1907號臺風(fēng)“韋帕”登陸期間眼壁區(qū)的垂直電場探空觀測*

張廷龍 余海 陳陽 趙小平 陳潔文中海 李哲 蔣賢玲 張茂華

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

2) (西昌衛(wèi)星發(fā)射中心, 西昌 615000)

2019年夏季在海南文昌獲取到1907號臺風(fēng)“韋帕”眼壁內(nèi)的一次電場探空資料, 本文利用衛(wèi)星、雷達(dá)、地面電場及海南省地閃定位資料對該臺風(fēng)特征進(jìn)行詳細(xì)分析, 在此基礎(chǔ)上, 對探空路徑區(qū)域內(nèi)的電場廓線以及電荷區(qū)分布進(jìn)行了分析, 結(jié)果顯示: 在海拔高度5.74—9.10 km之間共有4個正電荷區(qū)和3個負(fù)電荷區(qū),這7個電荷區(qū)所處的溫度區(qū)間在–2.4— –16.7 ℃之間, 自下而上各電荷區(qū)的平均電荷密度分別為0.63, –0.33,0.31, –1.03, 1.70, 1.57和–1.20 nC/m3, 初步分析認(rèn)為最上部的兩個正電荷區(qū)應(yīng)該為同一個電荷區(qū), 由此在綜合考慮電荷區(qū)厚度的情況下, 發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度最大的三個電荷區(qū)分別為最下部的正電荷區(qū)、中部的主負(fù)電荷區(qū)與上部的主正電荷區(qū), 三者呈三極性電荷結(jié)構(gòu)特征, 其次為云上邊界厚度較薄的負(fù)極性屏蔽電荷層, 下部正電荷區(qū)與主負(fù)電荷區(qū)之間的兩個電荷區(qū)最弱.

1 引 言

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的一種強(qiáng)大而深厚的天氣尺度的強(qiáng)對流系統(tǒng), 產(chǎn)生于西太平洋、西北太平洋及其臨近海域的熱帶氣旋被稱為臺風(fēng); 產(chǎn)生于大西洋和東太平洋的熱帶氣旋被稱為颶風(fēng); 產(chǎn)生于印度洋和南太平洋的熱帶氣旋被稱為氣旋風(fēng)暴.臺風(fēng)登陸時通常會伴有大風(fēng)、暴雨或特大暴雨等天氣現(xiàn)象.最初人們認(rèn)為臺風(fēng)不具備產(chǎn)生大量閃電的微物理和垂直運(yùn)動條件[1], 然而實(shí)際觀測證實(shí)了臺風(fēng)也會產(chǎn)生大量的閃電[2?4].關(guān)于臺風(fēng)電學(xué)特征的研究源于閃電探測設(shè)備的發(fā)展, 由于臺風(fēng)通常發(fā)生于遠(yuǎn)離陸地的洋面, 而一般陸基的閃電探測系統(tǒng)由于探測范圍有限, 只能監(jiān)測到臺風(fēng)登陸前后的情況, 對海洋上的閃電監(jiān)測幾乎無能為力.全球閃電探測系統(tǒng)通過在全球范圍布設(shè)工作在甚低頻的傳感器, 實(shí)現(xiàn)了對全球閃電的監(jiān)測, 盡管探測效率較低[5?7], 但能夠探測到臺風(fēng)整個發(fā)展過程的閃電活動[8].另外, 被廣泛用于全球閃電及臺風(fēng)閃電研究的還有星載閃電探測儀獲取的資料, 主要有閃電成像儀和光學(xué)瞬態(tài)探測器, 二者雖然探測效率較高[9,10], 但對臺風(fēng)閃電監(jiān)測的時間長度非常有限.我國于2016年12月發(fā)射了新一代靜止衛(wèi)星風(fēng)云四號A星, 搭載有自主研發(fā)的衛(wèi)星閃電成像儀.

通過對大西洋颶風(fēng)的研究, Molinari 等[11]指出颶風(fēng)的閃電活動具有三圈分布特征: 眼壁區(qū)(0—100 km)存在一定的閃電活動, 但閃電頻次較低; 內(nèi)雨帶(100—200 km)閃電活動很少, 但正地閃比例較高; 外雨帶(200—300 km)具有較高的閃電頻次, 且熱帶氣旋中大部分地閃發(fā)生在外雨帶.雖然不同的臺風(fēng)在空間尺度上存在較大的差異, 但閃電的三圈結(jié)構(gòu)被越來越多的研究所證實(shí)[12?14].在時間演變上, 臺風(fēng)閃電活動一般具有間歇性特征, 即在長時間閃電活動的不活躍期間會伴有短暫的閃電活躍期[15].另外一個特征就是臺風(fēng)的眼壁區(qū)會出現(xiàn)閃電頻數(shù)突然增高的現(xiàn)象, 這種眼壁區(qū)的閃電爆發(fā)通常發(fā)生于臺風(fēng)強(qiáng)度快速增強(qiáng)、或處于最強(qiáng)時、或出現(xiàn)眼壁置換階段[16?20].然而, 在東北太平洋和北大西洋也觀測到相反的情況, 即眼壁區(qū)域的閃電在臺風(fēng)減弱階段更為顯著[15,17,21].另外還有一些研究發(fā)現(xiàn)眼壁區(qū)閃電的爆發(fā)與臺風(fēng)的路徑也有一定的關(guān)系[22,23].這些臺風(fēng)內(nèi)核閃電的演變, 一定程度上揭示了眼壁內(nèi)的循環(huán)機(jī)制對起電效率以及電荷結(jié)構(gòu)的影響, 最終通過云內(nèi)電荷的中和或釋放響應(yīng)云內(nèi)電荷區(qū)位置及強(qiáng)度的改變和調(diào)整, 這意味著對臺風(fēng)云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的研究對認(rèn)知閃電活動特征十分重要.

目前, 對臺風(fēng)云內(nèi)的電場或帶電水成物粒子的探空觀測較少, 因此耦合了電參數(shù)化過程的云模式成為研究臺風(fēng)電活動特征可依賴的手段, 但由于完整地模擬整個臺風(fēng)過程的計算量過大, 使得相關(guān)模擬研究仍然十分有限.要對臺風(fēng)的電活動特征進(jìn)行模擬, 首先要對云內(nèi)的起電過程進(jìn)行參數(shù)化.目前,所有有關(guān)臺風(fēng)的起電參數(shù)化方案都是基于對流云的起電機(jī)制, 因此有不少工作基于中尺度模式模擬雷暴電過程[24?27], 對熱帶氣旋內(nèi)部電過程模擬相對較少.Fierro等[19]首次利用云模式對一個理想的颶風(fēng)微物理過程和電過程進(jìn)行模擬, 起電參數(shù)化方案主要采用感應(yīng)起電機(jī)制[28,29]和非感應(yīng)起電機(jī)制[30], 而閃電放電采用三維隨機(jī)分叉擊穿模型[31],模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在眼壁區(qū)電荷結(jié)構(gòu)呈三極性分布, 在眼壁外圍的層狀云區(qū)和很強(qiáng)的外雨帶單體中電荷呈偶極性分布.隨后, Fierro和Reisner[32]利用相同的模式對颶風(fēng)Rita (2005)的閃電活動進(jìn)行模擬, 主要關(guān)注眼壁閃電活動與眼壁對流、颶風(fēng)強(qiáng)度變化之間的關(guān)系.而有些研究認(rèn)為熱帶氣旋眼壁區(qū)的對流一般具有負(fù)的偶極性電荷結(jié)構(gòu)[33,34], 即在云的中部有一個負(fù)電荷區(qū), 云的下部有一個正電荷區(qū).而熱帶氣旋加強(qiáng)階段眼壁區(qū)深對流可以呈現(xiàn)正的三極性電荷結(jié)構(gòu), 而熱帶氣旋外部螺旋雨帶的電荷結(jié)構(gòu)一般是正的偶極性電荷結(jié)構(gòu)[19].目前, 關(guān)于臺風(fēng)云內(nèi)電場探空的觀測結(jié)果未見報道, 而數(shù)值模擬利用對流云相關(guān)起電機(jī)制得到的結(jié)果是否合理仍需進(jìn)一步的觀測進(jìn)行證實(shí)和分析, 本文利用2019年1907號臺風(fēng)“韋帕”(文中簡稱為: 1907號臺風(fēng))眼壁內(nèi)的一次電場探空的直接觀測資料, 首次分析了臺風(fēng)登陸期間眼壁區(qū)內(nèi)探空路徑上的電荷結(jié)構(gòu)特征, 雖然只有一次探空過程獲取到了云內(nèi)的垂直電場信息, 并不能完全代表整個眼壁內(nèi)的電結(jié)構(gòu)特征, 但可以從觀測的角度進(jìn)一步加深對眼壁閃電爆發(fā)機(jī)理的理解, 對數(shù)值模式起電參數(shù)化方案的選取以及模擬結(jié)果的驗(yàn)證也具有重要的科學(xué)參考.

2 觀測及資料

雷暴云內(nèi)電場探空觀測實(shí)驗(yàn)于2019年夏季在海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)(110.96°E, 19.64°N)開展,龍樓鎮(zhèn)位于文昌市東部沿海, 受海陸風(fēng)的影響, 午后容易出現(xiàn)對流性天氣.文昌也是海南臺風(fēng)登陸最多的地區(qū)之一, 從1949—2016年期間的統(tǒng)計來看,共有155個臺風(fēng)登陸海南, 其中登陸文昌的有49個, 在各市縣中是最多的.此次觀測涉及到的觀測設(shè)備主要有以下幾種: 1)雷暴云內(nèi)電場探空系統(tǒng), 該系統(tǒng)主要由地面自動跟蹤接收裝置與球載電暈探針式探空儀組成, 用以探測垂直方向上的電暈電流; 2)S波段多普勒天氣雷達(dá), 位于?？谟狼f(110.25° E, 20.00°N), 距離東南方龍樓鎮(zhèn)的電場探空點(diǎn)約84 km, 如圖1所示, 用以指揮開展探空觀測作業(yè); 3)地閃定位網(wǎng), 該探測網(wǎng)共由5個子站組成, 分別位于海口(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)和東方(108.64°E, 19.09°N),用以實(shí)時監(jiān)測海南島對流性天氣的地閃信息, 包括發(fā)生的時間、位置、強(qiáng)度、極性等信息; 4)大氣平均電場儀, 在探空站點(diǎn)安裝了一套場磨大氣平均電場儀監(jiān)測對流天氣過程的地面電場.

圖1 雷達(dá)、地閃定位網(wǎng)及電場探空觀測站分布 ■: 探空點(diǎn); Δ: 地閃定位子站; : 雷達(dá)站和地閃定位子站Fig.1.Radar site and lightning location substation.■:Electric field sounding site; Δ: Substations of lightning location network; : Radar site and lightning location substation.

電場探空儀依據(jù)電暈放電的原理, 采用金屬探針作為傳感器實(shí)現(xiàn)對電暈電流的測量, 然后通過野外地面對比觀測得到電場與電暈電流的擬合關(guān)系[35], 如(1)式所示, 其中I為電暈電流, 單位為μA,E和E0分別為實(shí)時大氣電場強(qiáng)度和電暈放電的閾值電場強(qiáng)度, 單位為kV/m.用金屬探針作為傳感器, 電場測量值僅是電場總矢量在導(dǎo)線方向的分量.在實(shí)際觀測中為了盡可能地反映云內(nèi)垂直電場, 電暈探針也是垂直放置的.在這種情況下, 若忽略水平電場的影響, 那么觀測得到的電暈電流被認(rèn)為只是垂直電場的貢獻(xiàn), 由此可利用一維高斯近似公式(2)式計算探空路徑上的電荷密度ρ(單位: nC/m3), 其中ε為空氣的介電常數(shù)(8.86 ×10–12F/m).電暈探針的誤差較大, 假設(shè)電暈探針在垂直方向上的擺動角度為15°, 云內(nèi)氣流速度20 m/s, 在云滴和相對濕度等因素的共同作用下,電暈電流測量相對誤差約為21%[36].但探針式電場探空儀優(yōu)勢是設(shè)計簡單, 成本廉低, 用以整體評估云內(nèi)電荷區(qū)分布及相對強(qiáng)度的比對仍然有效.在具體分析時, 定義向下的電暈電流為正, 對應(yīng)的空中電場也定義為正.探空儀的封裝尺寸為30 cm ×20 cm × 12 cm, 重量約1.5 kg.探針傳感器垂直安裝于封裝外側(cè), 采集的模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)發(fā)送至功率為2 W、工作頻段為433 M的數(shù)字傳輸模塊, 連同探空儀位置信號一起發(fā)送至地面接收站.地面接收天線為高增益全向天線, 數(shù)據(jù)傳輸距離實(shí)測達(dá)到30 km以上, 接收數(shù)據(jù)的采樣率均為1 Hz.

3 結(jié)果分析

3.1 1907號臺風(fēng)的基本特征

北京時間2019年7月 30日17:00, 位于南海北部海域的熱帶云團(tuán)加強(qiáng)為熱帶低壓, 中心(115.5°E, 18.0°N)位于文昌東偏南約513 km的海面上, 中心附近最大風(fēng)速15 m/s, 31日08:00加強(qiáng)為2019年第7號熱帶風(fēng)暴級臺風(fēng), 中心附近最大風(fēng)速18 m/s.8月1日1:50前后在文昌市的翁田鎮(zhèn)沿海登陸, 登陸時中心最大風(fēng)速23 m/s.登陸后在文昌滯留9個小時后于8月1日11:00出海, 之后轉(zhuǎn)向偏北方向移動, 圖2(b)給出了8月1日9:00文昌登陸后的葵花衛(wèi)星紅外云圖.1日17:40前后在廣東省湛江市坡頭區(qū)沿海再次登陸, 登陸時中心最大風(fēng)速23 m/s, 登陸后轉(zhuǎn)向偏西方向移動,穿過雷州半島進(jìn)入北部灣海面, 之后沿著廣西沿海西行, 2日21:20前后在廣西防城港沿海第三次登陸, 登陸時中心最大風(fēng)速也為23 m/s, 登陸后轉(zhuǎn)向西偏南方向移動進(jìn)入越南北部, 強(qiáng)度逐漸減弱, 最終于8月3日23:00被中央氣象臺停止編號.需要指出的是, 自7月31日8:00加強(qiáng)為今年第1907號臺風(fēng)后直至8月3日8:00, 一直維持熱帶風(fēng)暴級別(圖2(c)).另外, 1907號臺風(fēng)中心偏南一側(cè)對流云團(tuán)長時間在海南島停滯, 給海南島帶來了較長時間的大風(fēng)及降水, 海南島大部分地區(qū)的降水在100—400 mm之間.

圖2 臺風(fēng)路徑及強(qiáng)度變化情況 (a)移動路徑; (b)文昌登陸后(8月1日9:00)的葵花衛(wèi)星紅外云圖; (c)臺風(fēng)中心氣壓強(qiáng)度的時間變化Fig.2.Typhoon path and intensity change: (a) Path; (b) Himawari satellite infrared cloud image (9:00, 1 August); (c) the evolution of air pressure at the center of typhoon Wipha.

3.2 臺風(fēng)前兩次登陸期間地閃活動

由于地閃定位網(wǎng)探測范圍主要覆蓋海南島和近海區(qū)域, 并不能監(jiān)測遠(yuǎn)海區(qū)域臺風(fēng)的閃電活動情況, 因此, 為了客觀地評價臺風(fēng)的地閃活動特征,這里只對2019年8月1日0:00—20:00時段內(nèi)的地閃進(jìn)行了統(tǒng)計, 即1907號臺風(fēng)登陸海南(8月1日1:50)與登陸湛江(8月1日17:40)前后的地閃.由圖3(a)可見, 在此期間該臺風(fēng)登陸前后的地閃活動整體偏弱, 地閃主要以負(fù)地閃為主, 負(fù)地閃占總地閃數(shù)的96.7%.地閃的整體演變趨勢表現(xiàn)為: 臺風(fēng)在登陸海南文昌的過程中(0:00—2:00)地閃的逐小時數(shù)目呈顯著的增加趨勢, 3:00的地閃突然減小至30個/小時, 4:00的地閃數(shù)又出現(xiàn)快速增大, 達(dá)到了最大的118個/小時, 6:00下降到46個/小時; 在后續(xù)發(fā)展中, 只在14:00出現(xiàn)了較大的100個/小時, 其余時間都顯著小于40個/小時.雖然臺風(fēng)于7月31日8:00加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴級后一直持續(xù)到8月3日8:00, 但地閃的演變并未與臺風(fēng)強(qiáng)度表現(xiàn)出一致性, 且地閃活動最頻繁時段都出現(xiàn)于兩次登陸前后4個小時以內(nèi).Zhang等[37]對西北太平洋臺風(fēng)的分析發(fā)現(xiàn), 臺風(fēng)登陸后閃電活動有增強(qiáng)的也有減弱的, 登陸前后閃電的空間分布也不同, 登陸后強(qiáng)臺風(fēng)雨帶的地閃密度比臺風(fēng)和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴的減小得更快, 但熱帶風(fēng)暴和熱帶低壓的地閃密度在登陸后增大.從空間分布圖3(b)來看,正地閃主要發(fā)生于瓊州海峽至雷州半島一帶以及西部洋面.圖3(c)和圖3(d)給出了地閃活動峰值時間04:27和14:32前后15 min內(nèi)地閃與雷達(dá)回波的疊加, 該臺風(fēng)眼附近區(qū)域的地閃活動很少, 主要出現(xiàn)于臺風(fēng)的內(nèi)雨帶和外雨帶, 由于閃電較少,宏觀上并沒有表現(xiàn)出明顯的三圈結(jié)構(gòu)特征.

圖3 2019年8月1日0:00 ~ 20:00時段1907號臺風(fēng)登陸海南與登陸湛江前后的地閃特征 (a)地閃活動的時間演變; (b)地閃活動的空間分布; (c)和(d)分別為04:27和14:32前后15 min內(nèi)地閃與雷達(dá)回波的疊加, 黑色圓點(diǎn)代表地閃.圖中直線α, β, ζ和θ為圖4對應(yīng)的剖面位置Fig.3.The characteristics of cloud-to-ground flashes in typhoon No.1907 before and after landing in Hainan and Zhanjiang from 0:00 to 20:00 on August 1, 2019: (a) The evolution of cloud-to-ground flash activities; (b) spatial distribution of cloud-to-ground flash activities; (c) and (d) are the superposition of the flash locations upon radar echo for 30 minutes around 04:27 and 14:32, respectively, and the black dot represents the cloud-to-ground flashes.The line α, β, ζ and θ in this figure is the location of corresponding section in Fig.4.

研究指出[16], 臺風(fēng)眼壁區(qū)的對流結(jié)構(gòu)類似于海洋季風(fēng)深對流, 雷達(dá)回波特征表現(xiàn)為最強(qiáng)回波位于0 ℃層以下, 0 ℃層以上回波迅速減小, 這種特征表明眼壁內(nèi)過冷水和強(qiáng)大上升氣流的缺乏, 一定程度上限制了冰晶和霰粒子的碰撞起電, 使得眼壁內(nèi)的閃電活動相對螺旋雨帶較弱.為了分析地閃活動與回波強(qiáng)度之間的關(guān)系, 這里對兩次地閃峰值階段(8月1日4:00和14:00)對應(yīng)的雷達(dá)回波剖面進(jìn)行了分析, 如圖4所示.在地閃頻數(shù)首次達(dá)到峰值的時段, 盡管眼壁內(nèi)的回波強(qiáng)度較大, 達(dá)到了45—50 dBZ, 但高度局限于海拔6 km以下且往上回波快速減小, 另外, 云頂高度也在14 km以下,如圖4(a)所示; 對于同時段閃電較為活躍的內(nèi)雨帶, 35— 40 dBZ的回波頂高達(dá)到了約10 km且云頂高度也接近18 km(圖4(b)), 這表明強(qiáng)回波區(qū)的高度和深對流發(fā)展對閃電的發(fā)生有著顯著的影響.然而, 在第二個地閃峰值期間, 內(nèi)雨帶回波較強(qiáng)且云頂高度較高的區(qū)域(圖4(c))發(fā)生的地閃數(shù)目反而小于回波弱且高度較低的區(qū)域(圖4(d)), 這可能與云內(nèi)電荷區(qū)的配置有一定的關(guān)系.由圖4可見, 內(nèi)雨帶的回波剖面最接近于常規(guī)雷暴云的回波結(jié)構(gòu), 這可能就是內(nèi)雨帶閃電容易發(fā)生的原因, 而外雨帶的回波則更接近于層云降水區(qū)的特征.

圖4 圖3(c)和圖3(d)中沿直線α, β, ζ和θ的雷達(dá)回波垂直剖面(回波強(qiáng)度同圖3色標(biāo)) (a)沿直線α; (b)沿直線β; (c) 沿直線ζ; (d) 沿直線θFig.4.Radar echo vertical cross section of line α, β, ζ and θ in Fig.3(c) and Fig.3(d) (The colorbar is the same as Fig.3): (a) Line α; (b) line β; (c) line ζ; (d) line θ.

3.3 垂直電場廓線特征

本次探空氣球穿云的時段為2019年8月1日9:53:11—10:25:12, 整個探空過程時長約32 min,10:23:04, 探空到達(dá)云頂上邊界10—15 dBZ的區(qū)域, 電暈電流也歸為零值.由葵花衛(wèi)星紅外云圖、海口雷達(dá)回波以及探空路徑判斷, 此次探空進(jìn)入了臺風(fēng)的眼壁.圖5(a)分別給出了探空時段內(nèi)(10:09)3 km高度處的雷達(dá)回波, 可見, 探空點(diǎn)位置(黑色三角形)處于臺風(fēng)眼的附近區(qū)域.圖5(b)為圖5(a)中黑色方框區(qū)域的放大, 黑色線條為探空路徑的地面投影與回波的疊加, 自探空點(diǎn)位置氣球朝東偏北飛行了約27 km.為了確定探空路徑在雷達(dá)垂直剖面上的投影位置, 以接近路徑的直線AB對回波進(jìn)行剖面處理, 由圖5(c)可知, 這次探空自釋放后傾斜上升, 進(jìn)入云體后, 在高度約3 km處進(jìn)入了強(qiáng)回波中心, 在海拔10 km高度處穿過了云頂, 除了2 km以下的路徑處于云的邊緣外,在此以上都處于云體內(nèi)部.Zhang等[38]通過計算指出, 假設(shè)云內(nèi)電荷區(qū)分布在水平上是均勻的, 只要探空路徑不完全處于云的邊緣, 那么電場探空結(jié)果可以較好地反映云內(nèi)的電荷分布特征.

圖5 探空時段內(nèi)的雷達(dá)回波的反射率以及垂直探空路徑在回波剖面上的顯示 (a) 10:09時的反射率(3 km高度處); (b)圖(a)中黑色方框區(qū)域的放大, 顯示探空路徑與回波的地面投影以及剖面切割線(線段AB); (c)探空路徑在回波剖面上的投影, 圖中△代表氣球釋放點(diǎn)位置Fig.5.Sounding path and the corresponding Radar echo (10:09): (a) Radar echo at height of 3 km; (b) enlarged view of the section in the square of picture (a), the line AB is the location of vertical cross section and the black curve is the horizontal projection of the sounding path; (c) superposition image of radar echo vertical cross section of line AB in the (a) and sounding path.△: Sounding site.

圖6給出了此次電場探空得到的氣球上升速度、電暈電流、垂直電場及電荷區(qū)分布.由于臺風(fēng)“韋帕”整體偏弱, 眼壁區(qū)最強(qiáng)回波只有35—45 dBZ,氣球上升速度基本維持在4—6 m/s之間.由電暈電流反演得到的電場圖6(c)來看, 最強(qiáng)負(fù)極性電場值為35.5 kV/m, 位于6.21 km (–3.60 ℃)高度處; 對于正極性電場, 最大值達(dá)到飽和, 其值為62.9 kV/m, 高度處于7.53—7.89 km (–9.15—–11.21 ℃)之間, 根據(jù)飽和電場上下相鄰區(qū)域電場廓線的線性演變趨勢, 通過斜率大致可以推斷最大正極性電場有可能達(dá)到79.86 kV/m(–10.37 ℃).上部負(fù)極性電場峰值為–19.77 kV/m(–18.63 ℃),其高度為8.87 km.Marshall和Rust[39]對墨西哥山地雷暴上升氣流區(qū)內(nèi)和上升氣流區(qū)中心附近的垂直電場廓線的分析發(fā)現(xiàn), 垂直電場的絕對值廓線有三個峰值組成且最大的是負(fù)電場峰值, 下部正電場峰值在海拔5.8 km處, 中部負(fù)電場峰值在7.3 km 處, 上部正電場峰值出現(xiàn)在10.3 km 處(電場極性定義與本文相反).對比可知, 除了上部負(fù)電場峰值的海拔相對雷暴的較低外, 其余兩個電場峰值對應(yīng)的高度基本相當(dāng).一般上升氣流區(qū)內(nèi)外的電結(jié)構(gòu)存在差異[40], Stolzenburg 等[41]通過探空發(fā)現(xiàn), 上升氣流區(qū)外圍的垂直電場廓線一般有四五個峰值.

圖6 2019年8月1日9:53:11—10:23:04臺風(fēng)眼壁區(qū)內(nèi)的探空結(jié)果 (a)上升速度; (b)電暈電流; (c)電場(E)、溫度(T); (d)電荷密度Fig.6.Sounding results in eyewall of No.1907 typhoon on August 1, 2019 (9:53:11–10:23:04): (a) Ascending velocity; (b) corona current; (c) E-field (E) and temperature (T); (d) charge density.

由探空可知, 在臺風(fēng)眼壁9.1 km以上區(qū)域的電場為零值, 而云上邊界在10 km處, 這表明9.1—10 km范圍內(nèi)的水成物粒子為電中性的或荷電量較小未被探測到.另外, 海拔5.74 km以下,電場也保持為零值, 而0 ℃的高度為5.32 km, 也就是說, 臺風(fēng)眼壁區(qū)內(nèi)電荷區(qū)均位于0 ℃以上的冰相混合區(qū), 這符合對流云非感應(yīng)起電機(jī)制作用的區(qū)域[42,43], 而在溫度暖于0 ℃的區(qū)域基本不直接參與起電.

3.4 云內(nèi)電荷區(qū)垂直分布特征

假設(shè)眼壁內(nèi)的電荷分布是近似水平均勻的, 那么就可以利用一維高斯公式(2)式計算垂直方向上云內(nèi)的電荷區(qū)分布特征.由圖5(d)可知, 在高度5.74—9.10 km之間(對應(yīng)的溫度為–2.4—–16.7 ℃)共有不同強(qiáng)度和極性的電荷區(qū)共有7個,其中包括3個負(fù)電荷區(qū)和4個正電荷區(qū), 如圖中N1, N2, N3, P1, P2, P3和P4所示(P和N分別代表正和負(fù)).自下往上7個電荷區(qū)的平均電荷密度分別為0.63, –0.33, 0.31, –1.03, 1.70, 1.57和–1.20 nC/m3, 各電荷區(qū)中心高度依次位于6.02,6.38, 6.58, 7.11, 8.06, 8.81和8.95 km.可見, 下部的3個電荷區(qū)對應(yīng)的電荷密度都小于1.0 nC/m3,而上部的四個電荷區(qū)的電荷密度都超過了1.0 nC/m3.電荷區(qū)的強(qiáng)度(電荷區(qū)所含的電荷量)除了受電荷密度大小影響外, 直接與電荷區(qū)的體積相關(guān), 為了評價各個電荷區(qū)相對強(qiáng)度大小, 通過計算電荷密度與體積的乘積就可得到, 但由于無法獲知云內(nèi)電荷區(qū)的水平尺寸, 因此, 通常采用電荷密度(ρ)與電荷區(qū)厚度(?z)的乘積對比各個電荷區(qū)的相對強(qiáng)弱.電荷區(qū)自下往上的厚度分別是0.52, 0.20, 0.20,0.85, 0.33, 0.11和0.15 km, 通過計算得到各電荷區(qū)的相對強(qiáng)度依次為0.33, –0.07, 0.06, –0.87, 0.55,0.18和–0.18 nC/m2.由此可見, P1, N2和P3是此次探空期間眼壁區(qū)內(nèi)強(qiáng)度最大的三個電荷區(qū),N3和P4次之, 而N1和P2是強(qiáng)度最小的兩個電荷區(qū).

由以上分析可知, 探空儀穿過的眼壁區(qū)在垂直方向上共有7個電荷區(qū)存在, 整體分布較為復(fù)雜,這與Stolzenburg等[41]雷暴云的電場探空觀測結(jié)果有一定的相似性.若只考慮眼壁內(nèi)強(qiáng)度較大的3個優(yōu)勢電荷區(qū)P1, N2和P3, 這3個優(yōu)勢電荷區(qū)自下往上呈正、負(fù)、正的三極性結(jié)構(gòu)排列, 這種分布與雷暴云的三極性電荷結(jié)構(gòu)分布是否具有一致性還有待進(jìn)一步的分析.雷暴云內(nèi)的電荷區(qū)在垂直方向上基本都呈極性交錯的方式排列, 而P3和P4作為相鄰的兩個電荷區(qū)極性一致, 因此, 本文推測這兩個電荷區(qū)應(yīng)該屬于同一個電荷區(qū), 只是由于二者之間區(qū)域的電荷密度較小, 使得電場達(dá)不到探針放電的電場閾值, 從而在實(shí)況資料上顯示為兩個獨(dú)立的電荷區(qū).若二者確屬同一電荷區(qū), 那么上部主正電荷區(qū)(P3與P4合并)的平均電荷密度為0.75 nC/m3, 但由于電荷區(qū)厚度的擴(kuò)展為0.97 km,電荷區(qū)的強(qiáng)度調(diào)整為0.73 nC/m2.在云頂?shù)母浇鼌^(qū)域有一個負(fù)電荷區(qū), 這應(yīng)該是雷暴云頂部經(jīng)常被觀測到屏蔽電荷層[44].因此, 1907號臺風(fēng)探空區(qū)域內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)整體呈四極性電荷結(jié)構(gòu), 最下部為正電荷區(qū), 往上依次改變極性, 最上部為負(fù)極性屏蔽電荷層.

3.5 地面電場的演變特征

在探空點(diǎn)的大氣平均電場儀完整地記錄了臺風(fēng)登陸前后的地面電場, 這里定義地面正極性電場對應(yīng)云內(nèi)正電荷控制地面電場.圖7給出了1907號臺風(fēng)前兩次登陸前后的地面電場, 可見, 在登陸前后00:00—03:25期間的電場有明顯的波段變化, 此后在03:26—08:55的地面電場基本接近于0 kV/m, 該時段對應(yīng)電場儀處在臺風(fēng)眼邊緣的下部; 在08:56—09:53期間出現(xiàn)負(fù)極性電場并且伴隨有閃電引起的快速變化, 最大電場強(qiáng)度在5—8 kV/m之間, 而站點(diǎn)上空覆蓋有臺風(fēng)眼壁的弱回波云; 探空期間的地面電場雖然主要呈正極性, 但沒有顯著的變化且電場值很弱; 在10:25—11:06期間電場又基本歸于零值附近, 隨后隨著臺風(fēng)的向北移動, 電場再次出現(xiàn)較大幅度的波動, 極性主要為負(fù)極性,對應(yīng)臺風(fēng)的回波強(qiáng)度已有所減弱, 地面電場也于臺風(fēng)登陸湛江前1個小時歸于零值.從地面電場演變并不能得到更多與電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息, 但可以確定的是隨著眼壁區(qū)位置的不同, 云內(nèi)電荷分布還是存在著不同程度的差異, 否則根據(jù)電場探空給出的電荷分布來看, 地面電場理應(yīng)由云內(nèi)下部正電荷區(qū)控制, 而實(shí)際情況并非如此, 除了地面電場出現(xiàn)較大的波動外, 有些研究表明眼壁區(qū)內(nèi)的閃電分布存在區(qū)域上的差異, 如Fierro等[22]發(fā)現(xiàn)眼壁雙極性窄脈沖事件的爆發(fā)隨時間呈逆時針方向依次發(fā)生,揭示了眼壁強(qiáng)對流單體的時空演變在不斷地對電荷區(qū)進(jìn)行調(diào)整.

圖7 臺風(fēng)地面電場監(jiān)測 (a) 8月1日0:00—20:00, “TK”代表探空時段; (b)探空時段地面電場的擴(kuò)展Fig.7.Evolution of surface electric field of No.1907 typhoon: (a) The time period from 0:00 to 20:00 on 1st August, “TK” stands for the sounding period; (b) enlarged view of sounding period as “TK” in Fig.(a).

4 結(jié)論與討論

本文利用首次在臺風(fēng)眼壁區(qū)內(nèi)獲取到的一次電場探空資料詳細(xì)分析了云內(nèi)的電場廓線及電荷區(qū)分布特征, 并結(jié)合雷達(dá)、地閃定位和地面電場對1907號臺風(fēng)特征進(jìn)行了詳細(xì)的綜合分析, 主要結(jié)論有以下幾個方面.

1)雖然1907號臺風(fēng)達(dá)到熱帶風(fēng)暴級別長達(dá)17個小時, 但整體地閃活動較少, 空間上并沒有顯著的分布特征, 但眼壁內(nèi)的地閃要明顯小于內(nèi)雨帶的; 從時間的演變來看, 地閃峰值在登陸海南文昌后2小時達(dá)到峰值, 而第二峰值在登陸湛江前3小時出現(xiàn).

2)從電場廓線計算得到的電荷區(qū)來看, 云內(nèi)共探測到7個電荷區(qū), 若最上部的兩個正電荷區(qū)是同屬一個電荷區(qū), 那么最小部的電荷區(qū)為正極性, 往上依次改變極性, 它們的電荷密度(中心高度)分別為0.63 nC/m3(6.02 km), –0.33 nC/m3(6.38 km), 0.31 nC/m3(6.58 km), –1.03 nC/m3(7.11 km), 0.75 nC/m3(8.38 km)和–1.20 nC/m3(8.95 km).可見, 最上部的3個電荷區(qū)電荷密度是最大的, 但考慮各電荷區(qū)的厚度, 它們的強(qiáng)度分別為0.33, –0.07, 0.06, –0.87, 0.73和–0.18 nC/m2,強(qiáng)度最大3個電荷區(qū)為最下部的正電荷區(qū)與其上部的主負(fù)和主正電荷區(qū).

3)此次探空給出的結(jié)果顯示, 眼壁內(nèi)探空路徑區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢電荷區(qū)在垂直方向上呈三極性電荷結(jié)構(gòu), 在云上部還存在一個負(fù)極性的屏蔽電荷層.雷暴云經(jīng)典的三極性電荷結(jié)構(gòu)特征基本為: 云下部是正電荷區(qū), 位于暖于0 ℃的區(qū)域; 中間是主負(fù)電荷區(qū), 位于0 — –10 ℃的區(qū)域; 上面是一個主正電荷區(qū), 對應(yīng)溫度低于–10 ℃的區(qū)域[45,46].P1, N2和P3電荷區(qū)對應(yīng)的溫度分別處于 –3.1 — –5.7 ℃,–7.7 — –11.9 ℃ 和 –13.7 — –15.3 ℃.首先, 此次觀測得到的下部正電荷區(qū)對應(yīng)的溫度冷于0 ℃, 這有別于雷暴三極性電荷結(jié)構(gòu)下部正電荷區(qū)所在的溫度層.在雷暴下沉氣流區(qū), 下部正電荷區(qū)一般出現(xiàn)于0 ℃層的下部[41]; 另外, 當(dāng)雷暴處于消散階段時, 處于混合相下部的正電荷區(qū)下沉到暖于0 ℃的區(qū)域[47,48].至于1907號臺風(fēng)在成熟階段下部正電荷區(qū)是否也存在這種特征無法確定.對于中部主負(fù)電荷區(qū), 很多雷暴云內(nèi)的電場探空發(fā)現(xiàn)主負(fù)電荷區(qū)所對應(yīng)的溫度層為–15 — –5 ℃, 厚度為千米量級[49,50], 這與此次探空對應(yīng)的負(fù)電荷區(qū)(N2)的位置基本符合這一條件.臺風(fēng)眼壁上部主正電荷區(qū)位置也與雷暴云三極性電荷結(jié)構(gòu)的符合.對于云頂部的負(fù)極性屏蔽電荷層, 其存在的區(qū)域位于10—15 dBZ之間, 這與Dye 和Willett[51]的飛機(jī)觀測結(jié)果和Stolzenburg等[44]的電場探空結(jié)果基本一致.

4)目前有關(guān)雷暴云內(nèi)的起電機(jī)制主要考慮霰粒-冰晶的碰撞起電的非感應(yīng)起電機(jī)制和極化粒子碰撞分離產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移的感應(yīng)起電.霰粒-冰晶起電機(jī)制由于較高的起電效率且能很好地解釋三極性電荷結(jié)構(gòu)而被廣泛認(rèn)同[28,52], 而感應(yīng)起電機(jī)制需要有強(qiáng)度大于10 kV/m的外電場條件[53].在臺風(fēng)起電的數(shù)值模擬中也主要考慮這兩種起電機(jī)制, 徐良韜等[54]發(fā)展了WRF起電模式, 該模式采用了修正后的非感應(yīng)起電方案[55]和感應(yīng)起電方案[56].利用該模式, Xu等[34]通過對臺風(fēng)的模擬發(fā)現(xiàn), 熱帶氣旋眼壁區(qū)的對流一般具有中負(fù)下正的電荷結(jié)構(gòu), 分析認(rèn)為是大小冰相粒子間碰撞位置的溫度偏高, 使得產(chǎn)生較大的霰粒子荷正電和較小的冰晶粒子荷負(fù)電; 另外, 該研究發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋加強(qiáng)階段的眼壁內(nèi)深對流呈三極性電荷結(jié)構(gòu).在對臺風(fēng)莫拉菲的模擬中, 徐良韜等[57]發(fā)現(xiàn)眼壁在近海加強(qiáng)階段呈現(xiàn)正的三極性電荷結(jié)構(gòu), 而在臺風(fēng)達(dá)到最大強(qiáng)度后呈現(xiàn)負(fù)的偶極性電荷結(jié)構(gòu), 而外雨帶對流電荷結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)正偶極性或三極性電荷結(jié)構(gòu), 不受臺風(fēng)強(qiáng)度變化及登陸過程影響.這些研究表明, 臺風(fēng)過程與雷暴的電荷結(jié)構(gòu)具有一定的相似性, 但考慮到動力差異, 二者在起電機(jī)制方面是否有所不同還需要更多的觀測和研究進(jìn)行證實(shí).

本研究工作得到了西昌衛(wèi)星發(fā)射中心氣象臺和西昌衛(wèi)星發(fā)射中心氣象臺氣象水文室在觀測場地保障和地面電場資料方面提供的支持, 特別感謝張春峰同志在探空作業(yè)中的大力協(xié)助.