張鴻波, 郄秀書(shū), 劉明遠(yuǎn), 蔣如斌, 陸高鵬, 劉瑞婷, 劉冬霞,陳志雄, 孫竹玲, 李宗祥, 李進(jìn)梁, 馬子龍

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 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 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 4 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院， 合肥 230026 5 北京城市氣象研究院， 北京 100089 6 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044

0 引言

在雷暴生成和發(fā)展過(guò)程中，云內(nèi)復(fù)雜動(dòng)力-微物理過(guò)程的共同作用會(huì)使雷暴云攜帶大量分層聚集的正、負(fù)極性電荷，并最終導(dǎo)致閃電的發(fā)生.對(duì)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的客觀認(rèn)識(shí)和深入理解有助于了解云內(nèi)的起電和閃電的產(chǎn)生機(jī)制、進(jìn)一步揭示雷暴云內(nèi)動(dòng)力-微物理-電過(guò)程的相互作用.此外，雷暴云電荷結(jié)構(gòu)也是雷暴電耦合數(shù)值模式研究、雷暴氣象研究的基礎(chǔ)(MacGorman et al., 2015; 譚涌波等，2015).因此，開(kāi)展雷暴云電場(chǎng)觀測(cè)，研究云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)及其發(fā)展演變和形成原因具有重要的科學(xué)意義.

雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的觀測(cè)手段主要分為兩類：雷暴云電場(chǎng)探空，即原位觀測(cè)和地基遙感測(cè)量，后者主要是利用地基多站觀測(cè)，通過(guò)計(jì)算閃電放電中和的電荷源位置或閃電輻射源三維定位來(lái)反演電荷結(jié)構(gòu).Simpson和Scrace(1937)通過(guò)穿云觀測(cè)提出了經(jīng)典的雷暴三極性電荷結(jié)構(gòu)分布；之后，諸多學(xué)者通過(guò)遙感測(cè)量手段進(jìn)行研究，廣泛接受和認(rèn)同了這一電荷結(jié)構(gòu)模型(Krehbiel et al., 1979; Bruning et al., 2007).通過(guò)地基連續(xù)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，電荷結(jié)構(gòu)會(huì)隨雷暴的發(fā)展而變化，也發(fā)現(xiàn)了反極性電荷結(jié)構(gòu)的存在和青藏高原特殊三極性電荷結(jié)構(gòu)等(張義軍等, 2002; Qie et al., 2005; Wiens et al., 2005; 郄秀書(shū)等, 2013).但地基遙感反演只能獲得雷暴云內(nèi)參與放電區(qū)域的電荷結(jié)構(gòu)，而且得到的雷暴電荷結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)化，尤其是僅有少量閃電發(fā)生的雷暴或較少閃電發(fā)生的雷暴層云等區(qū)域，則很難通過(guò)地基測(cè)量反演得出.為了獲得雷暴云內(nèi)更為準(zhǔn)確、詳細(xì)的電荷結(jié)構(gòu)，必須借助雷暴云內(nèi)電場(chǎng)的原位探測(cè).

常見(jiàn)的電場(chǎng)探空儀有電暈探針(Byrne et al., 1983; 趙中闊等, 2008)、場(chǎng)磨電場(chǎng)探空儀(Marshall et al., 1995)和雙金屬球電場(chǎng)儀(Marshall et al., 1995; 羅福山等, 1999).其中，雙金屬探空儀可以同時(shí)獲得雷暴云內(nèi)電場(chǎng)的三維分量，且探測(cè)誤差相對(duì)較小.探空儀的載體有氣球、火箭和飛機(jī).通過(guò)對(duì)比氣球和火箭的同步探空結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然兩種設(shè)備的探測(cè)路徑和時(shí)間有所差別，但得到的電場(chǎng)廓線顯示出相似性，表明氣球探空結(jié)果可以較好地反映雷暴云電荷結(jié)構(gòu)(Marshall et al., 1995).因此國(guó)際上多選用雙金屬球電場(chǎng)探空儀的原理進(jìn)行儀器研制，并利用氣球?yàn)檩d體開(kāi)展雷暴外場(chǎng)探空實(shí)驗(yàn).Stolzenburg等(1998b)通過(guò)對(duì)美國(guó)新墨西哥州單體雷暴的電場(chǎng)探空發(fā)現(xiàn)，上升氣流區(qū)內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)呈四極性，而上升氣流區(qū)外，垂直方向上有至少6個(gè)電荷層.利用多組電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)，Stolzenburg等(1998c)提出了雷暴對(duì)流區(qū)具有代表性的電荷結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)指出，雷暴云內(nèi)電荷層的高度和溫度范圍有所不同，可能與不同類型雷暴的最大垂直上升速度相關(guān).已有探空數(shù)據(jù)表明，實(shí)際的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三極性結(jié)構(gòu)復(fù)雜(Rust and Marshall, 1996; MacGorman et al., 2005).雷暴云電荷結(jié)構(gòu)不僅與地域、雷暴類型相關(guān)，而且隨雷暴的發(fā)展階段和云內(nèi)所處位置(對(duì)流區(qū)、層云區(qū)、云砧等)不同而有所差異，呈多樣性(Stolzenburg et al., 1998a,b, 2001; Weiss et al., 2008; Marshall et al., 2009; 趙中闊等, 2009; Zhang et al., 2015).

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)陸續(xù)有學(xué)者從事探空儀的開(kāi)發(fā)研制，但用于雷暴云電場(chǎng)探空實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究很少(袁箴等, 1965; 趙中闊等, 2008).趙中闊等(2009)基于電暈放電原理自主設(shè)計(jì)的GPS強(qiáng)電場(chǎng)探空儀，可以實(shí)現(xiàn)云內(nèi)強(qiáng)垂直電場(chǎng)的一維測(cè)量.通過(guò)利用該儀器對(duì)甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的雷暴進(jìn)行穿云觀測(cè)，研究獲得了我國(guó)內(nèi)陸高原雷暴的電荷分布，并且對(duì)基于地基遙感發(fā)現(xiàn)的高原特殊三極性電荷結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證(Qie et al., 2005)，目前該探空儀繼續(xù)應(yīng)用在甘肅平?jīng)龊颓嗪４笸鹊貐^(qū)的雷暴強(qiáng)電場(chǎng)探空實(shí)驗(yàn)中(Zhang et al., 2018).

夏季，華北平原地區(qū)經(jīng)常發(fā)生不同類型的雷暴，并伴隨較大頻數(shù)的閃電(馮桂力等, 2008).國(guó)內(nèi)學(xué)者基于有限的地基閃電三維定位數(shù)據(jù)對(duì)華北平原地區(qū)的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)開(kāi)展了個(gè)例研究(鄭棟等, 2010; 李亞珺等, 2012; 劉冬霞等, 2013; Zhang et al., 2016).但到目前為止，對(duì)該地區(qū)的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)研究尚無(wú)電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)，其詳細(xì)的電荷結(jié)構(gòu)、各主要電荷區(qū)分布高度等基本問(wèn)題還不清楚.因此為了直接獲得華北平原地區(qū)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，本研究團(tuán)隊(duì)自主研制了具備較高探測(cè)精度、可同時(shí)測(cè)量云內(nèi)電場(chǎng)三維分量的雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀，并在山東沾化地區(qū)開(kāi)展雷暴電場(chǎng)探空觀測(cè)實(shí)驗(yàn).本文就2019年8月7日獲取的一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的電場(chǎng)和氣象要素綜合探空數(shù)據(jù)，結(jié)合地面大氣電場(chǎng)、雷達(dá)回波、數(shù)值模式反演的動(dòng)力場(chǎng)等資料，對(duì)其云內(nèi)電場(chǎng)和電荷分布進(jìn)行分析，首次通過(guò)穿云觀測(cè)給出華北平原地區(qū)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分布特征.

1 雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀的工作原理是靜電感應(yīng)，在外界電場(chǎng)的作用下兩個(gè)對(duì)稱放置的金屬球分別帶有等量異號(hào)的感應(yīng)電荷.大氣電場(chǎng)的變化比較緩慢(秒量級(jí)及以上)，在一定時(shí)間內(nèi)認(rèn)為是常數(shù).為了定量探測(cè)“準(zhǔn)常數(shù)”大氣電場(chǎng)，儀器采用旋轉(zhuǎn)傳感器-雙金屬球的方式來(lái)周期性改變其感應(yīng)電荷量，使得有電流通過(guò)放大電路獲得電壓測(cè)量值，進(jìn)而反演獲得大氣電場(chǎng)(Stolzenburg et al., 1998b; 羅福山等, 1999).根據(jù)靜電場(chǎng)作用下雙金屬球感應(yīng)電荷計(jì)算方法(Davis, 1964)和測(cè)量電路的工作原理可知，探空儀的電壓輸出與大氣電場(chǎng)在兩球球心連線方向的分量呈線性關(guān)系.

圖1 自主研制的雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀及綜合探空系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Structure diagram of the self-developed three-dimensional electric field sonde and the thunderstorm integrated sounding system

電場(chǎng)探空儀的核心部件是完全自主研制的對(duì)稱放置的內(nèi)部包含有電場(chǎng)測(cè)量電路、電子羅盤(pán)傳感器、音頻編碼、通訊模塊、單片機(jī)、供電模塊等完整獨(dú)立電路的雙金屬鋁球(圖1b)(Stolzenburg et al., 1998b).電場(chǎng)探空儀結(jié)構(gòu)如圖1a最下側(cè)所示，重量約1200 g.探空儀工作時(shí)在豎直和水平平面內(nèi)同時(shí)旋轉(zhuǎn).測(cè)量雙金屬球感應(yīng)電荷量的同時(shí)，采用電子羅盤(pán)傳感器同步測(cè)量電場(chǎng)探空儀的三維姿態(tài)，包括雙金屬球的相對(duì)上下和環(huán)氧管的水平方位角；進(jìn)而可以矢量分解獲得大氣電場(chǎng)的三維分量.探空電場(chǎng)采樣率為32 Hz，三維姿態(tài)采樣率16 Hz，所測(cè)數(shù)據(jù)逐秒實(shí)時(shí)回傳至地面.

電場(chǎng)探空儀懸掛于雷暴電場(chǎng)綜合探空系統(tǒng)的底端.系統(tǒng)構(gòu)成還包括氣象探空儀、降落傘、探空氣球等，所有設(shè)備使用防水尼龍繩連接，有效減小因繩子上雨滴凍結(jié)帶電對(duì)電場(chǎng)探空儀測(cè)量結(jié)果的影響.氣象探空儀可以提供時(shí)間、位置和探空路徑上的溫度、相對(duì)濕度等，與探空電場(chǎng)數(shù)據(jù)共同構(gòu)成雷暴電場(chǎng)-氣象綜合探空資料.地面接收單元，與電場(chǎng)探空儀配套開(kāi)發(fā)使用，由室外接收天線、信號(hào)放大器、解碼模塊和接收機(jī)構(gòu)成.通過(guò)串口讀取和保存探空數(shù)據(jù)，并利用自主編寫(xiě)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、處理和顯示.實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整套探空系統(tǒng)良好穩(wěn)定工作.需要說(shuō)明的是由于該電場(chǎng)探空儀的標(biāo)定難度比較大，目前還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行整體標(biāo)定，本文所用的探空儀輸出信號(hào)與電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)采用理論計(jì)算值.但由外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，近地面的探空電場(chǎng)與同時(shí)刻地面大氣電場(chǎng)儀的觀測(cè)結(jié)果極性相同、幅值基本相同；探空電場(chǎng)信號(hào)中記錄的人工引雷脈沖幅值變化與郄秀書(shū)等(1996)利用模式計(jì)算結(jié)果基本相同；以及后文介紹的探空系統(tǒng)上下往返結(jié)果的相似性均說(shuō)明了電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)的可靠性.另外，轉(zhuǎn)換系數(shù)的偏差只會(huì)引起探空電場(chǎng)強(qiáng)度小幅度的變化，而對(duì)電場(chǎng)極性和反演的電荷結(jié)構(gòu)分布結(jié)果沒(méi)有影響.

基于電場(chǎng)探空儀測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)展數(shù)據(jù)解析算法獲得探空軌跡上的三維電場(chǎng)分量，進(jìn)一步結(jié)合氣象探空儀同步資料得出云內(nèi)垂直電場(chǎng)廓線.然后，利用高斯定理的一維近似(公式(1))，計(jì)算得出雷暴云內(nèi)探空路徑上的電荷密度分布特征:

(1)

其中ρ為電荷密度，z為高度，ε為大氣介電常數(shù)(8.85×10-12F·m-1).電荷結(jié)構(gòu)計(jì)算中剔除了厚度較小(Δz<200 m)或電荷密度很小(|ρ|<0.1 nC·m-3)或|ρΔz|<50 nC·m-2的電荷層，篩選閾值與國(guó)內(nèi)外其他研究相同(Stolzenburg et al., 1998b).Stolzenburg和Marshall(1994)利用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬說(shuō)明了高斯定理一維近似計(jì)算的合理性.本文中電場(chǎng)極性采用物理學(xué)定義，即豎直向上為電力線的正方向(向上的電場(chǎng)為正).文中所標(biāo)注的時(shí)間，均為世界時(shí).

探空實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)位于華北平原腹地山東省沾化地區(qū)(37.828°N,118.115°E)，地形平坦，東臨渤海灣，夏季會(huì)有較多雷暴系統(tǒng)過(guò)境(馮桂力等, 2008).實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)布設(shè)有一臺(tái)大氣平均電場(chǎng)儀和一套地面自動(dòng)氣象站用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷暴地面電場(chǎng)和風(fēng)溫濕壓的變化，相距1.5 km的山東引雷實(shí)驗(yàn)主觀測(cè)站點(diǎn)也安裝有大氣平均電場(chǎng)儀、快慢天線、磁天線等設(shè)備，進(jìn)行協(xié)同觀測(cè).另外，河北滄州市的S波段多普勒天氣雷達(dá)(探空實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)西北方向127 km處)提供了對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波及其發(fā)展演變，也是判斷探空氣球釋放時(shí)機(jī)的重要參考依據(jù).同時(shí)，為了獲得雷暴系統(tǒng)高時(shí)空分辨率的動(dòng)力場(chǎng)特征，本文還結(jié)合了北京城市氣象研究院變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)(VDRAS, Variational Doppler Radar Analysis System)的分析場(chǎng)數(shù)據(jù).該系統(tǒng)利用四維變分技術(shù)對(duì)多普勒雷達(dá)資料進(jìn)行同化分析，并融合區(qū)域5 min自動(dòng)氣象站資料以及中尺度數(shù)值模式結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)流系統(tǒng)三維熱、動(dòng)力特征的反演(陳明軒等, 2016).

2 雷暴云電場(chǎng)探空觀測(cè)結(jié)果分析

2.1 雷暴特征概述

2019年8月7日山東省沾化區(qū)附近發(fā)生了一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)天氣過(guò)程.05∶06雷達(dá)觀測(cè)到在探空站點(diǎn)西北方向23 km處有雷暴局地生成，隨后迅速發(fā)展加強(qiáng)，到05∶48雷暴進(jìn)入成熟期，整體呈西南-東北分布，最大回波強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ，強(qiáng)回波(≥35 dBZ)面積約430 km2.隨著雷暴向測(cè)站方向緩慢移動(dòng)，其南北兩側(cè)呈現(xiàn)非對(duì)稱發(fā)展，北側(cè)回波強(qiáng)度逐漸減弱并向東北擴(kuò)展，而中側(cè)和南側(cè)則繼續(xù)發(fā)展，并在南側(cè)不斷觸發(fā)新的對(duì)流而向南伸展，雷暴逐漸呈現(xiàn)近“T”型分布.至07∶00，雷暴整體開(kāi)始減弱，進(jìn)入消散階段，圖2給出了該階段不同時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率因子圖.可以看出，07∶30雷暴東北側(cè)的弱回波區(qū)開(kāi)始與雷暴主體分裂，隨后回波強(qiáng)度和面積有所增加，繼而減弱消散，最大回波強(qiáng)度不超過(guò)40 dBZ.雷暴西北側(cè)、南側(cè)對(duì)流區(qū)也不同程度減弱.09∶00雷暴基本消亡.

通過(guò)分析雷達(dá)回波和地面大氣電場(chǎng)信息，于07∶24釋放探空系統(tǒng).圖2中的黑色曲線即為探空系統(tǒng)飛行軌跡的水平投影，紅點(diǎn)為雷達(dá)對(duì)應(yīng)時(shí)刻探空系統(tǒng)所處的位置，可以發(fā)現(xiàn)探空系統(tǒng)始終處于該雷暴東北側(cè)的弱回波區(qū)域.另外，結(jié)合圖中不同時(shí)刻探空系統(tǒng)所處高度的VDRAS水平風(fēng)場(chǎng)可知，探空系統(tǒng)的飛行軌跡與雷暴云內(nèi)的三維風(fēng)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明二者數(shù)據(jù)的一致性和可靠性.進(jìn)一步結(jié)合電場(chǎng)綜合探空資料和雷達(dá)數(shù)據(jù)可知，08∶30探空系統(tǒng)(所處高度9 km)已經(jīng)從雷暴云頂飛出，到09∶20飛行至最大高度20.1 km，所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度接近0 kV·m-1，因此本文只分析探空系統(tǒng)上升階段0～9 km的有效電場(chǎng)綜合探空數(shù)據(jù).

圖2 探空期間不同時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率因子數(shù)據(jù)黑色曲線代表探空系統(tǒng)飛行軌跡的水平投影；紅點(diǎn)為雷達(dá)對(duì)應(yīng)時(shí)刻探空系統(tǒng)所處的位置；灰色箭頭是雷達(dá)對(duì)應(yīng)時(shí)刻VDRAS輸出的探空系統(tǒng)所處高度(子圖中數(shù)字)的水平風(fēng)場(chǎng)；粉色橫線為圖7(a—c)的剖線位置；藍(lán)色Δ為探空系統(tǒng)水平移動(dòng)距離計(jì)算的參考點(diǎn)(118.14°E, 37.83°N)，是探空軌跡與粉色剖線的交點(diǎn).Fig.2 Composite reflectivity of S band weather radar at different moments during the period of sounding Black curve represents the horizontal projection of the flight path of the sounding system, the red point is the real-time position of the sounding system, the gray arrow shows the horizontal wind field of VDRAS data at the altitude of the sounding system. Pink line presents the section line in Fig.7(a—c), and the blue Δ is the reference point to math the horizontal distance of sounding system which is the intersection of flight path and pink section line.

2.2 地面大氣電場(chǎng)及閃電特征

圖3為探空站點(diǎn)記錄的地面大氣平均電場(chǎng)隨時(shí)間變化的曲線.雷暴期間，地面大氣電場(chǎng)偏弱，最大值僅為2.5 kV·m-1(根據(jù)以往記錄，強(qiáng)雷暴系統(tǒng)當(dāng)頂時(shí)的地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度通?？蛇_(dá)5 kV·m-1).從圖中地面電場(chǎng)波形疊加的脈沖可以看出，06∶15開(kāi)始該雷暴中只有很少的閃電發(fā)生，其中07∶00前后的三個(gè)大脈沖是由一次人工引雷和近距離的自然閃電產(chǎn)生，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和探空站點(diǎn)附近的閃電電磁信號(hào)記錄表明，該雷暴共發(fā)生閃電20余次，且基本發(fā)生在06∶00前后的雷暴成熟階段的初期.探空期間的地面大氣電場(chǎng)如圖3虛線框內(nèi)所示，探空系統(tǒng)釋放時(shí)地面電場(chǎng)強(qiáng)度為+1.8 kV·m-1.

圖3 探空站點(diǎn)的地面大氣平均電場(chǎng)隨時(shí)間變化曲線，矩形框?qū)?yīng)電場(chǎng)探空時(shí)間段Fig.3 Surface electric field at the sounding station, the dashed rectangle corresponds to the period of sounding

2.3 雷暴垂直電場(chǎng)和氣象要素探空觀測(cè)結(jié)果

圖4給出了電場(chǎng)探空系統(tǒng)的飛行高度隨時(shí)間變化曲線，圖5為其垂直和水平運(yùn)動(dòng)速度廓線以及探空路徑上的溫度.探空系統(tǒng)以2～5 m·s-1的垂直速度(圖5b)上升至4.4 km高度，隨后受下沉氣流的影響，以相近的速度下降至3.3 km，同時(shí)水平向東南方向移動(dòng).7 min后探空系統(tǒng)再次上升并穿過(guò)雷暴云頂，垂直速度基本不變.由此看來(lái)，探空系統(tǒng)在4 km高度附近經(jīng)歷了上升—下沉—再次上升的復(fù)雜過(guò)程.結(jié)合圖2探空系統(tǒng)飛行軌跡的水平投影也發(fā)現(xiàn)，探空系統(tǒng)由東北轉(zhuǎn)向東南-正東-東北方向飛行，其運(yùn)動(dòng)軌跡受雷暴云內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)的影響.當(dāng)探空系統(tǒng)飛行至可識(shí)別的電荷層頂部高度7 km(圖6b)時(shí)，其東-西方向的最大運(yùn)動(dòng)距離約為10 km，南-北方向約6.5 km.圖5c可以看出，探空系統(tǒng)在5 km以下的水平運(yùn)動(dòng)速度在0～9 m·s-1之間振蕩，高于5 km后逐漸增加，最大速度達(dá)18 m·s-1.圖5a顯示，近地面的大氣溫度為25 ℃，溫度遞減率約為5.5 ℃·km-1，0 ℃和-10 ℃溫度層對(duì)應(yīng)的高度分別為4.8和7.0 km.在探空系統(tǒng)準(zhǔn)備和釋放時(shí)雷暴系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生地面降雨，近地面相對(duì)濕度接近100%，與探空站點(diǎn)的地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)一致；進(jìn)入雷暴云后可能由于氣象探空儀的傳感器結(jié)冰或其他原因，相對(duì)濕度一直為100%，因此圖5中沒(méi)有給出其垂直廓線.

圖4 探空獲取的云內(nèi)垂直電場(chǎng)及探空系統(tǒng)飛行高度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Time variations of vertical electric field in the thunderstorm and the flight height acquired by the developed sounding system

電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)包含平滑波形(大氣電場(chǎng))和突變點(diǎn)(閃電或噪點(diǎn))，由于單次閃電時(shí)間尺度很小(通常為1 s)，對(duì)雷暴大氣電場(chǎng)變化曲線的影響可以忽略,因此首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，去除突變點(diǎn).然后，根據(jù)電場(chǎng)探空儀的電壓輸出與大氣電場(chǎng)在雙球球心連線方向的分量呈線性關(guān)系，利用探空資料的外包絡(luò)線計(jì)算出空中垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)幅值隨時(shí)間變化的曲線(Stolzenburg et al., 1998c).通過(guò)分析本次電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，探空電場(chǎng)幅值主要由垂直電場(chǎng)貢獻(xiàn)，水平電場(chǎng)分量相比很小，可以忽略不計(jì).另外，利用電子羅盤(pán)傳感器的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)可以得到兩個(gè)金屬球的相對(duì)上下位置，從而獲知垂直電場(chǎng)的極性.通過(guò)得到的垂直電場(chǎng)幅值和極性，獲得大氣垂直電場(chǎng)隨時(shí)間變化的曲線，如圖4黑色曲線所示.進(jìn)一步結(jié)合探空電場(chǎng)和同步氣象探空儀數(shù)據(jù)，計(jì)算得出垂直電場(chǎng)廓線，如圖6a所示.由圖可知，垂直大氣電場(chǎng)在高度上有多次極性變化.雖然電場(chǎng)探空儀整體標(biāo)定存在難度，還未開(kāi)展，但近地面的探空電場(chǎng)強(qiáng)度在2～4 kV·m-1左右，與同時(shí)刻地面大氣電場(chǎng)儀的觀測(cè)結(jié)果(幅值和極性)基本相同，說(shuō)明了電場(chǎng)探空數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；350 m～2 km高度間的電場(chǎng)為負(fù)值，峰值約-33 kV·m-1.探空系統(tǒng)由2 km首次上升至4.3 km高度時(shí)，電場(chǎng)極性轉(zhuǎn)變?yōu)檎畲笾导s55 kV·m-1，對(duì)應(yīng)高度為3.6 km；隨后電場(chǎng)再次為負(fù)，4.4 km時(shí)達(dá)最小值-56 kV·m-1，是電場(chǎng)廓線中的最大幅值；探空系統(tǒng)在4 km附近下沉和再次上升中探空電場(chǎng)均顯示為負(fù)值.當(dāng)探空儀上升至5.1 km，電場(chǎng)又轉(zhuǎn)變?yōu)檎?；?.0 km再轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，此時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)很弱，繼續(xù)上升電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變小并趨于0 kV·m-1.

圖5 探空獲取的溫度、垂直和水平運(yùn)動(dòng)速度廓線Fig.5 Profiles of sounding temperature, vertical and horizontal flight velocity

圖6 (a) 2019年8月7日探空垂直電場(chǎng)和溫度廓線； (b) 基于高斯定理一維近似計(jì)算的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)(紅正黑負(fù))，4 km附近下降B和上升C階段的電荷層分別用藍(lán)色和綠色框區(qū)分標(biāo)識(shí)，具體見(jiàn)圖8Fig.6 (a) Profiles of sounding vertical electric field and temperature; (b) the corresponding charge structure based on one-dimensional approximation of Gauss′s Law. Red/black rectangle represents positive/negative charge layer, while the charge layers of falling stage B and rising again stage C near 4 km are marked as blue and green to distinguish with that of rising stage A (more details in Fig.8)

2.4 雷暴云電荷結(jié)構(gòu)分布

利用公式(1)的高斯定理一維近似方法，將上述探空垂直電場(chǎng)廓線計(jì)算得出雷暴云內(nèi)電荷密度的垂直分布，如圖6b所示，紅色和黑色分別代表正和負(fù)極性電荷層.可以看出處于減弱階段的該雷暴弱回波區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)正、負(fù)極性交替的電荷層.其中0 ℃附近為一個(gè)正極性電荷區(qū)，高度在4.4～5.6 km之間，電荷密度為0.32 nC·m-3.3.6～4.4 km高度范圍內(nèi)有多個(gè)不同強(qiáng)度、不同厚度的電荷層，整體呈負(fù)極性.由于探空系統(tǒng)在該高度范圍內(nèi)經(jīng)歷了上升、下沉和再次上升過(guò)程，電荷分布表現(xiàn)比較復(fù)雜，詳細(xì)分析見(jiàn)下文.1.0～3.6 km高度之間具有三個(gè)正極性的電荷層，厚度和電荷密度分別為(780 m, 0.33 nC·m-3)、(420 m, 0.62 nC·m-3)和(860 m, 0.24 nC·m-3).1 km以下有一個(gè)厚570 m的負(fù)極性電荷區(qū)，密度是-0.16 nC·m-3.0 ℃層上方有一個(gè)很微弱的負(fù)電荷區(qū)，高度范圍為5.7～6.9 km，密度僅為-0.075 nC·m-3，雖然該電荷區(qū)的電荷密度小于篩選閾值，但考慮該電荷區(qū)的高度位置，推測(cè)其可能為雷暴云頂附近的電荷屏蔽區(qū)，因此將其列出(采用灰色標(biāo)注，以區(qū)別于其他滿足篩選條件的電荷層).7 km以上電場(chǎng)幅值平穩(wěn)且在0 kV·m-1附近，沒(méi)有可識(shí)別的電荷區(qū).

圖7(a—c)分別給出了07∶42、08∶00、08∶12三個(gè)時(shí)刻沿37.83°N(圖2f剖線)的雷達(dá)反射率因子和VDRAS垂直風(fēng)速的剖面圖，其中該剖線位于電場(chǎng)探空軌跡水平投影南-北向的中間位置，與兩端最大距離為2～3 km，因此不同時(shí)刻的剖面圖能夠反映探空系統(tǒng)所在位置的相關(guān)信息.由于雷達(dá)最低仰角的原因，滄州站的雷達(dá)數(shù)據(jù)未能提供近地面的雷達(dá)回波.從圖中可以看出，探空期間該雷暴一直處于減弱消散階段，弱回波區(qū)的云頂高度約8 km，相比成熟階段(>10 km)云體高度降低，云內(nèi)的電荷層高度也會(huì)隨之變低.結(jié)合圖6云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的空間分布推斷，4.4～5.6 km高度之間(0 ℃層附近)的正電荷區(qū)為該雷暴弱回波區(qū)的云內(nèi)主正電荷區(qū)，緊挨下方3.6～4.4 km高度之間是云內(nèi)主要負(fù)電荷區(qū)，3.6 km以下的三個(gè)正電荷層構(gòu)成雷暴云內(nèi)下部位置的正電荷區(qū).雷暴主體電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)正-負(fù)-正極性分布，但中部負(fù)電荷區(qū)和下部正電荷區(qū)均包含多個(gè)不同強(qiáng)度、不同厚度的電荷層.此外，0 ℃層上方的弱電荷區(qū)為云頂附近的負(fù)極性電荷屏蔽區(qū)，1 km以下的負(fù)電荷區(qū)則可能是由于攜帶負(fù)電荷的降水粒子下沉以及近地面電暈粒子聚集形成.雷暴中部位置分布的正-負(fù)-正電荷區(qū)與李亞珺等(2012)基于地基閃電觀測(cè)反演的該地區(qū)一次多單體雷暴消散階段的結(jié)果有較大差異，可能與雷暴的發(fā)展屬性、雷暴云內(nèi)的電特性(閃電發(fā)生頻次明顯差異)等有關(guān).

圖7d顯示了不同時(shí)刻探空系統(tǒng)位置對(duì)應(yīng)的雷達(dá)反射率因子廓線.可以看出，探空路徑上的回波頂高基本不變，回波強(qiáng)度先隨時(shí)間略有增大，08∶24后減弱消散，與雷暴弱回波區(qū)(圖7(a—c))的發(fā)展趨勢(shì)一致.圖中也給出了不同時(shí)刻探空系統(tǒng)相對(duì)參考點(diǎn)(118.14°E, 37.83°N)的水平距離(括號(hào)內(nèi)數(shù)字)，考慮到探空系統(tǒng)飛行到該參考點(diǎn)時(shí)所處高度為3.8 km，對(duì)應(yīng)中部負(fù)電荷區(qū)，因此計(jì)算距離表示其與中部負(fù)電荷區(qū)的水平距離.圖7d中的方框代表各電荷層(包括對(duì)應(yīng)高度和時(shí)間)，橫虛線為不同極性電荷區(qū)之間的分界線.由圖可知，3～6 km之間雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)主體呈現(xiàn)正-負(fù)-正分布，上部正電荷區(qū)、下部正電荷區(qū)與參考點(diǎn)的水平距離均約為3.7 km，時(shí)間間隔分別為15 min和13 min.如果基于探空系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算，對(duì)應(yīng)位置的相隔時(shí)間和距離不會(huì)這么大，而該個(gè)例中較大的間隔是由于探空系統(tǒng)上升過(guò)程中在4 km附近經(jīng)歷了下沉、再次上升的往返過(guò)程.根據(jù)Marshall等(1995)火箭和氣球同步探空結(jié)果可知，雖然氣球上升需要一段時(shí)間，但探空結(jié)果仍能較好地反映雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)，研究也指出探空路徑水平偏移1～3 km，所得的電場(chǎng)廓線變化較小、電荷結(jié)構(gòu)分布基本不變，相關(guān)數(shù)值模擬對(duì)此也做出了驗(yàn)證(Stolzenburg and Marshall, 1994; Zhang et al., 2018).因此本文的探空結(jié)果一定程度上可以表示該雷暴弱回波區(qū)的垂直電荷結(jié)構(gòu)分布.

圖7 (a—c)不同時(shí)刻沿圖2f粉色剖線的雷達(dá)反射率因子圖，色標(biāo)與圖2相同.(d)不同時(shí)刻探空系統(tǒng)所處位置對(duì)應(yīng)的雷達(dá)反射率因子廓線，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為對(duì)應(yīng)時(shí)刻探空系統(tǒng)相對(duì)參考點(diǎn)Δ的水平距離，方框代表圖6中各電荷層，橫虛線為不同極性電荷區(qū)之間的分界線，0 ℃和-10 ℃層所處高度如藍(lán)線所示Fig.7 (a—c) Same as Fig.2, but the vertical profiles of radar reflectivity along 37.83°N, pink line in Fig.2f. (d) Radar reflectivity profiles of the grids closest to sounding system over time, the number in parentheses is the distance between sounding system and reference point Δ. The rectangles are the calculated charge layers in Fig.6b, and the horizontal dotted lines are the rough boundary of charge regions of different polarity. The heights of 0 ℃ and -10 ℃ layers are shown by the blue line

此外，從圖6b和7d也可以發(fā)現(xiàn)，在中部負(fù)電荷區(qū)高度范圍內(nèi)(3.6～4.4 km)有多個(gè)不同強(qiáng)度、不同厚度的電荷層.電荷層的分界是依據(jù)垂直電場(chǎng)廓線的變化斜率或者電荷密度的變化而確定，同一極性電荷區(qū)中的多個(gè)電荷層反映了其內(nèi)部電荷(密度)分布的不均勻性.考慮到電場(chǎng)探空系統(tǒng)在中部負(fù)電荷區(qū)的高度范圍內(nèi)經(jīng)歷了上升、下沉和再次上升過(guò)程，根據(jù)探空系統(tǒng)飛行高度及探空電場(chǎng)的曲線變化，將其分為A、B、C三個(gè)階段，如圖4所示.結(jié)合雷達(dá)回波和VDRAS三維風(fēng)場(chǎng)資料可以看出，該過(guò)程中探空系統(tǒng)的飛行軌跡與云內(nèi)風(fēng)場(chǎng)一致，反映了雷暴云內(nèi)動(dòng)力環(huán)境的復(fù)雜性.通過(guò)將三個(gè)階段對(duì)應(yīng)的探空軌跡、垂直電場(chǎng)、電荷分布以及氣象要素?cái)?shù)據(jù)等(如圖8所示)綜合分析發(fā)現(xiàn)，探空系統(tǒng)以近似穩(wěn)定的水平運(yùn)動(dòng)速度向東南方向飛行，相鄰階段之間的水平距離小于3 km，垂直運(yùn)動(dòng)速度的大小也基本相同，方向(向上/向下)不同.但A、B、C三個(gè)階段的電場(chǎng)廓線和電荷結(jié)構(gòu)分布雖相似卻不完全相同(圖8(a,b))：上升階段A的電場(chǎng)強(qiáng)度從+53 kV·m-1變化為-53 kV·m-1，呈兩個(gè)不同厚度和不同電荷密度的負(fù)極性電荷層，上部的負(fù)電荷層厚度為290 m，電荷密度達(dá)-2.52 nC·m-3，是整個(gè)電荷結(jié)構(gòu)中電荷密度的最大值，緊鄰下方的電荷層厚度和電荷密度分別為590 m和-0.38 nC·m-3.下降階段B的電場(chǎng)從-53 kV·m-1變化為-3.8 kV·m-1，同樣為兩個(gè)不同密度的負(fù)極性電荷層，但電荷密度相比于階段A較小(-0.30 nC·m-3和-0.93 nC·m-3).當(dāng)探空系統(tǒng)再次上升經(jīng)歷階段C時(shí)(厚度1.0 km)，電場(chǎng)從-3.8 kV·m-1減小為-30 kV·m-1，電場(chǎng)的變化較為復(fù)雜，上下兩端為負(fù)電荷層、中間為正電荷層，整體呈負(fù)極性，電荷密度均小于0.5 nC·m-3.以上由探空系統(tǒng)在中部負(fù)電荷區(qū)高度范圍內(nèi)，上下往返但水平間隔較小所獲的數(shù)據(jù)表明，云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)分布(電荷層極性、高度及密度)相似但又有差異.分析結(jié)果在給出雷暴云內(nèi)詳細(xì)電荷結(jié)構(gòu)分布的同時(shí)，結(jié)果的相似性再次佐證了電場(chǎng)探空儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而差異性則反映了雷暴云內(nèi)電荷分布的復(fù)雜性和時(shí)空不均勻性.電荷分布的復(fù)雜性可能與云內(nèi)較弱的垂直速度有關(guān)，云內(nèi)荷電粒子不能有效分層而在空間聚集形成多個(gè)小的電荷區(qū)，與中尺度對(duì)流系統(tǒng)層云區(qū)域的復(fù)雜電荷結(jié)構(gòu)具有一定相似性(Stolzenburg et al., 1998a; Stolzenburg and Marshall, 2008).需要繼續(xù)開(kāi)展更多的雷暴電場(chǎng)探空實(shí)驗(yàn)(尤其是同一雷暴的不同位置、不同階段)進(jìn)行研究.

圖8 探空系統(tǒng)在上升A—下沉B—再次上升C三個(gè)子階段的垂直電場(chǎng)廓線、對(duì)應(yīng)的電荷分布及氣象要素(溫度和垂直運(yùn)動(dòng)速度)和運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Profiles of sounding vertical electric field, corresponding charge structure, meteorological element (temperature and vertical flight velocity), and the flight trace of sounding system during the three stages (A: rising, B: falling, C: rising again)

3 結(jié)論與討論

研究團(tuán)隊(duì)自主研制了具備較高探測(cè)精度、可同時(shí)測(cè)量云內(nèi)電場(chǎng)三維分量的雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀，為國(guó)內(nèi)雷暴云電場(chǎng)和電荷結(jié)構(gòu)研究增加新的觀測(cè)手段.通過(guò)對(duì)華北平原地區(qū)發(fā)生的一次雷暴穿云觀測(cè)，并結(jié)合地面大氣電場(chǎng)、天氣雷達(dá)、VDRAS反演的動(dòng)力場(chǎng)資料等進(jìn)行綜合分析，首次給出該地區(qū)雷暴云內(nèi)電場(chǎng)、氣象要素同步探空數(shù)據(jù)和電荷結(jié)構(gòu)分布特征.

本次中尺度對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間約4個(gè)小時(shí)，在雷暴成熟階段初期發(fā)生了少量(約20個(gè))閃電，之后也僅有極個(gè)別閃電發(fā)生，地面大氣電場(chǎng)較弱，最大值僅為2.5 kV·m-1.在雷暴減弱階段，對(duì)當(dāng)頂?shù)娜趸夭▍^(qū)開(kāi)展電場(chǎng)綜合探空觀測(cè)，此時(shí)云頂高度約8 km.研究結(jié)果表明，大氣垂直電場(chǎng)在高度上有多次極性變化，最大幅值約56 kV·m-1.雷暴云內(nèi)存在五個(gè)極性交替的電荷區(qū)，中間主體呈正-負(fù)-正分布的電荷結(jié)構(gòu)：4.4～5.6 km之間的上部正電荷區(qū)(0 ℃附近)，3.6～4.4 km之間具有多個(gè)電荷層的中部主負(fù)電荷區(qū)，1.0～3.6 km之間由三個(gè)不同厚度、不同電荷密度的電荷層構(gòu)成的正電荷區(qū).此外，在1 km下方有一個(gè)負(fù)極性電荷區(qū)，云頂附近5.7～6.9 km之間是一個(gè)弱負(fù)極性電荷屏蔽區(qū).探空系統(tǒng)在云內(nèi)4 km附近(中部負(fù)電荷區(qū)所處高度范圍)經(jīng)歷了上升、下沉和再次上升的往返運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)探測(cè)的3組水平位置變化較小的資料分析發(fā)現(xiàn)，雷暴云內(nèi)動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，電荷結(jié)構(gòu)分布相似但又不完全相同，反映了雷暴云內(nèi)電荷分布的復(fù)雜性和時(shí)空不均勻性.本文通過(guò)對(duì)僅有極少閃電發(fā)生、地面電場(chǎng)表現(xiàn)較弱的雷暴(不能通過(guò)地基反演方法獲取電荷結(jié)構(gòu))穿云觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，其云內(nèi)確實(shí)存在電場(chǎng)和電荷結(jié)構(gòu)分布.這為今后類似情形開(kāi)展探空實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)和依據(jù)，也為認(rèn)識(shí)這類少有閃電發(fā)生的雷暴云內(nèi)電過(guò)程以及對(duì)比研究產(chǎn)生不同頻次閃電的雷暴特征提供技術(shù)手段和數(shù)據(jù)支撐.

基于上述分析的雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)分布特征，結(jié)合雷達(dá)回波和VDRAS動(dòng)力場(chǎng)資料，進(jìn)一步對(duì)雷暴云內(nèi)的電荷分布及可能形成機(jī)制進(jìn)行探討.前面分析得知3～6 km高度雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的主體呈正-負(fù)-正極性分布，與經(jīng)典的三極性電荷結(jié)構(gòu)相似；但這三個(gè)電荷區(qū)所處的環(huán)境溫度均高于反轉(zhuǎn)溫度(一般在-10～-15 ℃)，不能用軟雹碰撞冰晶的非感應(yīng)起電機(jī)制(Takahashi, 1978; 孫凌等, 2018)很好地解釋.不過(guò)在雷暴的成熟階段，最大云頂高度達(dá)12 km，地面電場(chǎng)有一定強(qiáng)度(約1 kV·m-1)，有少量的閃電發(fā)生，反映雷暴云內(nèi)已經(jīng)形成一定的電荷分布；當(dāng)雷暴進(jìn)入減弱階段，云頂高度降低，使得云內(nèi)已有的電荷區(qū)高度下降(Zhang et al., 2015).另一方面，結(jié)合VDRAS的三維風(fēng)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，雷暴云內(nèi)的水平風(fēng)向?yàn)槲髌?，由?qiáng)回波區(qū)指向探空所處的弱回波區(qū)，可能將一定量荷電粒子平流輸送至弱回波區(qū)，進(jìn)而對(duì)該區(qū)域云內(nèi)電荷分布產(chǎn)生貢獻(xiàn)(Carey et al., 2005).另外，除了已有電荷區(qū)下降和電荷的平流輸送外，該弱回波區(qū)內(nèi)可能也存在一定的局地起電能力而貢獻(xiàn)于云內(nèi)電荷分布(Shepherd et al., 1996; Wang et al., 2018).此外，該區(qū)域內(nèi)幾乎沒(méi)有閃電發(fā)生，有助于雷暴云內(nèi)電荷的累積(Zhang et al., 2015).中部負(fù)電荷區(qū)內(nèi)復(fù)雜的電荷分布，也反映了雷暴云內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)對(duì)于電荷分布具有重要的作用.雷暴最上方的弱負(fù)電荷區(qū)，通常是云內(nèi)電荷在云頂附近形成的電荷屏蔽區(qū).而1 km下方的負(fù)電荷區(qū)則可能是在雷暴條件下地面電暈粒子形成的近地面電暈屏蔽層(Qie et al., 1994; 郄秀書(shū)等, 1998)，攜帶負(fù)電荷的降水粒子下沉也可能有一定作用(Stolzenburg et al., 1998c).另外，07∶30前后地面電場(chǎng)和探空電場(chǎng)的變化規(guī)律比較相似，由此提出一種猜測(cè)1 km下方計(jì)算的負(fù)電荷區(qū)也有可能不是真正的電荷層，而是由于雷暴云內(nèi)的電荷分布變化而導(dǎo)致的近地面電場(chǎng)的變化，這需要后續(xù)開(kāi)展多點(diǎn)探空觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證.

接下來(lái)將利用耦合了起電-放電方案的WRF-Elec模式(孫凌等, 2018)對(duì)該雷暴開(kāi)展模擬研究，進(jìn)一步探討電荷分布的形成機(jī)制.本文給出了華北平原地區(qū)一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)，但由于個(gè)例的特殊性(很少閃電發(fā)生)和電荷分布的復(fù)雜性，仍需進(jìn)一步對(duì)該地區(qū)雷暴電荷結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制進(jìn)行研究.我們將繼續(xù)開(kāi)展更多的電場(chǎng)綜合探空實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多個(gè)個(gè)例對(duì)比研究，結(jié)合地基閃電定位反演和數(shù)值模式來(lái)全面充分認(rèn)識(shí)華北平原地區(qū)雷暴云的電荷結(jié)構(gòu).

致謝感謝山東人工引雷實(shí)驗(yàn)全體人員對(duì)雷電外場(chǎng)觀測(cè)和雷暴電場(chǎng)探空實(shí)驗(yàn)付出的努力，感謝美國(guó)密西西比大學(xué)Thomas C. Marshall和Maribeth Stolzenburg兩位教授對(duì)雙金屬球三維電場(chǎng)探空儀研制提供的指導(dǎo)和幫助，感謝山東省氣象局和濱州市氣象局對(duì)實(shí)驗(yàn)的大力支持.