余海 張廷龍 陳陽 呂偉濤 趙小平 陳潔

1) (海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海口 570203)

2) (中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

3) (西昌衛(wèi)星發(fā)射中心, 西昌 615000)

利用球載電場(chǎng)探空儀于2019年8月12日在海南島東北部海岸線附近獲得的一次局地雷暴消散階段的云內(nèi)電場(chǎng)探空資料, 結(jié)合S波段天氣雷達(dá)、地面大氣平均電場(chǎng)儀、地閃定位等觀測(cè)資料, 詳細(xì)分析了該雷暴的演變過程和電學(xué)特征.由電暈電流反演的垂直電場(chǎng)廓線可知, 云內(nèi)正、負(fù)電場(chǎng)最大值分別位于大約6.3和8.3 km處, 垂直方向上, 云內(nèi)分布著6個(gè)電荷區(qū), 最下部為負(fù)電荷區(qū), 往上依次改變極性, 且所有電荷區(qū)都位于零度層以上的混合相區(qū)域.由于數(shù)據(jù)中斷, 無法準(zhǔn)確判斷上部負(fù)電荷區(qū)上部邊界以及其上方的正電荷區(qū)信息, 其余四個(gè)電荷區(qū)分別位于海拔高度6.0—6.3 km, 6.3—6.6 km, 6.9—7.3 km以及7.3—8.3 km之間, 電荷密度分別為–1.84, 1.80, –1.46和1.04 nC/m3.由已有數(shù)據(jù)推算, 最上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度應(yīng)大于–0.51 nC/m3,其電荷區(qū)相對(duì)強(qiáng)度僅次于靠近其下部邊界的正電荷區(qū), 兩者電荷區(qū)厚度都超過1 km.

1 引 言

已有的研究表明, 雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)是雷暴云動(dòng)力結(jié)構(gòu)、水成物粒子分布和起電機(jī)制共同作用的結(jié)果, 在雷暴發(fā)展的不同階段, 其電荷結(jié)構(gòu)也存在一定的差異.由于雷暴云內(nèi)電荷區(qū)的分布及其強(qiáng)度很大程度上決定了雷暴的閃電活動(dòng)特征, 因此, 關(guān)于雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的研究一直是大氣電學(xué)的熱點(diǎn)問題.

雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的研究方法大致可以分為三類: 第一類是通過電場(chǎng)探空儀實(shí)現(xiàn)對(duì)云內(nèi)電場(chǎng)的直接測(cè)量和電荷區(qū)的識(shí)別[1?8]; 第二類是通過對(duì)閃電的多站同步觀測(cè), 計(jì)算閃電中和電荷源位置或?qū)﹂W電脈沖的定位實(shí)現(xiàn)對(duì)電荷結(jié)構(gòu)的反演[9?19]; 第三類是基于耦合了起電參數(shù)化方案的數(shù)值模式模擬雷暴發(fā)展過程中的電荷區(qū)分布[20?23].

早期的電場(chǎng)探空觀測(cè)發(fā)現(xiàn)云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)呈三極性特征, 即雷暴云的上部和下部為正電荷區(qū),中部為負(fù)電荷區(qū).后來的一些電場(chǎng)探空觀測(cè)進(jìn)一步證實(shí)了這一電荷分布模型[24?28].另外, 基于耦合了非感應(yīng)起電機(jī)制起電參數(shù)化方案為主的雷暴云數(shù)值模式, 其模擬結(jié)果也基本符合偶極性和三極性的結(jié)構(gòu)特征[20?23,29?33].這些研究使得三極性電荷結(jié)構(gòu)被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同和接受.然而, 有些觀測(cè)表明雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比三極性結(jié)構(gòu)復(fù)雜.Marshall和Rust[2]分析了12次電場(chǎng)探空的觀測(cè)數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)大部分雷暴的電荷區(qū)數(shù)目都在3個(gè)以上, 個(gè)別甚至達(dá)到了10個(gè).Rust 和 Marshall[34]指出云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜, 僅以偶極性和三極性電荷結(jié)構(gòu)模型討論電荷結(jié)構(gòu)特征過于簡(jiǎn)單, 需要一個(gè)更為合理準(zhǔn)確的電荷結(jié)構(gòu)模型.Stolzenburg等[35?37]通過一系列探空觀測(cè)實(shí)驗(yàn), 總結(jié)分析了單體雷暴和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的電荷結(jié)構(gòu), 研究結(jié)果表明在雷暴云上升氣流區(qū)內(nèi)部和外部具有多個(gè)電荷區(qū)(分別為4個(gè)和不少于6個(gè)), 且最下部均為正電荷區(qū).對(duì)于中尺度對(duì)流系統(tǒng)而言, 對(duì)流降水區(qū)電荷分布與雷暴云內(nèi)基本一致, 而層云降水區(qū)垂直方向分布5個(gè)電荷區(qū),底部為負(fù)電荷區(qū), 往上依次改變極性.另外還有些雷暴的中部為正電荷區(qū), 而上下為負(fù)電荷區(qū)[4,38?43],這與經(jīng)典的三極性電荷結(jié)構(gòu)相反, 被稱為反極性電荷結(jié)構(gòu).有些雷暴的電荷結(jié)構(gòu)具有明顯的地域性和季節(jié)性差異, 如中國(guó)青藏高原地區(qū)的夏季雷暴[10,17,44], 大多呈現(xiàn)三極性結(jié)構(gòu)特征但下部正電荷區(qū)比低緯度地區(qū)雷暴要大得多; 以及對(duì)流層頂高度相對(duì)較低, 成熟階段電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三極性結(jié)構(gòu)的日本冬季雷暴[45,46].這些觀測(cè)事實(shí)進(jìn)一步表明雷暴電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性.

目前, 有關(guān)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的研究主要集中在中緯度地區(qū).熱帶地區(qū)雷暴及雷電活動(dòng)頻繁, 且其電學(xué)特征具有一定的區(qū)域性特征, 但相關(guān)雷暴電學(xué)特征的觀測(cè)研究仍然有限.Takahashi和Isono[47]在夏威夷島莫納克亞山開展了暖云內(nèi)雨滴等粒子荷電信息的探空觀測(cè), 根據(jù)荷電粒子估算云內(nèi)電荷區(qū)分布及其強(qiáng)度.觀測(cè)結(jié)果表明, 暖云下部主要分布著帶正電荷的雨滴粒子, 而暖云上部則以負(fù)極性降水粒子為主.Takahashi[48]在夏威夷島希洛機(jī)場(chǎng)附近獲取的暖云內(nèi)粒子探空觀測(cè)數(shù)據(jù)表明, 成熟階段的電荷結(jié)構(gòu)符合三極性電荷結(jié)構(gòu)模型, 但不同尺度的暖云內(nèi)部電荷結(jié)構(gòu)存在較大差異.另外,Takahashi[49]還在西太平洋的密克羅尼西亞群島的波納佩島進(jìn)行了雷暴云內(nèi)荷電粒子的探空觀測(cè),指出該地區(qū)雷暴云內(nèi)電荷分布與中緯度地區(qū)常規(guī)雷暴電荷結(jié)構(gòu)基本一致.Takahashi和Keenan[50]采用攝像探空對(duì)澳大利亞颮線進(jìn)行了多達(dá)14次的帶電粒子觀測(cè)研究, 雷暴整體呈三極性電荷結(jié)構(gòu)特征且上部正電荷區(qū)一直延伸到了云砧處.Mohanty和Kumar[51]在印度的普納通過地面電場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備分析了當(dāng)?shù)乩妆┰齐姾山Y(jié)構(gòu)特征, 指出雷暴云內(nèi)存在范圍較大的主負(fù)電荷區(qū)和下部正電荷區(qū).Falade和 Adesanya[52,53]利用數(shù)值模式模擬了雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)分布, 結(jié)果顯示, 典型的熱帶雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)比經(jīng)典三極性電荷結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜, 底層正電荷區(qū)可能不止一個(gè), 另外尺寸有可能比常規(guī)的大.

海南島位于北回歸線以南, 屬熱帶海洋性氣候, 島上及周邊區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)頻繁.余海等[54]研究發(fā)現(xiàn), 海南島閃電活動(dòng)主要在4月—10月, 呈雙峰變化特征, 峰值分別出現(xiàn)于5月和8月.除了雷暴天氣, 臺(tái)風(fēng)也可產(chǎn)生大量的閃電.關(guān)于該地區(qū)雷暴電學(xué)特征的研究主要依賴于地面電場(chǎng)和地閃定位的多站觀測(cè), 缺乏雷暴云內(nèi)電場(chǎng)特征直接觀測(cè)結(jié)果.為了進(jìn)一步研究熱帶地區(qū)雷暴云的電荷結(jié)構(gòu),本團(tuán)隊(duì)于2019年夏季在海南島東北部沿海地區(qū)開展了電場(chǎng)探空觀測(cè)實(shí)驗(yàn), 雖然海南島夏季全島局地對(duì)流較多, 但測(cè)站上空適合開展探空觀測(cè)的天氣過程較少, 而且無法保證探空氣球次次成功穿越雷暴云, 因此目前獲取的熱帶地區(qū)雷暴云內(nèi)電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)樣本非常有限, 本文選取了2019年8月12日的一次局地雷暴過程在消散階段的電場(chǎng)探空資料, 詳細(xì)地分析了該雷暴的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu), 這對(duì)于進(jìn)一步理解和認(rèn)知熱帶地區(qū)海洋性氣候顯著影響下的雷暴及其電荷結(jié)構(gòu)具有重要意義.

2 設(shè)備及觀測(cè)

2019年夏季, 項(xiàng)目組在海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)(110.96°E, 19.64°N, 海拔高度20 m)開展了雷暴云內(nèi)電場(chǎng)探空的穿云觀測(cè)實(shí)驗(yàn).觀測(cè)實(shí)驗(yàn)采用的是自行研制的雷暴云內(nèi)電場(chǎng)探空觀測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱探空系統(tǒng)).

探空系統(tǒng)包括球載探空儀和地面數(shù)據(jù)接收終端(地面接收)兩部分[8,55].探空儀部分集成了GPS傳感器、電暈電流傳感器、溫濕度傳感器.探空系統(tǒng)在之前工作基礎(chǔ)上作了一定的改動(dòng), 主要體現(xiàn)在通訊方式上, 探空儀將采集的位置和高度、電暈電流、溫濕度等數(shù)據(jù)經(jīng)由433 MHz頻段傳輸至地面接收終端, 數(shù)據(jù)的采樣速率為1 Hz.探空儀的空中電場(chǎng)信息采集部分采用雙電暈探針作為傳感器, 根據(jù)電暈放電的原理設(shè)計(jì)而成.而通過室內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果和野外觀測(cè)數(shù)據(jù), 可以擬合出電暈電流與電場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系式為[55]

其中I為電暈電流, 單位為μA,E和E0分別為實(shí)時(shí)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和閾值電場(chǎng)強(qiáng)度, 單位為kV/m.考慮到電暈探針測(cè)量的僅是電場(chǎng)值在探針平行方向的分量, 在實(shí)際觀測(cè)中, 為保證探空儀在飛行過程中盡量垂直于地面, 內(nèi)部較重組件安裝在探空儀底部, 雙電暈探針垂直于地面安裝在探空儀外側(cè),盡可能保證在探空過程中探針保持垂直, 這樣測(cè)到的電場(chǎng)主要以垂直分量為主, 雖然在空中不可避免地有一定擺動(dòng), 造成直接測(cè)量值受到水平電場(chǎng)分量的影響.但考慮到云內(nèi)電荷區(qū)的分布主要依賴于溫度層結(jié)且電荷水平分布近似均勻[2,3], 那么, 電場(chǎng)垂直分量要遠(yuǎn)大于水平電場(chǎng), 若忽略水平電場(chǎng)的貢獻(xiàn), 反演得到的電場(chǎng)值就是垂直電場(chǎng)值, 那么可根據(jù)一維高斯近似方法計(jì)算探空儀穿越的電荷區(qū)電荷密度(單位: nC/m3), 如(2)式所示, 其中為空氣的介電常數(shù)(8.86 × 10–12F/m)[55].為準(zhǔn)確描述電場(chǎng)演變, 本文定義電暈電流方向豎直向下時(shí),電流極性為正, 對(duì)應(yīng)的空中電場(chǎng)也為正電場(chǎng).地面大氣電場(chǎng)以豎直向下的電場(chǎng)方向?yàn)檎? 即測(cè)站上方受正電荷區(qū)控制時(shí), 地面電場(chǎng)為正電場(chǎng).

另外, 為準(zhǔn)確判斷雷暴的發(fā)生發(fā)展情況, 進(jìn)而更好地分析雷暴的電荷結(jié)構(gòu), 本文還分析了?？谑械腟波段多普勒天氣雷達(dá)資料和文昌龍樓站的大氣地面電場(chǎng)資料以及海南省地閃定位資料等.站點(diǎn)位置分布如圖1所示, 探空點(diǎn)位于雷達(dá)站(110.25°E, 20.00°N)的東南方向, 距離雷達(dá)站直線距離約為84.6 km, 靠近海南島東北部海岸線.地面大氣電場(chǎng)儀與探空點(diǎn)安置在同一位置.

海南省地閃定位網(wǎng)是中國(guó)氣象局統(tǒng)一布局的地閃定位系統(tǒng)(advanced digital thunder detecting,ADTD), 具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛用于科研和業(yè)務(wù)[56,57].ADTD能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)范圍內(nèi)的地閃活動(dòng), 由6個(gè)子站組成, 其中包括三沙子站和海南島上的5個(gè)子站, 分別是?？?110.25°E, 20.00°N), 三亞(109.54°E, 18.23°N), 瓊中(109.83°E, 19.04°N), 瓊海(110.46°E, 19.24°N)以及東方(108.64°E, 19.09°N), 如圖1所示.因探測(cè)范圍限制, 位于三沙的定位子站未列在圖中.為確保定位精確, 本文處理地閃定位資料時(shí), 根據(jù)地閃多站定位原理, 對(duì)地閃定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選, 剔除了2站及2站以下定位方式獲取的數(shù)據(jù).

3 結(jié)果及分析

3.1 天氣形勢(shì)分析

為了對(duì)分析的雷暴有更為深刻的認(rèn)識(shí), 這里對(duì)雷暴發(fā)生的大氣背景條件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.圖2給出了8月12日08時(shí)850 hPa風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度以及500 hPa等高線, 500 hPa中高緯為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì), 在110°E附近有一深厚的西風(fēng)槽, 槽底向南延伸至廣西地區(qū), 移速緩慢, 其西側(cè)的新疆地區(qū)也有一個(gè)高空槽發(fā)展.低緯地區(qū), 臺(tái)風(fēng)“羅莎”在西太平洋上逐漸向西北移動(dòng), 印度洋孟加拉灣海域有低渦, 海南島位于副高北側(cè), 副高北側(cè)的西到西南氣流向海南島輸送暖濕空氣, 與西風(fēng)槽底后部的偏北氣流相互作用, 為對(duì)流性天氣的發(fā)展提供背景條件.850 hPa海南島位于孟加拉灣低渦與臺(tái)風(fēng)“羅莎”之間, 孟加拉灣低渦南側(cè)的西南氣流越過中南半島下沉進(jìn)入南海, 海南島位于平直的偏西風(fēng)氣流中, 無切變線系統(tǒng), 且關(guān)鍵區(qū)背景場(chǎng)風(fēng)速較小,高壓控制下具有弱背景風(fēng)場(chǎng)的環(huán)流形勢(shì), 有利于海陸風(fēng)和低層輻合線的形成和發(fā)展, 且?？谡?8時(shí)探空數(shù)據(jù)顯示對(duì)流有效位能為1025 J/kg, 此背景下有利于局地對(duì)流的生成.

圖1 (a)探空觀測(cè)設(shè)備分布圖; (b) (a)圖方框部分放大圖.▲: 探空點(diǎn); ☆: ADTD定位子站; ★: 雷達(dá)站和ADTD定位子站Fig.1.(a) Distribution of Sounding observation in Hainan Province; (b) enlarged view of the section in the square of picture (a).▲: Sounding site; ☆: Substations of ADTD; ★: Radar site and ADTD substation.

圖2 8月12日08時(shí)850 hPa風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度以及500 hPa等高線(北京時(shí)間, BJT)Fig.2.The wind, relative humidity (850 hPa) and geopotential height field (500 hPa) at 8:00 (BJT) on August 12,2019.

3.2 雷達(dá)回波特征

圖3 雷暴不同階段的回波強(qiáng)度(高度2 km).▲: 探空點(diǎn)Fig.3.Radar echo intensity of thunderstorm in different stages ▲: Sounding site.

2019年8月12日16:24左右(北京時(shí)間, 下同), 海南島東部沿海和中部區(qū)域出現(xiàn)了對(duì)流性天氣, 文昌東部局地出現(xiàn)了尺度較小的局地對(duì)流系統(tǒng), 從格點(diǎn)化處理[58]的雷達(dá)回波圖3可知, 此時(shí)回波面積較小(16:24), 強(qiáng)回波中心位于探空點(diǎn)北側(cè)且強(qiáng)度達(dá)到45 dBZ以上.隨著天氣系統(tǒng)的發(fā)展,該云團(tuán)向東部沿海移動(dòng), 強(qiáng)回波中心面積繼續(xù)擴(kuò)大(16:47).天氣系統(tǒng)呈西南-東北方向狹長(zhǎng)形態(tài),主體位于探空測(cè)站的正北方向.云團(tuán)后方(相對(duì)于移動(dòng)方向)局地發(fā)展起來的對(duì)流單體開始合并到整個(gè)系統(tǒng)中, 回波強(qiáng)度超過45 dBZ, 云團(tuán)前端回波強(qiáng)度開始減弱(17:04), 整個(gè)天氣系統(tǒng)面積進(jìn)一步擴(kuò)大, 系統(tǒng)南部邊緣逐漸靠近探空點(diǎn)上空.隨后雷暴系統(tǒng)繼續(xù)往東往南移動(dòng), 17:21左右合并后的雷暴系統(tǒng)(T1)發(fā)展至最旺盛階段, 雷暴系統(tǒng)強(qiáng)回波中心已經(jīng)到達(dá)探空點(diǎn)附近, 之后回波強(qiáng)度逐漸減弱,17:44左右探空點(diǎn)已完全被雷暴云覆蓋(此時(shí)測(cè)站已經(jīng)開始降雨并伴隨有雷聲), 雷暴云強(qiáng)度進(jìn)一步減弱, 此時(shí)位于海南島東部沿海地區(qū)的另一雷暴系統(tǒng)(T2)往北移動(dòng)過程中, 云體邊緣已經(jīng)影響到T1雷暴云后端.18:07, 雷暴系統(tǒng)T1后端已與T2合并, 強(qiáng)回波中心再一次擴(kuò)大且強(qiáng)度超過了50 dBZ,而T1前端回波強(qiáng)度已減弱至40 dBZ, 雷暴系統(tǒng)T1云體開始分裂.隨著T1云體前端繼續(xù)東移, 云體前端和尾部分裂成兩部分.到18:30雷暴云前端已減弱成降水云, 測(cè)站上空以層云為主.雷暴系統(tǒng)T2繼續(xù)發(fā)展, 但未影響到探空點(diǎn).

3.3 探空路徑

本次探空時(shí)段為18:03:26—18:37:49, 探空時(shí)長(zhǎng)約為34 min, 氣球施放后大約3 min探空儀進(jìn)云, 云底高度位于海拔900 m高度處.圖4給出了探空氣球的飛行軌跡, 探空儀從18:03分放飛后,探空儀隨時(shí)間變化一直保持著上升狀態(tài), 最大高度信息停留在10.2 km左右(圖4(a)).探空儀水平向東偏南飛行, 向東漂移超過10 km(圖4(c)), 而在南北方向僅向南移動(dòng)約3 km(圖4(d)).此后GPS接收失效, 探空儀未能繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù).結(jié)合雷暴系統(tǒng)回波演變情況, 可以確定, 這次探空開始于雷暴消散階段.圖5給出了18:07雷暴系統(tǒng)在高度2 km處的回波平面圖(圖5(a)), 并按AB直線方向獲取雷達(dá)回波的垂直剖面圖(圖5(b)), 該直線方向基本與探空路徑水平投影重合.由圖5(b)可知, 雷暴系統(tǒng)已完全覆蓋探空點(diǎn), 強(qiáng)回波中心位于雷暴系統(tǒng)的尾部, 強(qiáng)度為45 dBZ, 對(duì)應(yīng)云頂高度的海拔超過了13 km, 但探空點(diǎn)上空回波強(qiáng)度已經(jīng)減弱.從探空路徑與回波剖面的疊加來看(圖5(b)),探空儀放飛后, 朝著東部海域逐漸上升, 探空儀沿強(qiáng)回波中心邊緣上升, 穿越的云層回波強(qiáng)度較弱,也并未進(jìn)入云頂雷暴最強(qiáng)中心.該雷暴云頂超過13 km, 而探空數(shù)據(jù)在10.2 km高度處發(fā)生中斷,該高度對(duì)應(yīng)的回波在15—20 dBZ, 探空穿過了云體大部分區(qū)域.根據(jù)張廷龍等[8]關(guān)于不同探空路徑對(duì)探空結(jié)果的模擬研究結(jié)果, 若探空氣球不是沿著雷暴邊緣上升, 那么探空觀測(cè)結(jié)果能夠較好地代表雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu), 根據(jù)圖5(b)及上述分析結(jié)果,此次實(shí)驗(yàn)的探空路徑上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好地反映云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度.

圖4 探空氣球路徑 (a) 氣球飛行高度隨時(shí)間變化曲線;(b) 水平投影; (c) 東西方向的立體投影; (d) 南北方向的立體投影; (e) 空間飛行軌跡Fig.4.The Sounding path: (a) Height-time plots; (b) plan view; (c) west-east ward vertical projection; (d) north-south ward vertical projection; (e) height-distance plots.

3.4 上升速度及電場(chǎng)廓線特征

通過計(jì)算GPS位置信息和電暈電流, 得到了圖6所示的探空氣球的上升速度、電暈電流、反演的空中電場(chǎng)強(qiáng)度以及電荷密度(電荷區(qū))隨高度的變化情況.可以看出, 7.5 km高度以下, 氣球上升時(shí)無明顯的加速和減速過程, 速度基本保持在5 m/s左右, 這與雷暴云內(nèi)垂直氣流比較穩(wěn)定有關(guān).而在7.5—9.0 km高度之間(對(duì)應(yīng)云內(nèi)15—25 dBZ的回波區(qū)), 氣球上升速度先是逐漸減小, 在8.2 km高度左右達(dá)到最小值2 m/s, 然后又逐漸增大至6 m/s左右.離地9.0 km高度以上氣球上升速度又恢復(fù)至平均值水平.

由圖6(b)可知, 電暈電流在云底附近(海拔900 m)已經(jīng)開始變化, 空中電場(chǎng)向負(fù)極性變化, 電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到約–26.0 kV/m開始向正極性方向減小.直到6 km高度左右, 電暈電流出現(xiàn)較大變化,電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng); 從電場(chǎng)廓線來看, 最強(qiáng)負(fù)電場(chǎng)出現(xiàn)在海拔8.2—8.4 km范圍, 電場(chǎng)達(dá)到飽和狀態(tài),電場(chǎng)強(qiáng)度為–63.8 kV/m.而最強(qiáng)正電場(chǎng)出現(xiàn)在海拔6.2—6.4 km, 電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到62.8 kV/m并且也達(dá)到飽和.

圖5 探空路徑及雷達(dá)回波特征(18:07) (a) 回波平面圖, 直線AB為垂直剖面位置; (b) 探空路徑與回波垂直剖面疊加.其中▲為探空點(diǎn)位置Fig.5.Sounding path and the corresponding Radar echo characters (18:07): (a) Radar echo characters during the sounding stage;(b) superposition image of radar echo vertical cross section of line AB in Fig.(a) and sounding path.▲: Sounding site.

圖6 8月12日探空分析結(jié)果 (a) 氣球上升速度; (b) 電暈電流; (c) 空中電場(chǎng)(E)和溫度(T); (d) 電荷密度Fig.6.Sounding results in thunderstorm on August 12, 2019: (a) Ascending velocity; (b) corona current; (c) E-field (E) and temperature (T); (d) charge density.

3.5 電荷區(qū)垂直分布特征

依據(jù)高斯定理在垂直方向的一維近似, 計(jì)算各電荷區(qū)的位置和電荷密度.如圖6(d)所示, 探空儀依次穿越了5個(gè)電荷區(qū), 分別為N1, P1, N2, P2和N3, 其中N代表負(fù)電荷區(qū), P代表正電荷區(qū).可見, 該雷暴云在探空時(shí)段底部為負(fù)極性電荷區(qū), 往上的4個(gè)電荷區(qū)極性依次交替變化, 最上部為負(fù)電荷區(qū), 由溫度曲線可知, 5個(gè)電荷區(qū)均位于0 ℃層以上的混合相區(qū)域.

結(jié)合電場(chǎng)廓線(圖6(c))可知, 電場(chǎng)在海拔高度6.3 km左右趨于飽和, 但電場(chǎng)達(dá)到飽和的高度區(qū)間較短, 對(duì)計(jì)算最下部的負(fù)電荷區(qū)(N1)和其上部正電荷區(qū)(P1)電荷區(qū)電荷密度和厚度影響較小, 在計(jì)算過程中根據(jù)電場(chǎng)廓線飽和前后的變化趨勢(shì), 推斷N1和P1電荷區(qū)的邊界位于6.3 km高度左右.因此得出, 電荷區(qū)N1處于海拔高度6.0—6.3 km之間, 電荷密度為–1.84 nC/m3, 厚度約300 m.其上部正電荷區(qū)P1底部邊界位于6.3 km高度左右.按照電場(chǎng)廓線實(shí)際情況, P1電荷區(qū)處在6.3—6.6 km之間, 電荷密度約為1.80 nC/m3.上部負(fù)電荷區(qū)(N2)分布在6.9—7.3 km之間, 電荷密度約為–1.46 nC/m3.另外最上部?jī)蓚€(gè)正負(fù)電荷區(qū)(P2和N3)電荷密度依次為1.04和–0.51 nC/m3.電荷區(qū)P2和N3厚度較大, 分別約為1.0和1.5 km, 其中P2位于海拔7.3—8.3 km之間, 而N3處于海拔8.3 km以上區(qū)域.由于在海拔高度10.1 km處探測(cè)到的電場(chǎng)為正極性, 這表明正極性電場(chǎng)必然會(huì)在數(shù)據(jù)缺失的區(qū)域(10.1—12.0 km)回歸到零值, 那么N3負(fù)電荷區(qū)的厚度及電荷密度可能比當(dāng)前結(jié)果更大, 而且在其上方必然存在一個(gè)正電荷區(qū), 但由于數(shù)據(jù)中斷, 無法給出該電荷區(qū)的垂直范圍和強(qiáng)度等信息.綜上所述, 0 ℃層上方區(qū)域應(yīng)該存在至少6個(gè)較大范圍的電荷區(qū), 其中底部電荷區(qū)為負(fù)極性, 往上極性依次交替改變.需要指出的是, 從電場(chǎng)廓線的變化可以看出, 在8.3—9.0 km以及9.5—10.0 km之間, 電荷區(qū)N3還可以細(xì)分出幾組電荷區(qū), 但考慮到其厚度太小(100 m左右),未將其描繪在圖6中, 這可能是雷暴系統(tǒng)處于消散階段, 云內(nèi)下沉氣流占主導(dǎo), 在其影響下, 上層的正電荷隨下沉氣流降至這些區(qū)域.

一維高斯公式的計(jì)算是基于云內(nèi)電荷水平均勻分布的假設(shè)條件[2?4,59], 因此, 電荷區(qū)的電荷密度與其厚度的乘積可以用來大致判斷各電荷區(qū)的相對(duì)強(qiáng)度.由(2)式可知,與?E是線性關(guān)系, 那么可以用?E來表征各電荷區(qū)的相對(duì)強(qiáng)度,云內(nèi)自下而上的5個(gè)電荷區(qū)相對(duì)強(qiáng)度分別約為62.76, –62.76, 55.95, –119.79和90.82 kV/m, 這表明上部正電荷區(qū)(P2)強(qiáng)度最強(qiáng), 其次是上部負(fù)電荷區(qū)(N3), 而其他幾個(gè)電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度值相對(duì)較小.底部的正負(fù)電荷區(qū)(N1和P1)強(qiáng)度相差很小且厚度也相差不大.

3.6 雷暴的地面電場(chǎng)及閃電活動(dòng)特征

探空點(diǎn)安裝的倒置場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀獲取的資料顯示(圖7), 測(cè)站附近地面電場(chǎng)從16:33開始出現(xiàn)震蕩, 雷暴云開始發(fā)展并逐漸靠近探空點(diǎn).整體來看, 電場(chǎng)波形先負(fù)極性震蕩后轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性, 最后又變化為負(fù)極性.直至18:25, 地面電場(chǎng)都呈現(xiàn)負(fù)極性震蕩特征, 而從圖3雷暴系統(tǒng)演變規(guī)律可知,這一時(shí)段包含該雷暴系統(tǒng)發(fā)展階段、成熟階段以及消散階段早期, 這說明該雷暴系統(tǒng)在不斷靠近直至覆蓋探測(cè)點(diǎn)的過程中, 負(fù)電荷區(qū)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位, 影響著地面電場(chǎng)的變化.而18:25以后, 電場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變至正極性, 地面電場(chǎng)受正電荷控制長(zhǎng)達(dá)1 h左右.圖中紅色豎直線間時(shí)段表征的是探空施放時(shí)段.探空施放期間地面電場(chǎng)主要以負(fù)極性為主, 測(cè)站上空受負(fù)電荷區(qū)控制, 這與探空儀首先穿越的是負(fù)電荷區(qū)是一致的.18:36后地面電場(chǎng)呈現(xiàn)正極性變化且電場(chǎng)強(qiáng)度最高達(dá)到了12 kV/m, 隨后電場(chǎng)向負(fù)極性方向變化, 這一現(xiàn)象與測(cè)站上空云層覆蓋有關(guān).從該時(shí)段雷達(dá)回波的垂直剖面(圖略)上可發(fā)現(xiàn)探空點(diǎn)上空海拔高度5 km左右云內(nèi)回波強(qiáng)度達(dá)到25 dBZ, 處于消散階段的雷暴云仍舊影響著地面電場(chǎng)的變化.

圖7 雷暴地面電場(chǎng)演變特征, 其中紅色豎線之間區(qū)域?yàn)樘娇沼^測(cè)階段Fig.7.Evolution characteristics of ground E-field of thunderstorm, in which the duration between two red vertical lines was the sounding stage.

本次雷暴過程過境測(cè)站上空時(shí)已經(jīng)減弱, 從ADTD閃電定位監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖略)發(fā)現(xiàn), 探空時(shí)段(前后各一小時(shí)時(shí)段)探空測(cè)站20 km范圍未監(jiān)測(cè)到地閃活動(dòng), 閃電活動(dòng)集中發(fā)生在探空測(cè)站西側(cè)雷暴系統(tǒng)T1尾部(圖8), 探空時(shí)段內(nèi)共計(jì)發(fā)生43次地閃, 其中正地閃4次, 其余都為負(fù)地閃.而18:00前, ADTD閃電定位系統(tǒng)未監(jiān)測(cè)到雷暴系統(tǒng)T1發(fā)生地閃活動(dòng).由圖3可知, 17:21左右, 該雷暴系統(tǒng)發(fā)展成熟, 但無地閃活動(dòng)發(fā)生.直至該雷暴系統(tǒng)尾部與南部的雷暴系統(tǒng)T2合并, 閃電活動(dòng)開始發(fā)生,主要發(fā)生在強(qiáng)回波中心.但從地面電場(chǎng)演變特征(圖7)可知, 探空觀測(cè)階段, 地面電場(chǎng)波形中也存在著閃電引起的跳變脈沖, 而地面大氣電場(chǎng)儀有效探測(cè)半徑一般約為15 km, 這個(gè)探測(cè)半徑遠(yuǎn)小于探空點(diǎn)與雷暴系統(tǒng)T1尾部強(qiáng)回波中心之間的距離,電場(chǎng)儀無法探測(cè)到該強(qiáng)回波中心的電場(chǎng)變化, 因此這部分閃電活動(dòng)應(yīng)該是地面電場(chǎng)儀探測(cè)半徑區(qū)域內(nèi)上空云內(nèi)的放電或是ADTD未監(jiān)測(cè)到的地閃引起的.

圖8 18:18時(shí)刻雷達(dá)回波與其前后10 min地閃活動(dòng)疊加圖.+:正地閃, ×:負(fù)地閃Fig.8.Superposition image of radar echo reflectivity at 18:18 and CGs flashes for 10 minutes before and after the moment.+: Positive CGs flashes, ×:Negative CGs flashes.

4 結(jié)論與討論

本文利用天氣雷達(dá)以及地面大氣電場(chǎng)儀等對(duì)海南島東北部沿海地區(qū)一次雷暴過程進(jìn)行了詳細(xì)分析, 并在雷暴消散階段進(jìn)行了雷暴云的電場(chǎng)探測(cè)觀測(cè), 詳細(xì)分析和討論了其云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu).

由雷暴的演變及回波特征分析, 此次探空時(shí)段處于雷暴的消散階段, 而消散階段的電荷結(jié)構(gòu)是連續(xù)變化的, Marshall等[60]通過對(duì)比多個(gè)消散階段雷暴云電場(chǎng)探空結(jié)果發(fā)現(xiàn), 雷暴進(jìn)入成熟階段后期云內(nèi)電荷區(qū)開始隨下沉氣流、降水等不斷下降直至地面, 云底的正電荷區(qū)最先消散.Zhang等[6]在甘肅平?jīng)龅貐^(qū)開展的雷暴云電場(chǎng)探空觀測(cè)發(fā)現(xiàn)雷暴云消散階段云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)呈三極性特征且隨時(shí)間變化, 電荷區(qū)出現(xiàn)整體的下移且下部正電荷區(qū)最早消散.由本文的探空結(jié)果來看, 云內(nèi)強(qiáng)度較大的電荷區(qū)均處于0 ℃ (5.4 km)以上的混合相區(qū)域, 電荷區(qū)出現(xiàn)下沉的情況并不明顯, 因此可以推斷, 此次探空結(jié)果應(yīng)該代表了明雷暴云消散階段初期云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)特征.

探空氣球雖未穿越對(duì)流回波最強(qiáng)中心, 但基本上都處于雷暴云內(nèi)部區(qū)域.空中電場(chǎng)在海拔6 km高度左右(約–5.7 ℃)開始急劇變化, 在此高度上方至少分布著6個(gè)范圍較大的電荷區(qū), 底部為負(fù)電荷區(qū), 從底部往上電荷區(qū)極性依次改變.由于數(shù)據(jù)中斷, 無法斷定上部負(fù)電荷區(qū)的上邊界以及電場(chǎng)歸零的位置, 也就不能準(zhǔn)確判斷上部負(fù)電荷區(qū)的上邊界和頂部正電荷區(qū)的準(zhǔn)確位置和電荷密度信息.自下而上可以完全識(shí)別位置和電荷密度的四個(gè)電荷區(qū)分別位于海拔高度6.0—6.3 km, 6.3—6.6 km, 6.9—7.3 km及7.3—8.3 km之間, 它們的電荷密度分別為–1.84, 1.80, –1.46和1.04 nC/m3.由已有數(shù)據(jù)推算, 最上部負(fù)電荷區(qū)電荷密度應(yīng)大于–0.51 nC/m3.云內(nèi)范圍最大的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)電荷區(qū)(P2和N3)要明顯強(qiáng)于其余電荷區(qū).

根據(jù)溫度廓線可知0 ℃層大致位于5.4 km處, 根據(jù)探空氣球入云時(shí)間, 估算得到云底高度約為海拔0.9 km, 因此, 暖云區(qū)處于0.9—5.4 km之間.由圖6(c)可知, 在海拔高度約0.9—5.4 km的范圍內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度基本保持負(fù)極性變化, 最強(qiáng)負(fù)電場(chǎng)位于1.8 km高度處, 其值約為–26 kV/m.由高斯定理的計(jì)算, 暖云區(qū)內(nèi)存在一個(gè)厚度達(dá)3600米(1.8—5.4 km)、電荷密度僅為–0.06 nC/m3的負(fù)電荷區(qū), 在其下方有一個(gè)厚度約為900 m的正電荷區(qū)(0.9—1.8 km), 電荷密度為0.26 nC/m3, 兩者強(qiáng)度相當(dāng).Zhao等[25]對(duì)平?jīng)龅貐^(qū)一次雷暴的電場(chǎng)探空觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 在離地 2.65—3.3 km的暖云區(qū)內(nèi)也存在一對(duì)上正(2.8—3.3 km, 0.6 nC/m3)下負(fù)(2.65—2.8 km, –2 nC/m3)的電荷區(qū), 并推斷是由帶電的暖云與近地面電暈電荷層形成.張廷龍等[8]分析一次高原雷暴電場(chǎng)探空結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了一對(duì)電量相當(dāng)、上正下負(fù)的電荷區(qū), 但位置處于暖云下邊界處, 二者的厚度總共只有500 m, 也推斷是電暈電荷形成.不同的是, 本次探空結(jié)果顯示暖云內(nèi)的電荷對(duì)的分布在極性上是相反的, 呈上負(fù)下正形式, 且負(fù)電荷區(qū)與混合相區(qū)緊鄰0 ℃層的負(fù)電荷區(qū)應(yīng)該是連續(xù)的, 初步推斷此負(fù)電荷區(qū)很有可能是由云內(nèi)混合相區(qū)內(nèi)負(fù)電荷區(qū)下沉造成的, 而暖云下部的正電荷區(qū)可能是電暈離子層的貢獻(xiàn).

不同于雷暴成熟期, 云內(nèi)電荷區(qū)分布相對(duì)較為穩(wěn)定且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 在消散期, 由于下沉氣流引起云內(nèi)水成物粒子的沉降和消散, 使得下部的電荷區(qū)過早地消失, 而雷暴云上部又可能有較弱的起電過程形成新的電荷區(qū), 且這是一個(gè)連續(xù)變化的過程[60].Li 等[19]利用三維閃電定位系統(tǒng)觀測(cè)了一次高原雷暴過程, 研究結(jié)果表明: 雷暴系統(tǒng)進(jìn)入消散階段之前, 云內(nèi)主要電荷區(qū)分布與雷暴云經(jīng)典電荷結(jié)構(gòu)類似, 而在消散階段, 不同對(duì)流單體合并, 云內(nèi)電荷區(qū)分布發(fā)生了變化, 一共出現(xiàn)四個(gè)電荷區(qū),其中最下部為負(fù)電荷區(qū).上述研究結(jié)果雖不是熱帶地區(qū)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)特征, 但存在著相似的可能:下部存在正電荷區(qū), 隨著云層不斷下移以及降水等情況下部正電荷區(qū)已經(jīng)消散.當(dāng)然, 還存在著另一種可能, 熱帶地區(qū)雷暴云消散期的電荷結(jié)構(gòu)就如探測(cè)結(jié)果所描述的, 但這需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析.

衷心感謝文昌衛(wèi)星發(fā)射基地氣象臺(tái)高空觀測(cè)站同事們,特別是張春峰同志等在探空?qǐng)龅厥褂谩⑻娇蘸牟臏?zhǔn)備以及地面觀測(cè)保障方面的大力支持.