高塔上行閃電正先導傳輸
來自中國防雷
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“先導”是閃電通過持續擊穿大氣建立和形成放電通道的過程，不同極性先導的傳輸特徵及物理機制差異，是閃電的一系列宏觀效應的根源，例如閃電強度、發展尺度、正負閃電比例等，並進一步影響中高層大氣放電、全球大氣電路過程、電離層參量等。相較於負先導，國際上對正先導的認識相對模糊，近年來不同國家和地區的觀測陸續揭示了正先導的不連續間歇性發展特徵，挑戰了傳統上正先導連續發展的固有認識，也引發了對其形成機理的持續爭議：部分學者認為儘管正先導與負先導存在明顯的微觀物理差異，但也具有一定的共性，從而導致其在宏觀上的間歇性特徵；也有學者認為正先導的間歇發展，實際上只是受周圍負先導傳輸所產生的梯級脈衝電場影響而形成的表象。
大氣所郄秀書和蔣如斌團隊利用高聳鐵塔易遭雷擊的特點，持續多年對325米氣象塔組織開展了光、電、磁等多手段綜合觀測，取得了對高塔閃電較為系統的認識。最近，更獲得了每秒高達38萬幀的閃電先導發展光學圖像和同步的電磁場變化波形，以高時空分辨率解析了在同一光學圖像內相互靠近的自然正、負先導的傳輸過程。研究發現：正、負先導的梯級傳輸特徵參量差異顯著，梯級形成機制並不相同，但二者均受到各自先導頭部前方弱發光的電暈流光區所影響；正、負先導間歇性梯級的發生時間存在明顯的不一致性、非同步性，進而從觀測角度澄清了正先導的梯級發展特徵是其自身的物理屬性，並非周圍負先導通過脈衝電場間接作用導致的結果。此外，團隊還揭示了正先導發展分叉的新機制。他們發現，傳輸中的正先導通道後部可以激發懸浮雙向先導放電，起始點位置與通道的距徑向距離約200米。雙向先導的正極性端呈單支通道遠離主先導發展，負極性端則呈豐富分叉靠近主先導發展，並最終與主通道發生連接，匯入主通道形成其新的分支。
這些研究發現拓展了對正先導傳輸機制的認識，也為今後建立和完善正先導自持發展物理模型奠定了重要的觀測證據和理論基礎。研究成果發表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres、Geophysical Research Letters和Earth and Planetary Physics期刊上。
圖1 正先導激發通道附近雙向先導放電的物理過程觀測結果
圖2 相互靠近的正、負先導間歇性發展概念圖
【論文信息】
Shanfeng Yuan, Rubin Jiang*, Xiushu Qie, Zhuling Sun, Dongfang Wang, and Abhay Srivastava (2019). Development of Side Bidirectional Leader and Its Effect on Channel Branching of the Progressing Positive Leader of Lightning. Geophysical Research Letters, 46(3), 1746-1753.
https://doi.org/10.1029/2018GL080718
Abhay Srivastava, Rubin Jiang *, Shanfeng Yuan, Xiushu Qie, Dongfang Wang, Hongbo Zhang, Zhuling Sun, and Mingyuan Liu (2019). Intermittent propagation of upward positive leader connecting a downward negative leader in a negative cloud‐to‐ground lightning. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125.
https://doi.org/10.1029/2019JD031148
Xiushu Qie *, Shanfeng Yuan, Hongbo Zhang, Rubin Jiang, Zhijun Wu, Mingyuan Liu, Zhuling Sun, …, and Gaopeng Lu (2019). Propagation of positive, negative, and recoil leaders in upward lightning flashes. Earth and Planetary Physics, 3(2), 102–110.
https://doi.org/10.26464/epp2019014
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