1 引言
自19世纪20年代起， 对流层雷暴活动与电离层之间的关联性问题逐渐被相关研究领域关注。雷电过程产生的丰富VLF信号大部分在地球-电离层空腔中传播的过程被吸收， 但是仍有相当一部分能量能渗透到更高的电离层（Shao et al， 2012； 张义军和张阳， 2016）。关于对流层大气运动造成的大气扰动与临近空间（高度20~100 km）之间的耦合关系的研究已经得到了大量的开展， 并且发现了大气重力波（GWs）在能量和动量从对流层到电离层的传输中起着重要作用（Francis， 1975； Kelley et al， 1990； Sentman et al， 2003； Waldock， 1996）。而频繁发生的雷暴活动被认为是复杂大气动力学、 电学过程出现的标识之一， 雷暴活动或者伴随着闪电出现的复杂风暴对流系统所产生的GWs与中高层大气之间耦合中的作用亦受到相关学者的关注。
Davis and Johnson（2005）经统计研究发现雷暴活动对Es层临界频率产生了滞后6 h和36 h的增强， 并将其归因于GWs的能量输送和电动力学效应。然而最新的观测研究发现深对流激发的GWs的作用时间仅5~15 min（Irfan et al， 2018）， 并且电动力学过程产生光化学反应的影响会因为离子的复合而迅速恢复。因此， 这两种理论能否作为统计结果的解释还有待进一步证实， 雷暴电场或闪电活动的出现可能仅为二者耦合开始的一个标识（Kumar et al， 2009）。目前， 基于GPS卫星反演得到的电离层电子剖面浓度也被用于雷暴-电离层的耦合研究（Kumar et al， 2017； Lay， 2018）。然而其受制于探测器的探测范围和时间的限制而不能全程跟踪雷暴-电离层耦合过程， 因此很难应用于二者的关系研究。而利用地基探测手段对示踪物质的直接观测为此类研究创造了有利条件。位于距离地面60~120 km高度的MLT区域的中性金属原子为进一步确定雷暴-电离层耦合作用的研究提供一个可靠的媒介。由于这些金属粒子具有荧光共振的特性， 使得其可以成为用于捕捉大气波动过程的示踪物。并且， 钠原子密度的突然增加也被认为与GWs、 潮汐、 行星波引起的升温有关（Zhou et al， 1995）。再者， 金属原子的存在使得高层大气的电离更加容易（Davis and Johnson， 2005）， 因此Es层的电离现象可能与雷暴活动产生的电磁场引起的金属原子电离有关。
虽然目前对对流层雷暴和闪电（郭凤霞等， 2018； 武智君等， 2016； 王梦旖等， 2019； 辛雪琪等， 2019； 朱平和俞小鼎， 2019）、 以及雷暴-电离层之间的耦合关系已经开展了研究（Barta et al， 2013， 2015； Yu et al， 2015， 2017）， 但还需要更多观测及分析结果的证实。本文基于SEA统计方法， 结合了全球闪电定位网（World-Wide Lightning Location Network， WWLLN）资料和子午工程海口站激光雷达金属钠原子密度资料， 探究低纬地区上空示踪物质Na层原子密度与测站周围对流层雷暴活动的响应关系。
2 数据来源与方法介绍
2.1 资料来源
使用的金属钠原子密度资料源于子午工程（Meridian Project）的海口站激光雷达。海口站（20.0°N， 110.3°E）激光雷达为主动式遥测系统， 主要由激光发射单元、 信号接收单元和数据采集单元三个部分组成（Yu et al， 2015）。其工作模式是主动发射激光进入大气， 通过望远镜接收与大气相互作用的后向回波散射信号， 进而反演出大气的气溶胶、 温度、 Na层密度、 大气风场等特征。为认识中高层大气的光化学、 动力过程， 研究热层、 电离层和中、 低层大气的耦合过程以及日地系统的耦合机制探索等研究提供了重要数据。而金属Na原子本身具有寿命长、 化学性质稳定等特点， 可用作对流活动、 雷暴电动力学效应、 热效应或者是其他伴随着闪电活动的大气运动现象对中高层大气以及电离层的影响的示踪物质。
文中使用了2017年海口站激光雷达钠原子密度数据， 图1给出了激光雷达年观测频次随时间的分布情况， 其总连续观测时长为613 h， 长期稳定的观测为本次研究奠定了一定的基础。激光雷达拥有较高的时空分辨率， 原始数据的时间间隔为3 min， 空间分辨率为96 m， 因此其对中高层大气中微小的变化十分敏感。并且激光雷达能够反演距地80~110 km范围内的金属原子密度， 从而获取研究区域内Na原子密度的时空变化特征。Suzuki et al（2007）利用大气光学图片研究发现雷暴产生的环型GWs的半径约为200 km， 高度为85~96 km， 而闪电电磁脉冲的影响半径约为150 km。因此综合考虑多种因素， 文中所统计分析的研究区域为测站周围±2°（约220 km）， 所用时间为世界时。
本次研究的闪电数据来源于WWLLN。WWLLN是一种全球范围探测的闪电定位系统， 该系统基于TOGA（时差法）进行闪电定位， 其时间精度为10 ms， 定位精度为10 km （潘伦湘等， 2010）。WWLLN能够连续记录并获取探测网内的部分闪击的发生时间及位置， 其对总闪的平均探测效率可达13% （Rodger et al， 2006）。本文利用该定位网提供的闪击数据统计分析所选区域内的雷暴和闪电活动。
2.2 SEA统计方法
本文研究主要采用SEA统计方法（Superposed epoch analysis， SEA）， 探究Na原子密度在雷暴活动前后的变化。时序叠加分析是一种能够用于检测某种特定事件所产生的微弱而又重复的响应统计研究方法， 目前该方法被广泛应用于雷暴-电离层耦合研究（Davis and Johnson， 2005； Kumar et al， 2009； Barta et al， 2013， 2015； Yu et al， 2015， 2017）。以闪电活动的发生时间作为时间序列的触发点（trigger time， 设为零点）， 从而可以计算出雷暴活动前后钠原子密度随时间的演变情况。考虑到SEA处理后数据量的庞大， Na原子密度数据按小时处理（取1 h内的均值， 观测时长不足1 h则不纳入计算）。相应的， 把1 h内发生的总闪击定义为一次雷暴/闪电事件， 其总闪击次数为雷暴/闪电密度。考虑到扰动可能会出现超前或者滞后现象， 以及触发点前后的对比， 本文提取了闪电事件前后 150 h的钠原子密度， 在剔除空值、 异常值后（数值为-9999.9或空值不参与计算）， 以雷暴过程中闪电事件的发生时刻对Na原子密度进行对齐， 计算钠原子密度在各时序和高度上的均值或中值， 即SEA统计计算。通过这一方法的时序叠加计算， 可以凸显出闪电触发时刻前后中性金属Na层的变化， 减弱其他与闪电无关因素对Na原子密度的影响。
3 结果分析
3.1 测站区域夜闪电及Na层分布
3.2 钠原子密度时空变化特征
图4给出了测站周围±2°和±1°上空的Na原子在闪电前后150 h内密度均值的SEA统计结果以及相应的闪电事件时序分布。通过对图4（a）和（b）中触发点前后55 h的钠原子密度分布的对比可以看出， Na原子在90~95 km密度及分布（图中白色矩形区域内）在触发后0~24 h内明显减小， 而在触发前 -55~0 h则出现微弱的增强， ±1°内的响应更为显著。通过对触发前后24 h内Na原子平均柱密度的计算得到： 测站周围±1°区间内的平均柱密度的前后值分别为1.199×109 cm-2和1.121×109 cm-2， 下降了约6.7 %； 而±2°区间内， 相应值分别为1.176×109 cm-2和1.124×109 cm-2， 下降了约4.6 %。而在触发后25~48 h， 钠原子密度及分布逐渐恢复， 趋近于正常值。结合图3（c）中给出的Na原子密度廓线随高度的变化也在90 ~ 95 km区域内出现雷暴日比非雷暴日偏小的变化特征， 进一步说明中性金属Na原子对雷暴电场或闪电活动产生一定的响应。
图4 测站周围±2°和±1°上空的Na原子在闪电前后150 h内密度均值的SEA统计结果(a, b)以及相应的闪电事件时序分布(c, d)白色矩形框为钠原子密度减小的区域 Fig.4 Mean response of Na density from superposed epoch analyses 150 h before and after lightning overhead the station (a, b) and the distributions of total number of lightning events in each time bin of the composite analysis (c, d) within ±2° and ±1°, respectively.The white rectangles label the decreasing area of Na atoms density |
而出现这个现象可能是由于雷暴电场改变了MLT区域的Na原子的离化及复合速度（Rycroft， 2006）， 并且， 在考虑金属原子存在的情况下， 发生放电所需的电场会有所下降（Davis and Johnson， 2005）。而雷击电磁脉冲进入MLT区域后使得钠原子电离生成了钠离子， 这可能是钠原子密度在雷暴活动之后出现的减少的原因之一。另外， 通过比较图4（a）和（b）还可以看出， 统计区域±1°较±2°范围内Na原子密度均值变化大， 这说明MLT区域Na原子的变化对闪电活动的响应还与距离有关， 触发前的增强以及之后的减弱作用随着距离的增加而变小。而Davis and Johnson（2005）亦发现了Es层对闪电响应随着距离的增加而减小的现象。
3.3 雷暴活动分布与中性金属Na原子的密度均值特征
由图2中闪击分布可以看出， 测站周围的雷暴活动分布存在较大差异， 因此为了研究不同区域雷暴活动与金属钠层密度变化的影响， 文中对闪电活动区域进行了划分， 并按照相应区域内的闪击为触发源重新进行SEA时序叠加分析。由于±2°区域内的雷暴活动主要集中在测站以北（见图2）， 文中重点分析西北和东北这两处闪电密度较大的区域内的雷暴活动与金属钠层之间的联系。图5给出了测站东北和西北两个区域上空Na原子在闪电前后150 h内密度均值和中值分布的时序叠加统计结果以及相应的闪电事件的分布， 白色虚线标记了Na原子密度的增强区间（-12 ~ 12 h）。以东北方向［图5（a）］的闪电活动作为SEA统计的触发源时， 在临近触发点的时间段内（-12 ~ 0 h）， Na原子密度在高度85~ 95 km的区域内出现了显著增强（白色虚线所示区域）， 且Na原子密度的中值［图5（c）］亦表现出同样的变化。Na原子密度和中值密度极值分别为3363.3 cm-3和3397.6 cm-3， 出现在触发时刻前3 h。低于97 km处的钠原子密度增强目前被归因于大气波动引起的升温（Zhou et al， 1995； Friedman et al， 1999）。当以西北方向的闪电活动作为控制触发源时， 未发现触发点附近的Na原子密度及其密度中值的增强［图5（b）， （d）］。由此可见， 雷暴活动对金属层的影响还与其发生的方位有关。
图5 测站东北和西北两个区域上空Na原子在闪电前后150 h内的密度均值(a, b)和中值(c, d)分布的时序叠加统计结果以及相应的闪电事件的分布(e, f)白色虚线内为Na原子增强区间（-12~ 12 h） Fig.5 Mean response (a, b) and median response (c, d) of Na density from superposed epoch analyses 150 h before and after lightning overhead the northeast and northwest regions of the station, and the distributions of total number of lightning events in each time bin of the composite analysis (e, f).The white dotted lines label the enhancement of Na atom ranging from -12 to 12 hours |
对此， 国内外学者也开展过相应的研究， Kumar et al（2009）利用SEA方法结合WWLLN定位资料和DPS-4电离层垂测仪对F区的垂直漂移速度Vz以及漂移方位角Az进行了统计， 发现垂直漂移速度在闪电触发前后的-30~-16 h和-6~6 h的显著下降， 并且-6~6 h的下降与测站北侧的闪电有关， 并且北向的闪电引起了南向的漂移增强。Barta et al（2015）发现Es层在测站北侧闪电的作用下出现了反射频率和虚高的同时下降。Yu et al（2017）以海口站为中心对±1°范围内金属钠层对闪电活动的响应， 发现Na原子密度在测站南侧闪电活动控制下出现了滞后6~28 h的显著增强。因此， 不同方位的雷暴或闪电活动可能会对电离层、 金属层产生不同的影响， 造成这一现象的原因之一可能是由于雷暴期间产生的GWs向上传播时会受到背景平流层风场的影响（温颖等， 2019； Liu et al， 2017）， 在高空中性风切变的调制作用导致差异出现的（Davis and Johnson， 2005； Kumar et al， 2009， 2017； Yu et al， 2015， 2017）。
3.4 东北部雷暴活动触发下钠原子密度随高度的变化特征
为进一步研究SEA统计发现的Na密度增强现象， 本文又对Na原子密度在不同高度处的变化特征进行了对比。由于测站东北方的雷暴活动对Na原子密度变化的相关性更强， 重点分析这二者间的联系。图6给出了测站东北方上空85~96 km处Na原子密度在闪电前后150 h内的演变情况以及相应的总Na原子数和闪电事件的分布。如图6（a）所示， 当使用区域内所有闪电活动作为触发事件时［参与计算的Na样本数不少于64个， 见图6（b）］， 在-12~0 h， Na原子密度在85~93 km处出现了显著的增强（图中仅给出了4个高度的曲线）。其在91 km处密度最大， 为3363.3 cm-3， 相对背景值的变化量为854 cm-3（背景值为该高度处前后150 h的均值）， 相对变化量为34.7 %， 而在89 km和87 km处的增量分别为38.2 %和41.7 %。当从91 km下降至87 km时， 其密度相对增量逐渐增大， 且逐渐向闪电触发零点靠近［图6（a）中放大图形中的圆圈内所示］； 而从91 km上升至96 km， 其密度相对增量进一步减小（34.7%~21%）， 而96 km之上则未出现明显的峰值现象。可见， 在东北方雷暴活动的触发， Na原子增强现象主要集中于85~93 km的高度， 且峰值位置随着高度的升高逐渐远离触发点［见图6（a）黑色圆圈所示］。这进一步说明Na原子密度的增强可能与雷暴电场或闪电活动有关。因而， 在考虑低纬地区的突发钠层是由Es、 周日潮汐、 大气波动破碎引起的升温机制共同控制（邱世灿， 2014）外， 还应考虑雷暴电场及闪电活动在其中的作用。
图6 测站东北方上空85~96 km处Na原子密度在闪电前后150 h内的演变情况以及相应的总Na原子数和闪电事件的分布黑色圆圈标记了Na原子密度峰值位置 Fig.6 Response of Na density from superposed epoch analyses 150 h before and after lightning ranging from 85 km to 96 km overhead the northeast region of the station (a), and the distributions of total number of Na data points (b) and lightning events (c) in each time bin of the composite analysis.The black rectangle is enlarged area.The black circles label the peak of Na atom density |
3.5 东北部雷暴活动触发下的钠原子分布特征
通过分析不同时刻参与计算的钠原子样本的分布情况， 可以更直观的了解Na原子增强现象的特征， 文中选取了±2°区域内东北方闪电活动控制触发下Na原子密度在触发前后24 h内的分布进行比较。由于增强区域集中于85~93 km的高度， 因此我们重点研究该区域的Na原子柱密度分布情况。图7为测站上空85~93 km处钠原子在闪电前后24 h内的柱密度概率分布， 从图7中的柱状分布以及移动平均值可以看出， Na原子柱密度在触发点前后分布状况存在明显差异。通过对四组数据相互之间进行Kolmogorov-Smirnov检验后发现-12~0 h与其他区间的柱密度差异置信水平均超过99.9%（P<0.001）， 即数据组之间差异显著。（Kolmogorov-Smirnov检验是一种用于分析两组数据累计概率分布特征是否存在差异的检验方式。）而-24~-12 h与其后12~24 h在0.05的显著水平下， 不存在差异， 即两者组数据的趋势基本一致。这进一步表明增强现象主要集中于触发前-12~0 h。
增强区间-12~0 h内的柱密度分布范围为0~4.85×109 cm-2， 密度中值为1.96×109 cm-2； 而在另外三个区内， -24~-12 h期间参数分别为0~4.2×109 cm-2和1.45×109 cm-2； 0~12 h期间内的相应参数分别为0~4.8 ×109 cm-2和1.62×109 cm-2； 12~24 h期间参数分别为0~4.2×109 cm-2和1.44 ×109 cm-2。通过对比可以发现， Na原子柱密度分布范围和密度中值， 在0~24 h内出现回落， 特别是柱密度分布特征变化较为明显。以-24~-12 h和12~24 h的柱密度中值作为参考值， 计算出在-12~0 h以及0~12 h的相对变化量分比为36.1%和12.5%， 但是超过4.5×109 cm-2 的异常大值所占比例较低（少于5%）。即增强现象并非由一些异常大值所造成， 这与Davis and Johnson（2005）的发现类似， 说明Na原子的增强与SEA统计方法控制触发源（即闪电或雷暴）有关， 二者之间的响应相对较弱且重复出现。
4 结论与讨论
基于时序叠加法， 利用WWLLN闪电定位系统和海口站激光雷达获得闪电活动与金属Na原子在闪电事件触发前后 150 h的分布， 重点对Na原子密度在闪电活动前后的变化特征进行分析和研究， 研究结果如下：
（1） 与非雷暴日相比， 雷暴条件下Na原子分布具有一定的差异。在90~95 km， Na原子密度偏小， 而在80~90 km和95~105 km处略高。利用总雷暴活动进行SEA触发统计时， Na原子密度时空分布的统计计算也得到相似特征。当分别对测站周围±1°和±2°进行SEA触发时， 发现Na原子在90~95 km的分布和密度在雷暴活动触发后的24 h内出现了明显的减小， Na原子密度对闪电的响应随着距离的增加而变弱， 减少量分别为6.7%和4.6%， 其在随后的时间出现恢复。
（2） 不同区域雷暴活动的控制触发造成中性金属钠层密度变化的不同响应。金属钠层在东北处闪电活动的控制触发下， Na原子密度在触发点前数小时内出现显著增强。此增强现象的峰值出现在触发点前约3 h距地91 km处， 但未表现出与西北方闪电事件的关系。即不同范围雷暴活动与MLT区域Na原子密度的响应具有明显的差异。在东北部闪电活动的控制触发下， 通过对不同高度处Na原子密度计算发现， Na原子密度随高度的变化具有明显的差异。Na原子密度增强现象主要发生在85~93 km， 在96 km之上的区域内未发现这一现象。在闪电触发前的-12~0 h时间段内， 85~96 km高度的Na原子密度相对变化率逐渐增强， 且向触发点零时刻靠近。
（3） 通过对东北部闪电活动控制触发下钠原子在-24~24 h的柱密度分布的统计发现， Na原子柱密度在触发前-12~0 h与其后0~24 h和之前 -24~-12 h的分布存在显著差异。-12~0 h区间内柱密度分布为0~4.85×109 cm-2， 密度中值为1.94×109 cm-2， 增强期间钠原子柱密度的相对变化量最多可达36.1%。相比于触发前-12~0 h Na原子柱密度分布范围和密度中值， 其在0~24 h逐渐回落， 对应的柱密度的分布特征也出现了明显的变化， 而对比12~24 h和-24~-12 h并没有发现明显的分布差异。这也从另一方面证实钠原子密度的显著增强可能与雷暴电场或闪电活动存在一定的关联。由于异常大值的占比较低， 说明此增强现象是与控制触发因素有关、 重复且相对较弱响应的叠加的结果。
在东北部雷暴活动的控制触发下， 未发现96 km及以上区域的Na原子密度增强现象， 这可能与Na原子的注入源有关。Friedman et al（1999）观测发现97 km之上的突发钠总是伴随着Es的出现， 而97 km以下的突发钠却可以单独出现（Friedman et al， 1999； Kane and Gardner， 1999）。并且， 低纬海口地区与Es层相关的突发钠多分布于96 km之上（邱世灿， 2014）。而本文中的Na原子密度增强现象主要集中在96 km之下， 并且随着高度降低， Na原子密度到达峰值的时间逐渐向闪电触发点靠近。这说明本文中Na原子密度增强提供注入源的可能并非是Es层， 而是跟大气波动过程有关。雷暴活动期间， GWs引起升温造成了Na原子密度的增加（Zhou et al， 1995； 邱世灿， 2014； Friedman et al， 1999； Kane and Gardner， 1999）极有可能是该现象出现的主要原因。Yu et al（2017）亦通过统计发现了MLT区域Na原子密度对闪电事件的响应， 但其密度的增强现象发生在闪电后的5~28 h， 并认为Es层为Na层原子密度增强现象的注入源。本文发现的响应出现峰值高度低于Yu et al（2017）发现的Na原子增强的高度（Na原子密度峰值位于93 km）， 且雷暴活动的分布也存在很大差别， 因此两者的扰动源可能完全不同。而扰动源和雷暴活动的区域的差异是否为Na原子密度增强或减弱、 超前或滞后的主要原因也有待今后更多相关研究工作的开展。
电离层、 中高层大气可能会对雷暴电场或闪电活动做出一定的响应， 但对其影响规律以及作用过程还缺乏足够的认识。因此还需要开展探测雷暴、 闪电和电离层等的综合观测实验， 为深入认识其本质提供实验依据， 并且结合相关的理论模型来解释雷暴电场和闪电活动对电离层的影响及耦合机制。