(jì)算到達(dá)時(shí)間差。最后，利用非線性最小二乘法得到了匹配脈沖輻射源的二維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的“質(zhì)心”方法定位結(jié)果相比，定位的輻射源數(shù)量可增加10～100 倍。對(duì)于工作在20～88 MHz 頻率范圍采樣率為180 MHz干涉儀，得到的定位結(jié)果辨率可提高到10 ns。Sun et al.（2022）基于距離10 km 的雙站雷電寬帶VHF干涉儀，提出了一種基于三角形交匯法的三維定位方法，圖2 是基于這種方法得到一次云閃和地閃混合型雷電的三維定位結(jié)果。三維定位效果在很大程度上取決于單站干涉儀的二維定位結(jié)果以及雙站的同步時(shí)間精度。這種三維定位方法所需站點(diǎn)數(shù)少，可以作為雷電三維精細(xì)定位的補(bǔ)充。Chen et al.（2022b）分析了干涉儀系統(tǒng)對(duì)近距離輻射源的定位誤差，提出了對(duì)特定近距離輻射源定位誤差的標(biāo)定方法，當(dāng)上行正先導(dǎo)初始階段的仰角分別為40°和60°時(shí)，標(biāo)定后的高程定位誤差可分別減小約11 m和20 m。Yuan et al.（2023）提出了非共面天線陣列的定位算法，分析了時(shí)間不確定性對(duì)定位結(jié)果的影響，并提供了一種校準(zhǔn)方法，在考慮角度不確定性的理論分布后，非共面配置可以顯著提高地平線附近的高程不確定性和天頂附近的方位不確定性。

圖2 雙站VHF 寬帶干涉儀二維定位結(jié)果交匯得到的一次雙接地點(diǎn)地閃的三維定位結(jié)果。色標(biāo)代表時(shí)間演化，紅色和紫色點(diǎn)表示未開始的云內(nèi)放電通道，藍(lán)色和綠色點(diǎn)表示接地通道，黃色點(diǎn)表示結(jié)束階段的云內(nèi)發(fā)展通道，兩個(gè)*號(hào)表示地閃的兩個(gè)擊地點(diǎn)。Fig.2 Three-dimensional positioning results of a cloud-to-ground flash which has two striking points, obtained by intersecting the two-station VHF(Very High Frequency) broadband interferometer two-dimensional positioning results.The color bar represents the time evolution.The red and purple dots represent the unstarted in-cloud discharge channel, the blue and green dots represent the grounding channel, yellow dots represent the in-cloud development channel at the end stage, and the two marks “*” indicate the two striking points of the ground flash.

2.3 星載光學(xué)雷電探測(cè)技術(shù)

天基雷電觀測(cè)可以在大空間范圍連續(xù)觀測(cè)，可以彌補(bǔ)地基探測(cè)在山區(qū)以及海洋上覆蓋不足的問題，但由于星載探測(cè)通常是光學(xué)傳感器，白天受到太陽輻射影響，而且觀測(cè)距離遠(yuǎn)在幾百甚至幾萬公里，因此探測(cè)效率的提高是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

中國于2016 年底發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)A 星（FengYun-4A，F(xiàn)Y4A）靜止衛(wèi)星搭載了包括雷電成像儀（Lightning Mapping Imager，LMI）在內(nèi)的多個(gè)氣象探測(cè)類儀器，LMI 是中國衛(wèi)星歷史上第一臺(tái)用于雷電探測(cè)的儀器，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)中國地區(qū)的總閃活動(dòng)，為強(qiáng)風(fēng)暴的早期預(yù)警提供預(yù)警信息，在雷電探測(cè)領(lǐng)域和極端天氣預(yù)警預(yù)報(bào)領(lǐng)域均具有重要意義。

Cao et al.（2021）比較了LMI 與國際空間站上搭載的雷電成像儀（Lightning Imaging Sensor on the International Space Station，ISS-LIS）所探測(cè)到的雷電光學(xué)特性和空間分布的差別，發(fā)現(xiàn)LMI 探測(cè)到的雷電密度峰值分布與ISS-LIS 一致，但是觀測(cè)到的雷電次數(shù)少，持續(xù)時(shí)間短。Chen et al.（2021）結(jié)合BLNET 資料對(duì)北京地區(qū)的多對(duì)流過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，LMI 與BLNET 所探測(cè)到的雷電空間分布基本一致，但是LMI 探測(cè)到的雷電數(shù)量比BLNET少一個(gè)數(shù)量級(jí)，云層的遮擋對(duì)LMI 的探測(cè)能力影響較大，但LMI 在西部山區(qū)較地基雷電定位網(wǎng)具有較好的雷電探測(cè)能力。Liu et al.（2021e）利用中國氣象局地閃定位資料（CNLDN）與LMI 資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)LMI 探測(cè)效率對(duì)雷電流幅值有一定的依賴性，LMI 對(duì)孤立雷暴的水平定位誤差約為15 km。

LMI 根據(jù)雷電的光學(xué)瞬變特性進(jìn)行雷電探測(cè)，而白天太陽光照較強(qiáng)，對(duì)LMI 的探測(cè)效率有較大影響。Sun et al.（2021a）利用在海南地區(qū)的地閃定位資料，系統(tǒng)評(píng)估了晝夜因素對(duì)LMI 探測(cè)性能的影響，發(fā)現(xiàn)LMI 白天探測(cè)效率比夜間低20.4%～35.5%，比雷電成像儀/光學(xué)瞬態(tài)探測(cè)器（Lightning Imaging Sensors/Optical Transient Detectors， LIS/OTD）和地球同步雷電成像儀（Geostationary Lightning Mapper，GLM）探測(cè)效率都要低，由于白天的背景輻射能量密度（Radiative Energy Density，RED）比夜間大的多，除了一些RED 極強(qiáng)的雷電簇外，很多雷電有可能在數(shù)據(jù)處理時(shí)被濾掉。Chen et al.（2021）對(duì)北京地區(qū)的分析也發(fā)現(xiàn)LMI 在白天探測(cè)效率較低。Li et al.（2021c）提出了一種新的移動(dòng)放大匹配算法，同樣也發(fā)現(xiàn)LMI 在白天探測(cè)效率較低。

Hui et al.（2020）研究了青藏高原地區(qū)雷電的光輻射特征對(duì)LMI 探測(cè)能力的影響，發(fā)現(xiàn)青藏高原地區(qū)雷電的輻射弱、生命周期短和輻射區(qū)域小等特征，因此在高原上，LMI 雷電探測(cè)效率更低。但是Zhang et al.（2020c）結(jié)合全球雷電定位網(wǎng)（World Wide Lightning Location Network，WWLLN）對(duì)LMI 探測(cè)效率的評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，LMI 對(duì)于諸如臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的云閃探測(cè)效率和準(zhǔn)確度均較高。針對(duì)云頂高度影響衛(wèi)星閃電探測(cè)定位精度的問題，Zhang et al.（2023a）利用FY-4A AGRI 的云頂高度數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一種適用于FY-4A LMI 的云頂高度視差效應(yīng)訂正模型[ellipsoid CTH parallax correction(ECPC) model]，在平均積雨云高度（12 km）下，經(jīng)向訂正值從觀測(cè)范圍中軸線往探測(cè)范圍邊緣兩側(cè)逐漸增大，緯向訂正值從低緯向高緯度地區(qū)逐漸遞增，大部分地區(qū)訂正值超過星下點(diǎn)空間分辨率（7.8 km），因此，建議使用LMI 閃電數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行訂正。

3 雷電物理過程和機(jī)制研究

得益于高時(shí)空分辨率探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可以更好地解析雷電各個(gè)階段的物理特征。自然雷電在時(shí)間和空間上具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，人工引發(fā)雷電以及高建筑物引發(fā)的雷電，為電流直接測(cè)量和近距離電磁場(chǎng)觀測(cè)提供了條件。本節(jié)著重介紹對(duì)自然雷電先導(dǎo)、人工引雷以及高塔雷電三方面取得的成果。

3.1 基于高時(shí)空分辨率探測(cè)技術(shù)的雷電先導(dǎo)發(fā)展特征

雷電先導(dǎo)傳播的物理機(jī)制一直是雷電物理研究的一個(gè)最基本問題，高時(shí)空分辨率雷電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)雷電的觀測(cè)和認(rèn)識(shí)越來越精細(xì)和準(zhǔn)確。

3.1.1 雷電先導(dǎo)的發(fā)展傳輸特征

Jiang et al.（2020a）研究了上行正、負(fù)先導(dǎo)的間歇性傳播特征，發(fā)現(xiàn)正先導(dǎo)梯級(jí)發(fā)展傳播時(shí)，存在明顯的發(fā)光電暈結(jié)構(gòu)，并提出了一種新的正先導(dǎo)傳輸?shù)臋C(jī)制，正先導(dǎo)在傳播過程中有獨(dú)立的發(fā)光結(jié)構(gòu)，該發(fā)光結(jié)構(gòu)與正先導(dǎo)頭部連接，導(dǎo)致了正先導(dǎo)的向前傳播，這與負(fù)先導(dǎo)的傳播機(jī)制類似，但是負(fù)先導(dǎo)頭部附近的簇狀空間先導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致負(fù)先導(dǎo)在連接時(shí)產(chǎn)生眾多分支，而正先導(dǎo)則常沿單個(gè)流光通道梯級(jí)傳播。這種正先導(dǎo)梯級(jí)傳輸機(jī)制在Huang et al.（2022）的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙高壓放電實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)，他們觀察到了由獨(dú)立發(fā)光結(jié)構(gòu)引起的正先導(dǎo)傳播以及在連接時(shí)的公共流光區(qū)，有助于更好的了解正先導(dǎo)傳播的物理機(jī)制。Wang et al.（2023）研究發(fā)現(xiàn)自然閃電正先導(dǎo)的梯級(jí)發(fā)展非常頻繁，環(huán)境電場(chǎng)和其他氣象因子都可以影響正先導(dǎo)的梯級(jí)過程。Qie et al.（2019）總結(jié)并比較了火箭觸發(fā)雷電和高塔觸發(fā)雷電中正、負(fù)先導(dǎo)以及反沖先導(dǎo)的間歇性傳播特征，進(jìn)一步闡明了負(fù)先導(dǎo)以空間先導(dǎo)（空間莖）為特征的梯級(jí)發(fā)展方式且伴隨的眾多分支，正先導(dǎo)的梯級(jí)過程則與負(fù)先導(dǎo)有明顯不同，其顯著的特征是先導(dǎo)頭部刷狀電暈區(qū)的間歇性爆發(fā)增長(zhǎng)和后部通道的亮度增強(qiáng)，觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)了一種與傳統(tǒng)負(fù)極性相反的新型雙向反沖先導(dǎo)。

一般認(rèn)為雷電在云內(nèi)始發(fā)是以雙向先導(dǎo)的方式發(fā)展，然而由于這種雙向先導(dǎo)發(fā)生在云內(nèi)，常無法進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)。Yuan et al.（2019）觀測(cè)到一例產(chǎn)生于云底下方正先導(dǎo)通道附近雙向先導(dǎo)的高時(shí)間分辨率的圖像，雙向先導(dǎo)兩端具有不對(duì)稱性，正極性端幾乎沒產(chǎn)生分叉，負(fù)極性端則產(chǎn)生多個(gè)分支且存在明顯的梯級(jí)，速度也比正極性端要快，正先導(dǎo)側(cè)向的雙向先導(dǎo)負(fù)極性端與正先導(dǎo)主通道連接是正先導(dǎo)產(chǎn)生分支的重要機(jī)制。Jiang et al.（2022）綜合利用同步的高速攝像、快天線、慢天線、磁天線以及輻射源定位系統(tǒng)，研究了一次具有多個(gè)正先導(dǎo)分支從同一點(diǎn)向外延伸的獨(dú)特云閃，研究發(fā)現(xiàn)正先導(dǎo)的向外傳播經(jīng)歷了由穩(wěn)定、平穩(wěn)的通道延伸向活躍發(fā)展的轉(zhuǎn)變，并伴隨著頻繁的反沖先導(dǎo)，正先導(dǎo)端大尺度的反沖先導(dǎo)顯著促進(jìn)了負(fù)先導(dǎo)的發(fā)展，負(fù)先導(dǎo)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了規(guī)則脈沖簇序列。

3.1.2 正地閃特征及多回?fù)舢a(chǎn)生機(jī)制

正地閃的發(fā)生概率小，但因?yàn)橹泻碗姾闪看蠖哂懈蟮奈：?，它的產(chǎn)生、發(fā)展、接地等階段的特征與負(fù)地閃不同。Yuan et al.（2020）報(bào)道了由BLNET 所記錄到的一例罕見的正地閃，此次正地閃有三次回?fù)艚M成，通過通道的三維成像定位發(fā)現(xiàn)，三次回?fù)舳及l(fā)生在同一云閃通道下方，并通過云閃相互連接。第一次和第二次正回?fù)舳及l(fā)生在水平的云閃負(fù)極性通道停止延伸時(shí)，而第三次正回?fù)羰前l(fā)生在云中前進(jìn)的負(fù)先導(dǎo)另一端的下方，表明回?fù)羟跋蛳碌恼葘?dǎo)可能來自不同的衰變先導(dǎo)通道，或來自前進(jìn)先導(dǎo)通道的另一端。Yuan et al.（2021a）在研究一例正地閃時(shí)發(fā)現(xiàn)了兩種來自水平負(fù)極性通道的不同類型的側(cè)向擊穿，熄滅的負(fù)分支的重新激活，從通道邊緣由內(nèi)向外擊穿，并且擊穿極性與原先通道建立過程相反，從而誘發(fā)了一次正地閃，負(fù)極性通道上，正先導(dǎo)的產(chǎn)生與主通道的斷裂或電流截?cái)酂o關(guān)。Wu et al.（2021）利用高速攝像和快慢天線，觀測(cè)并報(bào)道了一例由水平先導(dǎo)附近出現(xiàn)的一系列雙向先導(dǎo)形成的正地閃及產(chǎn)生機(jī)制。四次雙向先導(dǎo)沿著同一路徑依次發(fā)展，形成水平通道的正極性分支，并最終接地形成一次正地閃。在回?fù)舢a(chǎn)生時(shí)，水平通道上還產(chǎn)生了類似“針狀結(jié)構(gòu)”的流光狀細(xì)絲。幾乎垂直于主通道的針狀結(jié)構(gòu)發(fā)生在回?fù)舻暮笃谝约俺掷m(xù)電流階段，閃爍事件則是可以重復(fù)多次發(fā)生的反沖型流光（或先導(dǎo)），通道中的負(fù)電荷從正先導(dǎo)通道的核心徑向發(fā)展到圍繞通道核心的正電暈鞘是產(chǎn)生針狀結(jié)構(gòu)的原因，其徑向電場(chǎng)相反（Wu et al., 2022）。

3.2 基于人工引發(fā)雷電的物理過程和電磁場(chǎng)輻射特征

人工引發(fā)雷電是指在合適的雷暴條件下，通過發(fā)射拖拽金屬細(xì)絲的小型火箭，使得本來隨機(jī)發(fā)生的自然雷電在時(shí)間和空間可控的條件下進(jìn)行，便于近距離對(duì)雷電的各種物理特性，諸如電流、電磁輻射和高能輻射以及光學(xué)特性等進(jìn)行測(cè)量。人工引雷火箭是人工引雷的核心技術(shù)，中國科學(xué)院大氣物理研究所于2008 年研發(fā)了火箭拖帶金屬線技術(shù)的專用引雷火箭（郄秀書等，2010），并由陜西中天火箭技術(shù)有限責(zé)任公司合作生產(chǎn)，目前該引雷火箭已經(jīng)在我國雷電研究、氣象、國防、林業(yè)等領(lǐng)域普遍采 用（Li et al., 2018; Jiang et al., 2020a; Cai et al.,2021; Fan et al., 2022）。圖3 為在山東濱州建立的人工觸發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)（Shandong Triggering Lightning Experiment，SHATLE）基地和引雷成功的照片。

圖3 位于山東濱州的人工觸發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)（SHATLE）基地（左）和引雷成功的照片（右）。Fig.3 Shandong Triggering Lightning Experiment (SHATLE) base (left) in Binzhou, Shandong Province and photos (right) of successful lightning triggering.

3.2.1 人工引發(fā)雷電的物理過程

Li et al.（2020b）基于VHF 干涉儀定位等資料，分析了人工觸發(fā)雷電初始階段的導(dǎo)線破壞和等離子體通道重建過程，重新連接過程類似于先導(dǎo)/回?fù)暨^程，而企圖重新連接過程更復(fù)雜。由于導(dǎo)線的不均勻性被氣化為一系列導(dǎo)線殘留物，然后VHF 擊穿向下發(fā)展數(shù)百米，隨后發(fā)生類似反沖的事件，兩者的VHF 輻射都很弱且無可探測(cè)到的LF 電磁場(chǎng)變化，表明沒有顯著的電流或電荷流動(dòng)。

Li et al.（2021b）利用VHF 雷電干涉儀對(duì)初始連續(xù)電流期間發(fā)生兩次電流極性反轉(zhuǎn)（負(fù)—正—負(fù)）的人工引發(fā)雷電進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)上行正先導(dǎo)的發(fā)展產(chǎn)生負(fù)極性初始連續(xù)電流，在已冷卻正先導(dǎo)分叉通道上始發(fā)的反沖先導(dǎo)偏離原有正先導(dǎo)通道并轉(zhuǎn)變?yōu)閾舸┛諝獾呢?fù)梯級(jí)先導(dǎo)，其與云內(nèi)其他正先導(dǎo)通道同時(shí)發(fā)展。快速擊穿過程于接地主通道始發(fā)并沿原有正先導(dǎo)通道向該負(fù)先導(dǎo)后端發(fā)展，使得雷暴云中正電荷通過負(fù)先導(dǎo)通道對(duì)地傳輸，導(dǎo)致雷電通道底部電流極性快速反轉(zhuǎn)為正極性；隨著負(fù)先導(dǎo)終止發(fā)展而其他正先導(dǎo)分叉上持續(xù)放電，使得雷電通道底部電流極性逐漸重新轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)極性，參與雙極性雷電放電的正、負(fù)極性電荷區(qū)水平分離，分別位于雷暴云的對(duì)流區(qū)和層云區(qū)（唐國瑛等，2020）。

Ma et al.（2020）發(fā)現(xiàn)M 分量在電流峰值、上升時(shí)間、半峰值寬度和電荷轉(zhuǎn)移量比初始連續(xù)電流脈沖表現(xiàn)出更明顯的脈沖特征，在兩種特殊情況下，長(zhǎng)時(shí)間初始連續(xù)電流和連續(xù)電流期間發(fā)生的多次M 分量浪涌電流，有利于保持放電通道的導(dǎo)通以及云內(nèi)放電通道的延伸，從而延長(zhǎng)初始連續(xù)電流和連續(xù)電流的持續(xù)時(shí)間，但降低了此后發(fā)生回?fù)舻母怕省＝Y(jié)合VHF 輻射源定位以及電場(chǎng)變化等，提出了M 分量新的產(chǎn)生機(jī)制，即向上回?fù)舻亩虝褐袛嘁约爸魍ǖ纼?nèi)剩余電荷促進(jìn)擊穿重新激活也可產(chǎn)生M 分量。Li et al.（2020a）對(duì)人工觸發(fā)閃電一次5.4 kA 峰值電流的M 分量進(jìn)行了分析和模擬，發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離電場(chǎng)變化上呈現(xiàn)出微秒時(shí)間尺度的脈沖。Cai et al.（2022b）研究了人工觸發(fā)閃電中的連續(xù)電流特征和M 分量特征參量，發(fā)現(xiàn)沒有M 分量的連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間小于10 ms，遠(yuǎn)小于有M 分量的連續(xù)電流，首個(gè)M 分量出現(xiàn)在回?fù)糁蟮? ms 內(nèi)。

Cai et al.（2022a）將一次空中引雷中的直竄先導(dǎo)分為常規(guī)直竄先導(dǎo)、具有追逐先導(dǎo)的直竄先導(dǎo)和具有雙向先導(dǎo)的直竄先導(dǎo)，并使用分段速度源電荷模型模擬了常規(guī)直竄先導(dǎo)的電場(chǎng)變化。Pu et al.（2019）利用同步電場(chǎng)變化、高靈敏度VHF 輻射源定位成像、通道底部電流以及高速攝像等綜合觀測(cè)資料，對(duì)人工引雷直竄先導(dǎo)階段發(fā)生的不規(guī)則脈沖序列（CPT）研究發(fā)現(xiàn)，CPT 均發(fā)生于先導(dǎo)接地前150 μs 內(nèi)，是一個(gè)從中低頻直到可見光頻段輻射全面增強(qiáng)的現(xiàn)象，先導(dǎo)的電荷量與速度的乘積（QV）可以作為衡量CPT 強(qiáng)度的代理指標(biāo)。Cai et al.（2021）研究了有、無回?fù)羧斯び|發(fā)閃電之間的差異，認(rèn)為無回?fù)舻挠|發(fā)閃電在電流重新建立之前有一個(gè)長(zhǎng)達(dá)幾毫秒的明顯無電流寂靜期，然后在向上正先導(dǎo)和地之間重新建立一個(gè)相對(duì)較大的振幅和類似于回?fù)綦娏鞯目焖偕仙龝r(shí)間脈沖；而具有回?fù)舻挠|發(fā)閃電在初始電流變化中沒有電流寂靜期，導(dǎo)線破壞和等離子體通道重建過程的電流脈沖類似于M 分量脈沖，具有較小的振幅和緩慢的上升時(shí)間（57 μs 以上）。較強(qiáng)的初始階段之后通常是回?fù)簟?/p>

Liu et al.（2020c）對(duì)一次擊中30 m 通信塔的火箭觸發(fā)雷電獨(dú)特連接過程進(jìn)行了研究，下行先導(dǎo)在與通信塔的連接過程中，出現(xiàn)了一個(gè)S 形連接通道，連接通道長(zhǎng)度幾乎是直連通道的2 倍。向下的負(fù)先導(dǎo)和向上的正極性連接先導(dǎo)互相錯(cuò)過約4.1 m 后，再水平轉(zhuǎn)向最后連接，通過背景電場(chǎng)的模擬認(rèn)為可能是因?yàn)榫哂邪l(fā)散特征的先導(dǎo)流光/電暈區(qū)導(dǎo)致的連接方向不確定性所致。Li et al.（2018）利用一套改進(jìn)的VHF 定位系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像，研究了在人工觸發(fā)閃電的回?fù)綦A段閃電輻射源的變化過程，發(fā)現(xiàn)觸發(fā)閃電三維回?fù)羲俣鹊姆菃握{(diào)變化。

3.2.2 雷電近距離電磁場(chǎng)輻射特征及影響

Fan et al.（2019）利用山東和廣東人工引雷實(shí)驗(yàn)中的電流和磁場(chǎng)資料，研究了初始連續(xù)電流階段的LF 磁場(chǎng)脈沖爆發(fā)，脈沖源自上行先導(dǎo)頭部附近的空氣擊穿，平均脈沖峰值電流在千安量級(jí)。附近站點(diǎn)的磁場(chǎng)呈現(xiàn)緩慢變化，其上疊加有小脈沖，磁場(chǎng)脈沖爆發(fā)預(yù)示著電荷轉(zhuǎn)移和通道亮度的增強(qiáng)。Fan et al.（2020）進(jìn)一步擴(kuò)展磁場(chǎng)傳感器帶寬，在廣東的人工引雷實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在向上行正先導(dǎo)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)存在微秒級(jí)的磁脈沖輻射，表明在觸發(fā)閃電的初始階段，上行正先導(dǎo)以梯級(jí)式傳播，VHF 輻射發(fā)生于每個(gè)磁脈沖的開始階段，VHF 輻射產(chǎn)生于梯級(jí)過程米級(jí)尺度的空氣擊穿過程對(duì)應(yīng)的電流脈沖。對(duì)空中觸發(fā)閃電LF 磁場(chǎng)的微秒時(shí)間分辨率測(cè)量發(fā)現(xiàn)，由上行正先導(dǎo)和下行負(fù)先導(dǎo)構(gòu)成的雙向先導(dǎo)以不對(duì)稱方式發(fā)展，在持續(xù)傳播階段，下行負(fù)先導(dǎo)的梯級(jí)比上行正先導(dǎo)的梯級(jí)要頻繁得多（Fan et al.，2022）。Chen et al.（2022a）詳細(xì)分析了由上行弱正擊穿和隨后的下行強(qiáng)負(fù)擊穿產(chǎn)生的前驅(qū)電流脈沖，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)電流脈沖對(duì)應(yīng)上行正先導(dǎo)的自持發(fā)展。Li et al.（2021d）研究了正極性人工觸發(fā)閃電中的上行負(fù)極性先驅(qū)放電脈沖，認(rèn)為這些前兆脈沖來自上行先導(dǎo)的非持續(xù)發(fā)展階段。

Li et al.（2019）在人工觸發(fā)雷電通道附近部安裝低頻磁傳感器，用于探測(cè)雷電通道附近的地下磁場(chǎng)。通過比較地下2 m 和地上1 m 處的磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)地下空間可以探測(cè)到上行先導(dǎo)輻射的微秒級(jí)磁脈沖，并且磁信號(hào)受到土壤介質(zhì)的影響，地下2 m 處的磁場(chǎng)幅度衰減超過55%，地下磁脈沖峰值延遲了約0.6 μs，磁場(chǎng)中高頻分量衰減更快。

3.3 基于高建筑物的雷電放電特征及連接過程

當(dāng)雷暴天氣發(fā)生時(shí)，相對(duì)于地面及低矮建筑物，諸如高塔、高壓線塔、高樓大廈等高大物體由于頂部較高而導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，更有可能先達(dá)到空氣擊穿電場(chǎng)閾值，不僅可能引發(fā)上行雷電，也容易因產(chǎn)生上行迎面先導(dǎo)而被下行雷電所擊中。上行雷電的發(fā)生概率隨著建筑物的高度增加而增加，因此高大的建筑物為觀測(cè)和研究上行雷電提供了重要平臺(tái)。

3.3.1 高塔雷電的雷電放電特征

當(dāng)建筑物足夠高時(shí)，上行雷電的發(fā)生概率大大增加，并且高塔周邊發(fā)生的正地閃也會(huì)促進(jìn)上行雷電的形成。Wu et al.（2019）分析了兩次峰值電流達(dá)+141 kA 和+310 kA 的強(qiáng)正地閃觸發(fā)的高建筑物上行雷電，兩次強(qiáng)正地閃均有長(zhǎng)連續(xù)電流階段，通過雷電通道成像儀以及高塔附近的電場(chǎng)變化分析發(fā)現(xiàn)，中和大量正電荷的正地閃回?fù)暨^程以及之后的云內(nèi)K 過程，可能由云內(nèi)負(fù)先導(dǎo)朝高塔方向快速延伸，造成塔頂局部區(qū)域的電場(chǎng)發(fā)生突變，最終導(dǎo)致上行雷電發(fā)生。Yuan et al.（2021b）利用BLNET以及高速攝像系統(tǒng)拍攝的雷電資料，對(duì)2012～2020 年發(fā)生于325 m 氣象塔始發(fā)的25 次上行雷電進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)上行雷電與正地閃有密切聯(lián)系，其中21 次上行雷電由附近正地閃所觸發(fā)，正地閃后短時(shí)間內(nèi)（＜2 ms）觸發(fā)的上行雷電與高塔上方已經(jīng)熄滅的先導(dǎo)分支的重新激活相關(guān)，而正回?fù)艉笱舆t長(zhǎng)時(shí)間（5～187 ms）觸發(fā)的正地閃，則與正地閃長(zhǎng)連續(xù)電流期間負(fù)先導(dǎo)延伸至高塔上方區(qū)域有關(guān)。

高塔上行雷電通常由強(qiáng)正地閃觸發(fā)，但Jiang et al.（2021b）在廣州高筑物群的雷電觀測(cè)中，發(fā)現(xiàn)一例由上行負(fù)地閃引發(fā)的下行正地閃，這可能是一種新的正地閃產(chǎn)生機(jī)制，上行負(fù)地閃產(chǎn)生后，促進(jìn)了一系列的云內(nèi)放電，云閃通道將雷暴云中遠(yuǎn)處的正電荷輸送到已有的通道區(qū)域，并由一次云閃產(chǎn)生的分支向下接地產(chǎn)生正地閃。Fan et al.（2021b）發(fā)現(xiàn)高塔上的上行先導(dǎo)之前，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化均較小，脈沖的持續(xù)時(shí)間和脈沖間隔均與火箭觸發(fā)雷電相似，高塔上行雷電的上行先導(dǎo)通道在初始幾毫秒內(nèi)發(fā)展迅速，比火箭引發(fā)的雷電快一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明高塔上始發(fā)的上行先導(dǎo)得益于塔尖附近的電場(chǎng)顯著增強(qiáng)，但在上行先導(dǎo)發(fā)展過程中電場(chǎng)會(huì)迅速降低，導(dǎo)致上行先導(dǎo)速度下降。上行先導(dǎo)通常伴隨著初始連續(xù)電流，而上行先導(dǎo)通道或回?fù)敉ǖ罆?huì)逐漸冷卻，反沖先導(dǎo)可能會(huì)發(fā)生于冷卻熄滅的通道中。但反沖先導(dǎo)通常在云內(nèi)產(chǎn)生，由于云層遮蔽，使得光學(xué)探測(cè)極為困難，其形成機(jī)制至今仍不清楚。Wu et al.（2021）發(fā)現(xiàn)一例正地閃的雙向先導(dǎo)發(fā)展時(shí)，雙向先導(dǎo)在已有通道突然伸長(zhǎng)，其下端（正端）接 地 誘 發(fā) 了 一 次 正 極 性 回 擊。Srivastava et al.（2019）利用2.7 μs 時(shí)間分辨率及1 m 空間分辨率的高速攝像捕獲了發(fā)生于325 m 氣象塔上的一次自然雷電過程，統(tǒng)計(jì)了下行負(fù)先導(dǎo)38 次梯級(jí)過程以及34 次空間先導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)正、負(fù)先導(dǎo)的間歇性梯級(jí)前進(jìn)行為表現(xiàn)出不同的特征，說明他們的發(fā)展是相互獨(dú)立的。但當(dāng)下行負(fù)先導(dǎo)和上行連接正先導(dǎo)非常接近時(shí)，下行負(fù)先導(dǎo)可以通過增強(qiáng)總電場(chǎng)來誘導(dǎo)和支持上行連接正先導(dǎo)的發(fā)展。

Chen et al.（2022a）使用羅氏線圈對(duì)廣州塔上發(fā)生的上行雷電電流進(jìn)行了直接測(cè)量，結(jié)合回?fù)艄鈴?qiáng)度和雷電定位系統(tǒng)，分析了三次單回?fù)粝滦胸?fù)地閃和兩次多回?fù)羯闲胸?fù)地閃，給出了上行雷電放電電流波形的上升時(shí)間、半峰值寬度，波形特征等相關(guān)信息，并且發(fā)現(xiàn)在同一次上行雷電中，最大峰值電流與隨后幾次回?fù)舻某跏挤逯倒鈴?qiáng)之間存在近似的平方關(guān)系，發(fā)現(xiàn)雷電定位系統(tǒng)的峰值電流被高估。Jiang et al.（2020b）模擬了下行負(fù)地閃先導(dǎo)的發(fā)展過程，研究了建筑物不同高度情況下，對(duì)下行負(fù)先導(dǎo)和上行連接先導(dǎo)的產(chǎn)生、發(fā)展以及雷擊點(diǎn)分布的影響，發(fā)現(xiàn)高度越高，雷電擊中的概率越大，并可能吸引周圍的雷電被擊中高塔，這意味著高塔對(duì)周圍建筑物有一定的保護(hù)作用，但保護(hù)距離會(huì)隨建筑物高度降低和距離增加而減小。

3.3.2 高塔雷電連接過程的物理特征

雷電的連接過程決定了雷電所擊中的位置，也是雷電可能帶來危害最大的區(qū)域，因此對(duì)于雷電連接過程的研究至關(guān)重要。高建筑物易遭受雷擊，使得對(duì)雷電連接過程的高精度觀測(cè)成為可能。Jiang et al.（2021a）使用380 kfps 的高速攝像觀測(cè)到了發(fā)生在325 m 氣象塔上一次自然雷電連接過程時(shí)擊穿階段的精細(xì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)正負(fù)先導(dǎo)頭部發(fā)光部分相距≥23 m 時(shí)，會(huì)形成公共流光區(qū)。在擊穿階段期間正、負(fù)先導(dǎo)距離減小，開辟了一條從高阻抗公共流光區(qū)到熱等離子通道的新路線，該路線可能在公共流光區(qū)最初形成時(shí)就已經(jīng)由接近先導(dǎo)的流光確定。Qi et al.（2019）使用20 kfps 和525 kfps 幀率的高速攝像機(jī)拍攝到了一例自然負(fù)地閃的連接過程，分析了47 次下行負(fù)先導(dǎo)梯級(jí)過程中的12 個(gè)空間電荷柱/先導(dǎo)的二維長(zhǎng)度信息，同時(shí)也對(duì)下行負(fù)先導(dǎo)和上行正先導(dǎo)的平均步間距、步長(zhǎng)和二維速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)最后一跳（即BTP）的二維長(zhǎng)度約為13 m。對(duì)2012～2018 年間發(fā)生于廣州塔（高度600 m）和廣晟國際大廈（高度360 m）21 次負(fù)地閃的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，更高的建筑物上雷電的閃擊距離更長(zhǎng)，對(duì)于一定高度的建筑物，閃擊距離有隨著回?fù)舴逯惦娏髟鰪?qiáng)而變大的趨勢(shì)，且建筑物越高，對(duì)應(yīng)的回?fù)舴逯惦娏饕苍綇?qiáng)，接閃器的高度和建筑物頂部幾何形狀是影響放電穩(wěn)定性的重要因素，不同建筑物上的上行連接先導(dǎo)發(fā)展速度較為接近，但建筑物頂部形狀較為簡(jiǎn)單時(shí)大多只有1 個(gè)上行先導(dǎo)（Qi et al., 2021）。

4 瞬態(tài)發(fā)光事件及雷暴對(duì)上層大氣的影響

對(duì)流層雷暴活動(dòng)和所發(fā)生的雷電會(huì)在雷暴上方大氣誘發(fā)瞬態(tài)發(fā)光事件（Transient Luminous Events，TLEs），這種擾動(dòng)可高達(dá)電離層。我國自2007 年以來就開始持續(xù)對(duì)TLEs 進(jìn)行觀測(cè)研究，近年來，對(duì)TLEs 與母體雷電和母體雷暴的關(guān)系有了新的認(rèn)識(shí)。此外，還研究了地球伽馬射線閃與雷電的關(guān)系，以及雷暴對(duì)于電離層電子密度的影響。

4.1 雷暴上方瞬態(tài)發(fā)光事件

雷暴誘發(fā)的中高層瞬態(tài)發(fā)光事件包括紅色精靈（Red Sprite）、淘氣精靈（Elves）、藍(lán)色噴流（Blue Jet）、藍(lán)色啟輝器（Blue Starter）、光暈（Halo）和巨型噴流（Gigantic Jet）等。

4.1.1 紅色精靈

紅色精靈是最早被人類觀測(cè)到的中高層大氣瞬態(tài)發(fā)光事件，同時(shí)也是在地面最容易被觀測(cè)到的一種類型，并常伴隨有光暈產(chǎn)生。Yang et al.（2008）首次在大陸地區(qū)開展探測(cè)并獲得17 次紅色精靈；隨時(shí)探測(cè)技術(shù)發(fā)展和組網(wǎng)觀測(cè)，陸續(xù)對(duì)不同地區(qū)的TLEs 分布以及與母體雷電和雷暴的關(guān)系開展了研究，大多數(shù)TLEs 產(chǎn)生于中尺度對(duì)流系統(tǒng)。Wang et al.（2019c）對(duì)紅色精靈雙站交匯定位，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生于MCS 層云區(qū)域上方，與母體雷電的水平偏移小于50 km。紅色精靈一般在MCS 成熟階段的層云區(qū)上方或消散階段的弱對(duì)流區(qū)發(fā)生（Huang et al., 2018；王庸平等，2019；王子健等，2020；鐘麗華等, 2020）。

發(fā)生紅色精靈的母體雷暴中一般紅色精靈的數(shù)目在幾個(gè)到十幾個(gè)之間（鐘麗華等, 2020）。對(duì)于負(fù)極性紅色精靈的母體雷暴特征，Yang et al.（2018a）觀測(cè)發(fā)現(xiàn)負(fù)極性紅色精靈在母體雷暴的強(qiáng)對(duì)流階段產(chǎn)生，正極性紅色精靈主要在雷暴層云區(qū)上方產(chǎn)生，并且認(rèn)為雷暴中高層的強(qiáng)對(duì)流以及相當(dāng)大的風(fēng)切變?yōu)樨?fù)極性紅色精靈產(chǎn)生提供條件?，F(xiàn)有的地面觀測(cè)表明，絕大多數(shù)紅精靈與正地閃有關(guān)，而只有非常小的一部分（＜1%）的紅精靈是由負(fù)地閃產(chǎn)生的，但負(fù)地閃的數(shù)目卻遠(yuǎn)超過正地閃，兩者數(shù)量比為10:1，存在“極性悖論”。紅色精靈極性分布存在海陸差異，相比于陸地雷暴，海洋雷暴更有利于負(fù)精靈的產(chǎn)生（Wang et al., 2021b；Lu et al., 2022）。Zhang et al.（2022b）利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)到的1522 例紅色精靈個(gè)分析發(fā)現(xiàn)，全球負(fù)極性紅色精靈占比約17%，且隨緯度和海陸分布而變化。

Wang et al.（2021a）發(fā) 現(xiàn) 負(fù) 極 性 紅 精 靈 的VLF 磁場(chǎng)波形中出現(xiàn)了不同尋常的精靈電流特征，與紅色精靈中電流的光輻射具有良好的對(duì)應(yīng)性。Wang et al.（2021a）試圖從母體雷暴和局部電離層不規(guī)則性的角度揭示這一非典型事件的可能原因，但得到的答案仍然是在回?fù)艉箅姾上虻孛孓D(zhuǎn)移的超長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。張金波等（2019）研究了由于重力波導(dǎo)致的中高層大氣密度不均勻?qū)t色精靈和光暈的始發(fā)位置以及光輻射形態(tài)的影響，并模擬發(fā)現(xiàn)在重力波波谷位置空氣更易擊穿，故此時(shí)紅色精靈和光暈更易始發(fā)。同時(shí)，紅色精靈和光暈的強(qiáng)發(fā)光區(qū)分布于重力波波谷，波峰位置發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)較弱，并且重力波擾動(dòng)幅值越大對(duì)紅色精靈和光暈光輻射形態(tài)影響越大，然而對(duì)流層雷電越強(qiáng)烈，則紅色精靈和光暈的發(fā)光強(qiáng)度對(duì)于重力波波形的依賴越小。Ren et al.（2019）認(rèn)為連續(xù)電流期間的電荷轉(zhuǎn)移維持了紅色精靈的持續(xù)發(fā)光，并伴隨光暈的出現(xiàn)。

4.1.2 巨型噴流

巨型噴流是一種發(fā)生在雷暴上空的大型瞬態(tài)放電，可直達(dá)電離層下部，建立了雷暴和電離層之間的直接電連接。與其他類型的中高層放電現(xiàn)象相比，巨型噴流的發(fā)生概率很低（＜1%）；此外，由于巨型噴流光輻射以藍(lán)光為主，而藍(lán)光在大氣中傳輸衰減嚴(yán)重，因此巨型噴流在地面觀測(cè)難度較大，認(rèn)識(shí)還比較有限。Yang et al.（2018b）觀測(cè)到一次中緯度地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生的巨型噴流，并在其附近15 分鐘內(nèi)還同時(shí)記錄到兩次紅色精靈，巨型噴流可能始發(fā)于對(duì)流線前面的弱回波區(qū)，最大回波頂高低于相同區(qū)域的對(duì)流層頂高度，這與以往所認(rèn)為的夏季巨型噴流通常產(chǎn)生于強(qiáng)對(duì)流過沖明顯不同，探空結(jié)果表明可能是MCS 內(nèi)較大的中高層風(fēng)切變?yōu)榫扌蛧娏鞯漠a(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

近年來隨著精靈愛好者的加入，在全國范圍了獲得了許多高質(zhì)量的觀測(cè)圖像，包括產(chǎn)生上百次紅色精靈的雷暴過程，豐富了TLEs 觀測(cè)資料。Yang et al.（2020）綜合分析了由兩位天象愛好者于廣東石坑崆和湖南嘉禾縣同時(shí)觀測(cè)獲得到的雙站巨型噴流同步觀測(cè)資料，三角定位計(jì)算結(jié)果表明，石坑崆拍攝距離約37 km，是目前巨型噴流最近距離的觀測(cè)結(jié)果，也是迄今為止最清晰的光學(xué)圖像；巨型噴流與云頂連接部分和紅色最亮部分的高度分別為20.6±1.7 km 和46.4±0.6 km；母體雷暴發(fā)展旺盛，巨型噴流發(fā)生于強(qiáng)對(duì)流區(qū)附近、云頂亮溫最小值區(qū)，其附近出現(xiàn)有對(duì)流過沖現(xiàn)象；在巨型噴流前后30 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)三次+NBEs，發(fā)生高度為11～13 km，對(duì)應(yīng)雷達(dá)反射率因子為30～35 dBZ。NBE 可能是巨型噴流發(fā)生的初始事件。

迄今為止，國際上觀測(cè)到的巨型噴流大多數(shù)為負(fù)極性（將負(fù)電荷傳輸?shù)诫婋x層），而正極性巨型噴流的觀測(cè)事例比較缺乏。He et al.（2019）根據(jù)光學(xué)觀測(cè)、雷電定位及天氣雷達(dá)等綜合資料，發(fā)現(xiàn)一次正巨型噴流底部和頂部高度分別為52±4 km和89±6 km；母體雷暴相關(guān)環(huán)境參數(shù)值與普通夏季雷暴無明顯差異；巨型噴流發(fā)生前后，云內(nèi)上升氣流很強(qiáng)，對(duì)流發(fā)展旺盛，雷暴單體存在過沖現(xiàn)象；雷暴以負(fù)地閃為主。

4.1.3 藍(lán)色噴流

藍(lán)色噴流也是始發(fā)于雷暴頂部向上發(fā)展的一種瞬態(tài)發(fā)光事件，但最大高度為40～50 km 左右，明顯區(qū)別于巨型噴流。Liu et al.（2018）發(fā)現(xiàn)在藍(lán)色噴流事件1 ms 時(shí)間窗口內(nèi)均有負(fù)極性NBE 發(fā)生，并且每次藍(lán)色噴流的前6 s 內(nèi)都有負(fù)地閃發(fā)生，從而建立了藍(lán)色噴流與負(fù)極性NBE 的物理關(guān)聯(lián)，負(fù)極性NBE 很可能是藍(lán)色噴流事件的云內(nèi)始發(fā)過程。Liu et al.（2021b）報(bào)告了兩次產(chǎn)生13 例藍(lán)色噴流并伴隨紅色精靈的中緯度雷暴，發(fā)現(xiàn)藍(lán)色噴流均發(fā)生在雷暴最冷的云頂（～195 K）附近，聚集在導(dǎo)致雷暴云頂過沖的對(duì)流涌附近，伴隨著負(fù)極性NBE 爆發(fā)性發(fā)生，高度約為16～18 km；表明雷暴云頂過沖和強(qiáng)上升氣流導(dǎo)致形成一個(gè)強(qiáng)而高的上部正電荷層，有利于向上產(chǎn)生正藍(lán)色噴流，對(duì)認(rèn)識(shí)云頂放電的產(chǎn)生機(jī)理和氣象條件提供了新的視角。

Liu et al.（2021c）進(jìn)一步利用搭載在國際空間站上的大氣—空間相互作用光學(xué)探測(cè)器（Atmosphere-Space Interactions Monitor，ASIM）結(jié)合地基探測(cè)對(duì)我國華南地區(qū)強(qiáng)雷暴分析，發(fā)現(xiàn)了一類特殊的云頂NBE，伴隨著藍(lán)色337 nm 光譜輻射，但沒有普通雷電的777.4 nm 輻射，明顯區(qū)別于普通雷電的光學(xué)特征，表明NBE 獨(dú)特的流光發(fā)展特性，NBE峰值電流強(qiáng)度和藍(lán)色光學(xué)信號(hào)峰值緊密相關(guān)。Xu et al.（2023a）利用ISUAL 衛(wèi)星資料研究了青藏高原上空發(fā)生的TLEs，盡管青藏高原對(duì)流系統(tǒng)相對(duì)較弱，雷電強(qiáng)度較小，但在青藏高原東南部仍然發(fā)現(xiàn)了淘氣精靈、紅色精靈和光暈，其主要發(fā)生在8月和9 月。在同一緯度帶的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，春季的TLEs 發(fā)生率大于夏季和秋季。8 月份所有研究區(qū)域都經(jīng)常觀測(cè)到光暈，而藍(lán)色噴流只出現(xiàn)在長(zhǎng)江三角洲上空。高原東部發(fā)生的淘氣精靈數(shù)量最多，與長(zhǎng)江三角洲相似，但比東海上空要少。與長(zhǎng)江三角洲和東海相比，高原上產(chǎn)生TLE 的雷電平均峰值電流更大，是否與電離層特性、地形特征對(duì)雷電的影響等有關(guān)值得進(jìn)一步探討。

Xu et al.（2023b）通過使用專門開發(fā)的詳細(xì)離子中性化學(xué)模型，首次使用真實(shí)參數(shù)化評(píng)估了藍(lán)色噴流對(duì)平流層氯族和溴族濃度變化的影響，并主要關(guān)注臭氧、N2O 及其相關(guān)化學(xué)物（氧、氮、氯、溴族）濃度的變化，結(jié)果顯示，藍(lán)色噴流放電在20～50 km 高度上引起明顯的化學(xué)擾動(dòng)，且該擾動(dòng)持續(xù)存在。

4.2 地球伽馬射線閃

地球伽馬射線閃（Terrestrial Gamma-Ray Flash，TGFs）是起源于地球低層大氣短暫而強(qiáng)烈的高能光子爆發(fā)，與雷電和雷暴具有密切聯(lián)系，是當(dāng)前大氣電學(xué)和高能物理等領(lǐng)域關(guān)注的國際前沿問題。近年來，借助我國慧眼衛(wèi)星、極目衛(wèi)星和美國Ferimi衛(wèi)星、RHESSI 衛(wèi)星以及歐空局搭載于國際空間站的ASIM 等天基和地基探測(cè)，我國學(xué)者也開展了一系列與雷電有關(guān)的高能輻射研究。Lu et al.（2019）對(duì)比研究了北美和東亞地區(qū)的TGF 時(shí)空分布，結(jié)合雷電天電信號(hào)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，TGF 與云閃向上發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)過程有關(guān)，在VLF 磁場(chǎng)信號(hào)上表現(xiàn)出約2 ms 的慢變化信號(hào)。Zhang H B et al.（2020）首次報(bào)道了赤道地區(qū)TGF 對(duì)應(yīng)的雷電VLF 磁場(chǎng)特征，發(fā)現(xiàn)了迄今為止距離TGF 衛(wèi)星觀測(cè)最近（＜28 km）的雷電信號(hào)；利用雷電脈沖單站三維定位進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，TGF 發(fā)生于云閃負(fù)極性先導(dǎo)向上發(fā)展期間，距離雷電起始約3～5 ms，TGF 對(duì)應(yīng)云閃最強(qiáng)的放電脈沖，發(fā)生高度為10～11 km。Lyu et al.（2021）分析發(fā)現(xiàn)TGF 與特殊的云內(nèi)放電過程，即高能云內(nèi)大脈沖事件（Energetic In-Cloud Pulses，EIPs）同時(shí)發(fā)生。

Zhang et al.（2021）基于大觀測(cè)樣本發(fā)現(xiàn)了一類特殊的TGF，其光子信號(hào)均先于NBE 發(fā)生，領(lǐng)先時(shí)間為0.06～13.5 ms，并且在TGF 之前的20 ms內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他快速先導(dǎo)放電，其中7 例與+NBE 相關(guān)，發(fā)生高度8.6～11 km，2 例與發(fā)生位置更高的-NBE 相關(guān)；這類TGF 包含更多的光子，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且能譜較硬，明顯區(qū)別于與云閃先導(dǎo)過程相關(guān)聯(lián)的TGF，證實(shí)了TGF 形成機(jī)制中的第二種情形是存在的，即TGF 主要由大尺度的背景雷暴強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生，不需要雷電放電過程，支持逃逸擊穿正反饋機(jī)制，TGF 可能為后續(xù)發(fā)生的NBE 提供了有利條件。對(duì)產(chǎn)生TGF 的母體雷暴特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，TGF 通常發(fā)生在雷暴發(fā)展的成熟階段，而且往往在較強(qiáng)但不是最強(qiáng)的雷暴對(duì)流區(qū)域中（Zhang et al., 2020a）。Xian et al.（2021）發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生TGF 的亞熱帶雷暴在對(duì)流層較溫暖，并且在陸地上的對(duì)流層比海洋上的對(duì)流層更冷、更高，產(chǎn)生TGF 的熱帶雷暴在熱力結(jié)構(gòu)上沒有明顯的陸海差異。

4.3 雷暴對(duì)電離層的影響

對(duì)流層大氣與電離層之間存在耦合，對(duì)流層雷暴和雷電對(duì)上方的電離層也產(chǎn)生顯著影響。此前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)中緯度地區(qū)對(duì)流層雷暴可以通過重力波或雷電電場(chǎng)等引起低電離層的擾動(dòng)，但低緯電離層通常存在非常復(fù)雜的擾動(dòng)變化過程，由于瑞利—泰勒不穩(wěn)定性產(chǎn)生等離子體泡，引起低緯電離層不規(guī)則性變化，導(dǎo)致信號(hào)提取難度大，對(duì)流層雷暴對(duì)低緯電離層的影響以及這種影響的水平尺度仍然有很大的不確定性。Ogunsua et al.（2020）利用地基全球雷電定位觀測(cè)，并結(jié)合GPS 接收站實(shí)測(cè)的電離層電子總含量（Total Electron Content，TEC）資料，采用多項(xiàng)式濾波等方法，發(fā)現(xiàn)在全球雷電最活躍的赤道地區(qū)剛果盆地，對(duì)流層雷暴導(dǎo)致的電離層電子含量變化從雷暴發(fā)生位置向特定方向傳播，電子含量變化偏差的峰值可達(dá)±1.5 TECUs 左右，雷暴誘發(fā)的重力波周期在16～76 min 之間。赤道電離層內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)在白天受雷暴活動(dòng)的影響被抑制，而夜間因電離層內(nèi)部存在的等離子體泡等引起TEC 大幅變化，雷暴引起的重力波影響可以忽略。在中緯度地區(qū)，TEC 偏差的最高幅度可達(dá)2.2 TECU 左右，主模態(tài)在0.2～1.2 mHz 范圍內(nèi)，屬于重力波范圍，第二模態(tài)位于大于1 而小于7.5 mHz 的聲學(xué)范圍內(nèi)（Ogunsua et al., 2023）。

Yu et al.（2019）利用鈉激光雷達(dá)觀測(cè)雷暴上空中性金屬原子和金屬離子的變化，發(fā)現(xiàn)電離層E 層增強(qiáng)，潮汐相位下降，中間層中性Na 數(shù)密度增加600 cm-3，以雷暴上空的中間層和電離層動(dòng)力學(xué)和化學(xué)耦合過程建模，將電離層觀測(cè)值作為輸入，模擬得到的增強(qiáng)Na 層與Na 激光雷達(dá)觀測(cè)值一致，推論雷暴上空金屬層狀現(xiàn)象的增強(qiáng)與大氣潮汐有關(guān)，是對(duì)流層—中間層—電離層耦合的結(jié)果。

5 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和數(shù)值模擬

雷暴云中不同相態(tài)水凝物粒子在動(dòng)力場(chǎng)和微物理場(chǎng)的共同作用下，主要通過非感應(yīng)起電機(jī)制和感應(yīng)起電機(jī)制攜帶凈正、負(fù)電荷，從而在云中形成正、負(fù)交替分層的電荷分布結(jié)構(gòu)，局部電場(chǎng)超過空氣擊穿閾值時(shí)將激發(fā)雷電發(fā)生和傳播。對(duì)雷暴云中的電荷分布的研究主要從觀測(cè)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面開展。

5.1 雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)

電場(chǎng)探空和雷電輻射源定位是雷暴云電荷結(jié)構(gòu)研究?jī)煞N觀測(cè)途徑。電場(chǎng)探空可以觀測(cè)三維或垂直電場(chǎng)，進(jìn)而解算出探空路徑上的云中電荷分布。張鴻波等（2021a）研發(fā)了雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀，并結(jié)合氣象探空儀集成了雷暴電場(chǎng)—?dú)庀缶C合探空系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雷暴云內(nèi)三維電場(chǎng)及溫度、濕度的同步測(cè)量。利用三維電場(chǎng)探空對(duì)一次處于減弱階段的中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，MCS）層云進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)雷暴層云區(qū)存在5 個(gè)極性交替的電荷區(qū)，自上至下分別為：云頂附近的弱負(fù)極性屏蔽電荷區(qū)、主正電荷區(qū)、主負(fù)電荷區(qū)、正電荷區(qū)及最下方的弱負(fù)極性電荷區(qū)，反映出雷暴云電荷分布具有復(fù)雜性和時(shí)空不均勻性。（張鴻波等，2021b）。

雷電輻射源定位雖然只能指示參與雷電放電的電荷區(qū)域，但是突破了探空路徑的局限性，Liu et al.（2020e）發(fā)現(xiàn)一次暖云降水為主的暴雨系統(tǒng)中，雷電多集中分布于對(duì)流較弱、降水強(qiáng)度較低的地區(qū)，在空間上與電荷的起源地分離，進(jìn)而提出在對(duì)流較弱的雷暴中，由于起電速率低于電荷從源區(qū)向外轉(zhuǎn)移的速度，起電源區(qū)的電荷密度較低，而荷電的降水粒子可能在其他區(qū)域聚集，從而導(dǎo)致相同極性電荷的不均勻分布，并在遠(yuǎn)離電荷源區(qū)的局部區(qū)域產(chǎn)生更多雷電。Zheng et al.（2019）認(rèn)為除環(huán)境溫度外，對(duì)流強(qiáng)度也影響電荷結(jié)構(gòu)，對(duì)流強(qiáng)度低時(shí)冰相粒子集中在低空，主要電荷區(qū)位于-10°C 等溫線附近，且冰晶和雪晶是主要水成物粒子，它們之間的起電影響可能決定云內(nèi)的電荷分布；對(duì)流強(qiáng)度大時(shí)，冰相粒子可以被輸送到高空，在高空和低空均形成主電荷區(qū)；隨時(shí)間演變，雷暴對(duì)流強(qiáng)度減弱導(dǎo)致上部和中部主電荷區(qū)下降，下部正電荷區(qū)消失。

Xu et al.（2019）分別使用基于液態(tài)水含量（Liquid Water Content，LWC）和霰霧凇吸積率（Rime Accretion Rate，RAR）的兩種非感應(yīng)起電方案，模擬發(fā)現(xiàn)基于RAR 的方案在對(duì)流區(qū)出現(xiàn)反三極性結(jié)構(gòu)，其中在-20°C 層以上出現(xiàn)強(qiáng)上升氣流、高LWC 和高RAR 區(qū)域，是產(chǎn)生上部正電荷區(qū)的環(huán)境條件。Lu et al.（2022）發(fā)現(xiàn)單體合并對(duì)電荷結(jié)構(gòu)有明顯影響，合并過程中，云內(nèi)雷電分布由典型的三極性電荷結(jié)構(gòu)演變?yōu)檎⒇?fù)交替的五層電荷結(jié)構(gòu)，最上層為弱正電荷層，單體合并導(dǎo)致的不同極性電荷區(qū)之間的距離減小可以增強(qiáng)雷電活動(dòng)，Chen et al.（2019a）針對(duì)超級(jí)單體的模擬也得到了類似的結(jié)論。廉純皓等（2020）模擬發(fā)現(xiàn)雷電的放電過程會(huì)影響雷暴云中的電場(chǎng)，從而影響水凝物的下落末速度，反過來對(duì)動(dòng)力結(jié)構(gòu)、降水和微物理特征產(chǎn)生相應(yīng)影響。Xu et al.（2020）探究了融化起電機(jī)制對(duì)颮線層云區(qū)電荷分離的潛在貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)雪的融化有利于層云區(qū)0°C 等溫線以下形成正電荷層，霰的融化有利于對(duì)流區(qū)0°C 等溫線以下形成正電荷層。孫凌等（2018）基于WRF-Elec 模式，在NSSL云微物理雙參數(shù)化方案中增加電場(chǎng)力對(duì)霰、雹粒子降落末速度的影響，研究發(fā)現(xiàn)雷暴云發(fā)展旺盛階段，電場(chǎng)力通過對(duì)霰、雹粒子降落末速度的調(diào)整，增強(qiáng)了雷暴云內(nèi)感應(yīng)、非感應(yīng)起電率，電場(chǎng)力對(duì)雷電活動(dòng)的作用為正反饋，電場(chǎng)力對(duì)雷暴電荷結(jié)構(gòu)的反饋?zhàn)饔貌豢珊雎浴?/p>

5.2 氣溶膠對(duì)雷暴云起電和雷電的影響

氣溶膠可作為云凝結(jié)核影響云內(nèi)微物理過程，從而影響云內(nèi)起電和電荷結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)一步影響雷電活動(dòng)。但整體來講，雷電和氣溶膠的關(guān)系是復(fù)雜的，已有的一些研究還有很大的不確定性。

孫萌宇等（2020a）對(duì)雷暴當(dāng)天的雷電活動(dòng)和雷暴發(fā)生之前的大氣氣溶膠濃度相關(guān)性研究表明，污染大氣背景下雷電峰值出現(xiàn)的時(shí)間晚于清潔背景下。在相對(duì)干凈的大氣背景下，總閃數(shù)與PM2.5濃度存在明顯正相關(guān)，此時(shí)氣溶膠可能通過促進(jìn)云微物理過程影響對(duì)流發(fā)展，增強(qiáng)雷電活動(dòng)；在相對(duì)高污染條件下總閃數(shù)隨PM2.5濃度的增加呈減少趨勢(shì)，可能的原因是高氣溶膠濃度下地面太陽輻射顯著下降，對(duì)流活動(dòng)受到抑制，導(dǎo)致雷電活動(dòng)減少。Zhao et al.（2020）發(fā)現(xiàn)由于高原地區(qū)氣溶膠濃度低，盆地地區(qū)氣溶膠濃度高，因此雷電密度與氣溶膠在高原地區(qū)呈顯著正相關(guān)，在盆地地區(qū)呈顯著負(fù)相關(guān)。Shi et al.（2022）發(fā)現(xiàn)在四川盆地西北部，氣溶膠光學(xué)厚度與地閃的相關(guān)系數(shù)為0.64，明顯大于西南部。Sun et al.（2023）對(duì)北京一次沙塵雷暴事件進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)正地閃比例很高，沙塵氣溶膠增加可以影響雷電活動(dòng)。

Sun et al.（2021b）利用耦合了詳細(xì)起電和整體放電方案的WRF-Elec 模式，對(duì)北京城區(qū)發(fā)生的一次多單體雷暴過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)表明氣溶膠濃度的增加促進(jìn)了雷暴云微物理過程的發(fā)展，產(chǎn)生更多的冰晶和粒徑更大的霰粒，非感應(yīng)起電過程增強(qiáng)，最終導(dǎo)致雷電增多。Sun et al.（2023）進(jìn)一步研究了不同環(huán)境熱動(dòng)力條件下氣溶膠對(duì)雷暴云微物理、起電以及雷電活動(dòng)的影響，認(rèn)為在低對(duì)流有效位能（ Convective Available Potential Energy， CAPE）環(huán)境中，盡管冰晶含量較低，但氣溶膠濃度的增加，使半徑增大的霰粒與其他冰相粒子之間有更高的碰撞效率。林曉彤等（2021）的模擬結(jié)果認(rèn)為，水汽質(zhì)量可通過影響冰相粒子增長(zhǎng)速度對(duì)氣溶膠效應(yīng)產(chǎn)生影響，充足的水汽保證了霰和冰晶的增長(zhǎng)，形成更多冰相粒子，非感應(yīng)起電過程增強(qiáng)。

海洋與陸地的雷電特征不同，對(duì)于在相似氣象條件下產(chǎn)生相同雨量的對(duì)流系統(tǒng)，海洋上平均雷電頻數(shù)通常比陸地上小得多。Liu et al.（2020d）認(rèn)為從熱力學(xué)的角度考慮，清潔背景下海洋上對(duì)流更強(qiáng)，雷電活動(dòng)應(yīng)更劇烈，但實(shí)際觀測(cè)表明污染條件下平均雷電密度是清潔條件下的3.7 倍。他們認(rèn)為氣溶膠促進(jìn)了混合相的發(fā)展。Pan et al.（2022）根據(jù)尺度大小將海洋上氣溶膠分為細(xì)氣溶膠和粗海鹽氣溶膠，發(fā)現(xiàn)海洋和陸地的氣溶膠差別主要在于海洋上粗海鹽氣溶膠較多，這導(dǎo)致海洋上深對(duì)流略少于陸地，將海洋粗海鹽氣溶膠固定在低水平，改變細(xì)氣溶膠數(shù)濃度后雷電的增加量遠(yuǎn)大于陸地；將海洋粗海鹽氣溶膠固定在高水平，改變細(xì)氣溶膠數(shù)濃度后雷電增強(qiáng)較少，即雖然細(xì)氣溶膠增強(qiáng)了雷電密度，但是粗海鹽氣溶膠會(huì)抑制混合相的發(fā)展，因此海洋上可以減少90%的雷電活動(dòng)。Liu et al.（2021d）發(fā)現(xiàn)野火季節(jié)，陸地上發(fā)生的雷電增加了73%，海洋上發(fā)生的雷電增加了270%，在熱力學(xué)參數(shù)不利于海洋上產(chǎn)生較多雷電活動(dòng)的情況下，氣溶膠在海洋上空增加的小尺度冰相粒子，可以促進(jìn)混合相微物理的發(fā)展，進(jìn)一步增加雷電活動(dòng)。

此外，Wang et al.（2021b）指出雷電發(fā)生時(shí)也可以產(chǎn)生超細(xì)氣溶膠顆粒，雷電導(dǎo)致成核氣溶膠和愛根核模態(tài)氣溶膠分別增加了18.9 倍和5.6 倍，并且雷電發(fā)生后硝酸鹽氣溶膠顯著增多，使得氣溶膠對(duì)雷電的作用更加復(fù)雜。

5.3 青藏高原雷暴的對(duì)流特征和電荷結(jié)構(gòu)

青藏高原是地球上海拔最高、面積最大的高原，夏季雷暴頻繁發(fā)生，不僅影響亞洲季風(fēng)環(huán)流，而且是近地表物質(zhì)輸送進(jìn)入平流層進(jìn)而影響全球氣候的重要通道。

Zheng and Zhang（2021）利用熱帶降雨衛(wèi)星（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）資料，發(fā)現(xiàn)高原上的雷暴雷電率和雷暴大小呈正相關(guān)。他們對(duì)比高原雷暴、中國中東部雷暴和喜馬拉雅山南麓雷暴，發(fā)現(xiàn)高原雷暴中的弱對(duì)流導(dǎo)致在雷暴大小相近的情況下雷電率較小，有效起電區(qū)較小。Qie et al.（2022b）發(fā)現(xiàn)青藏高原東部的雷暴中雷電發(fā)生最多，對(duì)應(yīng)冰相粒子含量、云頂高度、體積對(duì)流降水率最大。東部高原冰相粒子含量與雷電活動(dòng)具有相似的季節(jié)變化，而中部和西部的狹長(zhǎng)對(duì)流也是影響雷電活動(dòng)的重要因素。青藏高原復(fù)雜的地形也可能對(duì)雷暴云的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

Wang et al.（2019a）基于數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，青藏高原獨(dú)特的弱對(duì)流和低凍結(jié)高度環(huán)境條件可能是三極性結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)底部大正電荷區(qū)的原因，底部正電荷區(qū)主要由帶正電荷的霰和云滴組成，即使在上升氣流弱時(shí)，低凍結(jié)高度也可以形成冰相粒子，從而形成三極性結(jié)構(gòu)中較低的反偶極子；弱對(duì)流使上方偶極子的起電減弱，下方偶極子的起電過程沒有明顯變化，相對(duì)而言下方起電更為突出。高原雷暴中感應(yīng)起電的作用不可忽視，攜帶正電荷的霰粒子中50%以上的正電荷由感應(yīng)起電機(jī)制提供，顯著提高了中部主負(fù)電荷中心和底部大正電荷中心，略微降低了上部正電荷中心。郭鳳霞等（2018）對(duì)一次高原雷暴過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)高原雷暴整體電荷密度較小，主要為三極性結(jié)構(gòu)，消散階段由于霰粒子下落固態(tài)降水增強(qiáng)，電荷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O性。在三極性電荷結(jié)構(gòu)分布中主正電荷區(qū)與主負(fù)電荷區(qū)深厚，上部正電荷區(qū)由攜凈正電的冰晶構(gòu)成，中部負(fù)電荷區(qū)由攜凈負(fù)電的霰粒子構(gòu)成；下部正電荷區(qū)具有較大的空間范圍和持續(xù)時(shí)間，但是電荷密度更小，其由攜凈正電的霰粒子、雪粒子共同構(gòu)成。偶極性結(jié)構(gòu)的下部負(fù)電荷區(qū)主要由攜帶凈負(fù)電的霰粒子構(gòu)成。

6 強(qiáng)對(duì)流天氣的雷電特征與預(yù)報(bào)

雷暴系統(tǒng)中動(dòng)力結(jié)構(gòu)、微物理過程和雷電活動(dòng)密不可分并相互影響，由于不同雷暴系統(tǒng)中的動(dòng)力和微物理特征不同，導(dǎo)致云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)和雷電活動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的差異，而雷電也能在一定程度上反映對(duì)流的發(fā)展強(qiáng)度和趨勢(shì)，并對(duì)動(dòng)力和微物理場(chǎng)產(chǎn)生反饋。

6.1 MCS 的雷電活動(dòng)

MCS 常伴隨強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹和頻繁的雷電。Liu et al.（2021a）按照雷達(dá)回波的形態(tài)特征將線狀MCS 分為6 類，分別為前部對(duì)流后部層云區(qū)（TS）、前部層云后部對(duì)流區(qū)（LS）、前部對(duì)流沒有層云區(qū)（NS）、弓狀回波（BE）、對(duì)流線與層云區(qū)平行（PS）和破碎線性層狀云（BL），在北京地區(qū)TS、LS 和PS 三種線狀MCS 占總量的73%，在其成熟階段，雷電集中分布在雷達(dá)反射率高的對(duì)流區(qū)，到消散階段對(duì)流區(qū)雷電數(shù)量急劇減少，層狀區(qū)雷電數(shù)量逐漸增加。Xia et al.（2018）將MCS 根據(jù)其高/低對(duì)流降雨率（HR/LR）和高/低地閃頻數(shù)（HL/LL）分為四類，發(fā)現(xiàn)HRHL、HRLL、LRHL 和LRLL 類別表現(xiàn)出從最高到最低的對(duì)流有效位能和大氣可降水量，以及從最低到最大的對(duì)流抑制和抬升指數(shù)。

Chen et al.（2020a）發(fā)現(xiàn)在一次快速發(fā)展的MCS 中，雷電率的增長(zhǎng)遠(yuǎn)快于風(fēng)暴體積的增長(zhǎng)，MCS 中對(duì)流單體之間的合并可以導(dǎo)致MCS 整體復(fù)雜的電荷結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致局部電場(chǎng)增加，引發(fā)更多雷電。Wang et al.（2019b）發(fā)現(xiàn)約95.7%的層云區(qū)雷電發(fā)生在亮帶形成之后，而且大于74.8%的亮帶上方發(fā)生或傳播的層狀區(qū)雷電，有一半以上VHF 源位于亮帶區(qū)域，確定了層云區(qū)雷電的發(fā)生和傳播與亮帶之間的關(guān)系；在小型MCS 的發(fā)展階段，層云區(qū)雷電負(fù)先導(dǎo)大多發(fā)生在9～12 km 高度范圍內(nèi)；而在層云區(qū)較大的MCS 中，5～7 km 的低空范圍也存在頻繁的負(fù)先導(dǎo)（Wang et al., 2021a）。

對(duì)流單體的合并是維持颮線系統(tǒng)中對(duì)流發(fā)展的關(guān)鍵過程，Lu et al.（2021）發(fā)現(xiàn)單體合并過程中兩單體總閃頻數(shù)經(jīng)歷了從略微下降至急劇上升的過程，合并完成時(shí)達(dá)到峰值，而且合并對(duì)前后，兩個(gè)單體的雷電活動(dòng)明顯不同，有的雷電增加，有的減少，合并產(chǎn)生的強(qiáng)輻合使上升氣流將更多水汽從低層帶到高層，有利于冰相粒子的形成，從而加強(qiáng)非感應(yīng)起電過程。上升氣流主導(dǎo)的砧狀云區(qū)和下沉氣流主導(dǎo)的出流區(qū)是兩個(gè)對(duì)流單體迅速連接合并的主要原因，合并后中層的霰和雪質(zhì)量大幅增加，上層冰晶平流移動(dòng)，質(zhì)量基本沒有增加（Lu et al., 2022）。于函等（2022）統(tǒng)計(jì)分析了颮線雷電活動(dòng)和雷達(dá)回波強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)颮線雷電集中發(fā)生在30 dBZ 以上的前部線狀對(duì)流云區(qū)強(qiáng)回波區(qū)域和6～11 km 的高度范圍內(nèi)，總閃頻數(shù)和雷達(dá)強(qiáng)回波體積的時(shí)間演變規(guī)律基本相同，但是達(dá)到峰值的時(shí)間并不完全同步，存在提前或滯后的情況。

6.2 熱帶氣旋的雷電活動(dòng)及對(duì)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的指示意義

西北太平洋是熱帶氣旋最活躍的區(qū)域之一，熱帶氣旋接近登陸時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻繁的雷電。Zhang et al.（2020b）發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋對(duì)西北太平洋所有雷電的平均貢獻(xiàn)約為4.9%，其中熱帶風(fēng)暴貢獻(xiàn)最大為2%。熱帶氣旋貢獻(xiàn)的雷電中心峰值位置初夏至夏末向極地移動(dòng)，在夏末至秋季向赤道移動(dòng)，且La Ni?a 期間其對(duì)雷電的貢獻(xiàn)為5.0%，超級(jí)臺(tái)風(fēng)貢獻(xiàn)最大為1.8%；El Ni?o 期間其對(duì)雷電的貢獻(xiàn)為3.2%，熱帶風(fēng)暴貢獻(xiàn)最大為2.2%。Zhang et al.（2019）發(fā)現(xiàn)海燕（2013）中雷電在臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)階段主要發(fā)生在下切變象限內(nèi)，在臺(tái)風(fēng)最強(qiáng)階段主要發(fā)生在眼壁更換周期后，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱階段主要發(fā)生在左上切變象限內(nèi)，三次主要爆發(fā)過程中雨帶中地閃均相對(duì)較少，熱帶氣旋內(nèi)核雷電爆發(fā)的徑向和方位角分布可以為對(duì)流結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度變化的關(guān)系提供指示性信息。LMI 和WWLLN 兩個(gè)探測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到的山竹（2018）雷電活動(dòng)的空間分布、時(shí)間演變和徑向分布模式一致，但是LMI 在臺(tái)風(fēng)內(nèi)核中探測(cè)的云閃 比 例 較 高（Zhang et al.，2020a）。Kong et al.（2021）指出雷電頻數(shù)峰值和最大持續(xù)風(fēng)速之間的時(shí)間差可以作為熱帶氣旋強(qiáng)度變化的潛在預(yù)測(cè)參數(shù)，風(fēng)暴增強(qiáng)過程中雷電頻數(shù)峰值先于最大持續(xù)風(fēng)速，時(shí)滯中位數(shù)為59 h，風(fēng)暴減弱過程中雷電頻數(shù)峰值后于最大持續(xù)風(fēng)速，時(shí)滯中位數(shù)為-64 h，根據(jù)風(fēng)強(qiáng)隨時(shí)滯峰值的變化分別建立方程對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

6.3 雷電的預(yù)警預(yù)報(bào)

對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的實(shí)際意義。近幾年，隨著人工智能的快速發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)也逐步應(yīng)用于雷電預(yù)報(bào)中。Lin et al.（2019）提出了一種基于注意力的雙源時(shí)空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ADSNet），通過將最近的雷電觀測(cè)資料和模擬結(jié)果耦合進(jìn)雷電預(yù)報(bào)模型中，使得每個(gè)模擬參數(shù)可以自適應(yīng)調(diào)整，從而有效改善了12 h 雷電預(yù)測(cè)方法，也使輸入的各種氣象參數(shù)的貢獻(xiàn)具有了可解釋性。Guo et al.（2022）將觀測(cè)與WRF 產(chǎn)品合并訓(xùn)練，構(gòu)建了一個(gè)多輸入和多輸出的卷積長(zhǎng)短期記憶雷電臨近預(yù)報(bào)模型（CLSTM LFN），這種模型在合并多源資料后，可以實(shí)現(xiàn)0～3 h 雷電發(fā)生區(qū)域的有效預(yù)測(cè)，且卷積的作用隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的增加而顯著增加，對(duì)流有效勢(shì)能的相對(duì)重要性顯著大于其他物理變量。Zhou et al.（2020）基于葵花8 衛(wèi)星和雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，使用語義分割深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種0～1 h 的地閃臨近預(yù)報(bào)算法（LightningNet），多源觀測(cè)數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)合并，可以產(chǎn)生良好的2～6 h 閃電預(yù)測(cè)。Zhou et al.（2022）設(shè)計(jì)了一種雙向時(shí)空傳播器LightNet+，用于編碼WRF 數(shù)據(jù)的前向和后向趨勢(shì)信息，可以充分分析和利用模擬數(shù)據(jù)中的時(shí)間相關(guān)性。Geng et al.（2021）建立了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多源數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)模型LightNet。LightNet 中的雙編碼器提取WRF 模式數(shù)據(jù)的時(shí)空特征和最近對(duì)閃電數(shù)據(jù)的觀測(cè)，以校準(zhǔn)模擬產(chǎn)物并輔助預(yù)測(cè)，可顯著改進(jìn)6 h 預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)源越多，預(yù)測(cè)性能越好。

Cui et al.（2022）使用三維總閃數(shù)據(jù)和連續(xù)波雷達(dá)垂直探測(cè)數(shù)據(jù)，建立了基于網(wǎng)格盒對(duì)應(yīng)關(guān)系的定量和診斷關(guān)系，通過使用光梯度增強(qiáng)機(jī)算法（Light Gradient Boosting Machine algorithm），開發(fā)了一個(gè)集成多個(gè)雷達(dá)參數(shù)的雷電診斷程序，預(yù)報(bào)閃電發(fā)生命中率為93.5%。Xu et al.（2022a）設(shè)計(jì)了一種可以預(yù)測(cè)總閃覆蓋范圍的模型，這種模型在雨季6～8 月和當(dāng)?shù)貢r(shí)間14～20 時(shí)有更好的預(yù)測(cè)能力，且雷暴規(guī)模越大，可預(yù)測(cè)性越強(qiáng)。但是使用該模型預(yù)測(cè)的雷電活動(dòng)的覆蓋范圍相對(duì)集中，雷電密度高于觀測(cè)值。Srivastava et al.（2022）利用鄰域技術(shù)得到雷暴單體的邊界，通過對(duì)單個(gè)雷暴進(jìn)行追蹤，在雷電到達(dá)關(guān)注區(qū)域之前結(jié)合實(shí)時(shí)觀測(cè)的總閃資料，對(duì)雷電概率進(jìn)行近距離預(yù)測(cè)，在30 分鐘、15 分鐘和5 分鐘的提前時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)確率分別為63%、80%和91%。

Zhou et al.（2019）提出了一種基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)方案，對(duì)不同天氣的再分析數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練最終輸出預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)可以自動(dòng)提取強(qiáng)對(duì)流天氣的非線性特征，使得其對(duì)雷暴的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分（Threat Scores，TS）提高了16.1%。Geng et al.（2021）基于深度學(xué)習(xí)，構(gòu)建了一個(gè)可以處理具有不同時(shí)空分布的多個(gè)數(shù)據(jù)源的通用預(yù)測(cè)模型LightNet+，可以提取不同數(shù)據(jù)源的互補(bǔ)信息進(jìn)行預(yù)報(bào)。與同為深度學(xué)習(xí)模型的Step Deep 對(duì)比，使用多源多時(shí)空分布的數(shù)據(jù)改進(jìn)了性能，6 h 內(nèi)的探測(cè)概率（Probability of Detection，POD）提高了12%。Zhou et al.（2022）為解決局部鄰域無法捕獲長(zhǎng)期時(shí)空依賴關(guān)系的問題，提出了一個(gè)雙向時(shí)空轉(zhuǎn)換的雙源閃電預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)，將WRF 仿真數(shù)據(jù)融入了LightNet+，12 h 內(nèi)公平技巧評(píng)分（Equitable Threat Score，ETS）提高了10%。

6.4 雷電資料同化改進(jìn)強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)和強(qiáng)對(duì)流事件預(yù)警

雷電可以很好地反映對(duì)流的位置和強(qiáng)度，與對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)垂直上升運(yùn)動(dòng)和冷云過程密切相關(guān)。雷電資料同化可為數(shù)值模式的初始場(chǎng)增加更多的中小尺度對(duì)流信息，進(jìn)而改進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)，而且雷電定位資料具有較高的分辨率，在雷達(dá)探測(cè)盲區(qū)，雷電探測(cè)可作為一個(gè)有效的資料補(bǔ)充。

Wang et al.（2018a）采用時(shí)滯集合卡爾曼濾波技術(shù)來同化閃電反演出的霰粒子混合比，該方案給強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)帶來了正面效果。Chen et al.（2019b）提出了一種綜合調(diào)整水物質(zhì)含量的雷電資料同化方案，以總體理查德森數(shù)衡量模式動(dòng)力、熱力狀況，根據(jù)模式不同動(dòng)力、熱力狀況和雷電頻數(shù)來調(diào)整低層大氣水汽混合比和混合相態(tài)層內(nèi)軟雹含量，發(fā)現(xiàn)采用雷電資料同化后，模式對(duì)對(duì)流活動(dòng)的模擬更加接近實(shí)際觀測(cè)，模擬出的冷池強(qiáng)度、范圍以及降水落區(qū)等更接近實(shí)際觀測(cè)。Zhang et al.（2020b）將熱帶氣旋雷電資料耦合進(jìn)數(shù)值模式中，發(fā)現(xiàn)隨著雷電資料同化增加，強(qiáng)度預(yù)測(cè)的改善明顯，同化內(nèi)核雷電資料對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的改善可維持約48 h，但是當(dāng)模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大于實(shí)際臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

Xiao et al.（2021a）開發(fā)了一種基于云尺度模式的四維變分同化雷電資料更新模式動(dòng)力場(chǎng)的方法，首先建立垂直速度最大值與總雷電頻數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，按照傳統(tǒng)的對(duì)流模型“雙曲線”將雷電資料轉(zhuǎn)化為雷電格點(diǎn)上垂直運(yùn)動(dòng)，敏感性試驗(yàn)和同化雷電資料對(duì)比試驗(yàn)表明，同化雷電資料增加了中層的垂直速度，產(chǎn)生更多的潛熱釋放并導(dǎo)致了雷暴強(qiáng)度更強(qiáng)，這些修改有助于維持對(duì)流風(fēng)暴的生命，也可以促發(fā)新對(duì)流的產(chǎn)生。Chen et al.（2020b）通過雷電資料反演出適用于對(duì)流尺度資料同化的垂直速度場(chǎng)，在WRFDA 中構(gòu)建相應(yīng)的三維變分（Threedimensional Variational，3DVar）觀測(cè)算子更新模式動(dòng)力場(chǎng)，利用“風(fēng)四”衛(wèi)星的LMI 雷電產(chǎn)品進(jìn)行同化應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)同化雷電資料可以有效改進(jìn)山區(qū)的動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這種更新模式動(dòng)力場(chǎng)的方式，直接促進(jìn)垂直運(yùn)動(dòng)的形成，進(jìn)而影響熱力和微物理過程和對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)和發(fā)展，提升了定量降水預(yù)報(bào)的能力。

Xiao et al.（2021b）進(jìn)一步探索了這種更新動(dòng)力場(chǎng)的雷電資料同化方法在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)高分辨率局域雷電全閃定位資料對(duì)小尺度對(duì)流過程的解析具有優(yōu)勢(shì)，并通過增強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部和附近的輻合和上升氣流，改善了模式的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，四維變分（4DVar）業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)雷電同化的時(shí)間間隔為3 分鐘。Zhang et al.（2023b）研究了這種調(diào)整動(dòng)力場(chǎng)的雷電資料同化方法在快速更新同化業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的適用性，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)徑向速度和雷電資料的同化作用具有協(xié)同性，雷達(dá)徑向速度同化可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提高預(yù)報(bào)精度，雷電垂直速度同化可以對(duì)預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度和位置進(jìn)行校正，雷電資料同化提高了對(duì)強(qiáng)降水的三維熱力學(xué)結(jié)構(gòu)的模擬能力以及短期預(yù)報(bào)能力，積極影響可持續(xù)至少3 h。Gan et al.（2021）基于總閃頻數(shù)和最大垂直速度之間的關(guān)系，通過集合平方根濾波器（EnSRF）方法在云分辨尺度上同化總閃數(shù)據(jù)，改善了水蒸氣場(chǎng)，并提供了一個(gè)暖濕環(huán)境，進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)流預(yù)報(bào)。Wang et al.（2020）同樣利用總閃頻數(shù)和最大垂直速度關(guān)系的同化方案，在颮線個(gè)例研究和汛期預(yù)報(bào)中提高了短時(shí)降水的預(yù)報(bào)技巧。

雷電頻數(shù)躍增與降雹、強(qiáng)降水、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣事件存在一定關(guān)系。Tian et al.（2019）提出總2σ 雷電躍增對(duì)北京地區(qū)冰雹的臨近預(yù)報(bào)有潛在價(jià)值，使用雷電頻數(shù)及對(duì)應(yīng)的2σ 雷電躍增算法對(duì)冰雹進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)81.8%的冰雹事件之前發(fā)生2σ 雷電躍增。孫萌宇等（2020b）對(duì)多次降雹的一次強(qiáng)雷暴過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，降雹前和降雹過程中總閃頻數(shù)均出現(xiàn)增加，大部分出現(xiàn)正地閃突增的現(xiàn)象，而降雹后正地閃頻數(shù)減少。Tian et al.（2022）進(jìn)一步將雙極化雷達(dá)的水凝物分類結(jié)果與2σ 雷電躍增算法結(jié)合，發(fā)現(xiàn)大冰雹、霰和小冰雹的相鄰時(shí)刻格點(diǎn)數(shù)之比的局部峰值可以有效識(shí)別出有效和無效的雷電躍增，通過去除無效雷電躍增降低了虛警率，從而提高了2σ 雷電躍增算法的冰雹精細(xì)預(yù)警性能。Wu et al.（2018）開發(fā)了一種基于降雨和雷電跳躍算法的短時(shí)（＜6 h）降雨事件的臨近預(yù)測(cè)方法，可以為區(qū)域尺度到中尺度短時(shí)降雨事件提供早期預(yù)警。

7 雷電對(duì)氣候變化的影響與響應(yīng)

雷電通過產(chǎn)生NOx和野火等在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生重要的氣候影響。盡管目前還很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來的雷電變化，但人類活動(dòng)增加和氣候變暖等多種因素加大了人類遭受雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。隨著最近三十多年對(duì)雷電的可靠探測(cè)，在全球和區(qū)域尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷電活動(dòng)的空間和地基監(jiān)測(cè)，雷電定位資料逐漸有了較長(zhǎng)時(shí)間尺度的積累。在全球氣候變暖背景下，雷電活動(dòng)怎樣變化，雷電又如何影響大氣成分和大氣化學(xué)，進(jìn)而影響天氣氣候，成為大氣電學(xué)研究的新方向。

7.1 雷電的氣候分布及其對(duì)大氣成分的影響

由于缺乏長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)和均勻的雷電觀測(cè)資料，雷電的氣候分布研究仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。隨著雷電資料的積累，近五年來，對(duì)這一問題的研究有了一定的進(jìn)展。

Xu et al.（2022b）利用中國氣象局的CNLDN地閃數(shù)據(jù)集，分析了2010～2020 年中國陸地區(qū)域的雷電氣候分布，中國陸地區(qū)域平均雷電密度為0.9 fl km-2a-1，其分布由南向北、由東至西逐漸減少。春季、夏季、秋季雷電活動(dòng)在早晨相對(duì)較少，在下午最活躍，而冬季雷電活動(dòng)在夜間和清晨最為活躍。峰值電流大于75 kA 的正地閃是峰值電流大于75 kA 負(fù)地閃的3 倍以上，地閃平均峰值電流與地閃活動(dòng)呈相反的日變化規(guī)律。Xu et al.（2023）分析了中國陸地區(qū)域地閃空間模態(tài)分布特征及其可能的氣候成因，發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾—南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）是中國陸地區(qū)域地閃活動(dòng)的氣候驅(qū)動(dòng)因子。

雷電在對(duì)流層中產(chǎn)生氮氧化物（LNOx），是對(duì)流層臭氧O3的重要前體物，對(duì)大氣成分和大氣化學(xué)有重要影響。郭鳳霞等（2019）分析了青藏高原雷電產(chǎn)生的NOx經(jīng)由光化學(xué)反應(yīng)對(duì)O3濃度變化及夏季O3低谷形成的影響，夏季青藏高原強(qiáng)雷暴天氣導(dǎo)致對(duì)流層中上部氮氧化物度升高，并隨強(qiáng)上升氣流向?qū)α鲗禹斴斔?，通過光化學(xué)反應(yīng)使O3濃度增加，抑制了青藏高原夏季O3低谷的進(jìn)一步深化。Li et al.（2022）評(píng)估了LNOx對(duì)青藏高原表面O3的貢獻(xiàn)，夏季青藏高原地表NOx的排放中LNOx貢獻(xiàn)約15%，占地表日8 小時(shí)最大平均（MDA8）O3總濃度的17.5%±14.5%。并且LNOx顯著影響NOx、OH 和MDA8O3表面濃度，雷電對(duì)青藏高原上涉及O3的大氣化學(xué)過程有顯著影響。Li et al.（2023）基于2014～2018 年地閃定位資料，估計(jì)了中國大陸LNOx總量，認(rèn)為負(fù)地閃產(chǎn)生的NOx較正地閃多。

7.2 雷電對(duì)氣候變化的響應(yīng)

雷電通過產(chǎn)生NOx和誘發(fā)野火對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和大氣化學(xué)有顯著影響，進(jìn)而影響地球的氣候系統(tǒng)，而雷電對(duì)氣候變化也有敏感的響應(yīng)。在氣候變化背景下，雷電活動(dòng)如何變化是一個(gè)備受關(guān)注的問題。

基于1996～2013 年LIS/OTD 衛(wèi)星雷電資料，Qie et al.（2020）分析了全球雷電活動(dòng)的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明全球平均雷電密度沒有顯著趨勢(shì)，而區(qū)域尺度上變化不一，北美東南部、南美洲中部和澳大利亞東部雷電密度降低顯著，對(duì)流有效位能的減小可能是最為顯著的影響因素；而南亞西北部雷電密度顯著增加，氣溶膠的增加對(duì)這一趨勢(shì)的貢獻(xiàn)較大。雷電活動(dòng)在整個(gè)亞洲季風(fēng)區(qū)都表現(xiàn)出明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，但在南亞季風(fēng)區(qū)的熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)于雷電活動(dòng)的影響大于微物理效應(yīng)（Qie et al., 2021）。

青藏高原是對(duì)氣候變化最敏感的地區(qū)之一，近幾十年來呈現(xiàn)出顯著增暖趨勢(shì)，在這種增暖背景下，青藏高原上雷電活動(dòng)如何變化呢？基于地面臺(tái)站的雷暴觀測(cè)，Zhang et al.（2023b）指出1961～2010年間青藏高原以東站點(diǎn)的雷暴日的年平均值呈減少趨勢(shì)，減少率在1%左右，這一下降趨勢(shì)在5～9月尤為明顯。Zou et al.（2018）研究了青藏高原的冰雹日和雷暴日變化趨勢(shì)及原因，認(rèn)為高原地區(qū)顯著變暖改變了該地區(qū)大尺度的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，地表強(qiáng)烈增溫導(dǎo)致的對(duì)流層中層干燥是1960 年以來青藏高原上暖季雷暴日下降的主要原因，而大氣變暖造成的融化層高度增加是1980 年以來冰雹日下降的原因，全球變暖可能會(huì)導(dǎo)致22 世紀(jì)青藏高原強(qiáng)雷暴和冰雹形成所需條件的減少。Qie et al.（2022a）利用LIS/OTD 和WWLLN 雷電資料研究發(fā)現(xiàn)，1997 年以來青藏高原雷電活動(dòng)總體呈增加趨勢(shì)，雷電活動(dòng)最強(qiáng)增強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)在青藏高原東部為代表的高雷電密度區(qū)域。這一結(jié)果與前面提到的雷暴日和冰雹日變化趨勢(shì)不同，其原因與所選用的參量和資料不同有關(guān)，同時(shí)也與時(shí)間段的選取有一定關(guān)系。另外，一個(gè)雷暴日中可能會(huì)有多個(gè)雷暴發(fā)生，一次雷暴也可能產(chǎn)生不同數(shù)量的雷電活動(dòng)，基于TRMM 衛(wèi)星的降水特征和雷電資料定義的雷暴數(shù)量在青藏高原上也呈增加趨勢(shì)，而作為雷暴強(qiáng)度指標(biāo)的30 dBZ和40 dBZ的平均最大高度、發(fā)展深度和體積均沒有表現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)，表明雷暴頻次的增加導(dǎo)致了青藏高原上雷電活動(dòng)的顯著增加。導(dǎo)致這一結(jié)果的大氣環(huán)境熱動(dòng)力原因值得進(jìn)一步研究。Li et al.（2020）基于LIS/OTD 雷電資料分析發(fā)現(xiàn)，青藏高原的雷電密度自東向西呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，東部雷電密度最大，5～9 月的雷電占全年雷電活動(dòng)的96.8%，提出將降水率與波文比（感熱通量與潛熱通量之比）、地表比濕的乘積作為修正降水率，發(fā)現(xiàn)修正后的降水率在季節(jié)變化上和雷電的關(guān)系更好。

8 展望

近年來通過發(fā)展高分辨率雷電探測(cè)和定位新技術(shù)，在雷電物理過程和機(jī)制、人工引發(fā)雷電、高塔雷電、雷暴對(duì)上層大氣的影響、不同類型雷暴系統(tǒng)中雷電活動(dòng)和電荷結(jié)構(gòu)特征等方面都取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，特別是基于多手段綜合觀測(cè)研究，揭示了雷電正、負(fù)先導(dǎo)的傳播特征和異同，對(duì)地閃連接過程精細(xì)結(jié)構(gòu)和機(jī)制、雷暴云上方的藍(lán)色噴流和地球伽馬射線閃與雷電的關(guān)系等方面都取得了突破性認(rèn)識(shí)，顯著提高了雷電物理機(jī)制以及對(duì)上層大氣影響的理解。通過觀測(cè)和數(shù)值模擬研究，揭示了不同類型雷暴系統(tǒng)中雷電活動(dòng)和電荷結(jié)構(gòu)分布特征，發(fā)展了雷電資料同化方法和雷電預(yù)報(bào)方法，在雷電資料的積累和氣象學(xué)利用上取得了重要進(jìn)展。

強(qiáng)對(duì)流雷暴云內(nèi)的起電和雷電強(qiáng)烈地依賴于云內(nèi)的動(dòng)力和微物理過程的發(fā)展，但由于云內(nèi)過程的復(fù)雜性和直接測(cè)量的困難，對(duì)于雷暴云內(nèi)的電荷如何產(chǎn)生并激發(fā)閃電放電仍然是被持續(xù)關(guān)注但未能充分認(rèn)識(shí)的重要科學(xué)問題，比如，云內(nèi)的電荷到底如何產(chǎn)生？多強(qiáng)的云內(nèi)電場(chǎng)可以激發(fā)閃電放電？什么過程在什么位置誘發(fā)了閃電？等。這些問題不僅是當(dāng)前大氣電學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)科學(xué)問題，也是亟待解決的前沿和基礎(chǔ)科學(xué)問題。實(shí)際上，最近越來越多的觀測(cè)在證明一種新的閃電始發(fā)機(jī)制，即有高能粒子參與的相對(duì)論逃逸電子雪崩機(jī)制，傳統(tǒng)的空氣擊穿機(jī)制和逃逸擊穿機(jī)制在閃電始發(fā)過程中的相對(duì)重要性已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的新的熱點(diǎn)問題。近年來，多頻段高時(shí)空分辨率三維射頻成像技術(shù)的發(fā)展，特別是具有偏振功能的閃電VHF 干涉儀的出現(xiàn)，大大增強(qiáng)了我們對(duì)閃電的探測(cè)能力，為明確閃電的始發(fā)過程和機(jī)制提供了關(guān)鍵的技術(shù)手段；雷暴云內(nèi)電場(chǎng)和水成物粒子荷電量的原位探測(cè)，也有助于我們對(duì)云內(nèi)起電過程和閃電始發(fā)位置的認(rèn)識(shí)。因此，展望未來，大氣電學(xué)亟待解決的科學(xué)問題主要包括：（1）真實(shí)雷暴云中起電的微物理機(jī)制；（2）自然雷電在云內(nèi)的始發(fā)機(jī)制及其和高能輻射的關(guān)系；（3）人工智能在雷電預(yù)報(bào)、波形識(shí)別和精確定位中的應(yīng)用；（4）雷電對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的影響和響應(yīng)；（5）中高層閃電發(fā)生機(jī)制及對(duì)上層大氣環(huán)境的影響；（6）全球和區(qū)域氣候模式中雷電的參數(shù)化和預(yù)測(cè)等。