晴空萬里，一道閃電卻像“隱形刺客”般突然劈向地面，這就是所謂的“晴天霹靂（ bolt-from-the-blue ）”。普通閃電多在烏云滾滾的雷雨云下方擊中地面，而晴天霹靂卻在頭頂沒有云和降水的區(qū)域毫無征兆地直擊地面，它的不可預(yù)測性對人民生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。那么晴天霹靂這個“遠程狙擊手”是如何形成的呢？
近日，中國科學院大氣物理研究所郄秀書研究員及其團隊在《科學通報》上發(fā)表突破性研究，揭示了晴天霹靂閃電的神秘成因。團隊利用自主研發(fā)的具有放電過程和通道精細分辨能力的閃電甚高頻干涉儀，在青藏高原探測到兩次晴天霹靂閃電，射頻動態(tài)定位成像結(jié)果清晰給出了晴天霹靂從雷雨云內(nèi)始發(fā)，出云后水平傳輸數(shù)公里，再轉(zhuǎn)向地面發(fā)展并擊地的完整圖像（圖1）。
圖1 左：雷雨云雷達回波剖面；右：3次負地閃輻射源定位結(jié)果及推斷的雷雨云電荷結(jié)構(gòu)。其中負地閃1為正常閃電，負地閃2、3為兩次晴天霹靂，它們的擊地點位置距降水區(qū)邊緣分別為3.6和3.8 km。
在一定的動力和微物理條件下，雷雨云中冰-水共存的混合相態(tài)區(qū)域內(nèi)，不同大小的冰相水凝物粒子（主要是霰粒和冰晶）之間彈性碰撞后發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在氣流和重力作用下，攜帶不同極性電荷的大、小冰相粒子宏觀分離，在雷雨云中呈現(xiàn)出正、負電荷在不同區(qū)域聚集的狀態(tài)，是閃電發(fā)生的前提。團隊研發(fā)了基于閃電通道發(fā)展物理性質(zhì)差異解析雷雨云電荷分布的方法，基于此揭示了產(chǎn)生晴天霹靂的高原雷雨云電荷結(jié)構(gòu)的演變特征，初始發(fā)展階段首先在云中形成“上負-下正”的負偶極電荷結(jié)構(gòu)，成熟階段進一步發(fā)展出上部正電荷區(qū)，演變?yōu)椤罢?負-正”三極子電荷結(jié)構(gòu)。晴天霹靂放電從云上部正偶極子的正、負電荷區(qū)之間始發(fā)，并以雙向先導(dǎo)的形式分別向相反極性的電荷區(qū)域發(fā)展，負極性通道向上“突圍”，擊穿云上部正電荷層后，閃電通道水平“拐彎”沖出云體，在晴空中潛行數(shù)公里后轉(zhuǎn)向并直擊地面。
圖2 青藏高原雷雨云發(fā)生“晴天霹靂”的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)演化示意圖
“過去我們只能通過測量電場變化推斷雷雨云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)和閃電的宏觀特征，現(xiàn)在通過自主研制的閃電甚高頻干涉儀，我們能夠以微秒甚至納秒的時間分辨率精準分辨閃電過程和放電通道，從而研究閃電發(fā)展傳輸特征和對應(yīng)的雷暴電荷結(jié)構(gòu)演變，為提升雷電過程和機理認識提供了重要手段?！臂銜芯繂T表示。結(jié)合天氣雷達回波和探空等數(shù)據(jù)，團隊發(fā)現(xiàn)云內(nèi)的上部正電荷區(qū)比下部負電荷區(qū)弱的不平衡電偶極子，以及雷雨云單體尺度較小是引發(fā)這兩次晴天霹靂的主要原因。
“實際上，晴天霹靂不僅在高原發(fā)生，在低海拔地區(qū)也有報道，晴天霹靂距離雷雨云的位置可達幾公里甚至十幾公里。由于發(fā)生晴天霹靂時頭頂上空通常沒有降雨，除了對生命財產(chǎn)造成危害之外，雷擊熱效應(yīng)還可能引發(fā)野火、森林火災(zāi)等，對地球生態(tài)系統(tǒng)和大氣環(huán)境也有重要影響，在氣候變暖背景下，晴天霹靂類型的閃電值得重視?！臂銜芯繂T進一步表示，“我們想提醒公眾，當你身處晴空，但視線范圍內(nèi)出現(xiàn)烏云，或者聽到可分辨的雷聲，也應(yīng)盡快遠離高地、樹木等危險區(qū)域，以免被晴天霹靂狙擊。”
郄秀書
中國科學院大氣物理研究所研究員，國家自然科學基金委杰出青年科學基金獲得者，國際大氣電學委員會主席，美國AGU會士。主要從事大氣電學和中尺度氣象學研究。出版著作4部，發(fā)表論文300余篇。曾任國家“863計劃”專家、國家“973項目”首席科學家。先后獲中國青年科技獎、全國三八紅旗手、中國十大女杰、中國科學院優(yōu)秀導(dǎo)師等榮譽稱號，作為第一完成人獲省部級科技獎勵一、二等獎3項。擔任JGR: Atmospheres 期刊專業(yè)主編，Atmospheric Research副主編，《大氣科學》、AAS、JMR、EPP等多個國內(nèi)中英文刊物副主編或編委。
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郄秀書, 劉冬霞, 李豐全, 孫竹玲, 韋蕾, 孫春發(fā), 朱可欣, 呂慧敏, 唐國瑛, 袁善鋒, 蔣如斌, 王宇. 青藏高原單體雷暴的電荷結(jié)構(gòu)及“晴天霹靂”閃電成因. 科學通報, 2025, 70(7): 944-954
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