1 引言

在雷暴云顶和低电离层之间存在一类大气放电现象，由于它们的发光持续时间较短，所以又被称为瞬态发光事件（Transient Luminous Events，简称TLEs）。到目前为止，已经被证实的TLEs包括红色精灵（Red sprites；Sentman et al., 1995；Winckler et al., 1996；Suzuki et al., 2011；Lang et al., 2016；Peng et al., 2017）、淘气精灵（Emissions of Light and VLF perturbation due to EMP Sources，简称Elves；Barrington‐Leigh and Inan, 1999；Kuo et al., 2007）、巨大喷流（Gigantic jets，简称GJ；Singh et al., 2017；Kuo et al., 2009；Cummer et al., 2009；Lu et al., 2011；Yang et al., 2018）、蓝色喷流（Blue jets，简称BJ；Wescott et al., 1995, 2001；Pasko et al., 2003；Chou et al., 2011）、蓝色启辉器（Blue starters；Wescott et al., 1996, 2001）和光晕（Halos；Moudry et al., 2003；Ren et al., 2019）。有学者又将红色精灵和光晕统称为“sprite-halo”事件（Barrington-Leigh et al., 2001; Zhang et al., 2019）。“sprite-halo”事件是由Barrington-Leigh et al.（2001）首次提出，是闪电将电荷转移到地面的瞬间，空间诱导电荷产生的强电场加速自由电子，被加速的自由电子与空气分子发生碰撞电离，被电离的空气分子由激发态回到基态时产生的光辐射。红色精灵，又称为红闪，是TLEs地基观测中最容易被观测到且研究较充分的一种放电现象。这种现象主要与正极性的云地闪有关（Lyons et al., 1994; Boccippio et al., 1995）。到目前为止，已报道的红色精灵大多数是由夏季雷暴产生的（Sentman et al., 1995; Wescott et al., 1998; São Sabbas et al., 2003; Soula et al., 2009; Lu et al., 2013, 2016; Yang et al., 2013; Wang et al., 2019）。

与夏季红色精灵相比，对冬季红色精灵的研究相对较少。据了解，早期对冬季红色精灵的研究主要是在日本开展。Fukunishi et al.（1999）在1998年首次记录到了发生在日本Hokuriku地区冬季雷暴上方的红色精灵。进一步研究表明大多数冬季红色精灵由正地闪诱发（Hobara et al., 2001; Adachi et al., 2005），与之前夏季红色精灵的研究结果一致（Lyons, 1994; Sentman et al., 1995）。Hayakawa et al.（2004）基于雷达资料指出产生红色精灵冬季雷暴的水平尺度约为30 km，产生红色精灵的冬季雷暴远小于Mohr and Zipser（1996）定义的中尺度对流系统（mesoscale convective system，简称MCS），因此他们认为冬季其他雷暴类型（非MCSs）也能产生红色精灵。Adachi et al.（2005）利用地球同步气象卫星（GMS-5）研究了日本地区四种产生红色精灵冬季雷暴的大小，得到冬季雷暴的平均云顶温度为−25°C～−40°C，−20°C的平均水平8500～40500 km²，表明日本冬季红色精灵母体雷暴要比美国中西部地区夏季的MCSs要小，这一结论也被其他研究者证实（Takahashi et al., 2003; Hayakawa et al., 2005; Suzuki et al., 2006a, 2006b）。Ganot et al.（2007）发现地中海东部地区四种产生红色精灵的冬季雷暴与日本的冬季雷暴有相似的结构。São Sabbas et al.（2010）利用地球静止环境卫星（GEOS）对阿根廷地区产生红色精灵的冬季中尺度对流系统做了研究，发现冬季中尺度对流系统的最大面积为430000 km²，云顶温度比美国中西部地区和南美洲夏季MCSs的云顶亮温高10°C～20°C。

综上可以看出，与产生红色精灵的夏季雷暴相比，全世界对冬季雷暴产生红色精灵的研究较少，而且研究仅集中在日本、阿根廷和地中海地区。此外，由于综合同步观测资料的缺乏，前人的研究绝大多数是对产生红色精灵冬季母体雷暴的研究，对与其相关的闪电活动规律尤其是产生红色精灵的母体闪电特性研究较少。本文利用中国台湾省福卫二号卫星（FORMOSAT-2）搭载的高空大气闪电成像仪（Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning，简称ISUAL）获取的光学观测数据，地基多普勒天气雷达资料（NEXRAD）、美国国家闪电定位资料（National Lightning Detection Network，简称NLDN）、杜克大学获取的超低频（Ultra low frequency，简称ULF）磁场数据、美国国家环境中心/气候预测中心（National Centers for Environmental Prediction/Climate Prediction Center，简称NECP/CPC）提供的云顶亮温和美国怀俄明大学的探空资料等综合观测数据，对2008年12月28日在北美地区发生的一次冬季中尺度对流系统上空捕捉到的两例红色精灵及其母体雷暴和闪电进行了详细研究，这也是首次对北美地区冬季雷暴产生的红色精灵开展研究，研究结果丰富了对冬季红色精灵的认识。

2 数据和方法

红色精灵的图像来自于高空大气闪电成像仪ISUAL。ISUAL是世界上第一个专门从卫星上观测TLEs的科学仪器。从卫星上对TLEs进行观测研究有着非常独特的优势，可以很好的避免光在大气中的衰减，从而更加准确的测量TLEs的特性。此外，也有助于对TLEs进行全球观测。ISUAL在夏季的覆盖范围是45°S～25°N，而冬季则是25°S～45°N（Chen et al., 2008）。ISUAL系统主要包括一个增强型CCD成像仪（用于拍摄TLEs的图像并记录它的动态发展过程），一个六通道分光光度计和两个阵列光度计（分析TLEs的垂直空间分布随时间的变化情况）；CCD成像仪以每秒100帧的速度连续拍摄图像，分光度计以10 kHz的速率连续采样，阵列光度计以2 kHz或20 kHz的频率连续采样，所有的数据都被写入一系列循环存储器中（Chern et al., 2003）。ISUAL是中国台湾省一颗具有高分辨率的遥感卫星“福卫二号”卫星（FORMOSAT-2）上的有效荷载，FORMOSAT-2沿着距地890 km的太阳同步轨道运行，每天绕地球14圈，即轨道周期为103 min（Chern et al., 2008）。当进入夜间时，卫星从南向北飞行，此时ISUAL以向东的视角进行观测。ISUAL对红色精灵的定位工作是根据其携带的成像仪获取的图像得到的，更详细的信息可参见Chern et al（2008）。ISUAL的定位精度与其距事件发生的距离有关，平均而言精度优于每单位像素50 km。自2004年5月21日发射升空到2015年FORMOSAT-2终止服役，在其11年的寿命中，成功的记录到了将近40000例瞬态发光事件，其中包括约2600例红色精灵。

在杜克大学附近的Duke Forest（35.971°N，79.094°W），两个传感器记录了产生红色精灵母体闪电的磁场信号，两个传感器的工作频段分别为超低频（Ultra-low frequency，ULF，＜1～40 Hz）和极低频（Very low frequency，VLF，50 Hz～30 kHz），采样率分别为2.5 kHz和100 kHz。我们的分析主要利用ULF磁场信号并根据Cummer and Inan（1997）发展的方法估计产生红色精灵母体闪电的脉冲电荷矩变化（impulse charge moment change，简称iCMC；定义为回击发生之后前2 ms的总电荷矩改变量）。利用NLDN提供的闪电定位资料分析与红色精灵和母体雷暴相关的闪电活动。自1989年来，NLDN一直在探测闪电产生的电磁辐射，并且为整个美国大陆提供详细的闪电数据（Cummins et al., 1998）。NLDN可以同时探测云闪和地闪，数据信息包括闪电放电发生的时间、位置（经纬度）、极性和峰值电流。NLDN对于地闪回击的探测效率为90%～95%，定位精度优于0.5 km，而对云闪的探测效率约为25%～30%（Cummins and Murphy, 2009）。通过对比NLDN闪电定位数据的时间和红色精灵发生的时间可以寻找红色精灵的母体闪电（Lyons et al., 2008）。

本文分析中使用的雷达数据为NEXRAD的二级产品（Level Ⅱ），NEXRAD的最大扫描范围是230公里，每3～5 min提供一次数据（https://www.ncdc.noaa.gov/nexradinv/ [2019-05-20]）。同时我们也使用了由美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，简称NOAA）下的国家环境中心（NECP）/气候预测中心（CPC）提供的云顶温度数据，这些数据是在有记录期间由欧洲、日本和美国的地球同步卫星（GOES-8/9/10/11/12/13/14/15/16，METEOSAT-5/7/8/9/10，以及GMS-5/M）数据融合而来。该数据集的覆盖范围为（60°S～60°N，180°E～180°W），时间分辨率是30 min，空间分辨率为4 km×4 km。Level Ⅱ雷达数据和云顶温度数据用来描述雷暴的结构和演变。另外，我们还利用NECP再分析资料和怀俄明大学的探空资料来分析雷暴发生的天气背景和大尺度环境条件。

3 雷暴形成的天气背景和大气环境条件

图1给出了2008年12月27日12:00（协调世界时，下同）的天气形势图，由图可知，500 hPa上科罗拉多州到新墨西哥州有一槽区存在，阿肯色州、田纳西州一带受槽前西南气流的影响，对流发生在高空槽前，槽后偏北气流带来强烈的干冷空气；850 hPa上槽前低层有明显的水汽输送带，水汽通量大值中心受偏西气流控制，低层暖湿气流与南下的干冷空气在阿肯色州西北偏北部交汇，暖湿气流被迫抬升，构成了这次雷暴天气发生的有利因素。

图 1

图 1 2008年12月27日12:00（a）500 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：dagpm）、风矢量（单位：m s⁻¹）和温度（填色，单位：℃）分布以及（b）800 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：dagpm）、水汽通量（填色，单位：g cm⁻¹ hPa⁻¹ s⁻¹）和风矢量（单位：m s⁻¹）分布
Figure 1 Distributions of (a) 500-hPa geopotential height (black contours, units: dagpm), wind vectors (arrows, units: m s⁻¹), and temperature (shaded, unit: ℃); and (b) 850-hPa geopotential height (black contours, units: dagpm), vapor flux (shaded, units: g cm⁻¹ hPa⁻¹ s⁻¹), and wind vectors (arrows, units: m s⁻¹) at 1200 UTC on December 27, 2008

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图2给出了阿肯色州小石城站12:00的探空曲线，探空显示低层风呈顺时针旋转，700 hPa以下西南气流带来的水汽不断积聚导致温度露点差比较小，相对湿度较大，水汽充足，抬升凝结高度为953 hPa；700 hPa以上，温度露点差明显增大，水汽含量较低，水汽形成了典型的上干下湿的垂直分布，为这个雷暴过程的发生提供了充足的水汽条件。根据小石城探空站的探空数据可知，对流有效位能（CAPE）为362.63 J kg⁻¹，对流抑制能量（CIN）为−15.65 J kg⁻¹，抬升指数（LI）为−1.9°C，K指数为38.5°C，整个探空站的降水量高达40.23 mm，表明大气为雷暴的发生提供了有利的环境条件。综合以上的分析来看，低层水汽的输入和高层槽后干冷空气的侵入造成了阿肯色州上空存在水汽上干下湿的垂直结构，不稳定能量的积聚以及良好的动力条件，触发了此次雷暴过程。

图 2

图 2 2008年12月27日12:00小石城站（LZK）探空图。黑色表示状态曲线，绿色表示环境温度曲线（层结曲线），黄色表示环境露点温度曲线
Figure 2 SkewT–logp diagram for LZK at 1200 UTC on December 27, 2008. The black, green, and yellow solid lines represent parcel adiabatic lapse rate, temperature, and dew point, respectively

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4 母体雷暴特征分析

4.1 云顶亮温

图3为由NCEP/CPC提供的不同时刻云顶亮温，可以从宏观上揭示产生红色精灵雷暴的特征，图中还显示了以图中所示时间为中心半小时内（图中时刻前后15 min）闪电的位置。由图3可以清楚的看出雷暴是自西向东发展。在雷暴发展过程中，地闪都主要集中在云顶亮温低值区并且分布在对流线附近。雷暴大约在27日15:00开始出现，之后快速发展并在00:00达到云顶亮温的最低值，大约为−63°C，表明此时云内有较强的上升气流。在01:00，云顶亮温较上一时刻逐渐升高（−62°C），云区变大，雷暴开始逐渐减弱，闪电活动也随之减弱。在01:00之后，云顶亮温大幅度的升高，表明雷暴变得更弱。本文中红色精灵发生在04:46和04:47时刻，由图3f可知，在05:00（距离红色精灵发生最近的时刻），与前几个时刻相比闪电活动大幅度降低，云顶亮温较高，表明雷暴处于消散阶段。红色精灵位于云顶亮温大致在−40°C～−50°C的区域内，这与São Sabbas et al.（2010）的研究结果一致，他们发现阿根廷冬季雷暴上空的红色精灵发生在云顶亮温−45°C～−53°C的层状区。Lyons（2006）研究发现美国中部产生红色精灵的夏季雷暴，最低云顶亮温在−70°C～−75°C范围内，大多数红色精灵发生在亮温低于−65°C的区域。Soula et al.（2009）对欧洲两个产生了27例红色精灵夏季MCS的研究发现红色精灵发生在云顶亮温−50°C～−55°C的区域。结合本文的研究结果发现，与有些夏季雷暴相比（Lyons, 2006），冬季红色精灵可能更容易出现在云顶亮温相对较高的区域。

图 3

图 3 2008年12月28日（a‒f）00:00～05:00不同时刻云顶亮温与闪电（图中所示时刻前后15 min）的叠加（白色“×”表示负地闪，玫红色“＋”表示正地闪，红色大“×”表示红色精灵）
Figure 3 Cloud-top brightness temperature from (a‒f) 0000 UTC to 0500 UTC on December 28, 2008, with flashes within 15 min centered at the time shown in the figure (the white “×,” rose red “＋” and red plus “×” denote −CG flash, +CG flashes, and red sprites, respectively).

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由气象卫星图像确定的云顶亮温可以估计云顶高度和雷暴云内的相关垂直对流的发展情况。云顶亮温越低，云顶高度越高，雷暴内对流发展越旺盛（Soula et al., 2009）。前面的分析表明，冬季红色精灵与低云顶相联系（温度越高，对流越弱，云顶高度越低）。为了进一步研究两者之间的关系，图4给出了2008年12月27日23:00至28日05:00雷暴云顶亮温不同温度面积的变化情况。我们的分析中也结合了探空数据，根据温度垂直递减率（抬升凝结高度以下平均每升高100米温度下降0.8°C，抬升凝结高度以上平均每升高100米温度下降0.6°C）来粗略判断云顶的发展高度。根据杰克逊站（JAN）0000 UTC的探空资料，温度为−55°C所在高度大约为12 km。

图 4

图 4 2008年12月母体雷暴不同云顶亮温面积的演变
Figure 4 Evolution of cloud-top brightness temperature area of different temperature intervals on December, 2008

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从图4可以看出，云顶亮温低于−55°C（云顶高度在12 km以上）的面积在23:00开始显著增加并在01:00达到最大值，直到02:00几乎保持不变，之后开始快速的下降。此外，最大的云顶高度（云顶亮温低于−60°C）出现在00:00，表明雷暴有很强的垂直发展。在00:00之后，云顶温度低于−60°C的面积几乎为0。大约在4 h后观测到了红色精灵，05:00（距离红色精灵发生最近的时刻）雷暴云顶亮温相对较高（大于−55°C，云顶高度低于12 km），此时雷暴处于消散阶段。综合以上的分析可知，本文中的冬季红色精灵发生在雷暴的消散阶段，此时雷暴云云顶亮温较高，云顶高度较低。然而，Adachi et al.（2005）利用气象卫星云图对日本Hokuriku地区产生红色精灵的冬季雷暴做研究发现红色精灵发生在云顶亮温降低时即雷暴的发展到成熟阶段，而在雷暴的消散阶段没有观测到任何的红色精灵。但是，我们的结果与之前发生在北美、欧洲、中国台湾省和中国大陆等地区夏季红色精灵的研究成果一致（Lyons, 1996; 杨静等, 2008; Soula et al., 2009）。

4.2 雷暴结构特征研究

由于NOAA/NCEP提供的云顶亮温数据时空分辨率相对较低，有关雷暴的详细信息从雷达数据中获取。为了更清楚的了解本文中雷暴的整个演变过程，我们在分析的过程中使用了多个站点（孟菲斯站、哥伦布站）的NEXRAD雷达资料，在图5所示的雷达反射率图上会表现出一些差异，这是由于不同雷达体扫的采样空间不一致，当目标物对于两部雷达的距离不同时，即使使用同一仰角观测时，观测到的云也不是同一高度的云。本次产生红色精灵的雷暴是一个中尺度对流系统（MCS），持续时间超过了16 h。图5显示了产生红色精灵的雷暴在不同时间的雷达组合反射率。在雷暴的演变过程中，雷暴主要分布在阿肯色州、田纳西州和杰克逊县一带。雷达组合反射率表明在12月27日15:00左右（图略），一些小的对流单体开始出现在阿肯色州北部，然后这些对流单体逐渐发展，并合并形成一条长对流线。随着雷暴向东演变，前部对流线逐渐增强,对流区后部以层状云降水区为主。大约在23:59，雷暴发展更强，最大雷达反射率因子（55～60 dBZ）的面积达到339 km²。由于一部分雷达资料的缺失，我们无法得知00:00～00:59期间雷暴的具体发展情况。由图中可以看到在01:03时刻雷暴是减弱的。在03:03左右，雷暴的强度有所增强，体现在图6a中雷达反射率大于30 dBZ的面积有所增加。在03:03之后，云体便开始逐渐扩散、反射率开始减弱，表明雷暴开始衰减消散。在11:00左右，产生红色精灵的雷暴完全消散。

图 5

图 5 2008年12月红色精灵母体雷暴在不同时间的组合反射率演变：27日（a）23:04、（b）23:59、28日（c）01:03、（d）02:03、（e）03:03、（f）04:03、（g）05:02、（h）06:02
Figure 5 Evolution of composite radar reflectivity of the sprite-producing thunderstorm at (a) 2304 UTC, (b) 2359 UTC December 27, (c) 0103 UTC, (d) 0203 UTC, (e) 0303 UTC, (f) 0403 UTC, (g) 0502 UTC, (h) 0602 UTC December 28, 2008

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图 6

图 6 2008年12月红色精灵母体雷暴的不同雷达反射率面积演变（图中虚线为红色精灵发生时间）
Figure 6 Areal evolution of different radar reflectivities during the sprite-producing thunderstorm on December, 2008 (the dotted line in the picture shows the occurrence time of the red sprites).

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我们分析中的冬季雷暴是一个MCS，MCS被认为是较容易产生红色精灵的天气系统（Lyons, 1994），ISUAL有幸在这次MCS上空记录到两例红色精灵事件，为了对产生红色精灵的雷暴特征有一个详细的了解，我们对红色精灵发生前后的雷达反射率特征进行细致研究。我们利用离MCS最近的两部雷达的组合反射率图，得到本次MCS过程从23:04～06:02雷达反射率面积的变化，图6给出了不同雷达反射率面积的演变曲线图（00:00～00:59由于雷达失效没有数据）。如图6a所示，雷达反射率大于40 dBZ的面积和雷达反射率小于30 dBZ的面积在没有产生红色精灵的时间段内的变化较一致，在红色精灵发生期间反射率大于40 dBZ的面积变化较为平稳，而雷达反射率小于30 dBZ的面积增加，与王志超等（2015）对华北地区产生红色精灵夏季MCS的研究结果一致。雷暴的10 dBZ反射率面积大约在红色精灵发生前1小时38分钟（03:08）达到最大值约为89592 km²（图6b），小于Lyonsl（1996）报道的结果（约为10⁵km²），但大于Soula et al.（2009）的结果，其对欧洲两次产生红色精灵的MCS研究中发现，雷暴的最大面积为1.2×10⁴km²。在04:45（红色精灵发生前约2 min），雷暴的10 dBZ反射率面积约为84007 km²，远大于Lyons et al. （2003）的研究结果（1.5×10⁴km²～2×10⁴km²）。Lyons （2006）指出北美夏季MCS产生红色精灵除了满足Lyons et al. （2003）提出的产生红色精灵MCS的10 dBZ雷达反射率面积须达到2×10⁴ km²的条件外，还需要满足的条件是MCS的最大雷达反射率要大于55 dBZ。如图6a所示，在红色精灵发生时，MCS的最大雷达反射率达到了55 dBZ，面积约为48 km²。

由图6b可知，30～35 dBZ的雷达反射率面积在红色精灵发生前后是增加的，而35～40 dBZ和40～45 dBZ的面积在红色精灵发生前减少，在红色精灵发生后35～40 dBZ又迅速的增加，40～45 dBZ的面积趋于平稳。先前的研究表明，日本冬季红色精灵的发生与对流增强有关。然而在本文中，如图6c所示，在红色精灵发生期间，雷达反射率10～40 dBZ的面积增加，而大于40 dBZ的面积减少。红色精灵的发生与强回波区的减弱有很好的一致性。由以上的分析可知，红色精灵发生时雷暴处于消散阶段，红色精灵的产生与对流的减弱和层状云降水区的发展有关，这与已有的夏季红色精灵的研究结果类似。一般在雷暴发展的后期，层状云降水区逐渐扩大，有利于正电荷区的水平扩展，正地闪往地面传输的电荷增多。

为了进一步探讨产生红色精灵的雷暴特征，图7给出了04:45（距离红色精灵发生最近时刻）雷达组合反射率与前后15 min内地闪的叠加及雷达反射率的垂直剖面，其中黑色和红色“×”分别代表负地闪和正地闪，两个母体闪电分别被标为CG1和CG2，蓝色大“＋”表示红色精灵。如图7a所示，两个红色精灵的母体闪电位于雷达反射率大约为25～35 dBZ的层状云降水区，与Adachi et al.（2005）的结果相反，其发现日本冬季红色精灵的母体闪电发生在强对流区，而不是传统的层状云区，但与之前对发生在北美地区的夏季红色精灵的研究结果一致（Lyons, 1996, 2006; Lyons et al., 2003）。红色精灵和其母体闪电的水平偏移距离分别为62 km和25 km。Lyons（1996）分析了发生在北美的7例夏季红色精灵事件，发现其中5例红色精灵与其母体闪电之间的偏移距离在50 km内。São Sabbas et al.（2003）对34个夏季红色精灵进行分析得出大约有三分之二的红色精灵与其母体闪电的偏移距离在50 km内，最大的偏移距离为82 km。我们分析的两个冬季红色精灵与其母体闪电的水平偏移距离最大为62 km。应该注意的是，本文中对红色精灵的观测采用的是卫星（ISUAL）观测方式。Lu et al.（2017）利用ISUAL观测得到的113例红色精灵位置与其母体闪电的位置做比较发现红色精灵和其母体闪电的偏移距离在100 km内。

图 7

图 7 （a）2008年12月28日04:45雷达组合反射率图与该时刻前后15 min内地闪的叠加（黑色大“＋”表示母体闪电，蓝色大“＋”表示红色精灵，黑色“×”表示正地闪，红色“×”表示负地闪，CG1和CG2分别表示两个母体闪电，SP1和SP2分别表示两个红色精灵）。（b）和（c）分别为沿（a）中AB线（穿过母体闪电）和CD线所做的垂直剖面
Figure 7 (a) Overlap of composite radar reflectivity at 0445 UTC December 28, 2008 with CG flashes within 15 min centered at the time shown on the figure (the black plus “＋”, blue plus “＋”, black “×”, and red “×” represent the parent strokes, sprites, +CG, and −CG flashes, respectively; CG1 and CG2 represent parent strokes; and SP1 and SP2 represent red sprites). (b) and (c) show the vertical cross section along line AB (passing through the parent strokes) and line CD, respectively

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两个母体闪电的位置相对较分散，同一雷暴中，其他地闪大多也都发生在层状云降水区，而对流区产生的地闪数量较少。垂直截面可以更清楚的显示母体雷暴的结构，图7b为沿图7a中AB线（穿过母体闪电）做的垂直剖面。如图所示，CG1和CG2分别位于回波顶高大约为2.5 km和5 km的雷暴区域，对流区中有相对较强的上升气流（如＞35 dBZ的雷达反射率显示那样），雷暴的最大回波顶高低于10 km。沿图7a中CD线的垂直剖面显示了相似的雷暴结构（图7c）。应该注意的是，由于缺少VHF资料，这里并不能知道CG传输的源电荷位置。Lu et al.（2013）利用VHF技术对正极性红色精灵进行了详细的分析，得出红色精灵的母体闪电通常起始于对流区，之后沿着一条倾斜的路径传播到层状区并将大量电荷转移到地面从而产生红色精灵。

5 超低频磁场揭示红色精灵母体闪电特征

闪电的iCMC被认为是红色精灵产生与否的关键因素（Hu et al., 2002; Cummer et al., 2013），虽然它不一定能代表红色发精灵的母体闪电电荷转移的确切程度，因为产生红色精灵的母体闪电的强度阈值会因夜间电离层状态的不同而有所差别（Qin et al., 2013）。例如，Cummer and Lyons（2005）发现在两个不同的夜晚，产生红色精灵正地闪iCMC的阈值分别为+350 C km和+600 C km。图8为2008年12月28日ISUAL捕捉到的两例红色精灵事件和由Duke Forest记录到的相关ULF磁场信号。结果表明，ISUAL未观测到伴随的“光晕（halo）”现象，产生两例红色精灵的母体闪电均为单回击正地闪。图8a显示了由NLDN记录到的峰值电流为+183 kA的正回击产生的红色精灵，该红色精灵是一个“圆柱状”红色精灵，主体发光区在垂直方向上比较均匀，两侧没有明显的分支。据估计，产生红色精灵正地闪的iCMC约为+394 C km。如图8a所示，红色精灵足够明亮，可以产生所谓的“精灵电流”（sprite current）信号（图8c）。图8b为由峰值电流为+45 kA的正回击产生的红色精灵，由于红色精灵发光相对较暗，无法判断它的具体形态。其母体闪电有一个较小的iCMC（+117 C km），母体闪电的发展相对简单，ULF磁场上没有看到可分辨的精灵电流信号（图8d）。一般来说，母体闪电的iCMC与红色精灵的光学亮度有着很好的对应关系，iCMC越小，红色精灵的亮度越暗，反之，iCMC越大，红色精灵的亮度越亮。本文的结果较好的验证了前人的结论。

图 8

图 8 2008年12月28日ISUAL探测器捕捉到的（a、b）两例红色精灵事件和（c、d）由Duke Forest记录到的相关超低频ULF磁场信号
Figure 8 (a, b) Two red sprites observed by ISUAL (Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning) on December 28, 2008, and (c, d) the associated ULF (Ultra Low Frequency) signals in Duke Forest

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6 闪电活动规律

闪电活动特征是雷暴发生发展过程中的一个重要信息，我们利用由美国国家闪电定位网提供的闪电定位数据分析产生红色精灵冬季MCS的电活动特征。图9为12月27日22:00至次日06:00期间美国国家闪电探测网获得的闪电频数和地闪峰值电流的变化。图9a中给出了正负地闪频数的变化，可见，雷暴发展过程中负地闪占主导地位，而相比于负地闪，正地闪数量少得多；负地闪频数较大时，正地闪则减少。23:00～00:00之间地闪活动明显增加，表明MCS处于成熟阶段，这一时期主要以负地闪为主，而正地闪频数较低。00:00之后负闪活动逐渐减少，负地闪进入消散期，而正地闪大幅度的增加。我们定义POP（Percentage Of Positive CG to total CG）为正地闪与总闪的比率，在图9a中也给出了相应的变化曲线。王志超等（2015）认为POP的增加可能对雷暴系统产生红色精灵起到了很好的指示作用。由图9a可知，POP整体呈上升趋势并在01:30～02:30这一时段出现峰值，之后负地闪频数略有增加POP减少；在04:00～05:00负地闪减少，正地闪频数略有回升，POP再一次出现峰值，这一时段MCS处于消散阶段，ISUAL记录到了两例红色精灵。从图9b中可以看到，在红色精灵发生时，正负地闪频数均处于一个较低的水平，大约为1、2 flashes min⁻¹。红色精灵发生后，正地闪频数略有回升，负地闪频数减少。

图 9

图 9 2008年12月（a）母体雷暴中每6 min地闪频数、（b）红色精灵发生前后约两小时内每6 min地闪频数和（c）地闪峰值电流随时间的演变。（a）和（b）中的黑色虚线表示红色精灵发生的时间，（c）中蓝色“＋”为红色精灵的母体闪电，峰值电流分别为+183 kA和+45 kA
Figure 9 (a) Evolution of CG flashes per six minutes in the parent thunderstorm; (b) CG flashes per six minutes about two hours before and after the sprite; and (c) peak current of CG flashes in the parent thunderstorm on December, 2008. The black dotted line in (a) and (b) represents the sprite occurrence time, and the blue “＋” in (c) represents the parent flashes of the red sprites and the peak currents are +183 kA and +45 kA, respectively

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图9c的统计分析显示，在图中所示时间内NLDN共探测到5550次地闪，其中正地闪占24%，峰值电流范围在+15 kA～+299 kA之间；负地闪占76%，峰值电流范围在−237 kA～−2 kA之间；正负地闪峰值电流的平均值分别为+43.5 kA和−23 kA。虽然在整个时间段负地闪占主导地位，但高峰值电流的地闪回击大多数是正地闪回击。此外，在两例红色精灵发生前NLDN探测到了正负地闪回击峰值电流的最大值，分别是+299 kA和−237 kA。回击峰值电流的大于或等于100 kA的正地闪回击的数量为90，占总正地闪回击的6.6%；而峰值电流绝对值大于或等于100 kA的负地闪回击数只有40，仅占负地闪回击0.9%。

7 结论

本文综合利用中国台湾省ISUAL观测资料，美国NEXRAD雷达资料、NLDN闪电定位资料、ULF磁场数据和由NECP/CPC提供的云顶亮温、NECP再分析资料和美国怀俄明大学的探空资料等，对北美地区一次冬季中尺度对流系统上空出现的红色精灵放电现象、母体雷暴和相关的闪电活动以及母体闪电磁场特征等进行了详细的分析。得到以下结论：

（1）本次雷暴过程受高空槽的影响，槽后西北气流带来强烈的干冷空气与槽前暖湿气流在阿肯色州北部交汇，暖湿气流被迫抬升，为这次雷暴过程的爆发提供了有利的天气背景。

（2）两例红色精灵中，ISUAL均未观测到伴随的“光晕（halo）”现象。第一例为“圆柱状”红色精灵，主体发光区在垂直方向上比较均匀，两侧没有明显的分支。第二例红色精灵由于发光较暗，无法判断它的具体形态。

（3）红色精灵的母体雷暴（MCS）于27日15:00左右出现在阿肯色州北部附近，并自西向东移动。23:59系统发展到最强，最大雷达反射率因子（55～60 dBZ）的面积达到339 km²，之后开始减弱。03:03雷暴强度有所增加，随后云体便逐渐扩散，雷暴开始减弱，并在11:00完全消散。天气雷达的详细分析表明MCS（雷达反射率≥10 dBZ）的最大面积较大。红色精灵的出现伴随着30～35 dBZ反射率面积的增加。在红色精灵发生期间，MCS的最大雷达回波反射率因子达到了55 dBZ，面积为48 km²；雷达反射率10～40 dBZ的面积增加，大于40 dBZ的面积减少，表明红色精灵发生在雷暴的消散阶段，红色精灵的产生与雷暴对流区的减弱和层状云区的发展有关。

（4）在MCS的发展过程中地闪活动主要以负地闪为主，但高峰值电流的地闪绝大多数是正地闪，相比于负地闪，正地闪数量少得多。负地闪在MCS的成熟阶段达到峰值，而此时正地闪频数较低。当MCS开始减弱时，负地闪活动逐渐减少，而正地闪大幅度的增加。红色精灵发生时，正负地闪频数均处于一个较低水平且POP有明显的增加趋势。在两例红色精灵发生前NLDN探测到了正负地闪峰值电流的最大值。

（5）红色精灵与其母体闪电之间的水平偏移距离分别是25 km和62 km。红色精灵的母体闪电为正地闪单回击，位于中尺度对流系统雷达反射率为25～35 dBZ的层状云降水区，对应的雷达回波顶高分别为2.5 km和2.5 km，峰值电流分别为+183 kA和+45 kA。根据超低频磁场数据估算两个母体闪电的iCMC分别为+394 C km和+117 C km，超低频磁场记录到了第一个红色精灵内容的放电电流，表明这例红色精灵放电很强。

以上的研究结果丰富了我们对冬季红色精灵及其母体雷暴和相关闪电特征的认识。由于冬季红色精灵的观测个例较少，本文利用的资料有限，并且在实际情况中，雷暴云内电荷结构更复杂，有关母体雷暴特征及冬季红色精灵相关的闪电形态和电荷转移的细节还需进一步研究。

致谢　感谢成都信息工程大学、中国科学院大气物理研究所提供的大力支持。感谢中国台湾省成功大学陈炳志提供ISUAL观测数据。

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