封面圖片：2020年上海的一道閃電（照片：Feng Yu Sauce - SDK）。
閃電作為自然界中常見的天氣現象，每天都是人們所熟悉的，伴隨著聲光。 據統計，全球每年發生雷擊事件近14億次。 目前，能夠描繪三維閃電通道形態的高時空解像度測量技術可以讓我們對閃電有更深入的了解。 一道閃電通常持續數百毫秒，水平延伸數十公里，垂直延伸數公里。 閃電像一棵樹的生長一樣延伸通道，出現許多樹枝。 那麼，為什麼閃電會有這樣的形狀呢？
圖1 雷暴雲電荷結構和雷電通道形態的概念模型。 紅色和藍色的“+”分別代表正電荷和負電荷區域; 密度表示電荷密度的大小; 黑點表示輻射源。 （摘自Li et al.）2022 圖 4）。
雷暴雲是雷電的主要來源，一般起源於強電場區域，當雲中的區域性電場超過約400 kV m時即可發生。 典型的雷暴雲具有三層電荷結構，主要包括頂部的正電荷區、中間的負電荷區和底部的小正電荷區。 閃電一般起源於上正電荷區和中負電荷區之間的強電場區域，然後分別在上電荷層和下電荷層傳播。 復旦大學大氣與海洋科學系張義軍教授團隊於2022年在《地球物理研究快報》上發表論文**，根據實測資料，首次證明了雷暴雲中的電荷結構不是均勻分布的（圖1）。。正是雷暴雲電荷層中電荷密度的不均勻性導致了閃電的不同形態。 本文利用分形維數定量描述了閃電通道的直接延伸、分岔和轉彎。 分形維數被稱為自然幾何的分形理論，它不同於我們通常描述的整數維數，它可以用分數的形式描述形狀的複雜性和空間的占有程度。 隨著閃電通道的發展，它們在電荷密度高的區域分支和轉動，形成了我們看到的閃電的形狀
圖2 不同雷電模式和通道區域的湍流耗散率。 （摘自Li et al.）2024 圖 1）。
雷暴雲中不均勻的電荷結構導致了不同形狀的閃電，那麼什麼樣的動力結構形成了這樣的電荷結構呢？ 2024年，張毅軍教授團隊在《地球物理研究快報》上發表論文，揭示了雷電通道不同形態區域的湍流特徵。 具有複雜形態的閃電具有較大的分形維數和較大的湍流耗散率（EDR）（圖2）。 在單次閃電中，在一定高度範圍內直接延伸且沒有明顯分岔和轉向的通道傾向於向EDR減小的方向發展（圖3），而在傳輸過程中通道傳播方向和分岔的變化通常發生在徑向速度梯度大、EDR較大的區域（圖4）。 本研究揭示了形成閃電通道形態的雷暴的動力學結構形成雷電通道形態的雷暴的微觀物理結構將在未來的研究中進行分析。
圖3 雷電直接延伸通道和通道面積的湍流耗散速率。 （摘自Li et al.）2024 圖 2）。
圖4 通道區域的雷電分岔和轉向以及湍流耗散速率。 （摘自Li et al.）2024 圖 3）。
**資訊：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.