中国沿海地区“红色精灵”及“光晕”现象的观测及触发闪电流反演

In order to obtain the critical parameter for the electromagnetic coupling between tropospheric lightning activity and mesospheric atmosphere, we will collect a dataset for the mesospheric transient luminous events (mainly as "red sprites" and "halos") observed in the coastal area of China by installing the low-light level optical observation system at stations with excellent background conditions on the eastern coast of China and Yongxing Island in South China Sea. The observations from the low Earth-orbit satellite in the same area will be incorporated into this study. In addition to finding the location and time of parent strokes through a long-baseline low-frequency lightning detection network that has been formed in China, we will also set up a very low-frequency magnetic sensor to record the relevant broadband lightning signals, which will be used to retrieve the electrical properties of sprite-producing lightning strokes. Moreover, by recording the high-speed imagery of "red sprites" and developing the numerical model based on the remote sensing lightning data, we will investigate the physical connection between "red sprites" and tropospheric lightning, especially the dependence of threshold for "halo" formation and "red sprite" initiation on the polarity of causative strokes. With the data acquired during the 4-year duration of project, we aim to obtain some of the statistics regarding parent strokes of "red sprites" and "halos" in the coastal area of China. In particular, the dataset obtained in this study will be used to verify the possible oceanic-continental difference in intense lightning distribution.

为了获得对流层闪电活动与中高层大气之间电磁耦合过程的重要参数，通过在东部沿海和南海永兴岛光学背景条件良好的站点架设低光度观测设备，结合低轨卫星观测资料，我们将研究中国沿海雷暴产生的中高层瞬时发光现象（主要是“红色精灵”和“光晕”）及其母体闪电的电学属性。利用长基线低频闪电定位网络确定母体闪电的位置和时间，并在低背景噪声站点架设甚低频磁天线，利用同步遥感闪电磁信号反演“红色精灵”和“光晕”现象母体闪电的电学属性。通过在合适站点拍摄“红色精灵”的高速图像，利用基于遥感闪电资料的数值模型，深入研究“红色精灵”和“光晕”现象形态学特征同对流层闪电电荷传输之间的物理相关性，尤其是“光晕”形成和“红色精灵”发展所需的脉冲电荷矩和电场阈值，以及这些物理量对闪电正、负极性的依赖性。项目期间获得的资料将用于了解中国沿海地区产生“红色精灵”和“光晕”现象的闪电的统计学特征，验证可能存在的强闪电海陆分布差异。

项目围绕海陆地区雷暴导致的中高层放电现象可能存在的差异为主线，通过在中国东北、华北和南海地区光学背景条件良好的站点架设低光度观测设备，对中国部分大陆地区的红色精灵母体雷暴进行了分析，并利用长基线低频闪电定位网络确定母体闪电的位置和时间。此外，还通过宽频段闪电磁场信号分析了低轨卫星观测到的中高层瞬时发光现象（主要是“红色精灵”和“光晕”）及其母体闪电的电学属性。项目期间获得的资料有助于揭示中国沿海地区产生“红色精灵”和“光晕”现象的闪电的统计学特征，在北美地区验证了强闪电海陆性分布差异，并同台湾学者合作表明了这种海陆分布差异在南中国海地区也存在。虽然项目期间在南海和赤道地区开展了持续的低光度光学观测，但由于当地气候条件的影响，尤其是离散的低云分布，仅获得为数较少的几例海洋性雷暴红色精灵观测。幸运的是，波多黎各业余摄影师Frankie Lucena向我们提供了自2016年以来在加勒比海地区拍摄的大量红色精灵光学观测数据，并获得了一次飓风系统（2016年的Matthew马修飓风）上空记录到的数十次红色精灵观测。同时，美国杜克大学Steven Cummer教授也提供了相关的宽频段闪电磁场测量数据用于反演“红色精灵”和“光晕”现象母体闪电的电学属性。对于2016年至今的加勒比海地区观测数据还在进一步分析中。通过在合适站点拍摄“红色精灵”的高速图像，我们利用基于遥感闪电资料的数值模型，深入研究了“红色精灵”和“光晕”现象形态学特征同对流层闪电电荷传输之间的物理相关性，尤其是“光晕”形成和“红色精灵”发展所需的脉冲电荷矩和电场阈值，并发现了这些物理量对闪电正、负极性的依赖性。项目共发表学术论文13篇，培养博士生两名，硕士生三名。