封面图片：2020年上海的一道闪电（照片：Feng Yu Sauce - SDK）。
闪电作为自然界中常见的天气现象，每天都是人们所熟悉的，伴随着声光。 据统计，全球每年发生雷击事件近14亿次。 目前，能够描绘三维闪电通道形态的高时空分辨率测量技术可以让我们对闪电有更深入的了解。 一道闪电通常持续数百毫秒，水平延伸数十公里，垂直延伸数公里。 闪电像一棵树的生长一样延伸通道，出现许多树枝。 那么，为什么闪电会有这样的形状呢？
图1 雷暴云电荷结构和雷电通道形态的概念模型。 红色和蓝色的“+”分别代表正电荷和负电荷区域; 密度表示电荷密度的大小; 黑点表示辐射源。 （摘自Li et al.）2022 图 4）。
雷暴云是雷电的主要来源，一般起源于强电场区域，当云中的局部电场超过约400 kV m时即可发生。 典型的雷暴云具有三层电荷结构，主要包括顶部的正电荷区、中间的负电荷区和底部的小正电荷区。 闪电一般起源于上正电荷区和中负电荷区之间的强电场区域，然后分别在上电荷层和下电荷层传播。 复旦大学大气与海洋科学系张义军教授团队于2022年在《地球物理研究快报》上发表论文**，根据实测数据，首次证明了雷暴云中的电荷结构不是均匀分布的（图1）。。正是雷暴云电荷层中电荷密度的不均匀性导致了闪电的不同形态。 本文利用分形维数定量描述了闪电通道的直接延伸、分岔和转弯。 分形维数被称为自然几何的分形理论，它不同于我们通常描述的整数维数，它可以用分数的形式描述形状的复杂性和空间的占有程度。 随着闪电通道的发展，它们在电荷密度高的区域分支和转动，形成了我们看到的闪电的形状
图2 不同雷电模式和通道区域的湍流耗散率。 （摘自Li et al.）2024 图 1）。
雷暴云中不均匀的电荷结构导致了不同形状的闪电，那么什么样的动力结构形成了这样的电荷结构呢？ 2024年，张毅军教授团队在《地球物理研究快报》上发表论文，揭示了雷电通道不同形态区域的湍流特征。 具有复杂形态的闪电具有较大的分形维数和较大的湍流耗散率（EDR）（图2）。 在单次闪电中，在一定高度范围内直接延伸且没有明显分岔和转向的信道倾向于向EDR减小的方向发展（图3），而在传输过程中信道传播方向和分岔的变化通常发生在径向速度梯度大、EDR较大的区域（图4）。 本研究揭示了形成闪电通道形态的雷暴的动力学结构形成雷电通道形态的雷暴的微观物理结构将在未来的研究中进行分析。
图3 雷电直接延伸通道和通道面积的湍流耗散速率。 （摘自Li et al.）2024 图 2）。
图4 通道区域的雷电分岔和转向以及湍流耗散速率。 （摘自Li et al.）2024 图 3）。
**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.