华北地区一次中尺度对流系统上方的Sprite放电现象及其对应的雷达回波和闪电特征

王志超 杨静 陆高鹏 刘冬霞 王宇 肖现, 郄秀书

1 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室，北京100029

2 中国科学院大学，北京100049

3 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044

4 中国气象局北京城市气象研究所，北京100089

1 引言

Sprite是发生在雷暴云上方的最常见的中高层大气放电现象，多发生于热带海洋和中低纬度地区，由于发生高度较高，地面观测中高层放电受到距离和视野等因素的限制，相对比较困难。Lyons（1994）利用低光度相机观测到了大型中尺度对流系统上方发生的248个中高层放电事件，是人类首次有计划地针对中高层放电的科学观测活动。Sentman et al.（1995）利用穿云飞机首次得到了关于Sprite的第一张彩色图像，并正式根据这种放电现象的颜色和其捉摸不定的特征，将其命名为“red Sprite”（又称“红色精灵”）。在世界各地的观测(Hardman et al., 2000; Takahashi et al., 2003; Neubert et al., 2005; 杨静等, 2008), 证实了Sprite是全球性的中高层大气放电事件。

Sprite作为中高层放电最常见的现象，具有多种的形态学特征，其最主要的两个分类是圆柱型Sprite（Wescott et al., 1998）和胡萝卜型 Sprite（Sentman et al., 1995）。最早的研究表明大部分的Sprite都与非常强烈的正地闪有关，Sprite与其母体闪电的时间间隔约为几十毫秒。Boccippio et al.（1995）分析了两次中尺度对流系统上方的 42和55个Sprite事件，在这两天的观测中，约有86%和82%的 Sprite都伴随了被美国国家地闪定位网（NLDN）探测到的正地闪。而 São Sabbas et al.（2003）发现绝大部分的Sprite都能够找到与之相对应的正地闪，Sprite落后于母体正地闪 10～20 ms，产生 Sprite的母体正地闪的峰值电流主要集中在＋40～＋50 kA, 平均值为＋60 kA，因而他认为大于＋75 kA的强正地闪并非是产生Sprite的必要条件。杨静等 (2008) 对位于山东南部的17例Sprite作统计发现其母体闪电都是正地闪，在Sprite发生时段，正地闪在总地闪中所占的比例约是没有产生Sprite时段所占比例的7倍，Sprite对于母体闪电的延迟时间为3.4～11.8 ms，并发现母体闪电并没有很强的峰值电流。Hu et al.（2002）的研究表明，母体闪电较高的电荷矩变化（charge moment change,CMC）产生 Sprite的概率较高。而 Cummer and Lyons（2005）则认为当脉冲电荷矩变化（impulse charge moment change，iCMC）大于＋600 C km时非常有可能产生Sprite。此外，Lu et al.（2009）研究结果表明，强烈正地闪中脉冲电荷矩变化主要是由回击前云内闪电通道中的电荷传输到地面引起的。

为了解中尺度对流系统产生Sprite及其与母体闪电的放电特征，以及Sprite集中发生时段雷达回波特征，特别是该时间段的正地闪的放电特征，本文利用2013年7月31日华北地区一次中尺度对流系统产生的8个Sprite事件，结合地面同步的地闪资料和雷达资料，分析了Sprite的形态学特征、与母体闪电的关系以及相关雷暴特征。

2 实验及资料

针对Sprite的微光探测，本文应用Watec 902微光相机，配合Computar 4.5～12 mm 电动三可变镜头，Pinnacle usb-700采集卡，以及UFO-CaptureVer.2.24软件对中高层放电瞬态光学变化进行记录，所用探测系统的高增益最低照度为0.0003 Lux@1.4F，在晴空夜间可以观测几百公里外雷暴上方的中高层放电事件。仪器设置参考（杨静等，2008），镜头焦距设置在12 mm长焦端，光圈为f/0.8。根据Watec相机型号，UFO软件设置为PAL制式，屏幕分辨率720×576像素，采集软件设置采样率为25 fps，每一帧以交错方式记录，因此每秒可以采 50帧，时间分辨率为 20 ms。预触发百分比设置为50%，记录时长为2 s。视频图像由车载GPS同步，时间精度为1 s。本文应用的数据为2013年7月31日在山东 SHATLE实验（Qieetal., 2009）基地（37°49'41.86"N，118° 6'53.25" E）观测到的华北地区中尺度对流系统过程产生的 Sprite，观测仰角为8°，垂直方向视野范围为20°。

地闪资料应用了北京地区闪电电场变化和辐射脉冲定位网络（Beijing Lightning NETwork，BLNET）多站快、慢天线的资料（王宇等，2015），对北京地区过境的雷暴系统的正地闪特征进行具体分析。其中快天线时间常数为0.1 ms，可分析正地闪回击脉冲的上升时间；慢天线时间常数0.22 s，经过补偿之后可以分析正地闪所产生的连续电流持续时间。此外，对Sprite母体闪电的分析应用河北地闪定位网的资料。河北地闪定位网应用时间差与方位角综合定位技术（Advanced TOA and Direction system，ADTD），在四站及以上探测到地闪回击的时候采用到达时间差的算法定位，在二站以下探测到地闪回击的时候采用方位角估算的方法定位，在三站探测到地闪回击的时候采用混合算法。如果相邻两次回击接地点位置相差小于10 km，时间间隔小于200 ms，则将其合并为一个事件。地闪资料可以给出地闪回击的位置，时间（时间精度为0.1 µs），闪电极性和峰值电流强度。本文所应用资料时间如无特别说明均为北京时间（BJT）；另外，应用京津冀地区6站S波段雷达逐6分钟基本反射率拼图对整个中尺度对流系统过程和Sprite发生时段的雷达回波面积进行分析, 雷达数据采用NetCDF格点数据，空间分辨率为0.5 km×0.5 km。

3 结果及分析

3.1 Sprite形态学及与母体闪电放电特征

本次中尺度对流系统过程的 Sprite 的发生从20:58开始，到21:50结束，共产生了8次Sprite，平均每6.5分钟产生一个Sprite。杨静等（2008）观测的山东南部的中尺度对流系统过程中，在144分钟内产生了13个Sprite，平均每11分钟产生一个，与本文类似。而北美地区观测得到红色精灵的发生频率为 2～3分钟一个（Winckler，1995），高于中国大陆地区观测的发生频率，这可能与中尺度系统的地域性有关。

红色精灵经常成群出现，单独出现的机会不多。图1为本文观测到的8组Sprite事件的叠加图,对Sprite图像进行了红色加强处理。其中地平线上有观测点当地的灯光，地平线的灯光并不影响对发生位置较高的 Sprite观测。可以看到，易于发生Sprite的区域集中出现在视野两侧，Sprite有7例成群出现，1例单独出现。红色精灵一旦出现，就会在几乎相同的位置反复出现，而且出现的频率也较高。河北地闪定位网给出的母体闪电位置表明8次Sprite均发生在河北保定地区。

图2给出了8个Sprite的形态学特征。其中图2b，d，f中Sprite上部主体发光区较宽，从上至下逐步变窄，下部有卷须，整个Sprite发光主体形态上与胡萝卜类型，称为“胡萝卜型”Sprite（Sentman et al., 1995）；图2g，h中Sprite的主体发光区呈现垂直方向上较均匀的圆柱型，两侧没有明显的分支，称为“圆柱型”Sprite (Wescott et al., 1998)。圆柱型 Sprite和胡萝卜型均属于大型的发光主体Sprite，也是最常见的Sprite类型。另外，图2a，e中Sprite的主体发光区上部有明显的分叉现象，而下部并没有分叉现象，形如鸟胸的叉骨，又如同字母Y，称为“Y字型”Sprite（Moudry et al., 1998;Matsudo et al., 2007），这一类Sprite应属于发光主体发育不完全的胡萝卜型Sprite。图2c中Sprite在形态上类似胡萝卜型 Sprite，然而其发光主体在位置上有偏移。经验证两次发光主体分别对应了河北地闪定位网探测到了两次正极性回击 21:09:50.392和21:09:50.633（定位距离在10 km 左右，认为是同一次闪电的两次回击）。而图像上，这次 Sprite的两次发光主体的时间间隔为 240 ms，小于 300 ms，推测其应属于舞蹈型 Sprite（Lyons, 1994;Neubert et al., 2001; Lu et al., 2013）。Lu et al.（2013）指出，舞蹈型 Sprite 有两种产生方式，一种是同一次闪电的不同回击产生；第二种是同一次回击脉冲电流和连续电流中的M分量分别产生。本文的舞蹈型 Sprite应该由同一次闪电的不同回击产生。8次Sprite均没有伴随有halo现象；图2b，d，e中主体发光区还观测到非常亮的Sprite“珠”（Stanley et al., 1999; Stenbaek-Nielsen et al., 2000）。Sprite的形态一般与其母体闪电的电荷矩变化有关，母体闪电电荷矩变化较大常常产生胡萝卜型 Sprite；而母体闪电电荷矩变化较小，则容易产生圆柱型 Sprite，另外Sprite的具体形态学特征也可能与母体闪电的脉冲电流波形相关（Qin et al., 2013）。

图1 2013年7月31日华北地区一次中尺度对流系统产生Sprite叠加图（红色加强处理）Fig. 1 Overlapping of sprites in the mesoscale convective system in North China on 31 July 2013 (red enhanced)

图2 Sprite形态学特征［其中（a）和（e）为Y字型Sprite，（b、d、f）为胡萝卜型Sprite，（c）为舞蹈型Sprite，（g、h）为圆柱型Sprite］Fig. 2 Morphology of sprites: (a, e) Wishbone sprites; (b, d, f) carrot sprites; (c) dancing sprites; (g, h) columnar sprites

由于Sprite的发生位置天底点在母体闪电接地点附近50 km范围内（São Sabbas et al., 2003），因此在Sprite发生高度的估计上，采用Hsu et al.（2003）和杨静等（2008）的方法，假设Sprite发生在母体闪电接地点（正上方），估计红色精灵的垂直高度。估算时考虑Sprite位置与母体闪电接地点最大偏差为50 km，Sprite图像测量偏差为15%。由表1可知，8组Sprite的底部平均高度低于61.8±3.5 km，顶部平均高度为84.3±6.8 km。Hsu et al.（2003）得到的红色精灵底端在40±10 km，顶端在80±10km，与本文结果有一定出入，这是由于本文用Sprite图像资料很难分辨Sprite底部卷须，因此对Sprite底部的高度估值稍高，这在一定程度上与能见度造成的成像模糊有关。

表1 Sprite及母体闪电特征（AM：算术平均值；GM: 几何平均值；iCMC：脉冲电荷矩变化）Table 1 Characteristics of Sprites and their parent lightning (AM: arithmetic mean; GM: geometric mean; iCMC: impulse charge moment change)

Sprite持续时间在1～2帧左右，只有唯一的舞蹈型Sprite两帧的时间间隔较长，为12帧。鉴于所用数据为交错记录，每一帧的实际分辨率为20 ms。可见Sprite发光主体持续时间一般小于40 ms。以20 ms的分辨率估算Sprite持续时间算术平均值为25.7±9.8 ms，几何平均值为24.4 ms。

河北地闪定位网给出的本次中尺度对流系统所产生的正地闪平均电流为＋54.8±28.5 kA，而8组Sprite的母体闪电的峰值电流在＋62.5～＋106.2 kA之间，平均值为＋77.1±22.2 kA，是本次MCS过程总正地闪平均电流峰值的1.4倍，其结果也列于表1。虽然峰值电流并非Sprite产生的重要条件（São Sabbas et al., 2003），但本次中尺度对流系统产生的Sprite的母体闪电峰值电流都比较强。

对电荷矩的变化计算采用美国杜克大学（Duke University）的脉冲电荷矩变化（iCMC）的计算方法（Cummer and Inan, 1997），利用美国海军开发的开源长波辐射传播算法（Long Wave Propagation Capability code, LWPC）计算闪电信号在地球—电离层波导空间中的传播函数，并在此基础上对Duke大学附近测量到的超低频（ultra low-frequency，ULF）磁天线信号进行反卷积运算，从而反演出母体闪电信号的电流矩时间波形，进而对其积分得到正地闪回击后 2 ms内产生的脉冲电荷矩。所观测的这 8组Sprite母体闪电中，有5组闪电被Duke天线探测到，所计算的iCMC在＋475～＋922 C km之间，算术平均值为＋590.4 C km，几何平均值为＋571.0 C km。Qieetal.（2013）对大兴安岭地区5例正地闪所产生的电荷矩变化进行了估算，发现正地闪回击和连续电流所产生的CMC分别为＋31.4±1.6 C km和＋65.9±2.5 C km，远小于本文的结果。本文所得Sprite母体正地闪可以产生较大的iCMC，有利于Sprite的产生。Lu et al.（2013）发现对于甚高频闪电辐射源定位网（Lightning Mapping Array,LMA）附近的中尺度对流系统系统而言，当iCMC大于＋300 C km的正地闪产生时，有90%的机率会产生Sprite。本文计算的正地闪iCMC也证实了本次中尺度对流系统的正地闪有很强的产生Sprite的能力。

Lu et al.（2013）认为Sprite与母体闪电的时间间隔有两类：一类时间间隔小于20 ms，母体闪电与Sprite天底点的水平距离也小于30 km，产生的Sprite被称为即时（prompt）Sprite；另一类时间间隔一般大于40 ms，母体闪电与Sprite天底点的水平距离大于 30 km，产生的 Sprite被称为延时（delayed）Sprite。母体闪电如果产生比较大的iCMC，一般会产生小时间间隔的Sprite。由于仪器限制，本文并未能给出Sprite与其母体闪电的时间间隔，但由本文计算的5例母体闪电iCMC较大可以推测本次中尺度对流系统的Sprite与母体闪电时间间隔可能较短。

3.2 产生 Sprite的中尺度对流系统雷达回波特征分析

图3a给出了Sprite出现时的Sprite母体闪电位置与京津冀6站雷达回波拼图叠加，其中黑色菱形表示Sprite母体闪电接地点的位置，蓝色圆圈表示Sprite与母体闪电的水平位置偏移范围，偏移半径估计为20 km，Sprite可能发生在蓝色圆圈的上方。此时中尺度对流系统的大于20 dBZ雷达回波面积达到了4.32×104km2, 大于30 dBZ雷达回波面积达到 2.74×104km2，而雷暴中心雷达回波达到55 dBZ，回波面积为186.75 km2。Lyons（2006）认为，北美中尺度对流系统产生Sprite要满足两个条件：10 dBZ雷达回波面积要大于2×104km2, 另外雷暴中心的雷达反射率要在 55 dBZ以上。而Soula et al.（2009）对欧洲两次各产生27例Sprite事件的中尺度对流系统研究中发现，其最大的雷暴云最大覆盖面积为 1.2×104km2。Yang et al.（2013）指出弱的雷达回波与Sprite产生时期有较好的一致性，并且层状云降水区的充分发展是中尺度对流系统产生中高层放电的必要条件。Lu et al.（2013）认为即时Sprite母体闪电的产生一般是源于中尺度对流系统对流区的云内初始放电，发展至后部层状云降水区后形成的正地闪；而延时Sprite母体闪电的产生则是直接源于层状云降水区云内正电荷对地面的放电，这类正地闪需要产生足够长时间的连续电流以增加产生的电荷矩变化。本文所得8组Sprite母体闪电均发生在中尺度对流系统后部雷达回波为25～35 dBZ的层状云降水区，推测其大部分母体闪电回击之前都存在持续时间较长的云内放电过程，并且很有可能存在长时间的连续电流过程，而且Sprite也有可能发生在中尺度对流系统的层状云降水区上方。

图3 Sprite发生时间段（a）雷达拼图与Sprite母体闪电叠加和（b）雷达回波面积变化图（黑色菱形表示Sprite母体闪电位置，蓝色圆圈表示Sprite与母体闪电的位置偏移范围）Fig. 3 (a) Overlapping of radar reflectivity and sprite locations and (b) the changes in echo areas in North China during the period of sprite production (black dimands indicate the sprite parent lightning locations; blue circles indicate the offset range of sprite and their parent lightning)

利用京津冀6站雷达逐6分钟基本反射拼图，得到本次MCS过程从12:00到24:00雷达回波面积的变化曲线图，如图3b所示。在Sprite发生时间段（21:00～22:00），20 dBZ回波面积为 4.32±0.19×104km2，30 dBZ回波面积 2.74±0.18×104km2，40 dBZ回波面积 0.70±0.19×104km2。回波面积在21:11出现极值，20 dBZ回波面积为4.41×104km2,30 dBZ回波面积为 2.90×104km2，40 dBZ回波面积1.19×104km2。由图3b可以看出，在未发生Sprite时段强回波（＞40 dBZ）面积和弱回波（＜30 dBZ）面积的变化比较一致；而在Sprite发生时段雷达回波特点为: 强回波（＞40 dBZ）面积趋于平稳，而弱回波（＜30 dBZ）面积迅速增加，并且在Sprite开始出现时存在雷达回波面积的突然增加。可见，弱雷达回波面积的迅速增加可以作为Sprite产生的重要指示因子。

图4 2013年7月31日华北地区中尺度对流系统地闪频数逐10分钟变化（total CG：总地闪；PCG：正地闪；NCG：负地闪；POP：正地闪占总地闪比例）Fig. 4 Change in total CG flash rate in 10 min interval for the mesoscale convective system in North China on 31 July 2013 (total CG: total cloud-to-ground flashes; PCG: positive cloud-to-ground flashes; NCG: negative cloud-to-ground flashes; POP; percentage of positive CG to total CG)

3.3 产生Sprite中尺度对流系统的闪电演变特征

利用京津冀 6站雷达基本反射率拼图可以看出，本次中尺度对流系统是比较典型的前部具有对流线，后部有大范围层状云降水区的中度尺度对流系统，也是华北地区最常发生的中尺度对流系统过程。刘冬霞等（2008）分析过这一类型的中尺度对流系统，其特点为在整个过程中以负地闪为主导，正地闪较不活跃，正地闪主要分布在前部云砧和后部层状云降水区域。

图4给出了本次中尺度对流系统过程的10分钟间隔的地闪变化曲线。其中黑点为地闪总数，红色曲线表示正地闪个数，蓝色曲线表示负地闪个数。可见本次 MCS过程初期闪电活动并不活跃；16:00～18:00闪电活动明显增加，MCS进入成熟期这一时段以负地闪为主；18:00 以后闪电活动逐渐减少，闪电进入消散期，其中有几个时间段负地闪迅速减少，正地闪比例大幅度增加，在其中一个时间段集中观测到大量Sprite。

本文定义POP（Percentage Of Positive CG to total CG）为正地闪与总闪的比率，其同步的变化曲线也在图4中给出。整个中尺度对流系统生命史有四个明显的POP增加的时间段，由表2给出。本次中尺度对流系统的雷电活动从13:00开始就伴随着中尺度对流系统的成型而出现，在14:30～15:00时段有10次正闪，POP达到第一次高峰，此时总闪频率并未达到最高，只是属于雷暴过程初期，正地闪的平均峰值电流为＋29.4±6.7 kA；17:00地闪总闪频数达到最大，最高时段达到 480 flash/10 min，中尺度对流系统达到成熟阶段，19:00达到第二个 POP最高的时段, 正地闪平均峰值电流为＋56.2±25.7 kA，这一时段并没有观测到Sprite；其后负地闪频数又有回升 POP减少，在 21:00～22:00负地闪明显减少，正地闪略有增加，达到整个中尺度对流系统过程第三次 POP的上升时段，这时中尺度对流系统处在成熟—消散阶段，正地闪平均峰值电流为＋54.7±29.7 kA，在这一时段观测到了8组Sprite；在22:30～23:00这一时段总闪频数在25 flash (10 min)-1，已经进入了中尺度对流系统过程末期，POP最后一次达到高值，最大值为 47.8%，正地闪平均峰值电流为＋52.3±20.0 kA。由于雷暴已经发展至接近观测点，因此没有观测到 Sprite，但这并不代表这一时间段并不能够产生Sprite，POP的增加暗示了此时间段可能也是Sprite易于产生的时期。

图5 Sprite集中发生时段正地闪（a）0～100%上升时间分布和（b）连续电流分布（N, AM, SD, GM分别代表样本数，算数平均值，标准差，几何平均值）Fig. 5 Distribution of (a) 0–100% rise time and (b) durations of continuing currents for positive CG flashes during the period of sprite production（N, AM, SD, GM indicate the sample number, arithmetic mean,standard deviation, and geometric mean, respectively）

表2 中尺度对流系统生命史4个POP增加时期（GM：算数平均值；AM：几何平均值；SD：标准差）Table 2 Four POP (increasing percentage of the +CG flash rate) increasing periods in the mesoscale convective system（GM: geometric mean; AM: arithmetic mean; SD:standard deviation）

可见，Sprite易发生在中尺度对流系统成熟—消散阶段POP有显著增加的时段，持续至POP开始减少。POP的上升对中尺度对流系统产生Sprite起到了重要的指示作用。Neubert et al.（2005）认为Sprite产生在雷暴云消散阶段负闪活动迅速下降而正闪活动稳定上升的时期。Soula et al.（2009）指出，雷暴云系统产生Sprite的时期是其整个生命史POP最大的时期，最高POP比例可达50%。本次中尺度对流系统生命史消散期可能后两个时间段都非常适合产生Sprite，但最后一个POP上升时段雷暴已经距离观测点太近而无法开展Sprite观测，因此，这一时段雷暴是否产生了Sprite无法得知。

3.4 中尺度对流系统正地闪放电参量统计特征分析

本次中尺度对流系统在13:00～23:00内共持续了十个小时，在 Sprite集中发生的时间段前后20:30～22:30北京闪电综合探测网（BLNET）共探测到地闪155个，由于这一时段Sprite主要发生区域和BLNET探测网均处于中尺度对流系统消散期后部尾随层状云降水区，因此对此时段BLNET探测到的地闪分析有助于得到Sprite发生时段正地闪的放电特征。在BLNET所得正地闪样本中，正地闪84个，负地闪71个，正地闪比例为54.2%。其中单回击正地闪78例，两回击正地闪5例，三回击正地闪 1例，所占正地闪比例分别为 92.86%，5.95%和1.19%。平均每次正地闪的回击数为1.08。对91例正回击的 0～100%上升时间进行统计，时间为 10.17±3.73 µs，图5a给出了 Sprite集中发生时段正地闪0～100%上升时间的分布图。另外，正地闪样本中有 59例产生了连续电流，带连续电流的正地闪比例为 70.24%。正地闪的持续时间为58.17±50.31 ms，图5b给出了Sprite集中发生时段正地闪连续电流持续时间的分布图。

Qieetal.（2013）对中国大兴安岭地区的正地闪进行了详细的特征分析，发现正地闪比例为10.2%。在185个正地闪事件中，单闪击比例为94.59%，0～100%上升时间为13.96±4.58 µs，连续电流持续时间为33.29±38.44 ms。本文与其结果相比，在Sprite发生时间段，正地闪比例较高，连续电流的持续时间较长，雷暴有利于Sprite的产生。

4 结论与讨论

本文利用微光相机首次观测到了华北地区发生的Sprite现象，并为今后继续对华北地区中高层放电事件的观测提供了理论依据。利用光学观测、北京地区闪电电场变化和辐射脉冲定位网络（BLNET）、河北地闪定位网，并结合华北地区 6站多普勒雷达拼图等多种观测数据，对一次中尺度对流系统激发的Sprite及母体闪电和正地闪放电特征进行了详细分析，得到如下结论：

（1）观测到8例Sprite事件均发生于中尺度对流系统生命史中期，平均6.5分钟发生一次。所观测8组Sprite中有2个圆柱型，3个胡萝卜型，2个Y字型，1个舞蹈型Sprite。Sprite的底部平均高度低于 61.8±3.5 km，顶部平均高度为 84.3±6.8 km。Sprite持续时间算术平均值为25.7±9.8 ms，几何平均值为24.4 ms。所有Sprite的母体闪电均为正地闪，峰值电流在＋62.5～＋106.2 kA之间，算术平均值为＋77.1 kA，是总体正地闪平均峰值电流的1.4倍。估算得母体闪电的iCMC在＋475～＋922 C km之间，算术平均值为＋590.4 C km，几何平均值为＋571.0 C km。

（2）Sprite母体闪电发生在中尺度对流系统雷达回波25～35 dBZ的层状云降水区，推断大部分母体闪电回击之前都存在比较长时间的云内放电过程，并且很有可能产生持续时间很长的连续电流。在 Sprite发生时间段, 20 dBZ回波面积达到4.32±0.19×104km2，雷暴中心雷达回波达到 55 dBZ，回波面积为186.75 km2。在Sprite发生时段强回波（＞40 dBZ）面积趋于平稳，而弱回波（＜30 dBZ）面积迅速增加，并且在 Sprite开始出现时存在雷达回波面积的突然增加。弱雷达回波面积的迅速增加可以作为Sprite产生的指示因子。

（3）Sprite易发生在中尺度对流系统成熟—消散阶段POP有显著增加的时段，持续至POP开始减少。在本次中尺度对流系统整个生命史中，有两个时间段是非常易于产生 Sprite，本次观测在中尺度对流系统后期POP上升时期观测到了8个Sprite事件。POP的上升对中尺度对流系统产生Sprite起到了重要的指示作用。

（4）在Sprite集中发生时间段，BLNET探测到的正地闪比例为54.2%，单闪击比例为92.86%；回击0～100%上升时间10.17±3.73 µs；连续电流比例 70.24%，持续时间为 58.17±50.31 ms。本次Sprite母体雷暴在Sprite发生时间段具有较高的正地闪比例和较长的连续电流持续时间，有利于Sprite的产生。

本文所用的Sprite资料比较有限，今后的研究将在进一步积累低光度资料的基础上，着眼于Sprite的高速摄像资料和多站Sprite光学定位配合同步的地面低频磁场信号以讨论Sprite的形成机理以及其与母体闪电的关系。

致谢 感谢山东人工引雷实验（SHATLE）团队，感谢河北地闪定位网提供的地闪定位资料，感谢北京市气象局提供的雷达资料。

（References）

Boccippio D J, Williams E R, Heckman S J, et al. 1995. Sprites, ELF transients, and positive ground strokes [J]. Science, 269 (5227):1088–1091, doi:10.1126/science.269.5227.1088.

Cummer S A, Inan U S. 1997. Measurement of charge transfer in sprite-producing lightning using ELF radio atmospherics [J]. Geophys.Res. Lett., 24 (14): 1731–1734, doi:10.1029/97GL51791.

Cummer S A, Lyons W A. 2005. Implications of lightning charge moment changes for sprite initiation [J]. J. Geophys. Res.: Space Phys., 110 (A4):A04304, doi:10.1029/2004JA010812.

Hardman S F, Dowden R L, Brundell J B, et al. 2000. Sprite observations in the northern territory of Australia [J]. J. Geophys. Res.: Atmos., 105 (D4):4689–4697, doi:10.1029/1999JD900325.

Hsu R R, Su H T, Chen A B, et al. 2003. Transient luminous events in the vicinity of Taiwan [J]. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 65(5): 561–566,doi:10.1016/S1364-6826(02)00320-6.

Hu W, Cummer S A, Lyons W A, et al. 2002. Lightning charge moment changes for the initiation of sprites [J]. Geophys. Res. Lett., 29 (8):120-1–120-4, doi:10.1029/2001GL014593.

刘冬霞, 郄秀书, 冯桂力, 等. 2008. 华北一次强对流天气系统的地闪时空演变特征分析 [J]. 高原气象, 27 (2): 358–364. Liu Dongxia, Qie Xiushu, Feng Guili, et al. 2008. Analyses on lightning temporal and spatial characteristics in the severe convective weather in North China [J].Plateau Meteorology (in Chinese), 27 (2): 358–364.

Lu G P, Cummer S A, Li J B, et al. 2009. Charge transfer and in-cloud structure of large-charge-moment positive lightning strokes in a mesoscale convective system [J]. Geophys. Res. Lett., 36 (15),doi:10.1029/2009GL038880.

Lu G P, Cummer S A, Li J B, et al. 2013. Coordinated observations of sprites and in-cloud lightning flash structure [J]. J. Geophys. Res.: Atmos.,118 (12): 6607–6632, doi:10.1002/jgrd.50459.

Lyons W A. 1994. Characteristics of luminous structures in the stratosphere above thunderstorms as imaged by low-light video [J]. Geophys. Res.Lett., 21 (10): 875–878, doi:10.1029/94GL00560.

Lyons W A. 2006. The meteorology of transient luminous events—An introduction and overview [M]// Füllekrug M, Mareev E A, Rycroft M J.Sprites, Elves and Intense Lightning Discharges. Netherlands: Springer,19–56.

Matsudo Y, Suzuki T, Hayakawa M, et al. 2007. Characteristics of Japanese winter sprites and their parent lightning as estimated by VHF lightning and ELF transients [J]. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 69 (12): 1431–1446,doi:10.1016/j.jastp.2007.05.002.

Moudry D, Heavner M, Sentman D, et al. 1998. Morphology of sprites [J].EOS Suppl., 79 (45): F136.

Neubert T, Allin T H, Stenbaek-Nielsen H, et al. 2001. Sprites over Europe[J]. Geophys. Res. Lett., 28 (18): 3585–3588, doi:10.1029/2001GL013427.

Neubert T, Allin T H, Blanc E, et al. 2005. Co-ordinated observations of transient luminous events during the EuroSprite 2003 campaign [J]. J.Atmos. Sol.-Terr. Phys., 67 (8–9): 807–820, doi:10.1016/j.jastp.2005.02.004.

Qie X S, Zhao Y, Zhang Q L, et al. 2009. Characteristics of triggered lightning during Shandong artificial triggering lightning experiment(SHATLE) [J]. Atmos. Res., 91 (2–4): 310–315, doi:10.1016/j.atmosres.2008.08.007.

Qie X S, Wang Z C, Wang D F, et al. 2013. Characteristics of positive cloud-to-ground lightning in Da Hinggan Ling forest region at relatively high latitude, northeastern China [J]. J. Geophys. Res.: Atmos., 118 (24):13393–13404, doi:10.1002/2013JD020093.

Qin J Q, Celestin S, Pasko V P. 2013. Dependence of positive and negative sprite morphology on lightning characteristics and upper atmospheric ambient conditions [J]. J. Geophys. Res.: Space Phys., 118 (5):2623–2638, doi:10.1029/2012JA017908.

São Sabbas F T, Sentman D D, Wescott E M, et al. 2003. Statistical analysis of space-time relationships between sprites and lightning [J]. J. Atmos.Sol.-Terr. Phys., 65 (5): 525–535, doi:10.1016/S1364-6826 (02)00326-7.

Sentman D D, Wescott E M, Osborne D L, et al. 1995. Preliminary results from the Sprites94 Aircraft Campaign: 1. Red sprites [J]. Geophys. Res.Lett., 22 (10): 1205–1208, doi:10.1029/95GL00583.

Soula S, van der Velde O, Montanyà J, et al. 2009. Analysis of thunderstorm and lightning activity associated with sprites observed during the EuroSprite campaigns: Two case studies [J]. Atmos. Res., 91 (2–4):514–528, doi:10.1016/j.atmosres.2008.06.017.

Stanley M, Krehbiel P, Brook M, et al. 1999. High speed video of initial sprite development [J]. Geophys. Res. Lett., 26 (20): 3201–3204,doi:10.1029/1999GL010673.

Stenbaek-Nielsen H C, Moudry D R, Wescott E M, et al. 2000. Sprites and possible mesospheric effects [J]. Geophys. Res. Lett., 27 (23): 3829–3832.

Takahashi Y, Miyasato R, Adachi T, et al. 2003. Activities of sprites and elves in the winter season, Japan [J]. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 65 (5):551–560, doi:10.1016/S1364-6826(02)00330-9.

王宇, 郄秀书, 王东方, 等. 2015. 北京闪电综合探测网(BLNET)Ⅰ: 网络构成与初步定位结果 [J]. 大气科学, 39 (3): 571–582, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1407.14138. Wang Yu, Qie Xiushu, Wang Dongfang,et al. 2015. Beijing Lightning Network (BLNET). Part 1: Configuration and preliminary results of lightning location [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 39 (3): 571–582,

Wescott E M, Sentman D D, Heavner M J, et al. 1998. Observations of“Columniform” sprites [J]. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 60 (7–9): 733–740,doi:10.1016/S1364-6826(98)00029-7.

Winckler J R. 1995. Further observations of cloud-ionosphere electrical discharges above thunderstorms [J]. J. Geophys. Res.: Atmos., 100 (D7):14335–14345, doi:10.1029/95JD00082.

杨静, 郄秀书, 张广庶, 等. 2008. 发生于山东沿海雷暴云上方的红色精灵 [J]. 科学通报, 53 (4): 482–488. Yang Jing, Qie Xiushu, Zhang Guangshu, et al. 2008. Red sprites over thunderstorms in the coast of Shandong Province, China [J]. Chin. Sci. Bull. (in Chinese), 53 (4):482–488.

Yang J, Qie X S, Feng G L. 2013. Characteristics of one sprite-producing summer thunderstorm [J]. Atmos. Res., 127: 90–115, doi:10.1016/j.atmosres.2011.08.001.