王志超 楊靜 陸高鵬 劉冬霞 王宇 肖現(xiàn), 郄秀書

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

3 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

4 中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089

1 引言

Sprite是發(fā)生在雷暴云上方的最常見的中高層大氣放電現(xiàn)象，多發(fā)生于熱帶海洋和中低緯度地區(qū)，由于發(fā)生高度較高，地面觀測(cè)中高層放電受到距離和視野等因素的限制，相對(duì)比較困難。Lyons（1994）利用低光度相機(jī)觀測(cè)到了大型中尺度對(duì)流系統(tǒng)上方發(fā)生的248個(gè)中高層放電事件，是人類首次有計(jì)劃地針對(duì)中高層放電的科學(xué)觀測(cè)活動(dòng)。Sentman et al.（1995）利用穿云飛機(jī)首次得到了關(guān)于Sprite的第一張彩色圖像，并正式根據(jù)這種放電現(xiàn)象的顏色和其捉摸不定的特征，將其命名為“red Sprite”（又稱“紅色精靈”）。在世界各地的觀測(cè)(Hardman et al., 2000; Takahashi et al., 2003; Neubert et al., 2005; 楊靜等, 2008), 證實(shí)了Sprite是全球性的中高層大氣放電事件。

Sprite作為中高層放電最常見的現(xiàn)象，具有多種的形態(tài)學(xué)特征，其最主要的兩個(gè)分類是圓柱型Sprite（Wescott et al., 1998）和胡蘿卜型 Sprite（Sentman et al., 1995）。最早的研究表明大部分的Sprite都與非常強(qiáng)烈的正地閃有關(guān)，Sprite與其母體閃電的時(shí)間間隔約為幾十毫秒。Boccippio et al.（1995）分析了兩次中尺度對(duì)流系統(tǒng)上方的 42和55個(gè)Sprite事件，在這兩天的觀測(cè)中，約有86%和82%的 Sprite都伴隨了被美國(guó)國(guó)家地閃定位網(wǎng)（NLDN）探測(cè)到的正地閃。而 S?o Sabbas et al.（2003）發(fā)現(xiàn)絕大部分的Sprite都能夠找到與之相對(duì)應(yīng)的正地閃，Sprite落后于母體正地閃 10～20 ms，產(chǎn)生 Sprite的母體正地閃的峰值電流主要集中在＋40～＋50 kA, 平均值為＋60 kA，因而他認(rèn)為大于＋75 kA的強(qiáng)正地閃并非是產(chǎn)生Sprite的必要條件。楊靜等 (2008) 對(duì)位于山東南部的17例Sprite作統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其母體閃電都是正地閃，在Sprite發(fā)生時(shí)段，正地閃在總地閃中所占的比例約是沒有產(chǎn)生Sprite時(shí)段所占比例的7倍，Sprite對(duì)于母體閃電的延遲時(shí)間為3.4～11.8 ms，并發(fā)現(xiàn)母體閃電并沒有很強(qiáng)的峰值電流。Hu et al.（2002）的研究表明，母體閃電較高的電荷矩變化（charge moment change,CMC）產(chǎn)生 Sprite的概率較高。而 Cummer and Lyons（2005）則認(rèn)為當(dāng)脈沖電荷矩變化（impulse charge moment change，iCMC）大于＋600 C km時(shí)非常有可能產(chǎn)生Sprite。此外，Lu et al.（2009）研究結(jié)果表明，強(qiáng)烈正地閃中脈沖電荷矩變化主要是由回?fù)羟霸苾?nèi)閃電通道中的電荷傳輸?shù)降孛嬉鸬摹?/p>

為了解中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生Sprite及其與母體閃電的放電特征，以及Sprite集中發(fā)生時(shí)段雷達(dá)回波特征，特別是該時(shí)間段的正地閃的放電特征，本文利用2013年7月31日華北地區(qū)一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的8個(gè)Sprite事件，結(jié)合地面同步的地閃資料和雷達(dá)資料，分析了Sprite的形態(tài)學(xué)特征、與母體閃電的關(guān)系以及相關(guān)雷暴特征。

2 實(shí)驗(yàn)及資料

針對(duì)Sprite的微光探測(cè)，本文應(yīng)用Watec 902微光相機(jī)，配合Computar 4.5～12 mm 電動(dòng)三可變鏡頭，Pinnacle usb-700采集卡，以及UFO-CaptureVer.2.24軟件對(duì)中高層放電瞬態(tài)光學(xué)變化進(jìn)行記錄，所用探測(cè)系統(tǒng)的高增益最低照度為0.0003 Lux@1.4F，在晴空夜間可以觀測(cè)幾百公里外雷暴上方的中高層放電事件。儀器設(shè)置參考（楊靜等，2008），鏡頭焦距設(shè)置在12 mm長(zhǎng)焦端，光圈為f/0.8。根據(jù)Watec相機(jī)型號(hào)，UFO軟件設(shè)置為PAL制式，屏幕分辨率720×576像素，采集軟件設(shè)置采樣率為25 fps，每一幀以交錯(cuò)方式記錄，因此每秒可以采 50幀，時(shí)間分辨率為 20 ms。預(yù)觸發(fā)百分比設(shè)置為50%，記錄時(shí)長(zhǎng)為2 s。視頻圖像由車載GPS同步，時(shí)間精度為1 s。本文應(yīng)用的數(shù)據(jù)為2013年7月31日在山東 SHATLE實(shí)驗(yàn)（Qieetal., 2009）基地（37°49'41.86"N，118° 6'53.25" E）觀測(cè)到的華北地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程產(chǎn)生的 Sprite，觀測(cè)仰角為8°，垂直方向視野范圍為20°。

地閃資料應(yīng)用了北京地區(qū)閃電電場(chǎng)變化和輻射脈沖定位網(wǎng)絡(luò)（Beijing Lightning NETwork，BLNET）多站快、慢天線的資料（王宇等，2015），對(duì)北京地區(qū)過境的雷暴系統(tǒng)的正地閃特征進(jìn)行具體分析。其中快天線時(shí)間常數(shù)為0.1 ms，可分析正地閃回?fù)裘}沖的上升時(shí)間；慢天線時(shí)間常數(shù)0.22 s，經(jīng)過補(bǔ)償之后可以分析正地閃所產(chǎn)生的連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間。此外，對(duì)Sprite母體閃電的分析應(yīng)用河北地閃定位網(wǎng)的資料。河北地閃定位網(wǎng)應(yīng)用時(shí)間差與方位角綜合定位技術(shù)（Advanced TOA and Direction system，ADTD），在四站及以上探測(cè)到地閃回?fù)舻臅r(shí)候采用到達(dá)時(shí)間差的算法定位，在二站以下探測(cè)到地閃回?fù)舻臅r(shí)候采用方位角估算的方法定位，在三站探測(cè)到地閃回?fù)舻臅r(shí)候采用混合算法。如果相鄰兩次回?fù)艚拥攸c(diǎn)位置相差小于10 km，時(shí)間間隔小于200 ms，則將其合并為一個(gè)事件。地閃資料可以給出地閃回?fù)舻奈恢?，時(shí)間（時(shí)間精度為0.1 μs），閃電極性和峰值電流強(qiáng)度。本文所應(yīng)用資料時(shí)間如無特別說明均為北京時(shí)間（BJT）；另外，應(yīng)用京津冀地區(qū)6站S波段雷達(dá)逐6分鐘基本反射率拼圖對(duì)整個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程和Sprite發(fā)生時(shí)段的雷達(dá)回波面積進(jìn)行分析, 雷達(dá)數(shù)據(jù)采用NetCDF格點(diǎn)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5 km×0.5 km。

3 結(jié)果及分析

3.1 Sprite形態(tài)學(xué)及與母體閃電放電特征

本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程的 Sprite 的發(fā)生從20:58開始，到21:50結(jié)束，共產(chǎn)生了8次Sprite，平均每6.5分鐘產(chǎn)生一個(gè)Sprite。楊靜等（2008）觀測(cè)的山東南部的中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程中，在144分鐘內(nèi)產(chǎn)生了13個(gè)Sprite，平均每11分鐘產(chǎn)生一個(gè)，與本文類似。而北美地區(qū)觀測(cè)得到紅色精靈的發(fā)生頻率為 2～3分鐘一個(gè)（Winckler，1995），高于中國(guó)大陸地區(qū)觀測(cè)的發(fā)生頻率，這可能與中尺度系統(tǒng)的地域性有關(guān)。

紅色精靈經(jīng)常成群出現(xiàn)，單獨(dú)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)不多。圖1為本文觀測(cè)到的8組Sprite事件的疊加圖,對(duì)Sprite圖像進(jìn)行了紅色加強(qiáng)處理。其中地平線上有觀測(cè)點(diǎn)當(dāng)?shù)氐臒艄?，地平線的燈光并不影響對(duì)發(fā)生位置較高的 Sprite觀測(cè)?？梢钥吹?，易于發(fā)生Sprite的區(qū)域集中出現(xiàn)在視野兩側(cè)，Sprite有7例成群出現(xiàn)，1例單獨(dú)出現(xiàn)。紅色精靈一旦出現(xiàn)，就會(huì)在幾乎相同的位置反復(fù)出現(xiàn)，而且出現(xiàn)的頻率也較高。河北地閃定位網(wǎng)給出的母體閃電位置表明8次Sprite均發(fā)生在河北保定地區(qū)。

圖2給出了8個(gè)Sprite的形態(tài)學(xué)特征。其中圖2b，d，f中Sprite上部主體發(fā)光區(qū)較寬，從上至下逐步變窄，下部有卷須，整個(gè)Sprite發(fā)光主體形態(tài)上與胡蘿卜類型，稱為“胡蘿卜型”Sprite（Sentman et al., 1995）；圖2g，h中Sprite的主體發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)垂直方向上較均勻的圓柱型，兩側(cè)沒有明顯的分支，稱為“圓柱型”Sprite (Wescott et al., 1998)。圓柱型 Sprite和胡蘿卜型均屬于大型的發(fā)光主體Sprite，也是最常見的Sprite類型。另外，圖2a，e中Sprite的主體發(fā)光區(qū)上部有明顯的分叉現(xiàn)象，而下部并沒有分叉現(xiàn)象，形如鳥胸的叉骨，又如同字母Y，稱為“Y字型”Sprite（Moudry et al., 1998;Matsudo et al., 2007），這一類Sprite應(yīng)屬于發(fā)光主體發(fā)育不完全的胡蘿卜型Sprite。圖2c中Sprite在形態(tài)上類似胡蘿卜型 Sprite，然而其發(fā)光主體在位置上有偏移。經(jīng)驗(yàn)證兩次發(fā)光主體分別對(duì)應(yīng)了河北地閃定位網(wǎng)探測(cè)到了兩次正極性回?fù)?21:09:50.392和21:09:50.633（定位距離在10 km 左右，認(rèn)為是同一次閃電的兩次回?fù)簦６鴪D像上，這次 Sprite的兩次發(fā)光主體的時(shí)間間隔為 240 ms，小于 300 ms，推測(cè)其應(yīng)屬于舞蹈型 Sprite（Lyons, 1994;Neubert et al., 2001; Lu et al., 2013）。Lu et al.（2013）指出，舞蹈型 Sprite 有兩種產(chǎn)生方式，一種是同一次閃電的不同回?fù)舢a(chǎn)生；第二種是同一次回?fù)裘}沖電流和連續(xù)電流中的M分量分別產(chǎn)生。本文的舞蹈型 Sprite應(yīng)該由同一次閃電的不同回?fù)舢a(chǎn)生。8次Sprite均沒有伴隨有halo現(xiàn)象；圖2b，d，e中主體發(fā)光區(qū)還觀測(cè)到非常亮的Sprite“珠”（Stanley et al., 1999; Stenbaek-Nielsen et al., 2000）。Sprite的形態(tài)一般與其母體閃電的電荷矩變化有關(guān)，母體閃電電荷矩變化較大常常產(chǎn)生胡蘿卜型 Sprite；而母體閃電電荷矩變化較小，則容易產(chǎn)生圓柱型 Sprite，另外Sprite的具體形態(tài)學(xué)特征也可能與母體閃電的脈沖電流波形相關(guān)（Qin et al., 2013）。

圖1 2013年7月31日華北地區(qū)一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生Sprite疊加圖（紅色加強(qiáng)處理）Fig. 1 Overlapping of sprites in the mesoscale convective system in North China on 31 July 2013 (red enhanced)

圖2 Sprite形態(tài)學(xué)特征［其中（a）和（e）為Y字型Sprite，（b、d、f）為胡蘿卜型Sprite，（c）為舞蹈型Sprite，（g、h）為圓柱型Sprite］Fig. 2 Morphology of sprites: (a, e) Wishbone sprites; (b, d, f) carrot sprites; (c) dancing sprites; (g, h) columnar sprites

由于Sprite的發(fā)生位置天底點(diǎn)在母體閃電接地點(diǎn)附近50 km范圍內(nèi)（S?o Sabbas et al., 2003），因此在Sprite發(fā)生高度的估計(jì)上，采用Hsu et al.（2003）和楊靜等（2008）的方法，假設(shè)Sprite發(fā)生在母體閃電接地點(diǎn)（正上方），估計(jì)紅色精靈的垂直高度。估算時(shí)考慮Sprite位置與母體閃電接地點(diǎn)最大偏差為50 km，Sprite圖像測(cè)量偏差為15%。由表1可知，8組Sprite的底部平均高度低于61.8±3.5 km，頂部平均高度為84.3±6.8 km。Hsu et al.（2003）得到的紅色精靈底端在40±10 km，頂端在80±10km，與本文結(jié)果有一定出入，這是由于本文用Sprite圖像資料很難分辨Sprite底部卷須，因此對(duì)Sprite底部的高度估值稍高，這在一定程度上與能見度造成的成像模糊有關(guān)。

表1 Sprite及母體閃電特征（AM：算術(shù)平均值；GM: 幾何平均值；iCMC：脈沖電荷矩變化）Table 1 Characteristics of Sprites and their parent lightning (AM: arithmetic mean; GM: geometric mean; iCMC: impulse charge moment change)

Sprite持續(xù)時(shí)間在1～2幀左右，只有唯一的舞蹈型Sprite兩幀的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，為12幀。鑒于所用數(shù)據(jù)為交錯(cuò)記錄，每一幀的實(shí)際分辨率為20 ms?？梢奡prite發(fā)光主體持續(xù)時(shí)間一般小于40 ms。以20 ms的分辨率估算Sprite持續(xù)時(shí)間算術(shù)平均值為25.7±9.8 ms，幾何平均值為24.4 ms。

河北地閃定位網(wǎng)給出的本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)所產(chǎn)生的正地閃平均電流為＋54.8±28.5 kA，而8組Sprite的母體閃電的峰值電流在＋62.5～＋106.2 kA之間，平均值為＋77.1±22.2 kA，是本次MCS過程總正地閃平均電流峰值的1.4倍，其結(jié)果也列于表1。雖然峰值電流并非Sprite產(chǎn)生的重要條件（S?o Sabbas et al., 2003），但本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的Sprite的母體閃電峰值電流都比較強(qiáng)。

對(duì)電荷矩的變化計(jì)算采用美國(guó)杜克大學(xué)（Duke University）的脈沖電荷矩變化（iCMC）的計(jì)算方法（Cummer and Inan, 1997），利用美國(guó)海軍開發(fā)的開源長(zhǎng)波輻射傳播算法（Long Wave Propagation Capability code, LWPC）計(jì)算閃電信號(hào)在地球—電離層波導(dǎo)空間中的傳播函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)Duke大學(xué)附近測(cè)量到的超低頻（ultra low-frequency，ULF）磁天線信號(hào)進(jìn)行反卷積運(yùn)算，從而反演出母體閃電信號(hào)的電流矩時(shí)間波形，進(jìn)而對(duì)其積分得到正地閃回?fù)艉?2 ms內(nèi)產(chǎn)生的脈沖電荷矩。所觀測(cè)的這 8組Sprite母體閃電中，有5組閃電被Duke天線探測(cè)到，所計(jì)算的iCMC在＋475～＋922 C km之間，算術(shù)平均值為＋590.4 C km，幾何平均值為＋571.0 C km。Qieetal.（2013）對(duì)大興安嶺地區(qū)5例正地閃所產(chǎn)生的電荷矩變化進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)正地閃回?fù)艉瓦B續(xù)電流所產(chǎn)生的CMC分別為＋31.4±1.6 C km和＋65.9±2.5 C km，遠(yuǎn)小于本文的結(jié)果。本文所得Sprite母體正地閃可以產(chǎn)生較大的iCMC，有利于Sprite的產(chǎn)生。Lu et al.（2013）發(fā)現(xiàn)對(duì)于甚高頻閃電輻射源定位網(wǎng)（Lightning Mapping Array,LMA）附近的中尺度對(duì)流系統(tǒng)系統(tǒng)而言，當(dāng)iCMC大于＋300 C km的正地閃產(chǎn)生時(shí)，有90%的機(jī)率會(huì)產(chǎn)生Sprite。本文計(jì)算的正地閃iCMC也證實(shí)了本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的正地閃有很強(qiáng)的產(chǎn)生Sprite的能力。

Lu et al.（2013）認(rèn)為Sprite與母體閃電的時(shí)間間隔有兩類：一類時(shí)間間隔小于20 ms，母體閃電與Sprite天底點(diǎn)的水平距離也小于30 km，產(chǎn)生的Sprite被稱為即時(shí)（prompt）Sprite；另一類時(shí)間間隔一般大于40 ms，母體閃電與Sprite天底點(diǎn)的水平距離大于 30 km，產(chǎn)生的 Sprite被稱為延時(shí)（delayed）Sprite。母體閃電如果產(chǎn)生比較大的iCMC，一般會(huì)產(chǎn)生小時(shí)間間隔的Sprite。由于儀器限制，本文并未能給出Sprite與其母體閃電的時(shí)間間隔，但由本文計(jì)算的5例母體閃電iCMC較大可以推測(cè)本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的Sprite與母體閃電時(shí)間間隔可能較短。

3.2 產(chǎn)生 Sprite的中尺度對(duì)流系統(tǒng)雷達(dá)回波特征分析

圖3a給出了Sprite出現(xiàn)時(shí)的Sprite母體閃電位置與京津冀6站雷達(dá)回波拼圖疊加，其中黑色菱形表示Sprite母體閃電接地點(diǎn)的位置，藍(lán)色圓圈表示Sprite與母體閃電的水平位置偏移范圍，偏移半徑估計(jì)為20 km，Sprite可能發(fā)生在藍(lán)色圓圈的上方。此時(shí)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的大于20 dBZ雷達(dá)回波面積達(dá)到了4.32×104km2, 大于30 dBZ雷達(dá)回波面積達(dá)到 2.74×104km2，而雷暴中心雷達(dá)回波達(dá)到55 dBZ，回波面積為186.75 km2。Lyons（2006）認(rèn)為，北美中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生Sprite要滿足兩個(gè)條件：10 dBZ雷達(dá)回波面積要大于2×104km2, 另外雷暴中心的雷達(dá)反射率要在 55 dBZ以上。而Soula et al.（2009）對(duì)歐洲兩次各產(chǎn)生27例Sprite事件的中尺度對(duì)流系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，其最大的雷暴云最大覆蓋面積為 1.2×104km2。Yang et al.（2013）指出弱的雷達(dá)回波與Sprite產(chǎn)生時(shí)期有較好的一致性，并且層狀云降水區(qū)的充分發(fā)展是中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生中高層放電的必要條件。Lu et al.（2013）認(rèn)為即時(shí)Sprite母體閃電的產(chǎn)生一般是源于中尺度對(duì)流系統(tǒng)對(duì)流區(qū)的云內(nèi)初始放電，發(fā)展至后部層狀云降水區(qū)后形成的正地閃；而延時(shí)Sprite母體閃電的產(chǎn)生則是直接源于層狀云降水區(qū)云內(nèi)正電荷對(duì)地面的放電，這類正地閃需要產(chǎn)生足夠長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)電流以增加產(chǎn)生的電荷矩變化。本文所得8組Sprite母體閃電均發(fā)生在中尺度對(duì)流系統(tǒng)后部雷達(dá)回波為25～35 dBZ的層狀云降水區(qū)，推測(cè)其大部分母體閃電回?fù)糁岸即嬖诔掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的云內(nèi)放電過程，并且很有可能存在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)電流過程，而且Sprite也有可能發(fā)生在中尺度對(duì)流系統(tǒng)的層狀云降水區(qū)上方。

圖3 Sprite發(fā)生時(shí)間段（a）雷達(dá)拼圖與Sprite母體閃電疊加和（b）雷達(dá)回波面積變化圖（黑色菱形表示Sprite母體閃電位置，藍(lán)色圓圈表示Sprite與母體閃電的位置偏移范圍）Fig. 3 (a) Overlapping of radar reflectivity and sprite locations and (b) the changes in echo areas in North China during the period of sprite production (black dimands indicate the sprite parent lightning locations; blue circles indicate the offset range of sprite and their parent lightning)

利用京津冀6站雷達(dá)逐6分鐘基本反射拼圖，得到本次MCS過程從12:00到24:00雷達(dá)回波面積的變化曲線圖，如圖3b所示。在Sprite發(fā)生時(shí)間段（21:00～22:00），20 dBZ回波面積為 4.32±0.19×104km2，30 dBZ回波面積 2.74±0.18×104km2，40 dBZ回波面積 0.70±0.19×104km2?；夭娣e在21:11出現(xiàn)極值，20 dBZ回波面積為4.41×104km2,30 dBZ回波面積為 2.90×104km2，40 dBZ回波面積1.19×104km2。由圖3b可以看出，在未發(fā)生Sprite時(shí)段強(qiáng)回波（＞40 dBZ）面積和弱回波（＜30 dBZ）面積的變化比較一致；而在Sprite發(fā)生時(shí)段雷達(dá)回波特點(diǎn)為: 強(qiáng)回波（＞40 dBZ）面積趨于平穩(wěn)，而弱回波（＜30 dBZ）面積迅速增加，并且在Sprite開始出現(xiàn)時(shí)存在雷達(dá)回波面積的突然增加?？梢?，弱雷達(dá)回波面積的迅速增加可以作為Sprite產(chǎn)生的重要指示因子。

圖4 2013年7月31日華北地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)地閃頻數(shù)逐10分鐘變化（total CG：總地閃；PCG：正地閃；NCG：負(fù)地閃；POP：正地閃占總地閃比例）Fig. 4 Change in total CG flash rate in 10 min interval for the mesoscale convective system in North China on 31 July 2013 (total CG: total cloud-to-ground flashes; PCG: positive cloud-to-ground flashes; NCG: negative cloud-to-ground flashes; POP; percentage of positive CG to total CG)

3.3 產(chǎn)生Sprite中尺度對(duì)流系統(tǒng)的閃電演變特征

利用京津冀 6站雷達(dá)基本反射率拼圖可以看出，本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)是比較典型的前部具有對(duì)流線，后部有大范圍層狀云降水區(qū)的中度尺度對(duì)流系統(tǒng)，也是華北地區(qū)最常發(fā)生的中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程。劉冬霞等（2008）分析過這一類型的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，其特點(diǎn)為在整個(gè)過程中以負(fù)地閃為主導(dǎo)，正地閃較不活躍，正地閃主要分布在前部云砧和后部層狀云降水區(qū)域。

圖4給出了本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程的10分鐘間隔的地閃變化曲線。其中黑點(diǎn)為地閃總數(shù)，紅色曲線表示正地閃個(gè)數(shù)，藍(lán)色曲線表示負(fù)地閃個(gè)數(shù)?？梢姳敬?MCS過程初期閃電活動(dòng)并不活躍；16:00～18:00閃電活動(dòng)明顯增加，MCS進(jìn)入成熟期這一時(shí)段以負(fù)地閃為主；18:00 以后閃電活動(dòng)逐漸減少，閃電進(jìn)入消散期，其中有幾個(gè)時(shí)間段負(fù)地閃迅速減少，正地閃比例大幅度增加，在其中一個(gè)時(shí)間段集中觀測(cè)到大量Sprite。

本文定義POP（Percentage Of Positive CG to total CG）為正地閃與總閃的比率，其同步的變化曲線也在圖4中給出。整個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)生命史有四個(gè)明顯的POP增加的時(shí)間段，由表2給出。本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷電活動(dòng)從13:00開始就伴隨著中尺度對(duì)流系統(tǒng)的成型而出現(xiàn)，在14:30～15:00時(shí)段有10次正閃，POP達(dá)到第一次高峰，此時(shí)總閃頻率并未達(dá)到最高，只是屬于雷暴過程初期，正地閃的平均峰值電流為＋29.4±6.7 kA；17:00地閃總閃頻數(shù)達(dá)到最大，最高時(shí)段達(dá)到 480 flash/10 min，中尺度對(duì)流系統(tǒng)達(dá)到成熟階段，19:00達(dá)到第二個(gè) POP最高的時(shí)段, 正地閃平均峰值電流為＋56.2±25.7 kA，這一時(shí)段并沒有觀測(cè)到Sprite；其后負(fù)地閃頻數(shù)又有回升 POP減少，在 21:00～22:00負(fù)地閃明顯減少，正地閃略有增加，達(dá)到整個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程第三次 POP的上升時(shí)段，這時(shí)中尺度對(duì)流系統(tǒng)處在成熟—消散階段，正地閃平均峰值電流為＋54.7±29.7 kA，在這一時(shí)段觀測(cè)到了8組Sprite；在22:30～23:00這一時(shí)段總閃頻數(shù)在25 flash (10 min)-1，已經(jīng)進(jìn)入了中尺度對(duì)流系統(tǒng)過程末期，POP最后一次達(dá)到高值，最大值為 47.8%，正地閃平均峰值電流為＋52.3±20.0 kA。由于雷暴已經(jīng)發(fā)展至接近觀測(cè)點(diǎn)，因此沒有觀測(cè)到 Sprite，但這并不代表這一時(shí)間段并不能夠產(chǎn)生Sprite，POP的增加暗示了此時(shí)間段可能也是Sprite易于產(chǎn)生的時(shí)期。

圖5 Sprite集中發(fā)生時(shí)段正地閃（a）0～100%上升時(shí)間分布和（b）連續(xù)電流分布（N, AM, SD, GM分別代表樣本數(shù)，算數(shù)平均值，標(biāo)準(zhǔn)差，幾何平均值）Fig. 5 Distribution of (a) 0–100% rise time and (b) durations of continuing currents for positive CG flashes during the period of sprite production（N, AM, SD, GM indicate the sample number, arithmetic mean,standard deviation, and geometric mean, respectively）

表2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)生命史4個(gè)POP增加時(shí)期（GM：算數(shù)平均值；AM：幾何平均值；SD：標(biāo)準(zhǔn)差）Table 2 Four POP (increasing percentage of the +CG flash rate) increasing periods in the mesoscale convective system（GM: geometric mean; AM: arithmetic mean; SD:standard deviation）

可見，Sprite易發(fā)生在中尺度對(duì)流系統(tǒng)成熟—消散階段POP有顯著增加的時(shí)段，持續(xù)至POP開始減少。POP的上升對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生Sprite起到了重要的指示作用。Neubert et al.（2005）認(rèn)為Sprite產(chǎn)生在雷暴云消散階段負(fù)閃活動(dòng)迅速下降而正閃活動(dòng)穩(wěn)定上升的時(shí)期。Soula et al.（2009）指出，雷暴云系統(tǒng)產(chǎn)生Sprite的時(shí)期是其整個(gè)生命史POP最大的時(shí)期，最高POP比例可達(dá)50%。本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)生命史消散期可能后兩個(gè)時(shí)間段都非常適合產(chǎn)生Sprite，但最后一個(gè)POP上升時(shí)段雷暴已經(jīng)距離觀測(cè)點(diǎn)太近而無法開展Sprite觀測(cè)，因此，這一時(shí)段雷暴是否產(chǎn)生了Sprite無法得知。

3.4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)正地閃放電參量統(tǒng)計(jì)特征分析

本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)在13:00～23:00內(nèi)共持續(xù)了十個(gè)小時(shí)，在 Sprite集中發(fā)生的時(shí)間段前后20:30～22:30北京閃電綜合探測(cè)網(wǎng)（BLNET）共探測(cè)到地閃155個(gè)，由于這一時(shí)段Sprite主要發(fā)生區(qū)域和BLNET探測(cè)網(wǎng)均處于中尺度對(duì)流系統(tǒng)消散期后部尾隨層狀云降水區(qū)，因此對(duì)此時(shí)段BLNET探測(cè)到的地閃分析有助于得到Sprite發(fā)生時(shí)段正地閃的放電特征。在BLNET所得正地閃樣本中，正地閃84個(gè)，負(fù)地閃71個(gè)，正地閃比例為54.2%。其中單回?fù)粽亻W78例，兩回?fù)粽亻W5例，三回?fù)粽亻W 1例，所占正地閃比例分別為 92.86%，5.95%和1.19%。平均每次正地閃的回?fù)魯?shù)為1.08。對(duì)91例正回?fù)舻?0～100%上升時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，時(shí)間為 10.17±3.73 μs，圖5a給出了 Sprite集中發(fā)生時(shí)段正地閃0～100%上升時(shí)間的分布圖。另外，正地閃樣本中有 59例產(chǎn)生了連續(xù)電流，帶連續(xù)電流的正地閃比例為 70.24%。正地閃的持續(xù)時(shí)間為58.17±50.31 ms，圖5b給出了Sprite集中發(fā)生時(shí)段正地閃連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間的分布圖。

Qieetal.（2013）對(duì)中國(guó)大興安嶺地區(qū)的正地閃進(jìn)行了詳細(xì)的特征分析，發(fā)現(xiàn)正地閃比例為10.2%。在185個(gè)正地閃事件中，單閃擊比例為94.59%，0～100%上升時(shí)間為13.96±4.58 μs，連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間為33.29±38.44 ms。本文與其結(jié)果相比，在Sprite發(fā)生時(shí)間段，正地閃比例較高，連續(xù)電流的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，雷暴有利于Sprite的產(chǎn)生。

4 結(jié)論與討論

本文利用微光相機(jī)首次觀測(cè)到了華北地區(qū)發(fā)生的Sprite現(xiàn)象，并為今后繼續(xù)對(duì)華北地區(qū)中高層放電事件的觀測(cè)提供了理論依據(jù)。利用光學(xué)觀測(cè)、北京地區(qū)閃電電場(chǎng)變化和輻射脈沖定位網(wǎng)絡(luò)（BLNET）、河北地閃定位網(wǎng)，并結(jié)合華北地區(qū) 6站多普勒雷達(dá)拼圖等多種觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)激發(fā)的Sprite及母體閃電和正地閃放電特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到如下結(jié)論：

（1）觀測(cè)到8例Sprite事件均發(fā)生于中尺度對(duì)流系統(tǒng)生命史中期，平均6.5分鐘發(fā)生一次。所觀測(cè)8組Sprite中有2個(gè)圓柱型，3個(gè)胡蘿卜型，2個(gè)Y字型，1個(gè)舞蹈型Sprite。Sprite的底部平均高度低于 61.8±3.5 km，頂部平均高度為 84.3±6.8 km。Sprite持續(xù)時(shí)間算術(shù)平均值為25.7±9.8 ms，幾何平均值為24.4 ms。所有Sprite的母體閃電均為正地閃，峰值電流在＋62.5～＋106.2 kA之間，算術(shù)平均值為＋77.1 kA，是總體正地閃平均峰值電流的1.4倍。估算得母體閃電的iCMC在＋475～＋922 C km之間，算術(shù)平均值為＋590.4 C km，幾何平均值為＋571.0 C km。

（2）Sprite母體閃電發(fā)生在中尺度對(duì)流系統(tǒng)雷達(dá)回波25～35 dBZ的層狀云降水區(qū)，推斷大部分母體閃電回?fù)糁岸即嬖诒容^長(zhǎng)時(shí)間的云內(nèi)放電過程，并且很有可能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的連續(xù)電流。在 Sprite發(fā)生時(shí)間段, 20 dBZ回波面積達(dá)到4.32±0.19×104km2，雷暴中心雷達(dá)回波達(dá)到 55 dBZ，回波面積為186.75 km2。在Sprite發(fā)生時(shí)段強(qiáng)回波（＞40 dBZ）面積趨于平穩(wěn)，而弱回波（＜30 dBZ）面積迅速增加，并且在 Sprite開始出現(xiàn)時(shí)存在雷達(dá)回波面積的突然增加。弱雷達(dá)回波面積的迅速增加可以作為Sprite產(chǎn)生的指示因子。

（3）Sprite易發(fā)生在中尺度對(duì)流系統(tǒng)成熟—消散階段POP有顯著增加的時(shí)段，持續(xù)至POP開始減少。在本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)整個(gè)生命史中，有兩個(gè)時(shí)間段是非常易于產(chǎn)生 Sprite，本次觀測(cè)在中尺度對(duì)流系統(tǒng)后期POP上升時(shí)期觀測(cè)到了8個(gè)Sprite事件。POP的上升對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生Sprite起到了重要的指示作用。

（4）在Sprite集中發(fā)生時(shí)間段，BLNET探測(cè)到的正地閃比例為54.2%，單閃擊比例為92.86%；回?fù)?～100%上升時(shí)間10.17±3.73 μs；連續(xù)電流比例 70.24%，持續(xù)時(shí)間為 58.17±50.31 ms。本次Sprite母體雷暴在Sprite發(fā)生時(shí)間段具有較高的正地閃比例和較長(zhǎng)的連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間，有利于Sprite的產(chǎn)生。

本文所用的Sprite資料比較有限，今后的研究將在進(jìn)一步積累低光度資料的基礎(chǔ)上，著眼于Sprite的高速攝像資料和多站Sprite光學(xué)定位配合同步的地面低頻磁場(chǎng)信號(hào)以討論Sprite的形成機(jī)理以及其與母體閃電的關(guān)系。

致謝 感謝山東人工引雷實(shí)驗(yàn)（SHATLE）團(tuán)隊(duì)，感謝河北地閃定位網(wǎng)提供的地閃定位資料，感謝北京市氣象局提供的雷達(dá)資料。

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