雷电放电通道中电流峰值可高达几十千安, 使得温度在短时间内上升至数千尺乃至上万度^[1~3]。回击电流之后, 通道温度缓慢降低, 主要辐射在远红外以及能量更低的波段, 且持续时间相对较长。这段时间涉及氮氧化物合成的主要过程, 也与许多雷电灾害密切相关, 其温度信息对相关邻域的研究都有重要意义。研究表明, 雷电产生的强脉冲电流及其伴随的高温、高压(通道内部高温而导致气压迅速增加)和高频电磁脉冲可导致电子信息系统瘫痪、高楼等建筑物损毁、仓库火灾、油罐爆炸、人畜伤亡等灾害^[4~7]。在雷电引起灾害的同时, 大气中氮氧化物NOx和臭氧O₃的含量因雷电而增加^[8~10]。Zeldovich等^[11]最早提出“ 雷电化学反应式” , 后经Borucki等^[12]完善, 明确雷电产生的高温、高压是NOx的产生条件。Wang等^[13]提出将NOx表示成气压和闪电通道长度的函数, 闪电引起的气压升高越大、闪电通道长度越长, NOx产量就越高。因此, 雷电流热效应强度(温度)及其影响范围和持续时间(时空尺度), 既是雷电的重要特征参数, 在雷电致灾、雷电防护、雷电化学等应用领域有着重要作用。

由于闪电发生时间和地点的随机性, 加之强大的回击电流, 故难以做到对其温度的直接测量, 间接进行的光谱测量技术被称为是目前获得温度的唯一途径^{[14, 15]}。但闪电的可见光持续时间较短, 不利于观测。瞿海燕等^[16]对闪电通道近红外光谱的研究结论表明, 近红外光谱主要是峰值电流过后、放电后期的辐射, 辐射持续时间较长(比可见光波段更有利于观测)。根据普朗克热辐射定律, 闪电通道在峰值电流过后, 其热辐射在微波波段持续时间更长, 更有利于观测。初步研究表明, 在一定的条件下, 地基微波辐射计可以利用这一特征观测得到闪电通道的温度信息^[17]。利用微波辐射计遥感大气温度的研究在国内外已经持续开展几十年且应用日渐增多^[18~28], 但利用雷电“ 热” 效应产生的微波辐射信号来探测雷电特性的研究却很少见。因此, 开展雷电流热效应的微波遥感理论与实验观测研究, 在科学意义和应用价值上都很重要。

目前获得闪电通道温度的唯一途径^{[14, 15]}是光谱测量技术。尽管雷电的观测可以利用雷电产生的声、光、VLF和VHF等波段附近的电磁信号, 但这些观测主要用于闪电定位、雷电流和雷电能量等特性的估计^{[3, 28~31]}。

本文概述了国内外闪电通道热效应测量的光谱技术, 分析了利用地基微波辐射计开展雷电流热效应微波遥感面对的问题, 以便了解雷电流热效应的观测研究现状、促进开展雷电流热效应的微波遥感观测研究。

闪电通道温度的光谱测量技术^{[1, 32]}, 在假设闪电放电通道为光学薄^{[33, 34]}且满足局部热力平衡条件下, 放电通道内NII离子的可见光波段谱线强度与其温度有函数关系。因此, 在光谱图上识别出NII离子的2条或多条谱线, 用最小二乘法即可得到温度^[35]。基于此原理, 国外学者较早地进行了温度观测实验^[36~44]。例如, Orville^[42~44]利用光谱测量技术对10次雷击过程的雷电放电通道的温度进行了统计分析, 结果表明, 在闪电通道形成的10 μ s时间内, 闪电通道的温度高达30 000 K以上。我国学者利用无狭缝光栅摄谱仪开展可见光和近红外波段光谱观测并取得了丰硕的成果^{[15, 16, 45~48]}。例如, 王瑞燕等^[48]利用无狭缝光栅摄谱仪对一次雷暴过程中的6次闪电首次回击的光谱进行实测计算, 得到这6次闪电的通道温度均在26 380~28 320 K。这些成果表明, 光谱技术在原理上的“ 两点假设” 和所依赖的谱线识别等关键问题都已经得到了很好的解决。

可见光与近红外波段的光谱测量和高速摄像技术也成功地应用于雷电流热效应的时空尺度研究。例如, 王雪娟等^[47]利用闪电回击光谱和同步辐射电场变化资料表明电弧通道半径主要取决于回击电流的持续时间, 且温度越高, 半径越大。Uman^[32]和Evans等^[49]利用光学观测和闪电熔岩测量技术对不同闪电的闪电通道直径进行了观测研究, 指出不同的闪电通道直径范围从0.1 cm到20 cm不等。张义军等^[50]和李俊等^[51]利用高速摄像机观测分析了广州从化地区的27次地闪过程的先导与回击特征以及通道形态变化。

但鉴于自然闪电放电的随机性和瞬时性等特点使得人们对雷电放电过程和机理及其各种效应的观测受到制约, 同时闪电的可见光持续时间较短, 不利于观测。这些给利用光谱技术测量闪电通道的热效应带来困难。

闪电通道的近红外光谱主要是峰值电流过后、放电后期的辐射, 近红外辐射持续时间较长(比可见光波段更有利于观测)^[16]。在这个意义上, 闪电通道峰值电流过后, 微波波段热辐射持续时间更长、更有利于观测(根据普朗克函数)。

微波辐射计观测物体发出的热辐射在微波波段的功率^[52~54]。在其他条件相同的情况下, 一个物体温度越高, 它所辐射的微波功率越大。因此, 微波辐射计所测到的功率大小就代表物体温度的高低。目前地基微波辐射计在大气科学研究与气象业务中应用越来越多, 大多工作在20~60 GHz频段, 其中20~30 GHz(K波段)范围内的通道主要用于大气湿度遥感, 50~60 GHz(V波段)范围内的通道主要用于大气温度遥感。近几年在我国已经有近40套含有V波段的地基微波辐射计参加了科学实验和对比观测^{[24~28, 55]}, 结果表明, 系统亮温(即亮温度或亮度温度, Brightness Temperature)观测资料质量控制^[56~59]、反演算法优化(含本地化)^{[19, 60, 61]}以及云天情况下云及其降水参数的不确定性对温度反演的影响^{[21, 25]}等问题需要进一步加强, 但地基微波辐射计遥感探测大气温度与气球探空资料比较有较高的相关性和一致性。微波辐射计对被观测物体温度变化的响应, 为利用雷电流“ 热” 效应进行雷电观测研究提供了一条可能的途径。但是在仪器性能、观测方式、数据处理、结果验证等方面仍有一系列问题需要进一步研究。

目前气象上常见的地基微波辐射计单通道亮温采样典型积分时间为1 s, V波段天线波束宽度约2.5度^[62~64], 而闪电的一次回击持续时间典型量级为10¹~10² μ s, 其放电通道直径的尺度仅为厘米量级^{[65, 66]}, 也就是说, 常规地基微波辐射计时空分辨尺度比闪电的时空尺度大得多, 而且闪电发生位置的随机性也不利于地基微波辐射计对闪电进行追踪观测, 故通常人们认为利用地基微波辐射计进行雷电观测仍存在一定的困难。

地闪持续时间取决于地闪回击数(多次回击现象), 其典型值为0.2 s, 变化范围为0.01~2 s^[67]。而且这种“ 多次回击” 可能会形成多个接地点的闪电, 其放电通道明显分布在空间一定范围内。Cooray^[68]指出在美国佛罗里达州的人工引雷实验中发现, 如果闪电发生时伴随强风过程, 空气中闪电通道的位置会受到强风的影响发生漂移(有助于形成条带状闪电), 使得闪电通道的高温直径范围相对放电通道而言有所增大。人工引雷实验中的这种条带状闪电的出现进一步增加了雷电的影响范围。由这些文献可见, 雷电流热效应的时空尺度应该大于闪电放电通道的时空尺度。这增加了利用V波段微波辐射计对雷电“ 热” 效应进行遥感观测的可能性。

2010年3月29日美国地基微波辐射计专家Ware博士在印度空间发射中心用地基微波辐射计进行海上雷暴云遥感观测时无意观测到一次雷电, 发现其微波辐射计对这次雷电的响应在V波段个别通道亮温度升高近30 K。结合对该个例的定量分析, 王振会等^[17] 基于辐射传输理论, 提出了地基微波辐射计任的亮温响应表达式, 可简化成为:

Δ T_B=ε × Δ T(R₁)× τ (R₁) (1)

或

Δ T_B=τ (R₁)× c₁× c₂× ε × Δ T(R₁) (2)

式中:DT_B是辐射计任一通道的亮温响应; R₁为闪电到辐射计的距离; DT(R₁)为距离R₁处的雷电流产生的高温气柱的温度; τ (R₁)为闪电— 辐射计之间的大气微波辐射透过率; ε 为雷电高温气柱发射率(将“ 雷电高温气柱” 视作一温度为DT、发射率为ε 的发射体); c₁, c₂分别为时空分辨率订正参数。对亮温响应的模拟, 对观测数据进行反演的分析, 结果表明, V波段微波辐射计对雷电流热效应的响应在个别通道亮温度升高近30 K是可能的。文中模拟计算将雷电流热效应空间尺度取为20 m和60 m, 此值显然大于闪电放电通道尺度, 而对应的雷电高温气柱发射率仅取标准大气情况下的数值(0.01~0.18), 此值则明显小于雷电高温气柱呈等离子体时的值。虽然“ 带状闪电” 、多次回击、波段选择等因素有助于维持该论文对雷电流热效应空间尺度的假设, 虽然这“ 一大一小” 的抵消作用有助于维持论文对观测数据合理性的解释, 但这些不确定性表明有待于进行针对性的系统观测、积累数据并开展深入研究。

光谱观测得到的一般是回击阶段的通道温度, 闪电过程以及放电后的一段时间内温度随时变化, 并且也有一定的空间分布特征。不同位置、不同时刻的温度无法直接比较。微波遥感得到的“ 温度” 与光谱法得到的温度, 虽然同属于雷电流热效应参数, 但正如微波遥感反演得到的大气温度层结信息与无线电探空仪得到的大气温度层结信息之间的对比那样, 二者基于不同的原理, 通过不同的技术和数据处理方法来实现, 得到的结果会因为有不同的解释而难以直接对比、评价。对于雷电流热效应的微波遥感而言, 可以借助于高速摄像、雷达、光谱仪等多种仪器的综合观测, 探索利用微波辐射计获得雷电热效应的时空尺度、雷电高温气柱发射率等信息。这些信息, 会因为目前缺少其他观测数据而难以直接评价, 但它们既是雷电的重要特征参数, 在雷电致灾、雷电防护、雷电化学等应用领域也有着重要作用。

综上所述, 系统深入研究雷电产生的微波V波段热辐射特征, 提出雷电流热效应(温度、发射率及其时空尺度)的微波遥感原理、地基微波V波段辐射计技术性能参数和观测方式需求以及观测数据处理方法, 并借助于“ 人工引雷” 作业, 开展针对闪电的地基微波辐射计观测实验, 结合“ 人工引雷” 基地高速摄像、雷达、光谱仪和其他仪器对雷暴云、雷电流、放电发光通道、闪电温度、回击次数等观测数据, 开展数据综合处理与交互验证, 希望探索一种基于地基微波辐射计的新技术, 为雷电的探测提供科学依据和数据支持。