封面圖：2020年上海的一次閃電（拍攝：風羽醬-sdk）
閃電，作為自然界中常見的天氣現象，伴隨着發聲與發光，是人們日常所熟知的。據統計，全球每年有近14億次閃電發生。目前，具有高時空分辨率且可以描繪三維閃電通道形態的測量技術能使我們更加深入的認知閃電。一次閃電往往延續幾百毫秒，水平延伸數十千米，垂直延伸幾千米。閃電像樹的生長一樣延伸通道，會出現很多分支。那麼，閃電為什麼會出現這樣的形態呢？
圖1 雷暴雲電荷結構與閃電通道形態的概念模型。紅色和藍色「+」分別代表正電荷區和負電荷區；密集程度代表電荷密度的大小；黑色圓點表示輻射源。（來自Li et al. 2022圖4）
雷暴雲是閃電的主要產生源，閃電一般在強電場區域始發，當雲中局部電場超過約400 kV/m時，就能發生閃電。典型的雷暴云為三層電荷結構，主要包括頂部正電荷區，中部負電荷區和底部小正電荷區。閃電一般在上部正電荷區和中部負電荷區之間的強電場區域始發，然後分別在上下電荷層中傳輸。復旦大學大氣與海洋科學系張義軍教授團隊於2022年在《Geophysical Research Letters》發表論文，首次基於實測數據證明了雷暴雲內電荷結構並不是層狀均勻分佈的（圖1）。正是雷暴雲電荷層中電荷密度的不均勻性才導致了閃電的不同形態。文中採用分形維數定量的描述了閃電通道的直接延伸，分叉和轉向這些不同的形態。分形維數被譽為大自然的幾何學的分形理論，不同於我們平時描述的整數維，他可以以分數的形式描述形體的複雜程度以及對空間的佔有程度。閃電通道在發展過程中，會在電荷密度較大的區域分支和轉向，進而形成我們所看到的閃電的形狀。
圖2 不同閃電的形態和通道區域的湍流耗散率。（來自Li et al. 2024圖1）
雷暴雲中不均勻的電荷結構導致了閃電的不同形狀，那是什麼樣的動力結構才形成了這樣的電荷結構呢？張義軍教授團隊於2024年在《Geophysical Research Letters》發表論文，揭示了閃電通道不同形態區域的湍流特徵。形態複雜的閃電其通道整體的分形維數較大，並具備較大的湍流耗散率（EDR）（圖2）；而單次閃電中，在一定高度範圍內直接延伸且無明顯分叉和轉向的通道，傾向於向EDR減小的方向發展（圖3），而傳輸過程中通道傳播方向的改變和分叉通常發生在徑向速度梯度大、EDR較大的區域（圖4）。該研究揭示了形成閃電通道形態的雷暴動力結構，形成閃電通道形態的雷暴微物理結構將在以後的研究中進行分析。
圖3 閃電直接延伸通道以及通道區域的湍流耗散率。（來自Li et al. 2024圖2）
圖4 閃電分叉和轉向以及該通道區域的湍流耗散率。（來自Li et al. 2024圖3）
論文信息：
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
