一次暖云降水主導(dǎo)的暴雨過(guò)程中電荷結(jié)構(gòu)特征及其成因的模擬研究

張坤，郭鳳霞，譚涌波，蔡彬彬，劉澤，張志偉，初雨，鄒迪可，吳澤怡

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044)

1 引言

廣東省屬于東亞季風(fēng)區(qū)，地處低緯，面臨南海，是暴雨多發(fā)地區(qū)。強(qiáng)降水、閃電、大風(fēng)、冰雹和龍卷都是對(duì)流天氣伴隨發(fā)生的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，暴雨主要來(lái)源于云內(nèi)粒子的增長(zhǎng)、下落，而云內(nèi)粒子，特別是混合相態(tài)區(qū)域的大小冰相粒子又是電荷的載體，因此對(duì)流過(guò)程中的強(qiáng)降水和電荷結(jié)構(gòu)之間有著緊密聯(lián)系，研究暴雨過(guò)程中的電荷結(jié)構(gòu)演變特征，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)對(duì)流天氣過(guò)程中災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之間的關(guān)系。

2017年5月7 日（北京時(shí)間，下同），廣東發(fā)生了一次低質(zhì)心暖云降水的特大暴雨過(guò)程[1]。此次暴雨是局地暖區(qū)突發(fā)性特大暴雨，環(huán)境條件和動(dòng)力強(qiáng)迫較弱，天氣尺度的動(dòng)力、熱力和水汽條件極端性不顯著[1-3]。有學(xué)者[2-4]認(rèn)為低層切變系統(tǒng)的東移和北方高壓系統(tǒng)的入海提供了南風(fēng)輻合背景，喇叭口地區(qū)特殊的地形又使南風(fēng)輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，持續(xù)地輸送偏南氣流，氣流在地形抬升和地形輻射降溫導(dǎo)致的高溫度梯度作用下向上傳輸，導(dǎo)致對(duì)流最終爆發(fā)。對(duì)于此次過(guò)程的研究大多是分析其微物理特征和觸發(fā)維持機(jī)制等，鮮有涉及電荷結(jié)構(gòu)。

Liu等[5]利用三維全閃觀測(cè)資料分析了2017年5月7日廣東特大暴雨過(guò)程，得出上行負(fù)先導(dǎo)和下行負(fù)先導(dǎo)峰值分別位于不同的高度位置，而負(fù)先導(dǎo)是始于正負(fù)電荷區(qū)之間，因此推斷出此次暴雨過(guò)程云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)為三極性。

上世紀(jì)八九十年代觀測(cè)[6]發(fā)現(xiàn)，我國(guó)南北方雷暴電荷結(jié)構(gòu)差異明顯，北方雷暴電荷結(jié)構(gòu)呈獨(dú)特的三極性，底部正電荷區(qū)水平擴(kuò)展范圍可達(dá)數(shù)千米，電荷量超過(guò)數(shù)十庫(kù)侖，這個(gè)正電荷區(qū)與降水相聯(lián)系[7]，其電荷量和范圍均比國(guó)外觀測(cè)到的雷暴云下部正電荷區(qū)的大[8]。而南方雷暴電荷結(jié)構(gòu)呈經(jīng)典偶極型，即使云底部存在正電荷區(qū)，其電荷量和范圍也較小。由于雷暴電荷結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了地面電場(chǎng)特性和人工觸發(fā)閃電電場(chǎng)特性的差異，在雷暴活動(dòng)期，北方地面為較強(qiáng)的正電場(chǎng)（規(guī)定頭頂為正電荷地面電場(chǎng)為正極性），南方為負(fù)電場(chǎng)。北方的人工觸發(fā)閃電是負(fù)先導(dǎo)向上傳播的慢型放電過(guò)程，中和了云下部正電荷區(qū)的正電荷，放電過(guò)程只有連續(xù)電流，沒(méi)有回?fù)?，電流峰值和中和電荷量較小，南方的人工觸發(fā)閃電是正先導(dǎo)向上發(fā)展和傳播，中和了云中部負(fù)電荷區(qū)的負(fù)電荷，放電過(guò)程由連續(xù)電流和回?fù)暨^(guò)程組成，電流峰值和中和電荷量較大，是經(jīng)典型放電過(guò)程。自2006年開(kāi)始，中國(guó)氣象科學(xué)研究院和廣東省氣象局在廣州野外雷電試驗(yàn)基地持續(xù)合作開(kāi)展了雷電野外綜合觀測(cè)試驗(yàn)，在最初十年期間，共成功觸發(fā)閃電94次，除在地面為正電場(chǎng)的條件下獲得一次僅有初始連續(xù)電流過(guò)程的由上行負(fù)先導(dǎo)起始的觸發(fā)閃電外，其余均是地面電場(chǎng)為負(fù)極性情況下由上行正先導(dǎo)起始的負(fù)極性觸發(fā)閃電[9]，2019年夏季廣州從化人工引雷試驗(yàn)共記錄的7次觸發(fā)閃電均為中和云中負(fù)極性電荷的負(fù)極性閃電[10]，這些都再次表明了廣東地區(qū)雷暴電荷結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為偶極性。此外，近20年來(lái)，一些利用閃電定位技術(shù)的觀測(cè)分析也同樣表明廣東地區(qū)雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)呈偶極性[11-14]。這些推論雖然具有一定參考價(jià)值，但由于觀測(cè)手段的局限性，給出的是總體上南北方雷暴的主要電荷結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

數(shù)值模擬的研究[15-16]則表明，廣東地區(qū)雷暴云的成熟期，電荷結(jié)構(gòu)是由三極性演變?yōu)榕紭O性的，這與以往研究結(jié)果有一定差異。在單體成熟階段初期，大小冰粒子重合區(qū)域大，非感應(yīng)碰撞起電強(qiáng)，因此在有效液態(tài)水含量適中且溫度較高的云底區(qū)域，霰粒子帶正電荷，形成底部正電荷區(qū)，主要分布在0℃左右。攜帶正電荷的霰粒子在下落時(shí)融化成雨滴降落到地面，因此底部正電荷區(qū)的范圍一直延伸到近地面。單體繼續(xù)發(fā)展，大量的水汽向云體輸送，上升氣流區(qū)豐富的過(guò)冷水使冰粒子的凇附程度高，霰不斷增多，冰晶和雪花被快速消耗，與霰共存的區(qū)域急劇減少，非感應(yīng)起電減弱，下部的霰粒子不能再攜帶正電荷，底部正電荷區(qū)也隨之基本消失。

2017年5月7 日廣東地區(qū)以暖云降水為主的特大暴雨過(guò)程，云內(nèi)對(duì)流、粒子的類(lèi)型及分布和同地區(qū)典型雷暴過(guò)程之間存在差異，這必然會(huì)導(dǎo)致其電荷結(jié)構(gòu)的不同，為了深入認(rèn)識(shí)這次特大暴雨過(guò)程的電荷結(jié)構(gòu)的特征及其形成原因，本文對(duì)其進(jìn)行了模擬研究。

2 天氣背景及模式介紹

2.1 天氣背景

2017年5月7 日在廣東廣州北部發(fā)生了一次特大暴雨過(guò)程，降雨強(qiáng)度極大，強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，主要強(qiáng)降水時(shí)段發(fā)生在02—07時(shí)。增城永寧街錄得05—08時(shí)3小時(shí)雨量為382.6 mm，打破廣州3小時(shí)雨量歷史極值215.2 mm，黃浦區(qū)錄得日雨量(542.7 mm)打破了廣州日雨量的歷史極值(477.4 mm)。多地出現(xiàn)城市內(nèi)澇、山體滑坡、洪水和泥石流等災(zāi)害，房屋倒塌450間，造成經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)1.77億。本次特大暴雨歷史罕見(jiàn)，局地性很強(qiáng)，沒(méi)有明顯的天氣尺度背景前兆信號(hào)[17]。

此次過(guò)程發(fā)生在弱的天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫條件下，無(wú)明顯低空急流、鋒面等天氣系統(tǒng)配合。由圖1探空曲線可知，地面氣溫為29.4℃。抬升凝結(jié)高度(PLC)約為893.8 hPa，自由對(duì)流高度(LFC)為836.1 hPa，較低的抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度使得不需要很強(qiáng)的動(dòng)力強(qiáng)迫抬升即可觸發(fā)對(duì)流。對(duì)流抑制能量(CIN)為55.62 J/kg，對(duì)流有效位能(CAPE)約為858 J/kg，表明對(duì)流發(fā)展的不穩(wěn)定能量不大。邊界層低層（900 hPa以下高度）為暖干氣團(tuán)，中低層(850～650 hPa)為濕層，中高層(650～400 hPa)為干冷氣團(tuán)[4]。水平風(fēng)速和風(fēng)向具有較強(qiáng)的切變，風(fēng)速隨高度明顯增加，風(fēng)向也隨著高度由東南方向向西南方向發(fā)生了順轉(zhuǎn)。這些條件較有利于高強(qiáng)度降水的發(fā)生。

圖1 2017年5月6日20時(shí)清遠(yuǎn)探空站探空曲線

2.2 模式介紹

本文模擬使用的中尺度數(shù)值模式WRF是一種三維完全可壓縮、非靜力平衡模式，采用Helsdon等[18]基于Saunders等[19]云室實(shí)驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)的非感應(yīng)起電以及Ziegler等[20]提出的感應(yīng)起電兩種起電機(jī)制。該模式中非感應(yīng)起電主要考慮是霰/雹-冰晶/雪的碰撞分離，感應(yīng)起電主要是霰與云滴的碰撞分離。放電模式采用的是MacGorman等[21]改進(jìn)的整體放電參數(shù)化方案。采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA-Interim再分析資料作為初始背景場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式，時(shí)間間隔6小時(shí)。模擬時(shí)間為2017年5月6日14時(shí)—5月7日14時(shí)，共模擬24小時(shí)。模擬區(qū)域采用兩層嵌套（圖2），d01、d02水平分辨率分別為9 km、3 km，垂直層數(shù)為29層，模式頂高為50 hPa（約20 km）。采用Mansell等[22]在Ziegler等[23]基礎(chǔ)上改進(jìn)的NSSL 2-mom微物理參數(shù)化方案以及YSU邊界層方案。

圖2 模擬區(qū)域示意圖（d01為最外層，d02為最內(nèi)層）

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模擬效果檢驗(yàn)

圖3給出了2017年5月7日廣州番禺區(qū)的S波段雙偏振雷達(dá)實(shí)測(cè)的部分時(shí)刻組合反射率因子演變過(guò)程。00時(shí)，單體在花都區(qū)中部偏東區(qū)域開(kāi)始生成，且向東北移動(dòng)緩慢，基本維持在初生地，回波區(qū)域范圍較小，但已有反射率因子超過(guò)55 dBZ的區(qū)域。02時(shí)，對(duì)流加強(qiáng)，不斷有新生對(duì)流產(chǎn)生，并向東北方向緩慢移動(dòng)，形成“列車(chē)效應(yīng)”（即不斷有對(duì)流單體經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)），最大反射率因子仍超過(guò)55 dBZ，6分鐘內(nèi)雨強(qiáng)已經(jīng)超過(guò)了50 mm/h（圖略）。05時(shí)相比于02時(shí)強(qiáng)回波范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并向東北方向延伸，最大反射率因子一直維持在55 dBZ以上，小時(shí)降水超過(guò)50 mm的區(qū)域增大（圖略）。此時(shí)“列車(chē)效應(yīng)”不再顯著，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)維持在原地。07時(shí)，強(qiáng)回波區(qū)與弱回波區(qū)范圍均明顯有所擴(kuò)大，但強(qiáng)回波區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)位置與前05時(shí)相比均未有較大的移動(dòng)，最強(qiáng)反射率因子仍超過(guò)55 dBZ?；夭ㄒ苿?dòng)緩慢加上“列車(chē)效應(yīng)”，使得強(qiáng)回波基本穩(wěn)定地維持在局地，強(qiáng)降水系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間影響同一局地區(qū)域，從而導(dǎo)致了此次極端降水過(guò)程的產(chǎn)生[1,3-4]。

圖3 廣州雷達(dá)實(shí)測(cè)組合回波反射率

由圖4可知，模擬得到的此次過(guò)程由西南向東北方向緩慢發(fā)展，伴隨著多個(gè)單體的合并分離，最大反射率一直維持在55 dBZ以上，比雷達(dá)實(shí)測(cè)的組合回波強(qiáng)度相當(dāng)。模擬中未做數(shù)據(jù)同化，模擬和實(shí)測(cè)回波在時(shí)空上有所偏差，時(shí)間上，模擬與實(shí)測(cè)相比，對(duì)流提前發(fā)生；空間上，模擬回波位置有所偏差，強(qiáng)回波區(qū)偏東，范圍比實(shí)測(cè)大。和雷達(dá)實(shí)測(cè)回波一樣，模擬得到的強(qiáng)回波也是基本維持在局地，且不斷有對(duì)流單體經(jīng)過(guò)同一地區(qū)導(dǎo)致局地強(qiáng)降水。模擬與用實(shí)測(cè)雷達(dá)回波反演得到的最大雨強(qiáng)[5]基本一致，均達(dá)到120 mm/h。

圖4 模擬得到的雷達(dá)組合回波反射率

圖5給出了實(shí)測(cè)（02:00）與模擬（01:40）中處于成熟階段的單體的反射率因子剖面圖，模擬的回波頂高及強(qiáng)回波垂直位置也與實(shí)測(cè)較一致，頂高均為11 km左右，強(qiáng)回波中心位置較低，主要分布在0℃溫度層以下，實(shí)測(cè)約在2～4 km高度之間，而模擬的（1～3 km之間）比實(shí)測(cè)的要低。50 dBZ的回波頂高均在0℃層附近，最大反射率因子均超過(guò)55 dBZ?？傮w上，觀測(cè)和模擬的對(duì)流單體成熟回波垂直結(jié)構(gòu)上均呈現(xiàn)出低質(zhì)心暖云降水的特點(diǎn)。本文著重于對(duì)云內(nèi)的微物理、動(dòng)力和起放電特征的分析，鑒于模擬與真實(shí)的對(duì)流特征有較好的一致性，因此，認(rèn)為模擬結(jié)果能夠很好地再現(xiàn)真實(shí)對(duì)流發(fā)展中的微物理和動(dòng)力的主要特征。

圖5 實(shí)測(cè)和模擬的反射率因子剖面圖（a為圖3b黑線處剖面，b為圖4b黑線處剖面）黑色虛線為等溫線（從下往上分別為0℃，-10℃，-20℃，-30℃，-40℃）

鄭棟等[24]分析的一次雹暴過(guò)程，回波頂高達(dá)15 km，強(qiáng)回波區(qū)位于3～13 km高度，最大回波超過(guò)65 dBZ，其頂高達(dá)到-30℃溫度層。與雹暴過(guò)程相比，此次暴雨過(guò)程的最大回波強(qiáng)度較小，且回波中心高度低得多。

3.2 水凝物粒子分布特征

云內(nèi)水成物粒子是電荷的主要載體，以圖4b黑線所示的剖面為例分析單體成熟階段的粒子分布及其帶電特征。從圖6可見(jiàn)，強(qiáng)回波區(qū)存在一個(gè)下沉氣流區(qū)，最大風(fēng)速約1 m/s，強(qiáng)回波區(qū)上部5～8 km高度有一個(gè)上升氣流區(qū)，最大風(fēng)速在-10℃層附近，約為6 m/s。上升與下沉氣流都不強(qiáng)，表明對(duì)流較弱。

云水在-30℃層以下都有分布，但主要分布在-20℃層以下，中心在強(qiáng)回波頂上方的0℃層附近，最大值為1.2 g/kg，約為廣東颮線過(guò)程[16]單體成熟階段最大值（2.15 g/kg）的1/2。雨滴數(shù)濃度最大值位于地面到0℃層之間的強(qiáng)回波中心后側(cè)，而比含水量最大值正對(duì)應(yīng)著強(qiáng)回波中心，最大值達(dá)4.1 g/kg，說(shuō)明此區(qū)域雨滴的尺寸較大。同地區(qū)颮線過(guò)程[16]中的雨滴比含水量最大值（11.02 g/kg）比此次暴雨過(guò)程的大，但此次暴雨過(guò)程由于回波少移動(dòng)，造成局地降水多，而颮線過(guò)程雖然整體降水較強(qiáng)，但移動(dòng)迅速，因此局地降水比前者少。由于大雨滴下落過(guò)程中的拖曳作用產(chǎn)生了下沉氣流，因此，雨滴比含水量中心位于下沉氣流區(qū)。

冰晶主要分布在云體中上部、-10℃層以上的高度，數(shù)濃度中心位于比含水量中心的后側(cè)，在-40℃層附近，比含水量中心高度比廣東颮線過(guò)程[16]低，且前者最大值（0.22 g/kg）還不到后者（1.90 g/kg）的1/8。雪花由冰晶碰連形成，因此其分布與冰晶相似，但其尺寸比冰晶大，因此所在高度較冰晶低。雪花比含水量中心略低于數(shù)濃度中心，在-20℃層附近，最大值為2.33 g/kg，比霰、冰晶含量都大，與Liu等[5]用雷達(dá)數(shù)據(jù)反演得到的此次過(guò)程冰相粒子中雪粒子含量最多的結(jié)論一致，比模擬得到的同地區(qū)颮線過(guò)程[16]中雪粒子含量的最大值（3.73 g/kg）及中心位置所在溫度層（-30℃）低。這次特大暴雨過(guò)程的雪粒子比分別發(fā)生在中國(guó)內(nèi)陸高原蘭州地區(qū)和那曲地區(qū)的兩次雹暴過(guò)程[25-26]（后面分別簡(jiǎn)稱(chēng)蘭州雹暴過(guò)程和那曲雹暴過(guò)程）中的雪粒子的最大值所在溫度層低，但前者的含量約是后兩者的5倍。蘭州雹暴和那曲雹暴過(guò)程中混合相態(tài)區(qū)的云水含量更豐富，最大值分別約為此次暴雨中的2倍和3倍。而此次暴雨由于對(duì)流較弱，云水含量主要分布在-20℃層以下，向上輸送的云水較少，減少了高層冰晶和雪花與過(guò)冷水滴的碰凍，進(jìn)而減弱了向霰的轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此，此次暴雨過(guò)程中的雪花的比含水量相對(duì)雹暴中的大的多。

霰粒子主要分布在2～10 km高度范圍內(nèi)，中心在上升氣流區(qū)下部的0～-10℃層之間，含量較少，最大值為1.95 g/kg，與王鵬云等[27]分析的華南一次冷鋒前的暖區(qū)暴雨過(guò)程中的霰粒最大值（1.08 g/kg）及分布范圍（0～-10℃層）相近，僅是甘明駿等[16]模擬的一次廣東颮線過(guò)程中單體成熟階段霰最大值（7.07 g/kg）的約1/4，但中心位置高度基本一致。霰數(shù)濃度中心靠近云水含量中心，說(shuō)明云水含量中心的凇附過(guò)程最強(qiáng)。霰比含水量中心在數(shù)濃度中心后側(cè)，對(duì)應(yīng)著上升氣流區(qū)中心中下部，這里較強(qiáng)的上升氣流可使霰繼續(xù)通過(guò)凇附過(guò)程長(zhǎng)大。霰繼續(xù)凇附增長(zhǎng)到一定程度就會(huì)轉(zhuǎn)化形成雹，由于霰含量少，所以雹含量也相應(yīng)很少，主要分布在2～8 km高度范圍內(nèi)，中心對(duì)應(yīng)著霰比含水量的中心，最大值為0.16 g/kg，僅約為同地區(qū)模擬颮線過(guò)程[16]雹比含水量最大值（1.52 g/kg）的1/9。蘭州雹暴和那曲雹暴過(guò)程中的雹粒子比含水量都較高，最大值分別為0.5 g/kg和0.29 g/kg，分別是此次暴雨的3倍與2倍左右，霰粒子比含水量最大值也分別比此次暴雨過(guò)程約大3倍與2倍左右，中心位置也更高，分別位于-20℃與-40℃層附近。這是由于兩次雹暴過(guò)程對(duì)流很強(qiáng)烈，上升氣流較大，因此能將霰粒子托舉得更高。廣東颮線過(guò)程的霰和冰雹的比含水量比蘭州雹暴和那曲雹暴過(guò)程的還要大，說(shuō)明廣東颮線的對(duì)流更強(qiáng)，但由于前者的0℃層距地面較高（相對(duì)高度約4 km），后兩者的0℃層距地面較低（相對(duì)高度均約為2 km），所以前者的霰和冰雹在降落的過(guò)程中基本都融化蒸發(fā)了，地面無(wú)固態(tài)降水。霰和冰雹均主要分布在強(qiáng)回波區(qū)的斜上方，進(jìn)一步說(shuō)明在此次暴雨過(guò)程中兩者含量很少，不足以形成較強(qiáng)回波。

此外，從圖6也可見(jiàn)，由于云上部較強(qiáng)的水平風(fēng)的作用，冰晶粒子被向遠(yuǎn)離對(duì)流區(qū)的方向輸送，因此對(duì)流區(qū)的上方僅是冰晶比含水量的次中心，而冰晶的比含水量最大中心在對(duì)流區(qū)的斜上方，相應(yīng)的，雪的比含水量的最大中心也偏離了對(duì)流區(qū)，位于冰晶最大比含水量中心的正下方。由于雪的最大比含水量中心區(qū)正下方2～3 km的區(qū)域?qū)?yīng)著一定的過(guò)冷云滴，有利于凇附過(guò)程，因此，在這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了霰比含水量次中心。相應(yīng)地，在其正下方約1 km，出現(xiàn)了雹粒的比含水量次中心。

圖6 沿圖4b黑線所示的剖面上各水成物粒子比含水量（彩色陰影）、反射率因子（黑色等值線，由外到內(nèi)數(shù)值分別為35、40、45、50、55、60 dBZ）、風(fēng)速（水平與垂直風(fēng)速的疊加，矢量箭頭）、黑色虛線為等溫線（從下往上分別為0、-10、-20、-40℃）、數(shù)濃度（藍(lán)色等值線；霰：103·kg-1，冰晶：107·kg-1，雪：105·kg-1，雹：101·kg-1，云水：108·kg-1，雨：104·kg-1）a.霰；b.冰晶；c.雪；d.雹；e.云水；f.雨。

綜上所述，與典型的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程相比，此次特大暴雨過(guò)程的對(duì)流較弱，云雨滴主要通過(guò)碰并增長(zhǎng)，向0℃層以上輸送的過(guò)冷水較少，導(dǎo)致冰相粒子其含量很少，其中含量最多的冰相粒子為雪花，其次依次為霰、冰晶、冰雹。強(qiáng)回波區(qū)主要由大雨滴形成，云砧處主要是冰晶、雪花及少量小的霰粒子。以暖云降水為主，通過(guò)霰和雹融化產(chǎn)生的冷云降水較少。雨滴比含水量并不比同地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的大，之所以形成特大暴雨，主要是由于對(duì)流在局地不斷生成，且少移動(dòng)。

3.3 空間電荷結(jié)構(gòu)特征

結(jié)合圖6和圖7可見(jiàn)，對(duì)流區(qū)中空間凈電荷呈三極性結(jié)構(gòu)，中部負(fù)電荷區(qū)主要分布在-5～-20℃層之間，最大值在-10℃層附近，在-20～-40℃層之間分布著上部正電荷區(qū)，中心在-20℃層附近。底部正電荷區(qū)主要分布在-5℃層以下直到地面的強(qiáng)回波區(qū)，中心在0℃層附近。其中中部負(fù)電荷區(qū)和底部正電荷區(qū)中心電荷密度及電荷區(qū)范圍相當(dāng)，上部正電荷區(qū)相對(duì)較弱，范圍較小。對(duì)流區(qū)外圍僅有三極性結(jié)構(gòu)的中部負(fù)電荷區(qū)和底部正電荷區(qū)，兩者中心電荷密度較弱，高度略低，且中部負(fù)電荷區(qū)從-5℃層一直延伸到-40℃層，沒(méi)有上部正電荷區(qū)。這與一些學(xué)者以往反推得到的廣東地區(qū)雷暴電荷結(jié)構(gòu)為偶極性的結(jié)論[6,9-14]不同，但與同地區(qū)模擬的一次颮線過(guò)程[16]中單體成熟時(shí)段云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)成三極性的結(jié)論一致。與颮線過(guò)程相比，三個(gè)電荷區(qū)中心值所處高度以及溫度范圍相一致，底部正電荷區(qū)都延伸到地面，中間負(fù)電荷區(qū)厚度要比颮線過(guò)程的小2 km左右。這種典型的三極性結(jié)構(gòu)，易于產(chǎn)生負(fù)極性地閃，這也與其他學(xué)者們得出的暴雨過(guò)程中負(fù)地閃比例要高于正地閃的結(jié)論[28-29]相吻合。Liu等[5]分析此次暴雨時(shí)，利用三維全閃觀測(cè)正負(fù)先導(dǎo)峰值位置也給出云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)呈三極性的相同結(jié)論。

圖7 沿圖4b黑線所示的剖面上各水成物粒子空間電荷混合比(彩色陰影）與凈電荷垂直分布（黑色等值線，單位為nC·m3，實(shí)線為正，虛線為負(fù)）、黑色虛線為等溫線（從下往上分別為0℃，-10℃，-20℃，-40℃）a.霰；b.冰晶；c.雪；d.雹；e.云水；f.雨。

非感應(yīng)起電率和感應(yīng)起電率分別表示霰粒子在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)非感應(yīng)起電機(jī)制和感應(yīng)起電機(jī)制在單位時(shí)間內(nèi)獲得的電荷量。由圖8a可見(jiàn)，云內(nèi)起電以非感應(yīng)起電為主，非感應(yīng)起電主要分布在0～-30℃之間的對(duì)流區(qū)，霰粒子以獲得正極性電荷為主。非感應(yīng)起電率在對(duì)流區(qū)呈現(xiàn)上負(fù)下正的結(jié)構(gòu)特征，極性反轉(zhuǎn)溫度約在-15℃層，在對(duì)流區(qū)外圍，只有弱的正的起電率區(qū)域。本文采用的Saunders等[19]非感應(yīng)起電機(jī)制參數(shù)化方案中，在高液水含量區(qū)，霰粒子與冰晶/雪碰撞分離帶上正電荷，在低液水含量區(qū)，霰粒子與冰晶/雪碰撞分離后攜帶負(fù)電荷。由圖7可見(jiàn)，霰粒子帶電區(qū)域較大，比含水量大于0.1 g/kg的區(qū)域幾乎都帶電，且以正電荷為主。霰的主要起電區(qū)域在對(duì)流區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)著相對(duì)高的液水含量區(qū)和霰粒子比含水量及數(shù)濃度中心。在對(duì)流區(qū)，霰所帶電荷呈上負(fù)下正的結(jié)構(gòu)，極性反轉(zhuǎn)溫度約在-15℃層。在-15℃層以上，霰和小冰相粒子的含量均少，共存區(qū)域小，因此霰僅在較小的局部區(qū)域通過(guò)非感應(yīng)起電機(jī)制帶少量負(fù)電荷。在對(duì)流區(qū)外圍，霰在較大范圍上基本只帶少量正電荷，中心位于霰的次比含水量中心，無(wú)負(fù)電荷區(qū)域，這是因?yàn)樵?15℃層以上，霰粒極少，與小的冰相粒子碰撞很少，霰粒很難通過(guò)非感應(yīng)起電機(jī)制帶上負(fù)電荷。雹與霰都屬于大冰粒子，兩者電荷分布特征大致相當(dāng)，由于雹粒子數(shù)濃度更小，因此所帶電荷量極少。在對(duì)流區(qū)，上部荷負(fù)電區(qū)的電荷密度僅為下部正電荷區(qū)電荷密度的十分之一，在對(duì)流區(qū)外圍，雹由于含量很少，基本不帶電。

與霰和雹相反，冰晶和雪花主要帶負(fù)電荷，最大電荷密度相當(dāng)，其中冰晶基本只帶負(fù)電荷，雪花電荷結(jié)構(gòu)為下負(fù)上正的分布，但負(fù)電荷中心密度比正電荷中心密度大幾乎一個(gè)量級(jí)，在對(duì)流區(qū)外圍，雪花所帶正電荷極少。對(duì)比圖6和圖7可見(jiàn)，對(duì)流區(qū)上部-15℃層以上，霰主要是和雪花通過(guò)非感應(yīng)起電機(jī)制產(chǎn)生電荷的分離，因?yàn)榇颂幨茄┗ǖ臄?shù)濃度和比含水量中心，而低于冰晶的數(shù)濃度中心和比含水量中心。

這些特征與同地區(qū)颮線過(guò)程[16]中得到在單體成熟時(shí)期霰粒子帶電呈現(xiàn)出上負(fù)下正、冰晶/雪粒子帶電成上正下負(fù)的結(jié)果略有不同。兩次過(guò)程中粒子所帶電荷極性的反轉(zhuǎn)溫度均為約-15℃層，區(qū)別是颮線過(guò)程在反轉(zhuǎn)溫度層以上的區(qū)域起電較強(qiáng)，與反轉(zhuǎn)溫度層以下的區(qū)域起電強(qiáng)度相當(dāng)，而暴雨過(guò)程在反轉(zhuǎn)溫度層以上的區(qū)域起電很弱。這是由于颮線過(guò)程對(duì)流強(qiáng)于此次以暖云降水為主的暴雨過(guò)程，其云中上部大小冰相粒子更多而導(dǎo)致的。

云滴通過(guò)與霰粒的感應(yīng)碰撞分離而帶上電荷。結(jié)合圖6和圖8a可見(jiàn)，感應(yīng)起電率以負(fù)極性為主，負(fù)極性主要分布在對(duì)流區(qū)中，與主要的非感應(yīng)起電區(qū)域重合，正感應(yīng)起電率主要分布在對(duì)流區(qū)外圍霰粒的次比含水量中心區(qū)域。因此，云滴在對(duì)流區(qū)所帶電荷呈上正下負(fù)的結(jié)構(gòu)，以正電荷為主，在對(duì)流區(qū)外圍只在-10℃層以下帶弱的負(fù)電荷。模擬中未考慮雨滴的直接起電過(guò)程，但云中部帶正電荷的霰粒、帶負(fù)電荷的冰晶和雪花在下落過(guò)程中都會(huì)融化成雨，此外帶負(fù)電荷的云滴也會(huì)通過(guò)碰并或自動(dòng)轉(zhuǎn)化生成雨滴，這都會(huì)導(dǎo)致雨滴帶電。但總的效果是在對(duì)流區(qū)0℃層附近的雨滴帶弱的負(fù)電荷，近地面的雨滴帶弱的正電荷，而對(duì)流區(qū)外圍0℃層以下直到地面之間的雨滴帶上弱的正電荷。

綜上所述，霰、雪花以及冰晶均是主要的荷電粒子，其中霰荷電最多，其次為雪。與Liu等[5]分析得出此次暴雨過(guò)程中主要的帶電粒子是干雪的結(jié)論有所不同。

由圖7可知，中部負(fù)電荷區(qū)由帶負(fù)電荷的冰晶和雪花共同主導(dǎo)，上部正電荷區(qū)由帶正電荷的雪花主導(dǎo)，底部正電荷區(qū)主要是由帶正電荷的霰粒子及帶正電荷的雨滴主導(dǎo)。由于雨滴的降落，底部正電荷區(qū)一直延伸到地面。

3.4 起電區(qū)與放電區(qū)位置關(guān)系

Liu等[5]通過(guò)分析此次暴雨過(guò)程閃電脈沖放電事件和閃電起始點(diǎn)與雷達(dá)回波的對(duì)應(yīng)關(guān)系后推測(cè)，較弱的對(duì)流導(dǎo)致起電較弱，同時(shí)由于帶電粒子被向外輸送，使得在主要的起電區(qū)難以形成能有效支撐頻繁閃電放電的高密度電荷區(qū)。而帶電粒子在起電區(qū)外圍弱對(duì)流區(qū)域的聚集反而更有利于形成高密度電荷區(qū)，支撐更多的閃電放電活動(dòng)，因此在這次弱對(duì)流的暴雨過(guò)程中，閃電放電區(qū)與起電區(qū)是分離的。圖8b將兩分鐘內(nèi)剖面附近1 km發(fā)生的閃電起始點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有4個(gè)云閃發(fā)生，放電起始點(diǎn)位于上部正與中部負(fù)電荷區(qū)之間，由圖8a可見(jiàn)，這里對(duì)應(yīng)著相對(duì)強(qiáng)的非感應(yīng)起電區(qū)域，是大小冰相粒子的主要共存區(qū)。所以，此時(shí)放電區(qū)域與非感應(yīng)起電區(qū)域重合，即放電位置位于上升氣流區(qū)中部的強(qiáng)起電區(qū)。起電區(qū)和放電區(qū)對(duì)應(yīng)著35～50 dBZ的回波區(qū)。結(jié)合圖7可見(jiàn)，空間電荷密度在強(qiáng)起電區(qū)最大，空間電荷并不存在在起電區(qū)外圍弱對(duì)流區(qū)域聚集的情況，而對(duì)流區(qū)外圍弱的電荷，也是由于這個(gè)區(qū)域存在弱的非感應(yīng)起電和感應(yīng)起電過(guò)程導(dǎo)致的，這與Liu等[5]的結(jié)論不同。

圖8 沿圖4b黑線所示的剖面上感應(yīng)起電率（等值線，實(shí)線為正，虛線為負(fù)）與非感應(yīng)起電率（彩色陰影圖）疊加圖(a)和凈電荷垂直分布（彩色陰影圖）、閃電起始點(diǎn)（黑色圓點(diǎn)）與反射率因子（藍(lán)色等值線）疊加圖(b)黑色虛線為等溫線，從下往上分別為0℃，-10℃，-20℃。

綜上所述，并基于甘明駿等[16]的模擬結(jié)果，得到圖9所示的概念模型圖，以暖云降水為主導(dǎo)的暴雨過(guò)程對(duì)流較弱，單體水平尺度小，成熟階段強(qiáng)對(duì)流區(qū)表現(xiàn)為低質(zhì)心特征，主要由大雨滴形成，大部分電荷在起電區(qū)有效堆積，致使電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到閾值，在起電區(qū)始發(fā)放電。同地區(qū)典型對(duì)流過(guò)程[16]對(duì)流較強(qiáng)，單體水平尺度更大，冰相粒子豐富，起電更強(qiáng)，強(qiáng)回波區(qū)頂更高，主要由霰粒子及雨滴組成。暴雨過(guò)程云頂高度比典型對(duì)流過(guò)程的低，起電區(qū)都位于上升氣流中的混合相態(tài)區(qū)，電荷結(jié)構(gòu)均為三極性，底部正電荷區(qū)是由于帶正電荷的霰下落融化成雨滴形成，均接地。且各電荷區(qū)中心值所處溫度層一致，但典型對(duì)流過(guò)程比暴雨過(guò)程各電荷區(qū)分布范圍大，各電荷區(qū)中心電荷密度更大，尤其上部正電荷區(qū)較之要大的多。暴雨的起電區(qū)集中在上升氣流區(qū)對(duì)應(yīng)的35～50 dBZ的回波區(qū)，典型對(duì)流的主要起電區(qū)對(duì)應(yīng)35～60 dBZ的回波區(qū)。

圖9 暖云降水主導(dǎo)的暴雨過(guò)程(a)與典型對(duì)流過(guò)程(b)單體成熟階段云內(nèi)起電與放電區(qū)位置概念圖

4 結(jié)論

本文利用加入了起放電參數(shù)化方案的WRF模式，模擬分析了2017年5月7日以暖云降水主導(dǎo)的廣東極端暴雨過(guò)程中單體成熟階段的空間電荷結(jié)構(gòu)及形成原因，主要得出以下結(jié)論。

（1）此次特大暴雨過(guò)程的對(duì)流較弱，云頂高度低于同地區(qū)典型對(duì)流過(guò)程。強(qiáng)回波中心范圍較小，頂較低，表現(xiàn)出明顯的低質(zhì)心特征，主要由大雨滴形成，雨滴比含水量并不比同地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的大，之所以形成特大暴雨，主要是由于對(duì)流在局地不斷生成，且少移動(dòng)。

（2）云水含量主要分布在-20℃層以下，向上輸送的云水較少，不利于冰相粒子的形成，此外，混合相態(tài)區(qū)的低云水含量減弱了冰晶和雪花與過(guò)冷水滴的碰凍，因此，此次暴雨過(guò)程中大小冰相粒子含量均較少，其中含量最多的冰相粒子為雪花，其次依次為霰、冰晶、冰雹。

（3）單體發(fā)展成熟階段，對(duì)流區(qū)中空間凈電荷呈三極性結(jié)構(gòu)，其中中部負(fù)電荷區(qū)和底部正電荷區(qū)中心電荷密度及電荷區(qū)范圍相當(dāng)，上部正電荷區(qū)相對(duì)較弱，范圍較小。對(duì)流區(qū)外圍僅有弱的中部負(fù)電荷區(qū)和底部正電荷區(qū)。中部負(fù)電荷區(qū)由帶負(fù)電荷的冰晶和雪花共同主導(dǎo)，上部正電荷區(qū)由帶正電荷的雪花主導(dǎo)，底部正電荷區(qū)主要是由帶正電荷的霰粒子及帶正電荷的雨滴主導(dǎo)。

（4）云內(nèi)起電較弱，以非感應(yīng)起電為主，非感應(yīng)起電主要位于0～-30℃之間的對(duì)流區(qū)，呈現(xiàn)上負(fù)下正的結(jié)構(gòu)特征，極性反轉(zhuǎn)溫度約在-15℃層，且主要以-15℃層以下正的起電率為主，在對(duì)流區(qū)外圍，只有弱的正的起電率區(qū)域。感應(yīng)起電率以負(fù)極性為主，主要分布在對(duì)流區(qū)中，與主要的非感應(yīng)起電區(qū)域重合，正感應(yīng)起電率主要分布在對(duì)流區(qū)外圍霰粒的次比含水量中心區(qū)域。

（5）放電位置位于上升氣流區(qū)中部的強(qiáng)起電區(qū)，均對(duì)應(yīng)著35～50 dBZ的回波區(qū)。空間電荷密度在強(qiáng)起電區(qū)最大，空間電荷并不存在在起電區(qū)外圍弱對(duì)流區(qū)域聚集的情況，而對(duì)流區(qū)外圍弱的電荷，也是由于這個(gè)區(qū)域存在弱的非感應(yīng)起電和感應(yīng)起電過(guò)程導(dǎo)致的。

致謝：感謝南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心對(duì)本次研究的支持。