基于多光谱和宽频段电磁探测对中高层大气瞬态发光事件的研究

Transient Luminous Events (TLEs) is a collectively name of several brief large scale discharges which occur above the thunderstorms. Physical processes in TLEs themselves, relationship between TLEs, thunderstorms and lightning discharge processes in the troposphere are unresolved hot front topics in the middle and upper atmospheric research. Ground-based multispectral observations of TLEs will be firstly conducted in this project in addition to the existed detection techniques. By using the recorded data, method of analysis and retrieval of multispectral data will be developed, taking into account the optical radiation attenuation. Optical radiation intensity of TLEs will be studied. Spectral features and energy released involved in TLEs will be investigated. Based on data of TLEs optical images and wideband electromagnetic radiation, relationship between TLEs, parent lightning physical discharge processes and discharge parameters will be studied. By using a variety of meteorological data, relationship between TLEs, radar reflectivity features, dynamical, thermodynamical and microphysical features of the thunderstorms will be investigated. The expected results not only have important scientific significance for studies on space physics, coupling mechanism between different atmosphere, material and energy exchange, but also have practical value for environmental service in near space.

中高层大气瞬态发光事件是对发生在雷暴云上方的几种大尺度放电现象的统称。瞬态发光事件本身包含的微物理过程以及它们与对流层雷暴、闪电放电物理过程的联系是当前中高层大气研究的前沿热点问题。本项目拟在原有探测手段基础上，首次尝试中高层大气瞬态发光事件地基多光谱测量。在获取观测数据基础上，考虑光辐射传输衰减，发展多光谱观测数据的分析和反演方法，研究瞬态发光事件的光辐射强度；揭示瞬态发光事件的光谱特征、释放的能量等微物理信息。利用可见光成像和宽频段电磁辐射观测数据，阐明瞬态发光事件与母体闪电（产生瞬态发光事件的对流层闪电）放电物理过程、放电参量等之间的联系。结合多种气象资料，研究瞬态发光事件与雷达回波特征、雷暴动力热力微物理结构等之间的联系。预期结果不仅在空间物理、各大气层间耦合机制、物质能量交换等方面具有重要科学意义，而且在临近空间环境保障方面具有实际应用价值。

中高层大气瞬态发光事件（Transient Luminous Events,TLEs）是大气物理学和空间物理学的交叉学科，是大气和空间电学研究领域的前沿和热点。TLEs的首次发现（Franz et al.,1990,Science），立刻引起了广大科研工作者的浓厚兴趣，很多科学家投入到了这一领域的研究中并取得了一些认识。我国相关的研究工作起步较晚，杨静等人利用自主研制集成的探测设备率先在山东开展了观测试验，并于同年获取了TLEs观测事实，结果作为《科学通报》中英文版封面文章发表。. 本项目在原有观测基础上，通过增加新探测手段并建设新观测站，开展TLEs野外观测实验，基于获取的原始观测资料，研究TLEs的物理特征，揭示其与对流层雷暴特征、闪电活动以及闪电放电物理过程等的联系，研究产生TLEs的对流层雷暴特征，揭示TLEs产生机理。通过本项目的实施，获得了一批有价值的宝贵观测资料和新观测事实，揭示了我国大陆首例双站观测的巨大喷流特征，巨大喷流图像是截止到目前最清晰的，下部蓝色和上部红色之间存在一个过渡区，巨大喷流前后母体雷暴出现了强对流（云顶超过对流层顶高）并伴随着闪电活动减弱，巨大喷流时刻附近观测到的3例双极性窄脉冲的高度为11~13 km，其发生位置与巨大喷流接近。对首次获得的负极性红色精灵研究表明，负极性红色精灵与雷暴强对流相联系，小峰值电流的负地闪也能产红色精灵，雷暴可同时为正、负极性红色精灵的产生提供有利条件，为红色精灵的研究提供了新观测事实。本项目有幸获取了我国大陆首例淘气精灵，其母体雷暴是一次中尺度对流系统。与之前淘气精灵多位于海上不同，本次淘气精灵的母体雷暴完全为内陆雷暴，淘气精灵的母体闪电产生了非常强的电磁脉冲，峰值电流至少大于182 kA，淘气精灵发生时刻母体雷暴回波顶高小于10km。. 通过4年精心组织的实验，获得了一批宝贵的第一手观测资料。由于TLEs垂直延伸为几十公里（水平甚至可达几百公里），可自雷暴云顶向上直达低电离层（贯穿几个大气层），因此，TLEs为各大气层间物质能量交换以及耦合机制的研究提供了第一手资料。同时，由于TLEs的发生区域正好对应临近空间（20-100 km），对临近空间的电磁环境以及大气物理化学性质等有重要影响，4年积累的探测资料为我国临近空间相关数据库的建设奠定了原始的探测资料基础。