2021, Vol. 37
2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044;
3. 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所/中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031;
4. 中国科学院国家空间科学中心/空间天气学国家重点实验室，北京 100049;
5. 马来西亚技术大学，马六甲 76100，马来西亚
2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
3. Key Laboratory of Atmospheric Optics, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230026, China;
4. State Key Laboratory of Space Weather, National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Malacca 76100, Malaysia
红色精灵(Red sprite)是活跃雷暴中闪电活动引起的一种中高层大气瞬态发光现象，其出现高度范围为50~90 km[1-2]。当闪电放电产生的准静电场在中高层超过大气介质击穿阈值时，会引发空气电离并发展成红色精灵[3]。此外，中间层不均匀性也可能为红色精灵的产生提供有利条件[4-5]。红色精灵通常在地闪回击后几毫秒到几十毫秒内产生，距离回击点的横向偏移可达几 km至几十 km，其形态学特征可能受到移除电荷的空间结构影响[6-8]。
红色精灵主要是由中尺度对流系统(Mesoscale Convective Systems, MCSs)尾部层状降水区内的强正地闪回击产生[9-13]，尤其是引起较大电荷距变化(Charge Moment Changes, CMCs，即云内被转移电荷量与被转移电荷垂直高度的乘积)的地闪回击[14-18]。母体闪电云内先导通常启动于强对流区内，随后传播到层状降水区内，将电荷释放到地面[7, 8, 19-22]。母体雷暴在红色精灵发生阶段呈现正地闪频数增加、负地闪频数减少的趋势[6, 13, 23]。
过去三十年，人们对红色精灵的研究主要集中在大陆型雷暴[9-10, 13, 24-25]。FORMOSAT-2卫星上搭载的ISUAL (The Imager for Sprites and Upper Atmospheric Lightning)观测平台为研究全球范围TLEs(Transient Luminous Events)提供了机会[26]，空间观测表明海洋和陆地产生的红色精灵数量差异并不像闪电数量差异那么大[27-30]，尽管绝大多数(> 90%)的闪电发生在陆地上[31]，但沿海性雷暴似乎更易于产生可诱发红色精灵的强地闪回击[30]。
目前，由于海洋区域观测站架设难度较大以及最大可视距离受限等原因，导致有关产生红色精灵的海洋和沿海性雷暴研究尚少，因此我们于2019年夏季在马来西亚马六甲地区架设低光度光学观测系统及低频磁场测量天线，以研究中国南海及东南亚地区产地红色精灵的沿海性雷暴特征。本文分析了观测实验获得的三组红色精灵事件及其母体雷暴特征。第一组红色精灵事件发生于11月9日一次MCS上空，在约半小时(16:58—17:23 UTC)内共产生两例红色精灵；第二组红色精灵产生于12月11日的一个超级单体(Supercell)内，共产生4例红色精灵(11:45—12:10 UTC)；此外，在12月15日17:06 UTC还观测到一例红色精灵，母体雷暴也为MCS。根据马六甲马来西亚技术大学(Universiti Teknikal Malaysia Melaka; 102.32 °E, 2.31 °N)的低频磁场信号及GLD360闪电探测数据可知，本文所报道事件均为正极性地闪产生的红色精灵。
2 实验和数据FORMOSAT-2卫星沿890 km高度的太阳同步轨道飞行，其搭载的ISUAL观测平台采用向东临边观测方式，观测距离在2 300~4 000 km。根据卫星的位置、空间姿态等辅助信息，可推断出TLEs的地理位置。ISUAL具有三个光学传感器：增强型CCD成像仪，六通道分光光度计和16通道电极阵列光度计，它们可捕获具有良好空间、光谱和时间分辨率的瞬态发光信号，当分光光度计被闪电或TLEs触发时，会记录一个ISUAL事件[32]。自2004年7月—2016年6月共记录了约42 000个TLEs，主要包括红色精灵、淘气精灵(elves)、光晕(halo)、蓝色喷流(blue jet)和巨大喷流(gigantic jet)[28]。ISUAL观测到的红色精灵主要集中在热带地区，其发生密度随纬度降低。图 1显示了在马来半岛地区附近ISUAL观测到的65个红色精灵事件(紫色加号表示)。因为卫星轨道扫描会增加观测的随机性，因此有必要对海洋和沿海性雷暴开展地基观测实验。
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图 1 马六甲站示意图(a), 2019年11月9日(b)、12月11日(c)、12月15日(d)发生红色精灵的日闪电回击数量变化 a中彩色菱形表示母体闪电，红色为2019年11月9日、黄色为2019年12月11日和蓝色为2019年12月15日，绿色圆形和紫色矩形分别表示马六甲测站和探空测站，圆形虚线为距测站距离(300 km和500 km)。紫色加号表示ISUAL在马来半岛附近所观测到红色精灵事件的地理分布。b~d分别为2019年11月9日、2019年12月11日、2019年12月15日发生红色精灵的日闪电回击数量变化。 |
由于红色精灵发生于雷暴云上空，且空间延展可达几百 km，故对其观测需在一定范围外进行。我们已知光线在大气中传输会发生衰减，因此要求测站周围近地表空气能见度良好、城市光污染较少。综上，我们将观测站建立于海边城市马六甲城郊东北侧马六甲马来西亚技术大学内(Universiti Teknikal Malaysia Melaka; 102.32 °E, 2.31 °N)，该地区空气质量良好，符合观测要求。我们采用类似于Lu等[7]的低光度观测系统进行了光学观测，以捕捉亮度高于采集阈值的红色精灵。观测系统采用连续性采集，通过自动触发进行记录。视频内的时间码由连接全球定位系统(GPS)的时间打码器提供。为测量母体闪电的电磁特征，我们还在马六甲站安装了低频(low frequency, LF; 30~300 kHZ)磁场天线[7]。
São Sabbas等[6]指出红色精灵中心通常在距母体闪电50 km范围内，且全球闪电定位网(World-Wide Lightning Location Network, WWLLN)对于母体闪电的定位精度一般在10 km之内[33]。因此，本文以WWLLN的定位结果表示红色精灵的地理位置，由图 1可知，母体闪电位于马来西亚半岛附近，距测站均小于300 km。由于并不是所有的红色精灵母体闪电回击均被磁场天线探测到，因此我们还检查了Vaisala公司的全球闪电探测网GLD360的探测结果，以确定部分事件的母体闪电极性。根据磁场数据(磁场信号向下为正)以及GLD360数据可知，本次实验所观测到7例红色精灵均由正极性地闪产生。
此外，我们还检查了红色精灵发生阶段母体雷暴内闪电频数变化，如图 1b~1d所示，红色精灵生成期并不是闪电活动最强期，而是发生于闪电频数短暂降低后，这也进一步证明红色精灵的产生是成熟雷暴对流减弱的一个信号[13, 34-37]。因未能获得雷达数据权限，我们无法检查红色精灵发生当天地基多普勒雷达数据，故本文分析了National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)/National Centers for Environmental Prediction (NCEP)的云顶亮温数据(brightness temperature)、怀俄明大学(University of Wyoming)提供的探空数据(Sepang站，101.75 °E, 2.69 °N)以及European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)的再分析数据(ERA5)，以了解母体雷暴特征及背景气象条件。
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表 1 2019年马六甲站的红色精灵观测 |
光学观测表明，红色精灵以圆柱型(column)和胡萝卜型(carrot)形态为主，跳舞型(dancing)、焰火型(firework)和天使型(angle)等形态出现较少[1, 35, 38]，并且有时会伴随具有类似产生机制的“光晕(halo)”现象同时发生[5, 39-40]。本次实验记录到4例圆柱型红色精灵、2例胡萝卜型红色精灵和1例舞蹈型红色精灵。图 2a、2b和2i为胡萝卜型红色精灵，主发光区域亮度很强，上方有漫射状流光，底端常常伴随着细丝状流光放电[1]。图 2c、2g和2h为圆柱型红色精灵，主发光体呈垂直的圆柱状，有时在圆柱的顶部和底部有向外延伸的散射状流光且亮度较低[38]。图 2e和2d为舞蹈型红色精灵，主发光体产生空间偏移[10]，合成图像可见图 2f。
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图 2 红色精灵静态图像 a、b、i为胡萝卜型红色精灵；c、g、h为圆柱型红色精灵；d、e为舞蹈型红色精灵；f为d和e的合成图像。 |
2019年11月9日的500 hPa高度场表明副热带高压断裂后形成的孤立带状主体位于南海北部，其南侧控制菲律宾地区，9日南海地区台风中心位于110 °E, 10 °N附近，强度为热带低压级，并逐渐西行影响中南半岛地区。副热带高压西北侧(孟加拉湾)有南支槽在活动，槽前气流与副热带高压协同影响缅甸地区。700 hPa和850 hPa高度场表明有冷空气从中国大陆地区南下，在印度尼西亚群岛西南侧受低压环流影响。Sepang站2019年11月9日12:00 UTC探空数据(图 3e)表明天气系统具有良好的对流发展条件。大气处于潜在不稳定状态且CAPE(Convective Available Potential Energy)值远大于CIN(Convective Inhibition)值(真潜不稳定)，抬升凝结高度位于950 hPa高度附近，对流上限位于150 hPa高度附近。大气低层风向随高度逆时针旋转，中层风向顺时针旋转，高层风向逆时针旋转，其中在500 hPa高度(0 ℃层)附近有明显的垂直风切变，风切变造成的水平涡度形成了低气压扰动，从而形成了垂直向上的气压梯度力，有利于上升运动。
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图 3 a、c为2019年11月9日马六甲站获得LF磁场信号波形；b、d为2019年11月9日发生红色精灵静态图像；e为探空站大气廓线；f为2019年11月9日17:00 UTC云顶亮温及WWLLN探测闪电分布(以红色精灵事件时间为中心时间，前后增加20 min)和18:00时风场数据。 红色菱形、绿色圆形和紫色矩形分别表示母体闪电、马六甲测站和探空测站，圆形虚线为距测站距离(500 km)。 |
2019年11月9日的红色精灵是一次MCS天气过程诱发产生，共发生两次事件(图 3b和3d)。约2019年11月9日09:00 UTC，母体雷暴仍为多个零散微弱的小对流单体，随后这些单体逐渐合并，直到2019年11月9日11:00 UTC时形成一个连续的对流区域。在这一过程中，雷暴变得更大、更强烈，水平尺度最大可达600 km。根据NOAA/NCEP提供的云顶亮温数据可知(图 3f), MCS对流区沿雷暴云移动方向分布，母体闪电(红色菱形表示)位于云顶亮温小于210 K区域，距测站超过200 km。云顶亮温更低的区域，云顶高度更高，雷暴云内对流活动更强。对比WWLLN定位分布可知，闪电活动(以云顶亮温时间为中心时间，前后增加10 min)主要发生于对流核心，而母体闪电位于对流核边缘下切变侧，这与日本冬季雷暴中母体闪电发生位置相似[41-42]，产生原因可能与地形、经纬度、海陆气候等因素有关。马六甲站同步磁场探测信号(图 3a和3c)表明直达波和反射波对应关系较好，回击前磁场波形平缓，而后续放电过程中脉冲信号增加。两例红色精灵均为正极性，主发光体清晰明亮，顶部没有发现halo现象特征[43]。
3.2 2019年12月11日的红色精灵观测2019年12月11日的天气环境与11月09日明显不同，中高层大气温度层结变得相对稳定，CAPE值大为减少，仅为385.57 J/kg。500 hPa高度场表明副热带高压脊线位于15 °N附近，主体呈带状分布、北侧有南支槽东移，并控制南海和菲律宾群岛北部。700 hPa和850 hPa高度场显示南海北部有一反气旋性环流，赤道辐合带位于5 °S附近。此外，南海南部110 °E有东风波西移。2019年12月11日12:00 UTC的探空曲线(图 4i)表明大气处于潜在不稳定状态，CAPE值明显大于低层CIN值(真潜不稳定)，抬升凝结高度位于近地面980 hPa高度附近，对流上限位于150 hPa高度附近。大气整层风向随高度逆时针旋转，其中在400 hPa高度附近有明显的风切变，0 ℃层位于500 hPa高度附近。此外，我们还检查附近其他探空测站(WIMG Padang站，104.96 °E, 5.03 °S; WION Ranai站，108.38 °E, 3.908 °N; WMKC Kota Bharu站，102.14 °E, 6.76 °N; WIMM Medan站，98.40 °E, 3.59 °N)的探空数据(未在文中展示)，结果表明其他站点大气稳定度均为绝对不稳定，易产生强雷暴天气。
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图 4 a、c、e、g为2019年12月11日马六甲站获得LF磁场信号波形；b、d、f、h为2019年12月11日发生红色精灵静态图像；i为探空站大气廓线；j为2019年12月11日12:00 UTC云顶亮温及WWLLN探测闪电分布(以红色精灵事件时间为中心时间，前后增加10 min)和12:00 UTC风场数据。 红色菱形、绿色圆形和紫色矩形分别表示母体闪电、马六甲测站和探空测站，圆形虚线为距测站距离(500 km)。 |
2019年12月11日的红色精灵母体雷暴为超级单体，共持续约6小时，其中红色精灵发生期为30 min左右。约2019年12月11日09:00 UTC，一个强雷暴形成于吉隆坡附近，并逐步向西北移动，且强度逐渐增强。云顶亮温表明(图 4j)云顶高度较高、对流强度较强，水平尺度最大约为200 km。母体闪电距测站超过230 km，位于雷暴对流区，这与负极性红色精灵母体闪电类似[44-45]。2019年12月11日11:45:55 UTC观测到第一个红色精灵，约15 min后连续生成3例红色精灵(时间间隔约5min)，红色精灵发生期间对流区附近闪电频数明显下降，这与已有报道一致[35-37]，但有趣的是，该时期强对流区闪电活动低于周边较弱对流强度区，这与以往观测结果存在显著差异，其产生原因需在未来工作中进一步研究证明。马六甲站LF磁场探测直达波和反射波对应关系较好，回击前磁场波形平缓，而后续放电过程中脉冲信号增加，对比直达波与反射波幅值可知，直达波受距离影响衰减明显(图 4a、4c、4e和4g)。四例红色精灵事件均为正极性，同样因距离较远，2019年12月11日拍摄图像较为模糊(图 4b、4d、4f和4h)。此次雷暴过程还观测到一例舞蹈型红色精灵(2019年12月11日12:00:40 UTC)，母体闪电距离马六甲站约238 km，红色精灵发光主体较为暗淡。由图 2d和2e可知，该红色精灵由两个元素(element)组成，第一个元素相对明亮，第二个元素向东北偏移，第二个元素的回击并未被WWLLN探测到。
3.3 2019年12月15日的红色精灵观测2019年12月15日的500 hPa高度场表明副热带高压位于20 °N附近，主体呈明显的带状分布，并控制南海北部和中南半岛，副热带高压北侧有槽前气流叠加其上。700 hPa和850 hPa高度场显示南海、中南半岛受明显的东风控制，赤道辐合带位于5 °S附近。2019年12月15日12:00 UTC探空曲线(图 5a)显示大气处于潜在不稳定状态，抬升凝结高度位于近地面980 hPa高度附近，对流上限位于150 hPa高度附近。大气低层风向随高度逆时针旋转，中高层风向随高度顺时针旋转，0 ℃层位于500 hPa高度。周围探空测站数据也表明大气绝对不稳定。
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图 5 a为探空站大气廓线, 插图为2019年12月15日发生红色精灵静态图像；b为2019年12月15日17:00 UTC云顶亮温及WWLLN探测闪电分布(以红色精灵事件时间为中心时间，前后增加10 min)和18:00 UTC风场数据。 红色菱形、绿色圆形和紫色矩形分别表示母体闪电、马六甲测站和探空测站，圆形虚线为距测站距离(500 km)。 |
2019年12月15日产生红色精灵的天气系统为一次飑线解体后其中的一个对流单体，可能由于强对流过程的结束，雷暴的CAPE值仅为30.08 J/kg，但它的整层大气垂直温度递减率均大于干绝热和湿绝热温度递减率，这表明环境空气气块始终受到向上的浮力，然而因为层结温度廓线和大气状态曲线接近，导致提供给气块上升的动能较小，不利于强烈对流的发展。同时，整层湿度廓线与露点曲线几乎重合，说明大气非常潮湿，整层都是接近饱和的，且露点温度较高、水汽充沛，可能伴随较强的降水。WWLLN定位结果(图 5b)表明对流区闪电活动并不活跃且不在对流区，而母体闪电却更靠近强对流区。云顶亮温显示对流区后并无大面积层状云区，这可能是受马来半岛地形影响，从而对流区后未形成面积较大的层状云区，这也与以往内陆地区产生红色精灵天气系统存在明显差异。遗憾的是，2019年12月15日低频磁场数据未能正常采集，无法给出母体闪电波形信息。因此，我们参考了GLD360闪电探测数据，结果表明母体闪电为一次正极性地闪。
4 讨论和总结为了解中国南海及东南亚地区沿海性雷暴特征，我们在马六甲地区开展了地基观测，分别于2019年11月9日、12月11日以及12月15日记录到7次红色精灵事件，其中包括4例圆柱型红色精灵、2例胡萝卜型红色精灵和1例舞蹈型红色精灵。本工作为全球不同地区红色精灵产生条件和其发生机制提供了进一步的认识。因仅使用单站记录，故无法对红色精灵的空间特征给出阐述。未来的工作将采用多站协同观测对该地区TLEs研究进行补充。
基于WWLLN闪电探测数据及云顶亮温数据可知，红色精灵产生于三次沿海性雷暴，且母体雷暴分别为无明显层状云降水区的小型MCS或超级单体。本次实验观测到的红色精灵均由正地闪诱发产生，类似于负极性红色精灵，本文所报道红色精灵母体闪电主要产生于雷暴对流区附近(云顶亮温≤210 K处)，这可能是由于对流区和邻近的云砧区域内分布了广泛的正电荷层[21, 34, 46]。Lang等[46]指出这种正电荷层的出现与雷暴电荷反转有关，在-10~-20 ℃附近为正电荷层，而非负电荷层。是否类似的异常电荷结构为马来西亚地区产生红色精灵的沿海性雷暴的共同特征尚不完全清楚，但更高的冷云云底(减少了暖云深度)可能起到主要作用[47-48]，尤其在与强不稳定性和风切变相结合的情况下[49]。旺盛的上升气流导致液态水含量增加，使正电荷转移到与冰晶碰撞的霰粒子上[50]。因霰粒子较重，它们会相对于冰晶粒子下降，使负电荷层覆盖在正电荷层上，从而形成倒置的电荷结构[51]。由于缺乏相关数据，还需进一步验证，这也为我们在该地区开展长期观测提出了要求。
此外，红色精灵生成期并不是闪电活动最强期，而是发生于闪电频数短暂降低后，这可能是由于较少的放电过程去中和电荷，更利于电荷层扩散和平流运送[46]，因此红色精灵的发生可能是该地区成熟雷暴对流过程减弱的一个指示。
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