郄秀书：“操控”雷电的女科学家

 

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郄秀书（受访者供图）

“雷声就是命令！”这是镌刻在郄秀书40年科研人生中的使命。

今年9月13日，中国科学院大气物理研究所研究员郄秀书因在“青藏高原雷暴以及雷电与人工引雷研究方面的突破性贡献”当选2023年度美国地球物理联合会会士（AGU Fellow），该荣誉旨在表彰国际上在地球与空间科学领域最具有远见卓识、在基础研究取得卓越成就的科学家。我国第一个AGU Fellow获得者是中国科学院地质与地球物理研究所原所长朱日祥院士。在大气科学领域，中国科学院大气物理研究所吴国雄院士和北京大学朱彤院士曾当选AGU Fellow，郄秀书是大气物理领域首位当选AGU Fellow的中国科学家。

近40年来，从精准探测雷电、科学认识雷电到“引雷操控”雷电服务于防灾减灾国家需求，中国大气电学事业的每一次里程碑式的进步，都留下了郄秀书的身影。在国际舞台上，郄秀书带领团队在雷电过程机理、雷暴云物理规律和人工引雷应用研究方面取得系统性创新成果，在国际大气电学领域有重要学术地位，已连任两届国际大气电学委员会主席。

郄秀书被同事和朋友们戏称为“雷母”，是可以引雷“操控”雷电的女科学家。

“做科研需要坚持，只要不放弃，所有的付出都会得到回报。”郄秀书说。

逆行：和雷电结缘

“你是女孩子，可以主要在办公室做一些数值模拟、模式计算方面的研究”

“我想做外场观测实验，虽然艰苦，但可以获得对雷电的实际认识。”

上世纪80年代，郄秀书考取中国科学院兰州高原大气物理研究所（中国科学院西北生态环境资源研究院前身之一）大气物理专业首批大气电学领域的硕士研究生，师从高由禧院士和郭昌明研究员从事大气电学和雷电物理学研究。上面是她初入研究时与导师的一段对话，至今郄秀书仍然记忆犹新，这次“逆行”决定了她一生的研究道路。

郄秀书第一次参与野外实验的地点位于夏季雷暴较多的西北山区，远离城镇，生活艰苦，对女性又极端不方便，且观测雷电有危险。但，郄秀书却被深深吸引。

那时，老师们在国外学习了雷电测量技术，回国后研制了基本的雷电观测仪器，可以把闪电的电场信号接收下来，并通过纸带记录仪保存，呈现在眼前的就是一连串富含密码的波形信号。

“特别神奇，通过电场信号可以把刹那间的闪电保存记录下来，解析出其中所包含的物理信息。”至今，郄秀书还记得那一刻的“心动”。从此，她与雷电结下了不解之缘，把流动实验室建立在野外，追逐雷电，研究雷电。

研究生期间，郄秀书在雷电电磁辐射方面的观测实验研究得到老师和国内多领域同行专家的高度评价。硕士毕业时，北京两家单位抛来橄榄枝，但由于大气电学研究的需要以及两位导师的影响和期待，她最终选择留在西部地区的兰州，继续在研究所从事雷电基础研究工作。

之后，郄秀书又两次选择“逆行”，都是以科学研究和学科发展需求为考量。

1980年代，正值出国大潮，郄秀书获得了日本文部省奖学金资助，有机会师从国际著名云物理和大气电学专家Takahashi教授攻读博士学位。然而，国内正处在人才断层期，导师和领导希望她继续留在研究所攻读博士学位，作为年轻的研究者承上启下，发展我国的大气电学事业。郄秀书经过慎重考虑，放弃了赴日本攻读博士学位的机会，专心在国内开展研究。

1992年，郄秀书被派往法国图卢兹第三大学进修学习，又有一次留在国外攻读博士学位的机会。然而，那时西北地区又出现了人才“东南飞”、“朝外飞”的大量流失情况，郄秀书再次放弃机会，一年学习期满后选择回国工作。她是中国科学院兰州高原大气物理研究所第一个留学进修回国的年轻人，并在回国后第二年获得国家自然科学青年基金项目资助，这成为她独立开展科学研究的重要基础。

由于扎实的基础研究和突出的科研成绩，1996年，33岁的郄秀书晋升为研究员，并入选中国科学院首批“西部之光”优秀人才培养计划。

年轻的郄秀书被委以重任，担任雷电与雹暴研究中心的首任主任，在老一辈科学家的指导下，逐渐成长为我国在大气电学领域的年轻学术带头人。

前行：不断追逐雷电

“最艰险的地方往往有最美的风景，也往往孕育着最意外的科学发现，这是野外工作的魅力”，郄秀书说。

2002年初在英国帝国理工学院访学时，郄秀书分析卫星资料发现了青藏高原有很频繁的雷电活动，高原地区雷暴到底是怎样的呢？这引起了她的强烈好奇。2003年，郄秀书带领团队，利用自主研发的短基线闪电甚高频时间差定位系统等仪器设备，深入海拔4500米的青藏高原腹地那曲开展了为期两个月的野外观测实验。

在青藏高原，那曲海拔不算最高，但处在低气压漩涡地带，草木稀少，缺氧的感觉更严重一些。当时生活和观测条件十分艰苦，郄秀书因为高原反应彻夜失眠，头剧烈疼痛，只能通过吃具有助眠作用的感冒药勉强入睡。

“只是觉得这项研究很有意思，再艰难也要坚持完成，其他没有想太多。”在团队协作下，观测实验取得重要突破，其中最突出的成果是发现了“下部主导型”的雷暴云三极电荷分布新模态，中下部反偶极结构优先发展并产生反极性云闪，明显不同于国际上传统认知的中上部主导型电荷分布和闪电模态。

这一成果在国际上被认为是“突破性贡献”，随后在最近10多年中，国际同行相继在南美洲、美国、欧洲、亚洲等世界多地利用更先进的观测技术证实了这一新发现。

对雷电的认识离不开先进探测技术的研发。雷电全过程多参量的高时空分辨率同步探测是世界性难题，也是郄秀书一直以来最为关注的问题。解决它的第一步，需要不断创新研究方法和实验观测技术，通过引入其他领域的先进技术，研发高分辨率雷电探测设备。由于雷电的发展速度很快，最快可以达到三分之一光速，需要微秒甚至纳秒级别时间分辨率进行解析，很少有现成的商用仪器可以使用，而发达国家的仪器设备又对我国实行封锁，必须依靠自主研发专门的雷电探测设备。

自2003年开始，郄秀书先后在多个中国科学院仪器研制项目和国家重大科研仪器研制项目的支持下，领导团队解决了亚微秒分辨率、宽频带、大动态范围雷电探测等关键技术瓶颈，研发了雷电宽频段电磁场、光学和射频动态成像综合探测系统，为取得原创性成果和中国大气电学走向国际前沿奠定了重要的技术基础。

近20多年来，郄秀书率领团队从海拔4500米的青藏高原腹地转战到华北平原；从东南沿海的广东、海南岛到东北大兴安岭林区，这些雷电频发和具有雷暴特色的地区，都是她们的战场。为了避免电磁环境干扰，雷电观测场地往往是人烟稀少、交通和后勤保障不便的偏远地区，不仅条件艰苦，雷电的破坏性和危险性也对观测仪器设备和实验人员的人生安全造成威胁。她们有在电闪雷鸣和暴风骤雨环境中准备和检查测试仪器的危险经历，仪器设备也曾被雷电击坏。

“不断摸索，做好科学设计和防护是最大限度避免危险的保障。” 郄秀书和团队坚持不断探索和野外科学实验，利用光、电、磁和高分辨率精细定位成像协同观测，获取第一手观测资料，发现了复合型云对地雷电放电新类型，更新了正先导连续传输的传统认识，大大提升了对雷电发展传输过程和物理机理的科学认识，推动了雷电物理学研究向亚微秒分辨率的跨越式发展。

矢志不移，服务国家需求

雷电是雷暴天气中发生的长距离瞬时放电现象，具有高温、高压、大电流、强电磁辐射特征，对航空、航天、通信、电力、电子设备、地面建筑物等都产生破坏作用，雷击也可造成石油、化工厂爆炸，甚至威胁人民的生命安全。此外，雷电因电离空气和伴随的光化学作用，也是自然界中氮氧化物的重要产生源，雷电还常引发野火和森林火灾，对大气化学和地球生态系统都有一定的影响。

借助数十年的科学研究成果，服务国家需求，是目前郄秀书关注的重要问题之一。

前不久，登上网络热搜的“人工引雷”震撼视频，是郄秀书团队在山东滨州的实验现场，大约20年前，郄秀书在山东滨州建立了人工引雷科学实验基地，通过火箭拖带导线技术来“控制”雷电，使雷电得以在已知的时间和地点发生，以实现直接测量雷电和利用雷电的梦想。

引雷火箭的安全性、稳定性、可靠性是人工引雷的关键，郄秀书在前人实验和研究的基础上，经过反复实验摸索，提出并设计了以复合材料为箭体、拖带高强度金属导线、具有抛伞限高能力的高成功率安全新型引雷火箭，研发了反应灵敏、稳定性高的光纤控制点火装置，并进一步发展了从毫安培到上万安培大动态范围的雷电电流直接测量技术，获得国内首个雷电脉冲电流波形，为雷电灾害防护奠定了重要的科学基础。

引雷火箭作为人工引雷的最核心技术，已经成为目前我国唯一在用的专用引雷火箭，我国的人工引雷成功率也从之前的60%左右提高到70%以上，处于国际领先水平，也为我国人工引雷研究整体走向国际前沿提供了关键技术。在此基础上，她建立人工引雷技术体系，形成了集雷击效应评估、防雷技术测试和雷电人工影响为一体的应用研究平台，为服务国防安全和防雷减灾重大需求提供了重要支撑，应用于国防、气象和通讯等领域，产生了显著的社会效益。

在求学和科研道路上，郄秀书从未因为自己是女性而降低对自己的要求，“工作要么不做，要做就要全力以赴去做好，责任心很重要。” 1998年她获得中国青年科技奖，2000年当选中国十大女杰和全国“三八”红旗手。“所有成绩的获得离不开老师们的培养和指导，也不离开同事和团队的团结协作。”郄秀书一直感恩地说。

郄秀书的科研成就得到了国际学术界认可，2011年起，她开始担任国际权威期刊Atmospheric Research副主编，2022年开始任JGR: Atmospheres的专业主编，是中国大陆首位担任该杂志专业主编的科学家。2018年她当选为国际大气电学委员会主席，并于2022年连任主席，成为该委员会1954年成立以来首位来自中国的主席，也是女科学家首次在该委员会担任最高职位。

此次当选AGU会士，在郄秀书看来，“这不仅是国际地学界对中国科学家在国际科学前沿创新性研究成果的高度肯定，也体现了我国科学家代表中国在国际合作和科学组织中扮演着越来越重要的角色。”

“作为一名科学家，能够代表中国在国际学术舞台上发声，是我的责任，也是对我的鼓励。”郄秀书希望，通过国际交流与合作，不断提升中国大气科学的创新能力和影响力。