简要回顾了早期闪电光谱的研究, 分两个阶段综述了近二十年来国内外闪电光谱研究的最新进展。 在20世纪60年代和70年代初, 利用胶片相机获取的闪电光谱虽有诸多不足之处, 但仍然取得了很多非常重要的研究成果, 既为后期闪电光谱的研究奠定了坚实的基础, 也指明了发展方向。 2001年以来, 国内首先利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪开始开展闪电光谱研究。 普通数码摄像机虽然解决了胶片相机存在的问题, 但拍摄速度较慢(50帧·s-1), 只能研究闪电回击通道在该时间范围内的整体性质。 尽管如此, 这些工作又一次推动了闪电光谱研究的发展, 国际范围开始关注闪电光谱研究。 Warner等于2011年用高速摄像机组装的无狭缝光谱仪记录到了云-地闪电梯阶先导的光谱, 大幅度提高了拍摄速度(10 000帧·s-1)。 2012年以来, 国内也开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱, 用更高时间分辨率对闪电通道不同阶段的辐射光谱开展了大量研究, 并取得了多项引人瞩目的成果, 主要包括自然闪电的梯级先导、 直窜先导和回击以及球状闪电和闪电通道核心的光谱研究。 2017年, Walker报道了时间分辨率为1.5 μs左右、 波长范围分别为380～620和620～870 nm的人工触发闪电起始阶段、 直窜先导、 回击和连续电流阶段的光谱, 但因拍摄范围太小, 获取的只是闪电通道某一局部的光谱。 由此可知, 如何获取更高时空分辨率的光谱资料是闪电光谱研究领域急待解决的问题。

闪电等离子体光谱特征是在强连续辐射背景上叠加丰富的NⅡ, NⅠ, OⅠ, HⅠ线状谱, 闪电回击通道温度可达万开以上, 通道内氮分子和氧分子接近完全离解, 分析连续谱时, 不考虑各组分分子带状谱对连续谱的影响。 使用摄谱范围在400~1 000 nm的无狭缝光栅摄谱仪记录云对地闪电放电光谱, 在光谱可见区低频段观测到大量一价氮离子谱线, 未观测到明显的其他离子谱, 认为连续辐射机制主要由氮离子与自由电子相互作用产生, 包括轫致辐射和复合辐射。 等离子体温度在1×104 K以下时轫致辐射连续谱呈现出平谱特征, 辐射强度较弱, 随着等离子体温度升高在紫外段辐射强度增加, 对可见段连续谱轮廓特征没有明显影响。 对于复合辐射, 设闪电等离子体符合局域热力学平衡和光学薄条件, 以类氢离子经典辐射理论为基础, 以冈特因子作量子力学修正, 考虑到复合过程中自由电子被离子俘获, 大概率出现在高激发状态, 引入非类氢的复杂离子近似计算方法分析氮离子复合辐射过程, 导出连续谱复合辐射系数与波长的函数关系, 获得特定参数条件下氮等离子连续辐射谱特征曲线, 与闪电连续谱轮廓观测结果比较, 发现等离子体电子温度与连续辐射谱谱峰位置密切相关, 认为通过对闪电连续谱轮廓拟合, 能够可靠诊断闪电放电通道表面电子温度。 研究认为氮离子实有效核电荷数Z*取值对连续谱特征也有显著影响, Z*取值小, 连续谱跃变特征增强; Z*取值大, 连续谱展宽特征增强, 从而与实测谱轮廓底部背离增大。 通过多次对比发现Z*取为2~4时, 理论曲线与连续谱观测轮廓具有较好的一致性, Z*的取值范围由离子种类决定, 引入离子有效核电荷数Z*, 能够很好地解释闪电等离子体连续谱在特定波长出现跃变的特征。

利用无狭缝光谱仪获得了一次人工触发闪电过程的发射光谱, 其时间分辨率为20 μs, 同时获得了通道底部电流强度, 对不同电流强度下闪电光谱的辐射特性进行了分析。根据谱线持续时间将谱线分为三类, 结合谱线激发能以及通道电流变化对影响谱线持续时间的原因展开了研究。对光谱总强度随时间的变化规律进行了分析, 对闪电光谱短波段与长波段连续背景辐射的不同机制进行了分析, 给出了两种辐射机制对连续背景辐射衰减的影响。

利用无狭缝光谱仪获得了一次空中触发闪电过程中400～660 nm的发射光谱, 对空中触发闪电小回击和上行正先导通道的发射光谱进行了分析, 讨论了人工触发闪电导线通道与空气通道光谱的差异, 发现导线段通道光谱持续了约140 ms, 而空气段通道仅持续了0.167 ms; 结合Fe, N, O等元素的电离能、 激发能, 给出了导线通道亮度强、 持续时间长的原因。 在电流强度相同的情况下, 人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发, 能产生更多的光谱辐射, 导线段通道的亮度远强于空气段, 导线段通道的光谱强度也远强于空气段; 在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。 通过对小回击以及上行正先导导线通道上部、 下部空气段光谱结构以及通道温度等参数与广东地区自然闪电特征谱线及温度等参数的比较, 发现小回击通道光谱主要由NⅡ离子低激发态之间的跃迁组成, 具有NⅡ 444.7 nm, NⅡ 517.9 nm, NⅡ 616.8 nm等广东地区一般强度自然闪电的特征谱线。 上行正先导下部空气段通道具有高激发能的谱线开始消失, 出现了Hα, Hβ, OⅠ 615.8 nm等激发能较低的谱线, 具有闪电回击后期的光谱结构。 小回击通道以及上行正先导通道下部空气段温度分别为21 000和20 000 K, 通道温度低于自然闪电温度。

基于连续辐射理论, 得到连续辐射能量与等离子体电子温度的关系式。 依据青海地区一次强地闪回击过程的光谱, 从中分离出连续辐射强度, 对其吸收特征进行分析以减小吸收带来的计算误差。 通过对连续谱强度的曲线拟合得到闪电放电通道电子温度, 温度峰值为29 800 K, 温度下限为16 200 K, 由同一波段光谱中的O Ⅰ线和N Ⅱ线分别拟合了电子温度。 比较结果发现: 由连续辐射得到的闪电通道电子温度从高温向低温过渡, 高温值与离子线信息获得的闪电核心电流通道处的温度符合较好, 而低温则与原子线计算的结果接近, 反映了外围电晕发光通道的温度。 所以, 依据连续谱得到的结果能更全面地反映温度沿通道径向的分布。 对于闪电热等离子体通道, 连续谱法提供了一种计算闪电放电通道电子温度的新途径, 对地闪回击研究有一定的意义。

用无狭缝光谱仪获得了广东地区一次人工触发闪电首次回击过程的发射光谱, 同时测量了回击电流峰值为183 kA, 回击持续时间为45 ms。 发现导线部分通道的发射谱线中存在4075, 4190, 4253和5179 nm等激发能比较高的谱线, 具有强闪电通道发射光谱的谱线结构, 空气部分则具有弱闪电通道的谱线结构; 导线部分与空气部分的基本谱线的相对强度差别较小, 强闪电特征谱线相对强度相差非常大。 通过对导线部分与空气部分谱线激发能等参数的分析, 发现回击开始时, 导线部分先导通道还未完全消失, 回击脉冲电流对先导闪电通道等离子体进行了进一步激发, 增加了等离子体的温度和密度, 使得导线部分具有较高激发能的谱线被完全激发, 相对于空气部分4075, 4190, 4253和5179 nm等谱线的强度有较大程度的增加, 造成导线部分通道与空气通道两种不同的光谱结构。 通过光谱分析, 获得了闪电通道不同部分的温度、 电子密度等参数, 发现导线部分通道的辐射特性不同于空气通道是导线部分通道发光亮度与电流相关性较差的原因。

利用无狭缝摄谱仪获得的地闪回击光谱, 结合同步电场资料, 计算了一次闪电放电过程中的通道温度、 电导率、 回击电流峰值、 通道光亮度和电磁功率峰值等参数, 均在文献报道的合理范围内。 并由此讨论了回击前截止时间、 回击通道光亮度及电磁功率峰值之间的相关性, 研究了放电通道的电导率、 电流和电磁功率之间的变化关系。 结果表明: 回击前截止时间越长, 回击过程中所中和的电荷越多, 形成的电流越大, 辐射出的电磁能量越大。 当通道电导率变大, 同时电场变化峰值也增大时, 通道内电流变大, 回击过程中辐射出的电磁功率也变大。 这方面的工作为计算闪电放电过程中产生的光学能量和电磁能量提供一定的参考依据。