閃電，是自然界中最壯觀的物理現(xiàn)象之一，不僅對人類生活和生產(chǎn)構(gòu)成威脅，并且還是觸發(fā)其它大氣現(xiàn)象和生態(tài)系統(tǒng)變化的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步，研究人員正在使用更先進(jìn)的工具和方法來研究閃電，以期更好地理解其復(fù)雜的物理過程。

規(guī)則脈沖爆發(fā)是一種閃電研究中的奇特現(xiàn)象，在地面快速電場變化波形中表現(xiàn)為間歇發(fā)生但規(guī)則間隔的連續(xù)脈沖波形，單個脈沖持續(xù)時(shí)間為微秒量級，連續(xù)的脈沖序列持續(xù)時(shí)間則達(dá)到毫秒量級，其發(fā)生機(jī)制一直以來都是學(xué)界的未解之謎。

由中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院范祥鵬團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)研究，取得了閃電規(guī)則脈沖爆發(fā)序列（RPBs）通道發(fā)展和電學(xué)參數(shù)特征的新發(fā)現(xiàn)。

在這項(xiàng)研究中，利用團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的一種新的物理模型和粒子群優(yōu)化（PSO）方法，估算出連續(xù)脈沖的電流和傳播速度，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)脈沖發(fā)展通道的高度重疊特征。

按照以往觀測條件，對直竄先導(dǎo)（K過程）發(fā)展速度的估計(jì)作為RPBs脈沖電流的速度范圍，脈沖電流高達(dá)88千安培，這超出了大多數(shù)地面放電的電流值。然而，通過甚高頻（VHF）閃電干涉儀觀測到的RPBs發(fā)展特征表明，這些脈沖的傳播速度顯著快于預(yù)期，約為0.6×108米／秒到1.8×108米／秒。這一發(fā)現(xiàn)將推斷的電流從88千安培降低到6到18千安培。VHF干涉儀的納秒級觀測結(jié)果為RPBs通道高度重疊遞進(jìn)發(fā)展特征的論斷提供了直接觀測證據(jù)。

對閃電規(guī)則脈沖發(fā)生機(jī)制的深入研究為未來的雷電觀測和分析提供了新的方法和視角，也有望為自然界中其它類似現(xiàn)象的機(jī)理研究提供參考。

據(jù)悉，該項(xiàng)成果于2019年首次投稿于Geophysical　Research　Letters，但由于當(dāng)時(shí)缺乏清晰的觀測證據(jù)證實(shí)新發(fā)展模型獲取的分析結(jié)論，這項(xiàng)研究經(jīng)過多輪審稿后被長期擱置。近年來范祥鵬團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持多頻段閃電探測技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，特別是由其提出的全脈沖識別的閃電干涉儀定位新方法將干涉儀對閃電放電事件的時(shí)間分辨率由以往的微秒量級提升至納秒量級，納秒量級分辨率的高精度觀測為5年前的模型分析結(jié)論提供了直接的觀測證據(jù)，從而使這項(xiàng)研究的結(jié)論于今年得以發(fā)表。

該研究成果以Channel　Development　and　Electric　Parameter　Characteristics　of　Regular　Pulse　Bursts　in　lightning為題發(fā)表在地學(xué)領(lǐng)域期刊Geophysical　Research　Letters上，西北研究院范祥鵬副研究員為論文第一作者和通訊作者，美國新墨西哥理工大學(xué)、中國氣象科學(xué)研究院和復(fù)旦大學(xué)科研人員參與了該項(xiàng)研究。該研究獲國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、甘肅省科技計(jì)劃和美國國家基金項(xiàng)目共同資助。

論文鏈接：https：／／agupubs．onlinelibrary．wiley．com／doi／10.1029／2023GL106582

圖　1．　云閃（A）及其規(guī)則脈沖爆發(fā)序列?。≧PBs，B）　的三維觀測?。╝）　高度－時(shí)間關(guān)系圖，以及在CHJ站測量的LF／VLF電場，該站作為坐標(biāo)原點(diǎn)；（b）　東－西方向的垂直投影；（c）　輻射源數(shù)量及高度統(tǒng)計(jì)（RPBs　在　1　毫秒內(nèi)產(chǎn)生104脈沖）；（d　，e）　平面圖和輻射源的南－北方向垂直投影（圖A出自　Fan　等　，2018）。

圖2．　VHF干涉儀（Fan　et　al．，2023a；2023b）對規(guī)則脈沖爆發(fā)序列中連續(xù)脈沖的二維觀測結(jié)果，顯示這些脈沖比正常的直竄先導(dǎo)速度更快，并且從一個脈沖到另一個脈沖之間重疊較強(qiáng)?。╝）。從平面距離　D?。健?.8　公里和干涉儀仰角的差異（例如，60.5°　和　60°），可以得出脈沖的　VHF輻射源的垂直范圍約為　205　米?。╟）。這一現(xiàn)象發(fā)生在約　2　微秒的時(shí)間間隔內(nèi)，對應(yīng)的速度約為　108　米／秒。脈沖代表的擊穿速度遠(yuǎn)高于已知的閃電先導(dǎo)通道發(fā)展速度。