云貴高原臺(tái)地一次雷暴過程電學(xué)特征及降水粒子分布觀測(cè)分析

曾 勇，張小娟，李 皓，鄒書平，黃海迅，黃 鈺

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550001； 2.中國氣象局 云霧物理環(huán)境 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081；3.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境 四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

0 引 言

雷暴是中小尺度天氣系統(tǒng)經(jīng)常伴隨的天氣現(xiàn)象，具有歷時(shí)短、能量大和破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，給人民的生產(chǎn)和生活帶來影響。閃電是雷暴發(fā)展演變過程中強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，研究閃電的放電特征有利于了解雷暴的活動(dòng)規(guī)律。雷暴的起電、放電以及電荷結(jié)構(gòu)的研究一直以來是大氣電學(xué)的一個(gè)重要研究方向。國內(nèi)外針對(duì)這一科學(xué)問題開展了大量觀測(cè)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，取得了一定進(jìn)展。但受限于探測(cè)手段的限制以及自然雷暴的復(fù)雜性，關(guān)于雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制仍然缺乏更加深入的認(rèn)識(shí)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外基于數(shù)值模式與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，對(duì)雷暴云起電機(jī)制及雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的形成開展大量研究，獲得了一些有意義的結(jié)果。通過研究發(fā)現(xiàn)引起雷暴云起電的機(jī)制可能有多種，但感應(yīng)起電機(jī)制與非感應(yīng)起電機(jī)制是目前國際上公認(rèn)度最高的兩種起電機(jī)制。Elester等[1]最早提出了非感應(yīng)起電機(jī)制，認(rèn)為云內(nèi)極化云滴與雨滴之間的相互碰撞會(huì)起電，云滴與雨滴帶不同極性電荷。Mason[2]考慮水成物粒子影響，利用非定常一維云模式模擬計(jì)算了水成物粒子濃度、尺度、荷電量以及電場(chǎng)的時(shí)空演變，發(fā)現(xiàn)在含有冰相粒子極為豐富的完全凍結(jié)云區(qū)內(nèi)，感應(yīng)起電機(jī)制很強(qiáng)，足以產(chǎn)生引發(fā)閃電的強(qiáng)電場(chǎng)。Illingworth與Latham[3]利用二維柱體模式計(jì)算了不同水成物粒子之間碰撞的感應(yīng)起電率，發(fā)現(xiàn)固態(tài)粒子之間的碰撞起電率高于液態(tài)水滴，可以產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)引發(fā)閃電。Sartor[4]和Ziegler[5]利用二維和三維模式在同時(shí)考慮感應(yīng)起電和非感應(yīng)起電機(jī)制下對(duì)雷暴云的電化結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)果指出，雷暴發(fā)展過程不是單一起電機(jī)制所作用，在雷暴發(fā)展前期，云內(nèi)環(huán)境電場(chǎng)較弱，不足以達(dá)到產(chǎn)生閃電的電場(chǎng)強(qiáng)度，主要是非感應(yīng)起電機(jī)制作用，在雷暴發(fā)展后期，云內(nèi)電場(chǎng)增長達(dá)到空氣擊穿的電場(chǎng)便引發(fā)閃電。

非感應(yīng)起電機(jī)制主要發(fā)生在冰水共存區(qū)，是過冷水較為豐富的區(qū)域，軟雹(霰粒子)在碰凍過冷水滴增長過程中，其表面總存在相對(duì)較暖的結(jié)霜暖液面，當(dāng)軟雹與冰晶粒子之間發(fā)生碰撞時(shí)，在兩者的碰撞接觸表面之間會(huì)產(chǎn)生溫度差[6]，此溫度差將導(dǎo)致不同極性電荷在接觸表面上的移動(dòng)，一旦碰撞結(jié)束產(chǎn)生分離，軟雹和冰晶會(huì)攜帶不同極性的電荷。軟雹(霰)與冰晶之間碰撞起電作為非感應(yīng)起電機(jī)制中的一種，可以對(duì)雷暴云內(nèi)存在的強(qiáng)電場(chǎng)特征進(jìn)行解釋[7-8]。從非感應(yīng)起電機(jī)制過程可知，環(huán)境溫度與液態(tài)含水量是起電過程關(guān)鍵影響因素，因此，大量的實(shí)驗(yàn)開始研究這種關(guān)系。Jayaratne[9]和Takahashi[10]通過云室實(shí)驗(yàn)研究提出非感應(yīng)起電機(jī)制中反轉(zhuǎn)溫度(Tr)的概念，即當(dāng)溫度達(dá)到某一值(通常為-10 ℃到-15 ℃)，不同的環(huán)境液態(tài)含水量將使得軟雹(霰)和冰晶粒子碰撞，將攜帶不同極性的電荷。在適中的液態(tài)含水量時(shí)，在高于-10 ℃區(qū)域，軟雹帶正電荷，冰晶帶負(fù)電荷，低于-10 ℃區(qū)域，軟雹帶負(fù)電荷，冰晶帶正電荷。當(dāng)液態(tài)含水量極高(大于4 g·m-3) 或極低(小于0.1 g·m-3)時(shí)，軟雹和冰晶粒子攜帶的電荷極性相反。

國內(nèi)觀測(cè)研究表明：我國內(nèi)陸高原大多數(shù)雷暴呈現(xiàn)出特殊的電荷結(jié)構(gòu)特征，即雷暴云下部被大范圍的正電荷區(qū)所占據(jù)，此正電荷區(qū)稱為LPCC區(qū)[11-12]。利用多站地面電場(chǎng)同步觀測(cè)推斷分析雷暴云呈現(xiàn)三極電荷結(jié)構(gòu)分布，且云內(nèi)閃電主要發(fā)生在中部主負(fù)電荷區(qū)與下部LPCC之間[13-19]。言穆弘[20-21]利用三維強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力電耦合模式分別對(duì)南方、北方和高原地區(qū)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)南方地區(qū)因?qū)α饔行荒艽?，云體容易被抬升到更高的高度，主正、負(fù)電荷區(qū)中心高度高，偶極性電荷結(jié)構(gòu)明顯。高原地區(qū)層結(jié)不穩(wěn)定較低，云頂高度低，容易出現(xiàn)準(zhǔn)反偶極性電荷結(jié)構(gòu)，而北方地區(qū)層結(jié)不穩(wěn)定介于兩者之間，雷暴云多呈三極性電荷結(jié)構(gòu)。中國區(qū)域跨度范圍大，不同區(qū)域受地形地貌和天氣系統(tǒng)的影響差異大，因此雷暴的發(fā)生及電學(xué)特征必然存在差異，再加之自然雷暴具有復(fù)雜性，因此開展不同區(qū)域雷暴電學(xué)特征研究具有重要意義。

云貴高原臺(tái)地位于云貴高原東部地區(qū)，繼續(xù)往東延伸為云貴高原斜坡過渡帶，具有獨(dú)特的地形地貌特征，該區(qū)域是云貴準(zhǔn)靜止鋒、西南低渦、冷鋒等主要天氣系統(tǒng)的擺動(dòng)區(qū)域，中短期天氣預(yù)報(bào)比較困難。目前，關(guān)于青藏高原和北方地區(qū)雷暴電學(xué)特征研究較多，還沒有針對(duì)云貴高原臺(tái)地雷暴云電學(xué)特征研究，且過往研究主要基于多普勒天氣雷達(dá)分析雷暴云回波特征，利用能夠區(qū)分水成物粒子的偏振雷達(dá)開展研究尚少。為了深入探討云貴高原臺(tái)地雷暴電學(xué)特征及其成因，基于X波段雙線偏振雷達(dá)資料、大氣電場(chǎng)儀資料和VLF/LF三維閃電定位資料，對(duì)發(fā)生在云貴高原臺(tái)地威寧一次雷暴過程的電學(xué)特征進(jìn)行細(xì)致分析，利用模糊邏輯法對(duì)云內(nèi)降水離子進(jìn)行反演，探討了雷暴電荷結(jié)構(gòu)與降水粒子之間關(guān)系。

2 資料與方法

2.1 資料

研究過程大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)采用威寧縣氣象局測(cè)站內(nèi)1部場(chǎng)磨式大氣電場(chǎng)儀，該電場(chǎng)儀有效探測(cè)范圍為15～20 km，探測(cè)分辨率為10 V/m，量程動(dòng)態(tài)范圍為-300～+300 kV/m，可全天候無人自動(dòng)觀測(cè)。閃電定位資料采用覆蓋貴州全省VLF/LF三維閃電定位系統(tǒng)探測(cè)資料，系統(tǒng)由VLF/LF三維閃電探測(cè)站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫和三維圖形顯示與產(chǎn)品制作系統(tǒng)三個(gè)部分組成，貴州省共建設(shè)有17臺(tái)VLF/LF三維閃電探測(cè)站，其中威寧縣氣象局內(nèi)布設(shè)有1個(gè)站點(diǎn)，該系統(tǒng)采用TOA定位方法，實(shí)現(xiàn)閃電VLF/LF輻射源的時(shí)間、位置、高度、強(qiáng)度、極性等主要參數(shù)的三維定位，可以獲取云閃發(fā)生信息。探空資料采用威寧本站(56691)當(dāng)日08時(shí)探空資料，雨量數(shù)據(jù)由威寧80個(gè)雨量站點(diǎn)提供。圖1為大氣電場(chǎng)儀、閃電定位儀、雙偏振天氣雷達(dá)以及雨量站點(diǎn)分布。

雷達(dá)資料采用威寧雪山觀測(cè)站X波段全固態(tài)雙線偏振雷達(dá)，該雷達(dá)于2017年7月建成并開始觀測(cè)，在提供新一代多普勒天氣雷達(dá)基本產(chǎn)品基礎(chǔ)上，能夠提供云體內(nèi)粒子相態(tài)識(shí)別的偏振參量產(chǎn)品，為云內(nèi)粒子微物理變化特征觀測(cè)提供有力支撐。

圖1 探測(cè)設(shè)備分布(黑色箭頭線表示研究雷暴移動(dòng)方向)Fig.1 Distribution of detection equipment (the black arrow line indicates the movement direction of thunderstorm)

2.2 分析方法

針對(duì)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的分析，主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，利用大氣電場(chǎng)、閃電定位數(shù)據(jù)和雷達(dá)回波演變綜合分析雷暴云發(fā)展演變電荷結(jié)構(gòu)特征。首先對(duì)大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，消除個(gè)別噪點(diǎn)數(shù)據(jù)的干擾，對(duì)三維閃電定位資料進(jìn)行分類產(chǎn)品篩選，以獲取研究過程閃電類型、閃電強(qiáng)度和高度等信息。在有效獲取大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)和三維閃電數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達(dá)探測(cè)雷暴云移動(dòng)發(fā)展和云閃極性、高度特征以及大氣電場(chǎng)曲線的抖動(dòng)對(duì)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分析流程如圖2所示。

圖2 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分析流程圖Fig.2 The flow chart of thunderstorm cloud charge structure analysis

針對(duì)雷暴云粒子分布的分析，首先對(duì)X波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，主要對(duì)差分傳播相移進(jìn)行退折疊，采用自適應(yīng)衰減訂正方法對(duì)反射率因子進(jìn)行衰減訂正。最終基于質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)(水平反射率因子ZH、差分反射率因子ZDR、差分傳播相移KDP、零滯后相關(guān)系數(shù)ρHV)采用模糊邏輯算法進(jìn)行雷暴云內(nèi)粒子的識(shí)別[22]，本文采用不對(duì)稱T形函數(shù)，最大集成法進(jìn)行水成物粒子識(shí)別。將粒子分為7類：毛毛雨(DZ)、雨(RN)、冰晶聚合物(AG)、冰晶(CR)、低密度霰(LDG)、高密度霰(HDG)、雨夾雹(RH)。粒子相態(tài)識(shí)別處理流程如圖3所示。

圖3 粒子相態(tài)識(shí)別資料處理流程Fig.3 The data processing flow of particle phase state identification

(1)

式中X1、X2、X3、X4為函數(shù)閾值，其設(shè)定如表1所示，x為雷達(dá)觀測(cè)值。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量高低，分別將偏振參數(shù)ZH、ZDR、KDP、ρHV以及溫度參數(shù)的權(quán)重設(shè)為0.3、0.2、0.1、0.1、0.3。

表1 不同粒子偏振參量閾值

圖4 雷暴云發(fā)展移動(dòng)過程主要時(shí)次1.45°仰角反射率因子(紅色橢圓指示雷暴云)Fig.4 The reflectivity factor at 1.45 ° elevation angle during the development and movement of thunderstorm cloud (red ellipse indicates thunderstorm cloud)

3 研究過程概況

2018年8月3日15∶00—18∶00，貴州威寧測(cè)站觀測(cè)到一次過頂雷暴過程。雷達(dá)探測(cè)資料顯示(圖4)，該雷暴于14∶38生成于距威寧縣氣象局觀測(cè)站65 km處，主要由兩塊單體構(gòu)成，兩塊單體在空間上呈上下分布(圖4a)。雷暴云初始最大中心回波強(qiáng)度為45 dBz，水平尺度(相對(duì)于雷暴云移動(dòng)方向)為4～5 km，生成后向西往測(cè)站方向移動(dòng)；15∶48上下兩個(gè)雷暴單體開始合并連接(圖4b、4c)，此時(shí)整個(gè)雷暴云水平尺度為12～15 km，雷暴云邊緣離測(cè)站14.07 km，中心距離測(cè)站21.372km，雷暴云開始進(jìn)入大氣電場(chǎng)儀探測(cè)范圍內(nèi)。之后雷暴云繼續(xù)向西移動(dòng)，于16∶28移動(dòng)到測(cè)站頂部(圖4d)，并于16∶51繼續(xù)向西移出測(cè)站。雪山雙偏振雷達(dá)在17∶20左右出現(xiàn)斷電故障，因此在17∶15后缺少觀測(cè)數(shù)據(jù)，但從雷達(dá)回波演變及閃電發(fā)生情況可知雷暴在測(cè)站過頂時(shí)處于發(fā)展階段，在離開測(cè)站后進(jìn)入成熟階段，可以從閃電定位監(jiān)測(cè)到17∶00以后在雷暴云過境區(qū)域閃電發(fā)生頻次高。

4 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分析

靜電場(chǎng)是由電荷建立的，雷暴的發(fā)生來源于雷雨云內(nèi)部的電荷累積，這意味著只要能夠準(zhǔn)確檢測(cè)空間靜電場(chǎng)的變化，就可以間接了解雷雨云電荷累積的情況。大氣電場(chǎng)儀探測(cè)到的雷暴云地面電場(chǎng)數(shù)據(jù)是雷暴云內(nèi)不同極性電荷區(qū)共同作用的結(jié)果，由于雷暴云在靠近測(cè)站、過頂和遠(yuǎn)離測(cè)站時(shí)雷暴云內(nèi)不同高度上的電荷區(qū)距離測(cè)站的距離不同，因此雷暴云內(nèi)不同高度的電荷區(qū)對(duì)地面產(chǎn)生的電場(chǎng)貢獻(xiàn)量存在明顯差異。在雷暴云距離測(cè)站較遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)站地面電場(chǎng)主要由雷暴云中上部電荷所貢獻(xiàn)，當(dāng)雷暴云距離測(cè)站較近或過頂時(shí)，雷暴云下部電荷區(qū)對(duì)測(cè)站觀測(cè)電場(chǎng)貢獻(xiàn)量較大。因此，根據(jù)雷暴云與測(cè)站距離關(guān)系所探測(cè)到的地面電場(chǎng)極性的演變可以大致表征雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)的垂直方向分布特征。對(duì)大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，得到雷暴云發(fā)展演變過程大氣電場(chǎng)的時(shí)序變化(圖5)。

圖5 地面電場(chǎng)演變特征Fig.5 Evolution characteristics of surface electric field

從地面電場(chǎng)演變可以看出，電場(chǎng)在整個(gè)過程中表現(xiàn)出抖動(dòng)特征，16∶28—16∶58時(shí)段內(nèi)是電場(chǎng)極性轉(zhuǎn)變最為突出的時(shí)段，整個(gè)過程電場(chǎng)值不是很高。為了分析不同電荷對(duì)大氣電場(chǎng)貢獻(xiàn)，文中定義頭頂為正電荷時(shí)，地面電場(chǎng)為正值，相反地面電場(chǎng)為負(fù)值。在雷暴生成(15∶00左右)向測(cè)站方向移動(dòng)過程中，電場(chǎng)一直保持為負(fù)電場(chǎng)，地面電場(chǎng)被雷暴云內(nèi)負(fù)電荷區(qū)所控制，但整個(gè)電場(chǎng)值不大。在16∶28地面電場(chǎng)首次轉(zhuǎn)為正極性電場(chǎng)，地面電場(chǎng)轉(zhuǎn)為由正電荷區(qū)所控制，此時(shí)雷暴云剛好靠近測(cè)站，正電場(chǎng)增長比較快，電場(chǎng)在16∶34出現(xiàn)最大值1.75 kV/m，此時(shí)雷暴正處于過頂階段。在16∶58之前，地面電場(chǎng)主要以正極性電場(chǎng)為主，期間發(fā)生兩次正極性到負(fù)極性的跳轉(zhuǎn)(表1)，分別為16∶38∶07—16∶39∶33與16∶41∶46—16∶43∶13，但負(fù)極性電場(chǎng)維持時(shí)間較短，不超過3 min。結(jié)合圖4雷達(dá)回波演變，在雷暴云過頂階段雷暴云已經(jīng)由開始的兩塊回波進(jìn)行了合并，在空間尺度上形呈豎型長塊回波，因此可以推斷過頂時(shí)雷暴云內(nèi)部距離測(cè)站較遠(yuǎn)的負(fù)電荷區(qū)對(duì)兩次短時(shí)的負(fù)電場(chǎng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，但是從過頂階段電場(chǎng)整體演變特征看，電場(chǎng)是由距離測(cè)站最近的正電荷區(qū)所控制，這就是雷暴云LPCC區(qū)控制電場(chǎng)，說明此雷暴云底部存在局部的正電荷區(qū)。在16∶58以后，電場(chǎng)開始轉(zhuǎn)為負(fù)電場(chǎng)，此時(shí)雷暴云開始遠(yuǎn)離測(cè)站，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小并回復(fù)到晴天大氣電場(chǎng)。

表2 雷暴云發(fā)展演變過程地面電場(chǎng)觀測(cè)特征

VLF/LF閃電定位系統(tǒng)不僅能夠探測(cè)云地閃(CG)，還能探測(cè)云閃(IC)輻射源高度與云閃極性，云閃高度和極性的分布可以大致對(duì)雷暴云內(nèi)電荷區(qū)極性與分布提供參考信息。對(duì)雷暴過程三維閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取得到：雷暴過頂階段閃電主要發(fā)生在16∶30與16∶38兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)(表3)。雷暴過頂階段共發(fā)生閃電10次，云閃5次(正云閃3次，負(fù)云閃2次)，地閃發(fā)生5次，全為負(fù)地閃。雖然閃電頻次不多，但閃電強(qiáng)度較大，云閃強(qiáng)度最大達(dá)到64.5 kA，平均值(云閃絕對(duì)值)為36.58 kA，地閃強(qiáng)度最大值為51.3 kA(地閃絕對(duì)值)，平均閃電強(qiáng)度為31.8 kA。

從雷暴過頂階段云閃發(fā)生高度看(圖6a)，3次正云閃除一次發(fā)生高度較低在1.582 km處，另外兩次云閃高度分別達(dá)到3.405 km和3.086 km，均在0 ℃層高度附近，說明在此高度層之上存在正電荷區(qū)的集聚(正云閃方向由正電荷區(qū)指向負(fù)電荷區(qū)，負(fù)云閃相反)，在此高度層附近有負(fù)電荷區(qū)的聚集；再從負(fù)云閃發(fā)生高度看，兩次負(fù)

圖6 雷暴云閃發(fā)生高度與極性分布Fig.6 Height and polarity distribution of thunderstorm cloud flash

表3 雷暴過頂階段產(chǎn)生的云閃和地閃特征 觀測(cè)結(jié)果

云閃發(fā)生高度分別為2.475 km和2.792 km，對(duì)應(yīng)此高度層附近有負(fù)電荷區(qū)及其下部存在一定區(qū)域的正電荷區(qū)的聚集。從地面電場(chǎng)的整體演變分析得知，在雷暴云底部存在一定區(qū)域的正電荷區(qū)(LPCC)，LPCC區(qū)之上存在負(fù)電荷區(qū)。因此，綜合云閃的發(fā)生以及大氣電場(chǎng)演變，初步可以推斷此雷暴云為三極性電荷結(jié)構(gòu)，即下部為正電荷區(qū)，中部為負(fù)電荷區(qū)，上部為正電荷區(qū)。從圖6b雷暴云遠(yuǎn)離測(cè)站(成熟階段)云閃極性及高度分布看，正云閃和負(fù)云閃極性與高度分布與三極性電荷結(jié)構(gòu)是一致的，云閃放電主要發(fā)生在中部主負(fù)電荷區(qū)與下部LPCC區(qū)之間。正云閃發(fā)生高度在1.658～24.733 km，負(fù)云閃發(fā)生高度在1.001～17.12 km。

VLF/LF閃電定位系統(tǒng)探測(cè)到底層仍然有正云閃發(fā)生，說明雷暴云可能電荷結(jié)構(gòu)還更加復(fù)雜，但從推斷結(jié)果看，雷暴云總體是呈現(xiàn)三極性電荷結(jié)構(gòu)，更為復(fù)雜的電荷結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步研究。

不同的雷暴電荷結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生的閃電特征存在明顯差異。張義軍等[23]對(duì)超級(jí)單體雷暴閃電特征進(jìn)行研究，指出正地閃主要發(fā)生在雷暴主體電荷為反三極性電荷區(qū)(底部為負(fù)電荷區(qū)，其上部為正電荷區(qū))的對(duì)流區(qū)域，而負(fù)地閃則發(fā)生在云砧區(qū)，云砧區(qū)是由三極性電荷結(jié)構(gòu)傾斜而形成反偶極性電荷結(jié)構(gòu)(底部為正電荷區(qū)，上部為負(fù)電荷區(qū))，說明直接暴露于地面的底部電荷區(qū)并不是直接對(duì)地放電，閃電的極性與最底層電荷區(qū)之上的電荷區(qū)具有一致的極性，但底部電荷區(qū)的存在是其上部電荷區(qū)對(duì)地放電的一個(gè)必要條件。從目前國際上較為關(guān)注，也得到越來越多人認(rèn)可的閃電雙向先導(dǎo)傳輸模型看，正、負(fù)先導(dǎo)同時(shí)被擊發(fā)，并分別向不同極性的電荷區(qū)發(fā)展延伸[24-25]。正先導(dǎo)向負(fù)電荷區(qū)發(fā)展，負(fù)先導(dǎo)向正電荷區(qū)發(fā)展。近年來有研究利用VHF輻射觀測(cè)資料分析表明閃電雙向先導(dǎo)傳輸?shù)拇嬖?。此次雷暴過頂階段和遠(yuǎn)離階段地閃發(fā)生全部為負(fù)地閃，這與以上分析是吻合的，即雷暴呈現(xiàn)三極性電荷結(jié)構(gòu)，中部負(fù)電荷區(qū)通過底部LPCC向下發(fā)展產(chǎn)生負(fù)地閃。

5 雷暴云粒子分布特征

基于模糊邏輯算法，對(duì)雷暴發(fā)展演變主要時(shí)次粒子進(jìn)行識(shí)別，粒子分類主要基于Dolane and Rutledge研究提出的粒子分類及偏振參量閾值，加入溫度限制，將粒子分為七類：毛毛雨(DZ)、雨(RN)、冰晶聚合物(AG)、冰晶(CR)、低密度霰(LDG)、高密度霰(HDG)、雨夾雹(RH)。

圖7 主要時(shí)次沿雷暴中心粒子識(shí)別垂直剖面(1.45°仰角)Fig.7 Particle recognition vertical profile along the center of thunderstorm (1.45°elevation angle)

圖7給出了主要時(shí)次雷暴中心粒子識(shí)別垂直剖面，圖中縱坐標(biāo)高度為離地高度。從圖6可以觀察到，從雷暴生成到過頂?shù)蛯?～2 km高度主要為毛毛雨和雨，毛毛雨比例較大，結(jié)合該時(shí)段內(nèi)降雨量觀測(cè)結(jié)果較為吻合。在2～6 km高度內(nèi)主要聚集為冰晶聚合物，主要分布在0 ℃層到-20 ℃層高度區(qū)域內(nèi)，冰晶聚合物是由小冰晶聚合在一起形成。在-20 ℃層以上主要為冰晶粒子，從雷暴生成到過頂發(fā)展階段，冰晶粒子的數(shù)量及高度發(fā)展迅速。可以看到，霰粒子是在雷暴過頂時(shí)出現(xiàn)(圖7d～圖7f)，對(duì)應(yīng)雷暴的發(fā)展階段，主要分布在2～3.2 km范圍內(nèi)，面積不大，主要為高密度霰粒子，此時(shí)雷暴開始產(chǎn)生閃電，但閃電發(fā)生頻次不高，地面電場(chǎng)為正電場(chǎng)，是由靠近地面正電荷區(qū)所控制，這也表明霰粒子對(duì)雷暴云底部LPCC區(qū)形成的貢獻(xiàn)。

根據(jù)Takahashi云室實(shí)驗(yàn)提出非感應(yīng)起電機(jī)制[10]，本次雷暴過頂時(shí)對(duì)應(yīng)雷暴的發(fā)展階段，雷暴產(chǎn)生閃電但閃電頻數(shù)不高，表明雷暴云內(nèi)冰水混合區(qū)液態(tài)含水量不是很高，處于適中狀態(tài)。對(duì)照非感應(yīng)起電機(jī)制和雷暴云內(nèi)不同粒子的垂直分布情況，霰粒子處于2～3.2 km，主要分布在0 ℃附近，冰晶聚合物分布在0 ℃層到-20 ℃層高度區(qū)域，而冰晶主要分布在-20 ℃層以上，因此可以推斷在液態(tài)含水量適中情況下，霰粒子帶正電荷聚集在底層，冰晶聚合物帶負(fù)電荷聚集在中上部，重量最輕的冰晶粒子在上升氣流作用下帶到高層帶上正電荷，形成了雷暴云三極性電荷結(jié)構(gòu)分布。底部霰粒子聚集的正電荷區(qū)即LPCC區(qū)，控制雷暴過頂時(shí)地面正電場(chǎng)變化。

在雷暴遠(yuǎn)離測(cè)站，雷暴進(jìn)入成熟階段，此時(shí)雷暴云內(nèi)霰粒子向上伸展高度更高，霰粒子分布更加明顯，主要分布在2～6 km，靠近-20 ℃層為低密度霰粒子，低層為高密度霰粒子，在兩者之間存在小范圍雨夾雹，結(jié)合大氣電場(chǎng)由正極性轉(zhuǎn)為負(fù)極性，地閃在此后大量發(fā)生且均為負(fù)地閃，根據(jù)前述分析直接暴露于地面的底部電荷區(qū)并不是直接對(duì)地放電，閃電的極性與最底層電荷區(qū)之上的電荷區(qū)具有一致的極性，進(jìn)而表明雷暴在遠(yuǎn)離測(cè)站仍然是三極性電荷結(jié)構(gòu)，也間接表明雷暴云下部的LPCC區(qū)為大量負(fù)地閃的發(fā)生創(chuàng)造條件。

6 結(jié)論

利用X波段雙偏振雷達(dá)資料、大氣電場(chǎng)儀資料和VLF/LF三維閃電定位資料，對(duì)發(fā)生在云貴高原臺(tái)地威寧一次過頂雷暴電學(xué)特征及對(duì)云內(nèi)降水粒子進(jìn)行反演分析，主要結(jié)果如下：

(1)雷暴云在發(fā)展和成熟階段主要表現(xiàn)為三極性電荷特征，即上部正電荷區(qū)、中部負(fù)電荷區(qū)和底部的正電荷區(qū)(LPCC)。

(2)霰粒子和冰晶的演變特征與雷暴發(fā)展、成熟階段對(duì)應(yīng)比較一致，霰粒子和冰晶粒子的演變與雷暴的起電存在密切關(guān)系。

(3)霰-冰晶起電機(jī)制可以較好解釋此次雷暴云所形成的三極性電荷。

(4)VLF./LF三維閃電定位系統(tǒng)探測(cè)到的云閃輻射源信息對(duì)雷暴云電荷區(qū)的大致分布具有一定指示作用，更多信息可以在后續(xù)研究中進(jìn)行挖掘。