強風暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)研究進展

張義軍徐良韜鄭 棟王 飛

1）（中國氣象科學研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室／雷電物理與防護工程實驗室，北京100081）2）（中國科學院大學地球科學學院，北京100049）

強風暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)研究進展

張義軍1）*徐良韜1）2）鄭 棟1）王 飛1）

1）（中國氣象科學研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室／雷電物理與防護工程實驗室，北京100081）2）（中國科學院大學地球科學學院，北京100049）

反極性電荷結(jié)構(gòu)是強風暴系統(tǒng)中一種常見的電荷結(jié)構(gòu)配置，它是強風暴中正地閃大量發(fā)生的重要原因之一，同時也往往與災(zāi)害性天氣相聯(lián)系。人們對云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的認識隨電場探空、多種地面觀測手段的發(fā)展而深入。反極性電荷結(jié)構(gòu)并非在強風暴的起始階段就出現(xiàn)，而存在一個演變過程，出現(xiàn)在風暴發(fā)展的特定階段。寬廣強烈的上升氣流被認為在反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成中起關(guān)鍵作用，它使得上升氣流區(qū)液態(tài)水含量等微物理條件發(fā)生改變，進而影響大小粒子碰撞的起電過程，使風暴內(nèi)主要起電區(qū)霰粒子荷正電，冰晶等粒子荷負電，從而形成反極性電荷結(jié)構(gòu)。強風暴中氣流的動力輸送、風切變等也被認為是反極性電荷結(jié)構(gòu)形成的可能原因。利用數(shù)值模式，在真實的氣象背景場下再現(xiàn)強風暴的反極性電荷結(jié)構(gòu)演變特征和閃電活動特征，也是研究反極性結(jié)構(gòu)形成的有效途徑之一。針對正地閃大量發(fā)生的強風暴開展大規(guī)模外場觀測試驗，并將觀測結(jié)果與數(shù)值模擬相結(jié)合，將有利于理解強風暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成及其與閃電活動特征的關(guān)系。

電荷結(jié)構(gòu)；反極性；閃電探測；電結(jié)構(gòu)形成

引 言

風暴中電荷結(jié)構(gòu)受到動力和微物理條件的共同影響，而閃電活動特征很大程度上又與電荷結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此電荷結(jié)構(gòu)是風暴中電活動與動力和微物理條件之間的一個橋梁。反極性電荷結(jié)構(gòu)是常見于強風暴中的一種特殊電荷結(jié)構(gòu)，近年來受到越來越多的關(guān)注。

人們對雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的認識經(jīng)歷了一個從簡單到復(fù)雜的過程。很早的時候人們就意識到雷暴云內(nèi)應(yīng)該是正、負電荷共存的，但直到1920年，Wilson［1］才利用地面電場的觀測建立起對云內(nèi)總體電荷結(jié)構(gòu)的認識，即認為云內(nèi)存在上部正電荷區(qū)、下部負電荷區(qū)的正偶極性電荷結(jié)構(gòu)。此后Simpson等［2-3］利用探空觀測進一步證實云內(nèi)的正偶極性電荷結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)典且常見的情形，但在負電荷區(qū)之下，還會有一個小的正電荷區(qū)存在，初次描繪了云內(nèi)三極性電荷結(jié)構(gòu)的模型。云上部的電荷區(qū)會在云的上邊界感應(yīng)出相反極性的電荷層，稱之為屏蔽層［4-5］。這種三極性或者偶極性的總體電荷結(jié)構(gòu)以及屏蔽層電荷，成為對雷暴云內(nèi)電荷層分布的一種經(jīng)典認識。

隨著探測手段的進步，越來越多的研究表明，雷暴中的電荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不是簡單地呈偶極性或者三 極 性 分 布［6］。Marshall 等［7-8］及 Stolzenburg等［9-11］分析了美國不同地區(qū)垂直電場的探空曲線，認為雷暴云內(nèi)的電荷為多層分布，呈4～9層的電荷結(jié)構(gòu)，且雷暴內(nèi)的不同區(qū)域電荷結(jié)構(gòu)的分布也不同，弱上升氣流區(qū)的電結(jié)構(gòu)比強上升氣流區(qū)復(fù)雜，上升氣流外部比上升氣流區(qū)復(fù)雜。電荷結(jié)構(gòu)的分布不僅在雷暴的不同區(qū)域有差別，不同地域的雷暴電荷結(jié)構(gòu)也存在差別［12-13］。

盡管雷暴云內(nèi)實際的電荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜［14］，但三極性的電荷結(jié)構(gòu)仍被認為是合理的［15-16］，足夠來描述云內(nèi)主要的放電區(qū)［13］，在東亞地區(qū)最新的云內(nèi)電荷觀測研究也支持三極性電荷結(jié)構(gòu)模型［17］。為了研究問題方便，偶極性或者三極性的簡單概念模型一直到今天仍然被廣泛應(yīng)用。一般認為在－25℃～－10℃ 是負電荷聚集區(qū)，在其上下各有一個正電荷區(qū)［6，18］，這就是通常認為的正常三極性電荷結(jié)構(gòu)。

2000年在美國的STEPS（Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study）試驗中，基于LMA（lightning mapping array）以及電場探空等多種觀測手段，通過大量的個例研究，進一步明確了強風暴中電荷結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)出與正常的三極性電荷結(jié)構(gòu)相反的分布［19］，即在本應(yīng)存在正電荷區(qū)的高度上 （或溫度區(qū)）聚集了負電荷，而在本應(yīng)存在負電荷區(qū)的高度上 （或溫度區(qū)）聚集了正電荷，稱之為反極性電荷結(jié)構(gòu)。

本文將從電荷結(jié)構(gòu)的探測手段、人們對反極性電荷結(jié)構(gòu)認識的發(fā)展、反極性電荷結(jié)構(gòu)與強風暴的關(guān)系、反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成以及相關(guān)模擬研究5個方面對反極性電荷結(jié)構(gòu)研究進行回顧。

1 電荷結(jié)構(gòu)的探測手段

人們對云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的認識是隨著探測手段的發(fā)展而深入的，因此有必要對云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的探測手段和方式進行介紹。總體來說，云內(nèi)電荷的探測可以分為探空觀測 （直接測量）和地面觀測 （間接測量）兩類，每一類別中，又衍生出多種不同的電荷結(jié)構(gòu)反演方式。同時也應(yīng)該注意到，有一些探測手段關(guān)注的是雷暴云內(nèi)準穩(wěn)態(tài)情況下的電荷分布，而有些觀測方式關(guān)注的則是閃電發(fā)生時參與放電的電荷區(qū)的情形。

1.1 地面電場觀測

利用大氣電場儀測得的地面垂直電場可粗略推測云內(nèi)電荷的分布。假如云內(nèi)是兩層或者多層的電荷分布，由于正負電荷區(qū)距地面的高度不同，地面垂直電場在距離電荷區(qū)中心不同距離上會表現(xiàn)出明顯的正負極性變化。Wilson［1］正是通過這種方式推斷云內(nèi)電荷的偶極性分布，該方式可定性判別云內(nèi)電荷的準穩(wěn)態(tài)情形。

后來人們使用多站的地面電場變化儀測量閃電引起的電場變化，以此計算參與放電的電荷源的位置［18］，并給出雷暴內(nèi)的電荷分布。我國在西北內(nèi)陸地區(qū)和東北大興安嶺地區(qū)都曾開展利用多站閃電電場的同步觀測資料反演云內(nèi)電荷的研究工作［20-23］，并取得一定成果。

1.2 一維和三維電場探空

利用探空氣球探測電場強度的垂直分量Ez，再利用Ez隨著高度的變化特征，根據(jù)一維高斯定理估計風暴中的電荷濃度［24］。這種探測方法首先假定雷暴云內(nèi)的電荷是水平均一分布的，且垂直分層，但在雷暴的對流區(qū)，這種假定往往并不恰當。同時實際雷暴云中閃電的發(fā)生會引起電場強度的劇烈變化，在利用垂直電場探空反演電荷結(jié)構(gòu)時需要排除閃電引起電場變化的干擾。在一般的垂直電場探空分析中，往往只強調(diào)關(guān)注電荷區(qū)的極性和中心高度的分布，這可以在一定程度上避開上述因素的影響［9］。圖1為正常與反轉(zhuǎn)的三極性電荷結(jié)構(gòu)垂直電場探空示意圖，這僅是概念模型，實際的狀況更為復(fù)雜。

事實上電場儀可以探測三維電場強度，其中的電場強度水平分量也是有價值的。利用氣球探空，可以探測電場強度矢量在氣球上升路徑中的變化，通過分析場強矢量的方向及其輻合或者輻散的變化，可以推斷氣球經(jīng)過的路徑上電荷區(qū)分布［25］。而場強矢量輻合或者輻散的出現(xiàn)也說明，電荷區(qū)并非像一維高斯假定那樣為水平分層。三維電場的探空既可以定性又可以定量地分析電荷區(qū)，圖2為一次三維電場的探空結(jié)果［25］，圖中標出的正負號即利用探空數(shù)據(jù)推斷的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的分布。對于探空氣球中所使用的電場儀設(shè)備，詳見文獻［26］。

1.3 甚高頻輻射源觀測

甚高頻／超高頻 （VHF／UHF）閃電定位系統(tǒng)可以探測閃電通道在擊穿形成過程中產(chǎn)生的輻射源位置，進而較為細致地描繪閃電的發(fā)展通道。云內(nèi)閃電起始后，流光通道會從起始點雙向傳播［27］，負極性擊穿的通道在雷暴的正電荷區(qū)發(fā)展，而正極性擊穿通道在負電荷區(qū)發(fā)展，由于云內(nèi)的負極性擊穿的強度要高于正極性擊穿，所以更容易探測［28］。因此，利用觀測到的三維閃電輻射源的分布特征可以大致判別參與放電的主電荷區(qū)，特別是主正電荷區(qū)所在的位置，這也成為推斷雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的一種有效方式。

在STEPS試驗中閃電探測的主要手段LMA系統(tǒng)是一種基于時差法的VHF閃電輻射源定位系統(tǒng)［29-30］。圖3為利用LMA探測的正極性和負極性云閃的輻射點分布［25］，由圖3還可以看到參與放電的正負極性電荷區(qū)。我國也發(fā)展了時差法的VHF閃電定位系統(tǒng)［31-32］，在青藏高原和山東地區(qū)的雷暴研究中被用來揭示電荷結(jié)構(gòu)的演變［33-34］。

圖1 正常（a）與反轉(zhuǎn)（b）的三極性電荷結(jié)構(gòu)垂直電場探空示意圖［19］Fig.1 Stylized profile ofEzin the normal（a）and inverted（b）tripole charge structure（from Reference［19］）

圖2 三維電場的探空結(jié)果（填色為雷達回波強度，黑色線為探空氣球的移動路徑，黑線上暗紅色線段的長短和方向代表了探測點上場強的大小和方向）［25］Fig.2 The electric field vectors（dark red line）along the path of sounding balloon（black line）（the shaded represents the radar reflectivity）（from Reference［25］）

還有一類VHF閃電定位系統(tǒng)使用干涉法對閃電產(chǎn)生的輻射源進行定位［35-36］，其單站一般由多個規(guī)則布局的探頭組成，通過干涉法定位閃電輻射源的方位角和仰角，如果多站同步觀測，則可反演輻射點的三維位置。根據(jù)帶寬的差別，該系統(tǒng)分為寬帶干涉儀和窄帶干涉儀。法國的SAFIR（Systeme d’Alerte Fondre par Interferometrie Radioelecctrique）系統(tǒng)是一套窄帶的干涉儀系統(tǒng)，在我國京津冀地區(qū)、上海及武漢架設(shè)，Zheng等［37-38］和劉冬霞等［39-40］都曾利用該系統(tǒng)的輻射點分布來判斷云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)分布以及演變特征。需要注意的是，VHF閃電輻射源定位系統(tǒng)觀測到的僅是參與放電的電荷區(qū)，利用垂直電場的探空觀測與VHF的觀測結(jié)合來分析雷暴電結(jié)構(gòu)是一種更為全面的方法。

圖3 LMA探測的閃電輻射源［25］（a）正極性云閃，（b）負極性云閃Fig.3 Classification of the lightning radiation sources mapped by the LMA in terms of the parent storm charge for the positive-polarity（a）and negative-polarity cloud flashes（b）（from Reference［25］）

2 反極性電荷結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

2.1 早期的認識

異常的電荷結(jié)構(gòu)分布常常被作為假說來解釋雷暴中正地閃的發(fā)生［15，41］，而很多時候人們對于新事物的認識往往從假說開始，逐漸認識其真實面貌。

最早有關(guān)反極性電荷結(jié)構(gòu)的報道來自于1953英國曼徹斯特地區(qū)的一個龍卷風暴，Vonnegut等［42］觀測認為，云上部是負電荷區(qū)而非正電荷區(qū)。Marshall等［8］在分析氣球探空觀測的垂直場強分布中，最早給出了反極性電荷結(jié)構(gòu)的觀測個例，數(shù)據(jù)顯示電荷垂直方向有4個分層，電荷極性同經(jīng)典的電結(jié)構(gòu)相反。圖4為Marshall等［8］觀測到的反極性電荷結(jié)構(gòu)中的垂直場強氣球探空。在此之后，反極性結(jié)構(gòu)未受到太多關(guān)注，直到STEPS試驗的開展。

圖4 1988年5月31日反極性結(jié)構(gòu)垂直場強氣球探空［8］Fig.4 TheEzprofile of inverted charge structure on 31 May 1988（from Reference［8］）

2.2 STEPS試驗與反極性電結(jié)構(gòu)

2000年春季在美國堪薩斯州和俄克拉荷馬州邊界進行了STEPS試驗，其核心目的之一是為了更好地理解強風暴中正地閃發(fā)生的原因，試驗中采用電場氣球探空和LMA閃電定位系統(tǒng)以及雷達等多種觀測手段，其中大量的觀測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，強風暴中可以形成同普通雷暴電結(jié)構(gòu)相反的反極性電荷分布［43］。

Rust等［19］利用STEPS試驗中的垂直電場探空發(fā)現(xiàn)了雷暴中的電荷結(jié)構(gòu)呈反極性，但分析僅使用了探空資料，還不能確認反極性電荷結(jié)構(gòu)的存在。他們認為還需要更多的探索來明確這種異常電荷結(jié)構(gòu)的存在，如果存在，更需明確風暴中對反極性電荷結(jié)構(gòu)形成起作用的因子。Zhang等［44］利用LMA的觀測資料發(fā)現(xiàn)，雷暴云有時會發(fā)生負極性 （反極性）的云閃，即發(fā)生在云上部負電荷與中部正電荷區(qū)之間，參與放電的上部負電荷區(qū)位于11 km高度，而中間正電荷區(qū)位于7～8 km高度，進一步揭示了反極性電荷結(jié)構(gòu)的存在。

2005年，Rust等［25］利用一維和三維電場的探空結(jié)果以及LMA等資料進行了合成分析，進一步提供了反極性電荷結(jié)構(gòu)存在的證據(jù)。利用STEPS試驗數(shù)據(jù)開展的一系列關(guān)于強風暴電荷結(jié)構(gòu)的研究［45-49］均逐步證實，在美國中部平原地區(qū)，反極性電荷結(jié)構(gòu)應(yīng)當是一種強風暴中常見的電荷結(jié)構(gòu)形式。對反極性電荷結(jié)構(gòu)的研究中，人們也逐漸認識到，強風暴中的反極性電荷結(jié)構(gòu)并不是始終存在的，開始是一種正常極性的電荷結(jié)構(gòu)，隨著風暴的演變形成了反轉(zhuǎn)的電荷結(jié)構(gòu)［50］。其他一些研究也有類似的發(fā)現(xiàn)，Zheng等［37］觀測發(fā)現(xiàn)，在一次雹暴過程中降雹階段是反轉(zhuǎn)的電荷結(jié)構(gòu)，降雹結(jié)束后又維持了很長一段時間的正常電荷結(jié)構(gòu)。Emersic等［51］利用相控陣雷達和LMA的資料研究了一次冰雹過程，同樣證實了這一點，風暴的垂直電荷結(jié)構(gòu)開始是正常的三極性結(jié)構(gòu)，后來出現(xiàn)了一個負電荷區(qū)在中間深厚的正電荷區(qū)之上 （圖5）。

圖5 利用LMA的推斷的一次雹暴過程的電荷結(jié)構(gòu)演變［51］Fig.5 Summary of the vertical charge structure of the developing storm inferred from OK-LMA data during each analyzed period of its lifetime（from Reference［51］）

3 反極性電荷結(jié)構(gòu)與強風暴

強風暴（severe storm）是一種廣泛而通俗的用法，是指非常強的風暴，這個詞經(jīng)常同風暴所引發(fā)的危險性天氣相聯(lián)系。美國國家天氣局 （National Weather Service）認為達到以下標準中的任何一個就認為是一個強風暴：龍卷、風速達到26 m／s或者冰雹直徑不小于19 mm［26］。中國氣象局中央氣象臺提出強對流天氣是指伴隨雷暴現(xiàn)象的對流性大風（風速不低于17.2 m／s）、冰雹、短時強降水 （降水強度不低于20 mm／h）。由于多數(shù)文獻是引自國外研究者，因此文中的強風暴主要是根據(jù)美國國家天氣局的定義。

3.1 強風暴與正地閃

人們研究反極性電荷結(jié)構(gòu)，最早源自對正地閃發(fā)生的興趣。自然界的閃電中，向地面?zhèn)鬏斬撾姾傻呢摰亻W所占比例最大，但有時也會發(fā)生正地閃，向地面?zhèn)鬏斦姾桑?2］。

1981年，Rust等［53-54］首次介紹了一次以正地閃為主的強風暴，認為正地閃的發(fā)生有可能預(yù)示著風暴是強風暴。而正地閃大量發(fā)生或者占優(yōu)的情形下，往往伴隨著災(zāi)害性天氣［41，55］，如冰雹、龍卷等。盡管許多強風暴可能并不產(chǎn)生以正極性地閃為主的放電，但在美國大平原的暖季風暴的氣候?qū)W研究中，隨著強風暴產(chǎn)生正地閃密度的增加，產(chǎn)生災(zāi)害性天氣的可能性也迅速增加［56］。

MacGorman等［41］對風暴的觀測中發(fā)現(xiàn)，在頻繁出現(xiàn)正地閃且確信出現(xiàn)了冰雹的區(qū)域里，大的冰雹在正地閃占優(yōu)的時段內(nèi)出現(xiàn)。如果這種極性的占優(yōu)隨后變成負的，報道的冰雹直徑和頻率往往會減少。這種關(guān)系同Reap等［56］得出的風暴中災(zāi)害性天氣特別是大的冰雹在正地閃活動高密度區(qū)更易出現(xiàn)的論斷相一致。然而仍有許多雹暴是負地閃占優(yōu)［41］，因為負地閃占優(yōu)的暖季風暴數(shù)量要遠遠多于正地閃占優(yōu)的風暴數(shù)。因此，正地閃占優(yōu)的風暴預(yù)示著更有可能產(chǎn)生大的冰雹（這一點仍需要更多的證據(jù)），而負地閃占優(yōu)的風暴并不預(yù)示著風暴將不產(chǎn)生冰雹。

需要注意的是，正地閃同樣發(fā)生在其他類型的暖季風暴中，包括淺的雷暴，小的孤立雷暴的消散期，范圍廣大、包含有弱降水的大風暴系統(tǒng)。一般來說，這些其他類型的風暴相比強風暴僅產(chǎn)生很少的正地閃頻次和密度［26］。

綜上所述，并非所有強風暴都是正地閃占優(yōu)，但正地閃占優(yōu)的風暴更易成為強風暴。

3.2 正地閃與反極性電荷結(jié)構(gòu)

Nag等［57］總結(jié)了發(fā)生正地閃的6種電結(jié)構(gòu)分布。Brook等［58］以傾斜的正常偶極性結(jié)構(gòu)來解釋日本冬季雷暴中的正地閃，認為強的風切變使得上部正電荷暴露出來從而形成對地的放電，Kitagawa等［59］利用正的單極性電荷結(jié)構(gòu)解釋正地閃的形成。而在中國西北地區(qū)的觀測中發(fā)現(xiàn)，雖然電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了正常的三極性結(jié)構(gòu)，但下部正電荷區(qū)異常偏大，這也被認為是一種容易產(chǎn)生正地閃的情形［60-61］。Gilmore等［62］和 Carey等［63］同樣推測風暴中上升氣流區(qū)獨特的高液態(tài)水含量將會使下部的正電荷區(qū)足夠大而產(chǎn)生正地閃。

前面提到的幾種正地閃發(fā)生的情形并不是在強風暴中的觀測，而強風暴中大量正地閃的發(fā)生被認為是由于風暴中形成了反極性的電荷結(jié)構(gòu)［25］。MacGorman等［45］認為如果需要一個負電荷區(qū)在正電荷區(qū)下部產(chǎn)生正地閃，那么正電荷區(qū)的簡單增強并不能產(chǎn)生正地閃。Zheng等［37］在雹暴的研究中也指出，反三極性的電荷結(jié)構(gòu)是強風暴系統(tǒng)正地閃多發(fā)的原因。Wiens等［50］利用LMA的觀測資料分析發(fā)現(xiàn)，正地閃的初始擊穿是由下部負電荷區(qū)向中部正電荷區(qū)發(fā)展的，Zhang等［64］的觀測分析和Mansell等［65］的模擬研究都指出，三極性電荷結(jié)構(gòu)中下部小電荷區(qū)的存在對中間電荷區(qū)對地放電有重要作用。因此，反三極性電荷結(jié)構(gòu)是一種非常容易導(dǎo)致正地閃發(fā)生的電荷結(jié)構(gòu)配置，雖然其他的電結(jié)構(gòu)配置也能產(chǎn)生正地閃，但是正地閃的數(shù)量較少。反極性電荷結(jié)構(gòu)應(yīng)當是強風暴中正地閃大量發(fā)生的主要原因。STEPS試驗中的大量觀測顯示，正地閃大量發(fā)生期對應(yīng)了反極性的電荷結(jié)構(gòu)。

強風暴中正地閃大量發(fā)生時往往是冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣發(fā)生的時候，而大量發(fā)生的正地閃對應(yīng)了反極性的電荷結(jié)構(gòu)。可以看到，反極性電荷結(jié)構(gòu)其實是一種與災(zāi)害天氣相聯(lián)系的電結(jié)構(gòu)特征。反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成也應(yīng)當是與災(zāi)害性天氣的形成有關(guān)，強風暴中的動力和微物理條件在一定的配置下形成了災(zāi)害性天氣，同時也形成了反極性的電荷結(jié)構(gòu)。

4 反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成

研究已經(jīng)逐漸證實，反極性電荷結(jié)構(gòu)是一種真實存在的電荷結(jié)構(gòu)，并且常常伴隨有災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，但這種電荷結(jié)構(gòu)如何形成，與災(zāi)害性天氣的發(fā)生有何聯(lián)系，美國多所研究機構(gòu)和大學的研究人員于2003年和2004年夏季在俄克拉荷馬中部地區(qū)進行了一次大規(guī)模的觀測試驗TELEX（The Thunderstorm Electrification and Lightning Experiment），試驗?zāi)康闹痪褪茄芯糠礃O性電結(jié)構(gòu)風暴的特點，并試圖認識強風暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)是如何形成的［］。

盡管雷暴云內(nèi)可能存在多種起電機制，但非感應(yīng)起電機制被認為在雷暴云的起電中起核心作用［67］。實驗室觀測已證明，霰粒子同冰晶碰撞時荷電的極性受到溫度、液態(tài)水含量、粒子尺寸和霰粒子結(jié)淞率等影響［67-69］。在雷暴中起電的大多數(shù)區(qū)域里，霰粒子一般是獲得負電荷，冰晶獲得正電荷。經(jīng)過粒子的沉降之后，形成了一般所觀測到的偶極性電荷分布。實驗室研究一般認為霰粒子在較高的溫度、較高的液態(tài)水含量或者較高的結(jié)淞率條件下會荷正電。而正常三極性結(jié)構(gòu)下，云下部的小正電荷區(qū)被認為部分來自于較高溫度條件下霰粒子受非感應(yīng)起電機制作用荷正電的貢獻。

MacGorman等［45］指出，云內(nèi)反轉(zhuǎn)的電荷結(jié)構(gòu)是由于云內(nèi)霰粒子荷正電占了主導(dǎo)地位，主要的負電荷區(qū)被正電荷區(qū)所替代，冰晶粒子荷負電存在于風暴的上部。Saunders等［70］發(fā)現(xiàn)在具有很高的霰粒子結(jié)淞率的區(qū)域，霰粒子將荷正電而不論其所處的溫度區(qū)。有研究認為，反極性電結(jié)構(gòu)的形成是由于在混合相態(tài)區(qū)域有足夠高的液態(tài)水含量，使得霰粒子在低溫下也獲得了正電荷［66，71-72］。MacGorman等［73］利用偏振雷達在一個超級單體的觀測中發(fā)現(xiàn)，正地閃的發(fā)生伴隨了增加的液態(tài)水質(zhì)量，支持了這種觀點。

風暴的一些特征也被認為是在上升氣流區(qū)產(chǎn)生大的液態(tài)水含量的原因。高的云底意味著風暴中暖云過程較少，這使得液態(tài)水含量不會被大量消耗，從而在混合相態(tài)區(qū)使液態(tài)水含量達到較高值。但MacGorman等［73］在美國西南部的觀測發(fā)現(xiàn)，雖然風暴的云底較高，仍不能發(fā)生正地閃。因此，反轉(zhuǎn)的電結(jié)構(gòu)被認為除了云底高之外，還需要結(jié)合很強的上升氣 流［71］。MacGorman 等［74］認為，云凝結(jié)核（cloud condensation nuclei，CNN）含量增高等因素也可以導(dǎo)致液態(tài)水含量偏高。

之所強風暴中以能夠形成災(zāi)害性的天氣，如冰雹、龍卷等，均與強烈的上升氣流運動有關(guān)，強的上升不僅造就了高的液態(tài)水含量等容易發(fā)生冰雹的條件，當然也可能是容易產(chǎn)生反極性電荷結(jié)構(gòu)的條件［71］。Emersic等［51］發(fā)現(xiàn)反極性電結(jié)構(gòu)和正地閃的發(fā)生均始于有新的上升氣流進入一個非旋轉(zhuǎn)的強風暴并在混合相態(tài)區(qū)域產(chǎn)生大的濕雹。作為與反極性電荷結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的正地閃活動明顯表現(xiàn)出了與動力條件的相關(guān)性。Baker等［75］研究發(fā)現(xiàn)，正地閃的比例隨著風切變的增加而增加，特別是與－25～0℃層的風切變有很好的相關(guān)性［76］，大范圍的上升氣流是正地閃占優(yōu)的風暴的一個重要特征［77］。

強風暴中強烈的上升氣流等動力條件會影響到云內(nèi)的微物理條件，從而影響大小粒子碰撞的起電物理過程，使得在混合相態(tài)區(qū)霰粒子主要荷正電，導(dǎo)致電結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。然而強風暴中獨特的動力特點，也有可能以其他形式影響風暴電荷結(jié)構(gòu)的形成。

有研究指出，反極性電結(jié)構(gòu)也有可能并不是由于在低溫霰粒子主要荷正電引起的，風暴氣流對于荷電粒子的輸送也可以影響電荷結(jié)構(gòu)的分布［50］，在正常極性起電的情況下，即在云的中層和上層主要起電區(qū)仍然是霰粒子荷負電，由于動力的原因也可能產(chǎn)生反極性的電荷結(jié)構(gòu)［78-79］。但動力條件究竟如何對電荷進行輸送，從而在正常極性起電情況下形成反極性結(jié)構(gòu)，目前相關(guān)研究仍缺少深入的探討。

5 反極性電荷結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

利用數(shù)值模式在較真實的風暴背景下再現(xiàn)反極性風暴中的電荷結(jié)構(gòu)，有利于人們更進一步認識云內(nèi)起電同風暴動力和微物理之間的相互關(guān)系，并能通過實際的個例模擬研究云內(nèi)反極性電結(jié)構(gòu)形成的原因。

數(shù)值模擬是一種可以深入研究反極性電荷結(jié)構(gòu)形成的有效方法。Mansell等［65］對一個理想的陸地多單體風暴進行了模擬，當使用基于霰粒子結(jié)淞率的非感應(yīng)起電機制，如SP98機制［70］和 RR機制［80］時，易形成反極性電荷結(jié)構(gòu)，而使用另一些非感應(yīng)起電機制，如TAK78機制［67］、GZ機制［81-82］、S91 機制［80］時，都產(chǎn)生了正常極性的電荷結(jié)構(gòu)。較早的一些模擬研究同樣表明，一些起電機制容易形成反極性電荷結(jié)構(gòu)，而另一些則不能［83］。Mansell等［65］在文章中對不同非感應(yīng)起電機制進行了詳細介紹，并對相應(yīng)的模擬試驗結(jié)果進行了對比分析。

Kulman等［84］對STEPS試驗中的一次反極性雷暴過程進行了模擬研究，使用TAK78方案和GZ方案時模擬出的均為正常極性的電荷結(jié)構(gòu)，而只有使用基于霰粒子結(jié)淞率的RAR（rime accretion rate）方案和SP98方案時能夠模擬出觀測到的反極性結(jié)構(gòu)，同時也能模擬出與觀測最為相近的閃電活動特征，即正地閃占優(yōu)的特點。

該次過程觀測中共出現(xiàn)140次正地閃，19次負地閃，但RR方案和SP98方案卻不能模擬出觀測到的負地閃活動，因為這兩種方案給出的電荷結(jié)構(gòu)從一開始就是反極性電荷結(jié)構(gòu)，沒有形成適合負地閃發(fā)生的電荷結(jié)構(gòu)條件。事實上，這次過程中的反極性電荷結(jié)構(gòu)并不是始終存在的，最初為一種正常極性的電荷結(jié)構(gòu)，隨著風暴的演變形成了反轉(zhuǎn)的電荷結(jié)構(gòu)［50］。

基于RAR的非感應(yīng)起電機制雖然容易模擬出反極性的電荷結(jié)構(gòu)，但不能完全解釋強風暴中電荷結(jié)構(gòu)的形成，不能給出一個反極性強風暴發(fā)展過程中電荷結(jié)構(gòu)的真實演變?；赗AR的起電機制很可能只能解釋風暴起電過程中的一部分機理，尚不足以解釋整個過程。TAK78方案或者GZ方案雖然在模擬中容易得到正常極性的電荷結(jié)構(gòu)，但從理論上說，在液態(tài)水含量豐富的區(qū)域，都可以產(chǎn)生反極性電荷結(jié)構(gòu)的。因此，RAR機制是否在強風暴的強烈上升氣流中產(chǎn)生反極性結(jié)構(gòu)時起到了核心作用還需要更多的驗證，這種情形下，依然很難解釋反三極性電荷結(jié)構(gòu)形成的原因。

雖然有一些利用云模式針對于反極性風暴的模擬研究，但這些模擬均未給出一個反極性雷暴發(fā)展過程中電荷結(jié)構(gòu)的真實演變，同時也缺少利用中尺度模式對于反極性電荷結(jié)構(gòu)風暴的模擬。當然，雷暴的起電過程非常復(fù)雜，是多種起電機制共同作用的結(jié)果，而數(shù)值模擬不可能包含所有起電機制，且目前人們對雷暴起電機制的認識也還不是非常清楚，因此，數(shù)值模擬手段只能給出在雷暴電荷結(jié)構(gòu)形成中起主要作用的起電機制。

6 偶極性電荷結(jié)構(gòu)概念

無論是雷暴具有正常三極性還是反三極性電荷結(jié)構(gòu)，正負電荷區(qū)之間都可能發(fā)生云內(nèi)放電，Zhang等［85］在1999年通過數(shù)值模式研究發(fā)現(xiàn)，如果雷暴具有正常三極性電荷結(jié)構(gòu)，云內(nèi)閃電不僅發(fā)生在云中部負電荷區(qū)與上部正電荷區(qū)之間，也可以發(fā)生在云中部負電荷區(qū)與下部正電荷之間。起初，人們將發(fā)生在上負下正電荷區(qū)之間的云閃稱為反極性云閃。Burning等［86］在討論反極性電荷結(jié)構(gòu)的文章中指出，對于云閃可以不用正常極性云閃和反極性云閃的概念，而用正極性云閃和負極性云閃的說法，即發(fā)生在上正下負兩個電荷區(qū)之間的云閃稱為正極性云閃，反之稱為負極性云閃。在三極性的電荷結(jié)構(gòu)之外，經(jīng)常會討論偶極性電荷結(jié)構(gòu)的問題。借鑒類似的概念，如果出現(xiàn)了正常三極性電荷結(jié)構(gòu)的上面兩個電荷區(qū)或者是反三極性電荷結(jié)構(gòu)中的下面兩個電荷區(qū)（圖6），不妨將之稱為正的偶極性結(jié)構(gòu)，另外的兩種情形可以稱為負的偶極性結(jié)構(gòu)。在正常極性電結(jié)構(gòu)下的偶極性結(jié)構(gòu) （圖6a），不論“上正下負”還是“上負下正”，均為正常電結(jié)構(gòu)下的偶極性結(jié)構(gòu)。

圖6 正常（a）與反轉(zhuǎn)（b）的三極性電荷結(jié)構(gòu)中正、負偶極性概念Fig.6 The concept of positive dipole and negative dipole in the normal（a）and inverted（b）tripole structures

Takahashi等［87］在研究梅雨鋒的中尺度對流系統(tǒng)層云區(qū)的電荷結(jié)構(gòu)時，對于中部的負電荷區(qū)和下部的正電荷區(qū)使用了負偶極性的概念。之所以使用負偶極性的概念而不使用反偶極性的概念，是因為這并非是一種反極性的電荷結(jié)構(gòu)。這種電荷結(jié)構(gòu)同正常的電荷結(jié)構(gòu)是一樣的，僅出現(xiàn)了正常三極性電荷結(jié)構(gòu)中下面的兩個電荷區(qū)，這仍然是一種正常的電荷結(jié)構(gòu)。

霰與冰晶是雷暴云內(nèi)主要的荷電粒子［88］，在雷暴發(fā)展較弱階段，粒子之間碰撞起電位置溫度較高，往往是在霰粒子的正起電區(qū)。大小粒子碰撞后，較大的霰粒子荷正電，而小的冰晶粒子荷負電，經(jīng)過沉降后，會形成負的偶極性電荷結(jié)構(gòu)［89］。熱帶氣旋眼壁區(qū)的電荷結(jié)構(gòu)也常被稱作“上負下正”的反偶極性結(jié)構(gòu)［90］，事實上，這仍是正常三極性電荷結(jié)構(gòu)中的負偶極性結(jié)構(gòu)［91］。

7 小 結(jié)

本文對反極性電荷結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究進行了回顧，在簡要介紹電荷結(jié)構(gòu)探測手段的基礎(chǔ)上，詳述了反極性電荷結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的過程，并對其形成以及相關(guān)的數(shù)值模擬研究進行了探討。反極性電荷結(jié)構(gòu)往往在強風暴中出現(xiàn)，是正地閃大量發(fā)生的重要原因之一，同時也是一種與災(zāi)害性天氣相關(guān)聯(lián)的風暴電荷結(jié)構(gòu)特征。反極性結(jié)構(gòu)并非在風暴的起始階段就出現(xiàn)，而是存在一個演變的過程，出現(xiàn)在風暴發(fā)展的特定階段。

反極性電荷結(jié)構(gòu)是強風暴系統(tǒng)中容易出現(xiàn)的一種電荷結(jié)構(gòu)配置，其形成過程一般認為是風暴中寬廣強烈的上升氣流等因素使上升氣流區(qū)液態(tài)水含量等微物理條件發(fā)生改變，進而影響了大小粒子碰撞的起電過程，使得在低溫下霰粒子荷正電，冰晶等粒子荷負電，從而形成上部的負電荷區(qū)和中間正電荷區(qū)的反極性電荷結(jié)構(gòu)。這種觀點認為是微物理條件影響了大小冰相粒子碰撞時電荷的轉(zhuǎn)移，可以稱為微物理-反極性。反極性電荷結(jié)構(gòu)也可以由另外的原因形成，在主要起電區(qū)霰粒子仍然荷負電的情況下，由于強風暴中動力輸送、風切變等原因同樣可以形成反極性電荷結(jié)構(gòu)。這種反極性電荷結(jié)構(gòu)的形成，可以稱之為動力-反極性。相比于微物理-反極性，動力-反極性觀點的相關(guān)研究仍然欠缺。

目前不論是觀測還是模擬結(jié)果，雖然對于反極性電荷結(jié)構(gòu)成因有一定認識，但并不能明確反極性電荷結(jié)構(gòu)的成因。對于強風暴中長時間穩(wěn)定存在的反極性電荷結(jié)構(gòu)，很可能是由于微物理-反極性的原因形成的，因為僅憑動力原因較難在很長一段時間內(nèi)維持反極性的電荷結(jié)構(gòu)。如果風暴中反極性電結(jié)構(gòu)只是短暫的發(fā)生，如在雹云系統(tǒng)中，正地閃占優(yōu)的時段只在降雹階段出現(xiàn)，對應(yīng)的短暫出現(xiàn)的反極性電荷結(jié)構(gòu)可能就是動力-反極性。

強風暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)的研究大多針對美國中部平原地區(qū)的風暴，到目前為止，我國還缺少關(guān)注正地閃大量發(fā)生強風暴的大規(guī)模外場觀測試驗，而根據(jù)強風暴的特點，利用云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)和常規(guī)氣象的多種探測手段進行有針對性的觀測，將有利于理解強風暴中電荷結(jié)構(gòu)的形成及其與閃電活動特征的關(guān)系。在分析電荷結(jié)構(gòu)的演變時，還需要更多的結(jié)合強風暴發(fā)生的天氣尺度和中尺度背景條件［92-93］。

人們對反極性電荷結(jié)構(gòu)的認識是隨著探測手段的不斷進步而加深的，綜合利用多種觀測手段有利于分析風暴中的電荷結(jié)構(gòu)。在發(fā)展現(xiàn)有探測手段的同時，一些并不成熟的電荷結(jié)構(gòu)推斷方式也值得參考，如有研究者利用正負極性NBE（雙極性窄脈沖）發(fā)生位置的差別判斷云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)分布［94-95］。風暴的正地閃特征已用來預(yù)警龍卷、冰雹等災(zāi)害天氣［96］，而作為直接產(chǎn)生正地閃、與災(zāi)害性天氣相伴隨的反極性電荷結(jié)構(gòu)，利用多種探測手段進行監(jiān)測，在預(yù)警災(zāi)害性天氣方面也有著潛在的應(yīng)用價值。

強風暴電荷結(jié)構(gòu)形成的研究，還有賴于發(fā)展精細的中尺度起電放電模式。數(shù)值模式可以模擬云內(nèi)水成物粒子的荷電情況，還可以檢驗起電的物理機制，是雷電研究的一個重要方向［97］。利用數(shù)值模式，在真實的氣象背景場下再現(xiàn)強風暴的反極性電荷結(jié)構(gòu)演變特征和閃電活動特征，也是一種研究反極性結(jié)構(gòu)形成的有效途徑。然而，發(fā)展適合于中尺度數(shù)值模式的放電參數(shù)化方案將是模式研究中的一項挑戰(zhàn)。

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Review on Inverted Charge Structure of Severe Storms

Zhang Yijun1）Xu Liangtao1）2）Zheng Dong1）Wang Fei1）

1）（Laboratory of Lightning Physics and Protection Engineering，State Key Laboratory of Severe Weather，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）
2）（College of Earth Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049）

The charge structure in storms is regarded as a bridge linking lightning activity with dynamic and microphysical conditions.An inverted charge structure is always seen in severe storms，which attracts much attention in recent years.

Although the charge structure in thundercloud is complicated，the tripole charge structure could be used to describe the main discharging region.In general，the tripole charge structure is characterized by a negative charge region between levels of－10°C and－25°C，accompanied by a respective positive charge region below and above the negative charge region.In 2000，lightning mapping array and electric field sounding are carried out in the experiment of Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study（STEPS）organized by USA.Most case studies in this experiment indicate that the charge structure in severe storms is opposite to the normal charge structure，when original positive charge changes into negative charge，and vice versa.This new structure is called inverted charge structure.

Related studies on the inverted charge structure are reviewed，focusing on the discovery，formation，relevant numerical simulation and the detection method.The inverted charge structure appears in the severe storms，resulting in the substantial positive cloud-to-ground lightning.Moreover，it is always associated with disastrous weather.The inverted charge structure doesn’t appear in the beginning of storms，but in the special developing stage of storms.

The inverted charge structure formation is associated with the strong ascending motion in severe storms，which makes the liquid water content change and influences the electrification process during the collision among different kinds of particles in the main electrification region.It will result in graupel charged positively and ice crystal charged negatively，implying the formation of the inverted charge structure.One view focuses on microphysical conditions，by which the charge separation is influenced during the collision of particles，and this physical process is defined as microphysically-inverted.Another view is，the inverted charge structure could be formed through the dynamic transport and wind shear in severe storms when the graupel is still charged negatively in the main electrification region，and this is defined as dynamically-inverted.The research on the latter is relatively scarce compared to the former.

charge structure；inverted polarity；lightning detection；charge structure formation

張義軍，徐良韜，鄭棟，等.強風暴中反極性電荷結(jié)構(gòu)研究進展.應(yīng)用氣象學報，2014，25（5）：513-526.

2014-07-15收到，2014-07-30收到再改稿。

國家自然科學基金項目（41030960），國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2014CB441406），中國氣象科學研究院基本科研業(yè)務(wù)費（2013Z006）

*email：zhangyj＠cams.cma.gov.cn