封面图：2020年上海的一次闪电（拍摄：风羽酱-sdk）
闪电，作为自然界中常见的天气现象，伴随着发声与发光，是人们日常所熟知的。据统计，全球每年有近14亿次闪电发生。目前，具有高时空分辨率且可以描绘三维闪电通道形态的测量技术能使我们更加深入的认知闪电。一次闪电往往延续几百毫秒，水平延伸数十千米，垂直延伸几千米。闪电像树的生长一样延伸通道，会出现很多分支。那么，闪电为什么会出现这样的形态呢？
图1 雷暴云电荷结构与闪电通道形态的概念模型。红色和蓝色“+”分别代表正电荷区和负电荷区；密集程度代表电荷密度的大小；黑色圆点表示辐射源。（来自Li et al. 2022图4）
雷暴云是闪电的主要产生源，闪电一般在强电场区域始发，当云中局部电场超过约400 kV/m时，就能发生闪电。典型的雷暴云为三层电荷结构，主要包括顶部正电荷区，中部负电荷区和底部小正电荷区。闪电一般在上部正电荷区和中部负电荷区之间的强电场区域始发，然后分别在上下电荷层中传输。复旦大学大气与海洋科学系张义军教授团队于2022年在《Geophysical Research Letters》发表论文，首次基于实测数据证明了雷暴云内电荷结构并不是层状均匀分布的（图1）。正是雷暴云电荷层中电荷密度的不均匀性才导致了闪电的不同形态。文中采用分形维数定量的描述了闪电通道的直接延伸，分叉和转向这些不同的形态。分形维数被誉为大自然的几何学的分形理论，不同于我们平时描述的整数维，他可以以分数的形式描述形体的复杂程度以及对空间的占有程度。闪电通道在发展过程中，会在电荷密度较大的区域分支和转向，进而形成我们所看到的闪电的形状。
图2 不同闪电的形态和通道区域的湍流耗散率。（来自Li et al. 2024图1）
雷暴云中不均匀的电荷结构导致了闪电的不同形状，那是什么样的动力结构才形成了这样的电荷结构呢？张义军教授团队于2024年在《Geophysical Research Letters》发表论文，揭示了闪电通道不同形态区域的湍流特征。形态复杂的闪电其通道整体的分形维数较大，并具备较大的湍流耗散率（EDR）（图2）；而单次闪电中，在一定高度范围内直接延伸且无明显分叉和转向的通道，倾向于向EDR减小的方向发展（图3），而传输过程中通道传播方向的改变和分叉通常发生在径向速度梯度大、EDR较大的区域（图4）。该研究揭示了形成闪电通道形态的雷暴动力结构，形成闪电通道形态的雷暴微物理结构将在以后的研究中进行分析。
图3 闪电直接延伸通道以及通道区域的湍流耗散率。（来自Li et al. 2024图2）
图4 闪电分叉和转向以及该通道区域的湍流耗散率。（来自Li et al. 2024图3）
论文信息：
Li, Y., Zhang, Y., Zhang, Y., & Krehbiel, P. R. (2022). Analysis of the configuration relationship between the morphological characteristics of lightning channels and the charge structure based on the localization of VHF radiation sources. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099586. https://doi. org/10.1029/2022GL099586
Li, Y., Zhang, Y., Zhang, Y., & Krehbiel, P. R. (2024). Analysis of the relationship between the morphological characteristics of lightning channels and turbulent dynamics based on the localization of VHF radiation sources. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL106024. https://doi.org/10.1029/2023GL106024
