近日，中国科学技术大学雷久侯教授、祝宝友教授和刘非凡副教授团队在云顶放电产生机理方面取得新认识。团队基于自主研制的地基闪电观测阵列，发现云顶放电存在极性竞争关系，提出了主导云顶放电产生的新概念模型。相关研究成果以“Polarity transitions of narrow bipolar eventsin thundercloud tops reaching the lower stratosphere”为题发表于国际著名学术期刊《自然·通讯》[Nat. Commun，2024]。
云顶放电是一类发生在穿透性过冲云顶附近的蓝色放电现象，作为对流层雷暴向平流层及中高层大气物质和能量注入重要一环，这类放电可以直接改变平流层区域的氮氧化物和臭氧等温室气体含量，间接影响地球大气中长波红外辐射的收支平衡，最新研究表明这类放电能在低电离层80-90千米高度诱发大尺度光学扰动现象（图1）。因此，探究其产生机理对认识雷暴在圈层耦合中所扮演的角色具有重要意义。
图1 云顶放电诱发大尺度低电离层扰动示意图
传统理论模式认为，云顶放电是由普通闪电诱发的云内电荷不平衡所导致。然而，由于受到云层遮挡和严重的瑞利散射，学术界对该类放电事件的观测研究还相当不充分，关于其始发闪电源及产生机理尚存在较大争议，引发学术界广泛关注。为此，欧空局ESA和美国宇航局NASA相继在国际空间站和地球同步静止卫星上搭载光谱和射频探测器，开展针对雷暴云顶放电的连续成像和多谱段观测试验，同时期望联合地基闪电观测阵列，探究其始发机理以及对中高层大气的影响。研究团队围绕云顶放电产生机理及其圈层耦合效应，开展了系统性研究工作, 在国际上首次发现了云顶放电和一类具有明显低电离层反射对的双极性窄脉冲NBE事件物理同源，提出了基于电学信号遥感云顶放电的新思路 [GRL，2018；Nat. Commun，2021]，为进一步揭示云顶放电产生机理提供了可能。
近期，研究团队基于自主研制的新一代地基闪电观测平台, 利用闪电低频信号通过电离层反射的信息，观测到台风登陆期间发生在外雨带云顶的NBE爆发现象，首次发现云顶不同极性NBE之间表现出很强的“竞争性”关系。对表征云内对流发展的雷达资料进行分析，结果表明，过冲云中对流发展阶段对云顶放电的产生起到主导作用，表现为爆发性正NBE总是发生在过冲云的对流抬升阶段，而云顶负NBE通常爆发性产生在过冲云的对流下沉阶段，并总伴随着平流层“云上卷云”的形成。进而，研究团队从云内对流发展的角度出发，提出了对流强度主导云顶放电产生的新概念模型，即对流抬升程度所调制的不同电荷层高度变化主导了云顶放电的产生（图2）。
该研究成果为云顶放电的产生机理提供了一种新视角，为后续评估云顶放电的全球发生率及其导致的平流层化学扰动提供了可能，为进一步探究云顶放电对中高层大气和低电离层影响奠定了基础。
图2 对流程度所主导的云顶放电诱发机制新概念模型
论文第一作者是中国科学技术大学副教授刘非凡，通讯作者是中国科学技术大学雷久侯教授和祝宝友教授，合作者包括中国科学技术大学陆高鹏教授，南京气象科技创新研究院吕伟涛研究员、吕凡超副研究员，和丹麦技术大学Torsten Neubert教授团队等。该研究获得了国家自然科学基金委基础科学中心、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队和中国气象科学研究院专项基金等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51705-y
（地球和空间科学学院、科研部）