利用城市通讯光缆进行雷暴的交叉学科研究

我校地球和空间科学学院地球与行星物理专业和大气专业相关科研团队开展合作，利用合肥市的地下通讯光缆进行了雷暴的监测；并首次进行了DAS数据雷声源的三维定位，其结果与雷达反射率等有着良好的一致性。这也是地球物理学与大气科学的一次交叉研究案例。相关研究成果以“Tracking Lightning Through 3D Thunder Source Location With Distributed Acoustic Sensing”为题发表在国际学术期刊《地球物理研究杂志:大气》（Journal of Geophysical Research: Atmospheres）上。

这篇文章主要介绍了在中国合肥利用分布式声学传感（DAS）技术进行的一项实验，通过对雷暴中的雷声事件进行三维定位来研究闪电。研究利用DAS技术将一条7.7公里长的城市电信光缆转为为3,850个声音/振动传感器（图1）。不断发展的DAS技术利用其超密集性等特性在地下结构成像、地震监测等领域内发挥了重要的作用。

图1 （a）观测系统图，（b）光缆埋地示意图，（c）雷达及南京气象站位置示意图。

通过密集的DAS记录，研究人员在20分钟内的六次正云对地（CG）闪电中手动识别了101个雷声事件。在200 Hz的采样下，单个雷声事件的信号呈现出持续时间短、倍频程的特性（图2）。

研究发现，DAS记录的雷声信号主要由直达声波而非空气-瑞雷耦合波主导，主要通过雷声信号的特性，比如持时短、无明显椭圆偏振、无频散等，正演波形支持了这一观点。因此雷声事件可以通过DAS记录上的到时并结合网格搜索进行三维定位，其定位结果与肥东雷达所给出的雷达反射率以及GLD360闪电数据集较为一致，间接证明了三维定位结果的可靠性。

雷声事件的位置和振幅与GLD360和VLF磁场数据比较一致。研究结果表明，个别CG闪电的雷声振幅最大强度与其最高峰值电流之间可能存在相关性。结合雷达观测结果的比较表明（图3），闪电通常起源于反射率高（例如≥50dBz）的区域，并且分布较为广泛（从地表到约5公里高空），并在3-5公里的高度范围内延伸到反射率低的区域。

图2 （a）Flash 5的原始DAS记录（道号0-2000）。至少有15个雷声事件（浅蓝色的菱形）可以被识别出来。通道250、750和1300处的波形以黑色曲线表示。通道1100和50的波形和相应的频谱图分别为(b)和(c)中。

图3 DAS定位结果及GLD360结果和雷达反射率图

该研究表明，应用城市光缆的DAS技术可以很好地监测并定位雷暴的位置，并且与传统的电磁学、雷达观测有着良好的一致性。DAS技术为研究闪电通道演变提供了经济高效的工具，尤其在城市地区具有广泛的应用潜力。DAS技术的优势在于其即时性和超密集性，不同的光缆可以组成观测网，覆盖中等到大规模闪电观测。DAS技术也可以整合到现有的闪电预警系统中，提高闪电预警能力。

论文信息：该研究得到了科技部重点研发计划、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助，我校地球和空间科学学院(及深空探测实验室)博士研究生洪鹤庭为第一作者，导师王宝善教授为论文通讯作者，陆高鹏教授为共同作者。该研究工作得到了中国电信股份有限公司合肥分公司的全力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2023JD038882