东亚地区“红色精灵”现象的空间分布分析

论文总字数：18920字

目 录

1．引言 5

1.1闪电强度定义 5

1.1.1峰值电流 5

1.1.2 脉冲电荷矩变化 5

1.1.3 WWLLN的闪电能量 5

1.2 什么是“红色精灵” 5

1.2.1 “红色精灵”现象定义 5

1.2.2 “红色精灵”的形态特征 6

2．数据和研究方法 7

2.1 闪电定位数据(WWLLN、NDLN的数据) 7

2.2 低光度闪电精灵捕捉系统（SpriteCam） 8

2.3 研究方法 9

3．北美地区“红色精灵”现象的空间分布情况 10

4．东亚地区“红色精灵”现象的空间分布分析 13

4.1 东部地区闪电活动特征以及“红色精灵”现象的分布情况 14

4.2 西南地区闪电活动特征以及“红色精灵”现象的分布情况 16

4.3 东北地区闪电活动特征以及“红色精灵”现象的分布情况 18

5．讨论与总结 20

参考文献 20

致谢 23

东亚地区“红色精灵”现象的空间分布分析

叶飞

，China

Abstract：Red Sprite is discharge phenomenon in the upper atmosphere.It becomes a reality to observe the phenomenon with the advance of science and technology,and the also with the advance of imaging equipment.Since the first time to observe the Sprite in a planned way by Lyons in 1994,more and more studys concerns about Sprite .In this paper,we talk about the relationship between Sprite and its mother lightning strokes energy by analyzing the WWLLNamp;NLDN data in the north America.We came to the conclusion that the mother lightning strokes energy above 3000J which is the key threshold to initialize the Sprite.Then,we use this patameter to focus on the East Asia area and analyse the WWLLN data by the same solusion.Finally,we learn that the distribution of the Red Sprite in East Asia:The frequency of the WWLLN energy above 3000J decreases from south to north;From the coast to the inland,the frequency also decreases.We find three active areas to be the potential high value area: east,west-south and north-east area to be the active area.And the Sichuan Basin is the extremely high frequency place.So is the south of The Qinghai-Tibet plateau.We think that it can be revealed more clearly if we can observe by the SpriteCam.It has great significance to study further in the project.

Key words：Red Sprites；East-Asia；WWLLN；NLDN；SpriteCam

1．引言

1.1闪电强度定义

1.1.1峰值电流

闪电的峰值电流是闪电的自动化和地理上广泛运用的远程测量参数，在闪电研究上是一类有价值的工具。可以远程估计低频率辐射闪电，这种辐射从雷击地点传播数百公里。因此，闪电峰值电流对于电力线路网络保护等具有重要意义，而在本文中将讨论闪电峰值点是否越高，越有利于“红色精灵”现象的发生。

1.1.2 脉冲电荷矩变化

关于脉冲电荷矩变化，首先要说明一下什么是电荷矩变化（CMC）。另一个可以测量雷击电磁场强度的是电荷矩变化 (CMC),即电荷转移和电荷转移的垂直距离的乘积，因此单位是库仑公里或C•km。电荷矩变化可以远程估计极低频精灵(3 - 3000 Hz)的辐射强度和经实验证明是重要的、可用来解释闪电驱动的高海拔的闪电击穿的精灵强度^[3],与加热和损害闪电接触点^[5]。而脉冲电荷矩变化 (iCMC),定义为总电荷矩变化的第一个2微秒雷击。这个参数可以有效的测量出闪电回击的电荷矩变化和一些短的持续电流。

1.1.3 WWLLN的闪电能量

世界闪电定位网（WWLLN）能在时间和空间范围内定位闪电回击的大范围网络。尽管世界闪电定位网能够准确地定位几公里以内、几十微秒以内发生的闪电回击，但是网络本身却不能给出关于闪电回击的任何特性。相反的，它被设计扩展用来测量6-18kHz范围内探测到的闪电回击电场的均方根的远程能量。WWLLN采用了统计学bootstrap的方法，利用单站校准数据来校准其他站的准确性，最后完成整个网络的校准。通过这项技术，WWLLN网络估计出了全球闪电能量的中位数值在1.0 * 10⁶ W，并且平均不确定度在17%左右^[4]。

1.2 什么是“红色精灵”

1.2.1 “红色精灵”现象定义

闪电精灵（Sprite）是在距离地面48.3~80.1km的大气层中存在的向上放电现象。这些瞬态发光现象（TLEs）包括蓝色喷流（Blue Jets）、巨型喷流、极低频率喷流和本文所要讨论的红色精灵（Red Sprite）。闪电精灵发生的高度较高，并且多发生于热带海洋和中低纬地区，地面观测受到地形、视野等等因素的影响，长时间以来观测都比较困难。直到Lyons 1994年利用低光度相机观测到了大型中尺度对流系统上方发生的248个中高层放电事件，这是人类首次有计划地针对中高层放电的科学观测活动。Sentman et al.（1995）利用穿云飞机首次得到了关于Sprite的第一张彩色图像，并正式根据这种放电现象的颜色和其捉摸不定的特征，将其命名为“Red Sprite”（中文即为“红色精灵”）^[16]。在世界各地的观测 (Hardman et al., 2000; Takahashi et al., 2003; Neubert et al., 2005; 杨静等, 2008), 证实了Sprite是全球性的中高层大气放电事件^[19]。

1.2.2 “红色精灵”的形态特征

“红色精灵”作为大气中高层放电最常见的现象，具有多种的形态学特征。其最主要的两个分类是圆柱型（Wescott et al., 1998）和胡萝卜型（Sentman et al., 1995）。最早的研究表明大部分的闪电精灵都与非常强烈的正极性云地闪（简称云地闪）有关。“红色精灵” 与其母体闪电的时间间隔约为几十毫秒。Boccippio et al. （1995）分析了两次中尺度对流系统上方的42和55个 Sprite事件，在这次观测中，约有86%和82%的Sprite 都伴随被美国国家地闪定位网 （NLDN）探测到的正地闪。而 São Sabbas et al. （2003）发现绝大部分的 Sprite 都能够找到与之相对应的正地闪，Sprite 落后于母体正地闪 10～20ms，产生 Sprite 的母体正地闪的峰值电流主要集中在＋40～＋50 kA, 平均值为＋60 kA，因而他认为大于＋75 kA 的强正地闪并非是产生Sprite的必要条件^[14]。杨静等 (2008)对位于山东南部的17例Sprite 作统计发现其母体闪电都是正地闪，在 Sprite发生时段，正地闪在总地闪中所占的比例约是没有产Sprite时段所占比例的7倍，Sprite对于母体闪电的延迟时间为 3.4～11.8 ms，并发现母体闪电并没有很强的峰值电流^[24]。Hu et al.（2002）的研究表明，母体闪电较高的电荷矩变化（charge moment change, CMC）产生Sprite的概率较高。而 Cummer and Lyons（2005）则认为当脉冲电荷矩变化（impulse charge moment change，iCMC）大于＋600 C•km时非常有可能产生 Sprite^[6]。此外，Lu et al.（2009）研究结果表明，强烈正地闪中脉冲电荷矩变化主要是由回击前云内闪电通道中的电荷传输到地面引起的。

图1 展示了“红色精灵”各种形态学特征：

其中（a）和（e）为 Y 字型 Sprite，（b、d、f）为胡萝卜型 Sprite，（c）为舞蹈型 Sprite，（g、h）为圆柱型 Sprite （引自王志超、杨静、陆高鹏等，2015）

2．数据和研究方法

2.1 闪电定位数据(WWLLN、NDLN的数据)

本文采用的数据是来自世界闪电定位网（the World Wide Lightning Locating Network）以及美国国家闪电定位网（National Lighting Detection Network）;世界闪电定位网(WWLLN; see http://wwlln.net)定位几乎所有的全球实时发生的由各种风暴引发的闪电地点^[2]。它采用了分布在全球的范围内的极低频无线电波接收器来确定单个闪电发生的时间和无线电波接收时刻。并且配置中央处理器，结合探测接受器来确定闪电源的全球发生地点。对于单个闪电回击地点的识别有着较高的准确率，并在波长可控范围内，这对于科研还是技术使用都是非常有利的。WWLLN的闪电定位数据已经被广泛应用于空间科学、气象学、和大气物理学等前沿领域。本文所用的数据就来自由WWLLN提供的全球范围内实时的闪电定位数据。

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