張文娟，張義軍，鄭棟，呂偉濤，徐良韜

(1.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；2.復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院，上海 200438；3.復(fù)旦大學(xué)海洋氣象災(zāi)害聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 200438 )

引言

登陸熱帶氣旋(tropical cyclone, TC)及其伴隨的強(qiáng)風(fēng)暴雨是影響我國(guó)的主要災(zāi)害性天氣之一[1]。隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)物理機(jī)制的理解，TC路徑預(yù)報(bào)已取得一定進(jìn)展，但強(qiáng)度預(yù)報(bào)仍有待于進(jìn)一步提高，特別是影響TC精細(xì)結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理仍認(rèn)識(shí)不足。TC特征演變不僅與大尺度的環(huán)流背景和動(dòng)力過(guò)程有關(guān)，還受到其內(nèi)部中小尺度過(guò)程的影響。目前大多數(shù)觀測(cè)平臺(tái)(特別是海上)并不能對(duì)這些中小尺度過(guò)程進(jìn)行持續(xù)、有效的觀測(cè)[2]，因此限制了對(duì)TC精細(xì)結(jié)構(gòu)的深入研究和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。TC觀測(cè)急需突破傳統(tǒng)需求，轉(zhuǎn)為更加注重云微物理過(guò)程的結(jié)構(gòu)觀測(cè)[3]。因此，綜合利用各種有效手段開(kāi)展精細(xì)化觀測(cè)研究對(duì)于提高TC預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性具有重要意義。

閃電探測(cè)具有距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、連續(xù)性高的優(yōu)勢(shì)，目前已在陸地雷暴和災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警中得到廣泛應(yīng)用。閃電資料能夠較好地指示強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的時(shí)間、位置和強(qiáng)度[4]；閃電頻次躍變能夠?qū)Ρ⒑统?jí)單體的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警[5-6]；閃電資料在數(shù)值模式中的同化能顯著提高強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的模擬和預(yù)報(bào)效果[7]。閃電探測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來(lái)得到快速發(fā)展，目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行描繪的甚高頻輻射源定位系統(tǒng)、覆蓋全球范圍的地基閃電定位網(wǎng)，以及基于衛(wèi)星的空間全閃探測(cè)[8]。TC閃電活動(dòng)的地基探測(cè)系統(tǒng)主要包括：1)低頻-甚低頻區(qū)域閃電定位網(wǎng)，如美國(guó)國(guó)家閃電探測(cè)網(wǎng)(NLDN)[9]、美國(guó)長(zhǎng)距離閃電探測(cè)網(wǎng)(LLDN)[10]、Los Alamos閃電定位陣列(LASA)[11]，我國(guó)氣象部門(ADTD)[12]和電力部門(LLS)[13]閃電定位網(wǎng)。區(qū)域閃電定位網(wǎng)的探測(cè)效率和定位精度較高，但由于受到觀測(cè)范圍的限制，因此主要用于近海和登陸TC的閃電活動(dòng)監(jiān)測(cè)。2)全球閃電定位網(wǎng)，如WWLLN[14]、GLD360[15]、ENTLN[16]。全球閃電定位網(wǎng)利用較少子站建成覆蓋全球的定位網(wǎng)絡(luò)，能夠用于監(jiān)測(cè)TC整個(gè)生命史(特別是海上)過(guò)程的閃電活動(dòng)[17]，在TC閃電時(shí)空分布及其與氣旋強(qiáng)度變化關(guān)系的認(rèn)識(shí)方面發(fā)揮了重要作用。盡管如此，全球閃電定位網(wǎng)工作在甚低頻段，以地閃探測(cè)為主且探測(cè)效率較低，因此限制了對(duì)TC閃電活動(dòng)的全面深入理解。3)甚高頻閃電定位系統(tǒng)，如美國(guó)閃電圖示系統(tǒng)LMA。該系統(tǒng)采用輻射源定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)總閃探測(cè)并給出精確的三維閃電定位信息。由于系統(tǒng)150 km以外探測(cè)效率顯著下降，因此在TC閃電探測(cè)的使用中受到限制。目前，GRIFFIN et al.[18]和LOGAN[19]已使用甚高頻地基閃電定位系統(tǒng)開(kāi)展了TC閃電研究。利用LMA結(jié)合雙偏振雷達(dá)觀測(cè)，對(duì)登陸后再次增強(qiáng)的熱帶風(fēng)暴閃電三維發(fā)展結(jié)構(gòu)進(jìn)行了獨(dú)特分析。

衛(wèi)星是全球(陸地和海洋)TC閃電和對(duì)流活動(dòng)的有效觀測(cè)平臺(tái)。利用熱帶測(cè)雨衛(wèi)星(TRMM)搭載的低軌閃電成像儀(LIS)，一些學(xué)者研究了全球TC閃電活動(dòng)的總體分布，揭示了不同海域閃電活動(dòng)的特征差異，并得到了與以往地基閃電觀測(cè)系統(tǒng)不同的TC閃電-強(qiáng)度關(guān)系結(jié)果[20]，這可能與極軌衛(wèi)星的不連續(xù)采樣方式有關(guān)。新一代地球靜止衛(wèi)星閃電成像儀開(kāi)啟了全球閃電監(jiān)測(cè)的新時(shí)代。2016年發(fā)射升空的美國(guó)GOES-R GLM[21]和我國(guó)首顆衛(wèi)星閃電成像儀FY-4A LMI[22]，分別為大西洋和西北太平洋提供了前所未有的閃電探測(cè)能力。新一代靜止衛(wèi)星閃電成像儀可以對(duì)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)包括云閃、云間閃、云地閃在內(nèi)的全閃電活動(dòng)進(jìn)行探測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TC發(fā)生、發(fā)展和消亡過(guò)程中閃電活動(dòng)的連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間和大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將為TC強(qiáng)對(duì)流和閃電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供重要信息。

1 TC閃電活動(dòng)分布特征

由于對(duì)流活動(dòng)較弱、過(guò)冷水較為缺乏，早期人們普遍認(rèn)為TC只能引起大風(fēng)和強(qiáng)降雨，而不產(chǎn)生閃電活動(dòng)。BLACK and HALLETT[23]最早在颶風(fēng)“Diana”(1984)中觀測(cè)到頻繁的閃電活動(dòng)。VENNE et al.[24]、LYONS et al.[25]也注意到颶風(fēng)中存在一定閃電活動(dòng)，并指出閃電集中發(fā)生在眼壁和外雨帶。我國(guó)有關(guān)TC閃電的研究先于國(guó)外學(xué)者。早在1960—1975年，中央氣象局曾組織遠(yuǎn)程測(cè)站網(wǎng)開(kāi)展天電探測(cè)業(yè)務(wù)，利用天電資料研究臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)[26]。此后隨著閃電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的觀測(cè)證實(shí)TC中存在閃電活動(dòng)，并指出閃電活動(dòng)與TC對(duì)流有關(guān)。

TC閃電活動(dòng)存在明顯的三圈分布特性(圖1)[13,27]。眼壁(或內(nèi)核)存在一定的閃電活動(dòng)，但閃電頻次低于外雨帶；內(nèi)雨帶閃電活動(dòng)很少；外雨帶具有最高的閃電頻次，且大部分閃電發(fā)生在外雨帶[28-32]。我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)的閃電活動(dòng)同樣呈現(xiàn)出“眼壁較強(qiáng)-內(nèi)雨帶弱-外雨帶最強(qiáng)”的三圈分布特性[13]。研究發(fā)現(xiàn)，不同TC之間閃電活動(dòng)差異較大，閃電易發(fā)生在熱帶低壓和熱帶風(fēng)暴中[27,33-35]，易發(fā)生在海面溫度超過(guò)27 ℃的海域[20,36]，易發(fā)生在修正極化亮溫低于225 K的TC深對(duì)流區(qū)[37]。盡管眼壁閃電活動(dòng)弱于外雨帶，但其能夠?yàn)門C發(fā)展演變提供重要信息。近期研究[15,38]表明，成熟臺(tái)風(fēng)眼壁閃電存在一種獨(dú)特的環(huán)狀分布形態(tài)，稱為EEL(enveloped eyewall lightning)。利用EEL可以實(shí)時(shí)估算臺(tái)風(fēng)的中心位置、移動(dòng)速度、最大風(fēng)圈半徑、眼墻厚度等參量，其位置估算結(jié)果與聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(Joint Typhoon Warning Center, JTWC)的平均誤差僅為17 km，從而為傳統(tǒng)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)提供了一種新工具[38]。

圖1 熱帶氣旋閃電活動(dòng)的三圈分布特性(a.不同強(qiáng)度等級(jí)(熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng))熱帶氣旋中閃電密度隨徑向距離的變化，樣本為1999—2010年33個(gè)登陸廣東的熱帶氣旋，閃電資料來(lái)自廣東電力閃電定位系統(tǒng)；b.超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(2008)快速增強(qiáng)過(guò)程中閃電活動(dòng)和MTSAT衛(wèi)星觀測(cè)云頂亮溫(TBB)的疊加，藍(lán)色區(qū)域表示W(wǎng)WLLN探測(cè)的閃電，三個(gè)虛線圓圈分別表示內(nèi)核(0～100 km)、內(nèi)雨帶(100～200 km)和外雨帶(200～500 km))。圖片摘自文獻(xiàn)[13,27]

閃電頻次和TC中心最大維持風(fēng)速之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。TC生命史中閃電活動(dòng)的時(shí)序演變一般分為三個(gè)階段：①TC增強(qiáng)階段，閃電活動(dòng)開(kāi)始增多。特別是快速增強(qiáng)的初期，眼壁閃電頻次急劇增加，隨后有所減弱，在快速增強(qiáng)的后期眼壁閃電活動(dòng)可能再次增多。②TC達(dá)到最大強(qiáng)度階段，一般出現(xiàn)TC閃電頻次的峰值或次峰值。③TC減弱階段，眼壁和外雨帶閃電頻次均逐漸減小。登陸TC由于與陸地的相互作用，外雨帶閃電活動(dòng)會(huì)再次增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)著眼壁閃電頻次的低值時(shí)段。此后隨著氣旋的減弱，TC閃電活動(dòng)逐漸停止。利用WWLLN對(duì)全球颶風(fēng)的統(tǒng)計(jì)[14,39]發(fā)現(xiàn)，閃電頻次的增加提前颶風(fēng)最大強(qiáng)度約24 h。在西北太平洋區(qū)域，同樣發(fā)現(xiàn)閃電活動(dòng)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化存在一定關(guān)系，最大閃電頻數(shù)超前臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速25～49 h[40-44]?；陂W電活動(dòng)對(duì)氣旋的指示作用，一些研究[45-46]已嘗試將閃電數(shù)據(jù)同化到數(shù)值模式中進(jìn)行TC強(qiáng)度預(yù)報(bào)。

2 眼壁閃電爆發(fā)

2.1 眼壁閃電爆發(fā)對(duì)TC強(qiáng)度變化的指示

眼壁(或內(nèi)核)閃電存在某些特定階段頻次突然增多、活動(dòng)異常活躍的現(xiàn)象，即眼壁閃電爆發(fā)[10,47-49]。圖2給出了臺(tái)風(fēng)“百合”(2001)登陸過(guò)程中，閃電定位網(wǎng)探測(cè)到的眼壁閃電活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在路徑轉(zhuǎn)向、快速增強(qiáng)和登陸三個(gè)過(guò)程中，存在眼壁閃電爆發(fā)[13]。閃電爆發(fā)現(xiàn)象一定程度上揭示了眼壁的循環(huán)機(jī)制，可能預(yù)示TC的快速增強(qiáng)。大西洋觀測(cè)[50]表明，颶風(fēng)增強(qiáng)階段眼壁閃電密度是未增強(qiáng)階段的1.5～2倍。眼壁閃電爆發(fā)出現(xiàn)在颶風(fēng)“Rita”(2005)快速增強(qiáng)、最大強(qiáng)度和眼壁置換三個(gè)階段[10]，爆發(fā)提前颶風(fēng)“Andrew”(1992)最大強(qiáng)度約6 h[28]。LASA閃電定位陣列對(duì)颶風(fēng)中雙極性窄脈沖(narrow bipolar event, NBE；一種特殊的云內(nèi)放電事件)的三維觀測(cè)同樣發(fā)現(xiàn)，眼壁NBE爆發(fā)提前颶風(fēng)增強(qiáng)約3 h，增強(qiáng)過(guò)程中NBE放電高度增加，呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，揭示了眼壁強(qiáng)對(duì)流單體的時(shí)空演變[2]。對(duì)2005—2017年西北太平洋230個(gè)臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)[35]發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)時(shí)閃電集中分布在眼壁和內(nèi)核區(qū)域，且具有軸對(duì)稱分布特性。對(duì)于我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)，ZHANG et al.[13]通過(guò)定義眼壁閃電爆發(fā)判別指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)30%爆發(fā)發(fā)生在TC增強(qiáng)和最大強(qiáng)度階段，爆發(fā)平均7.1 h后TC達(dá)到最大強(qiáng)度。

圖2 臺(tái)風(fēng)“百合”(2001)登陸期間的眼壁閃電爆發(fā)(a.眼壁閃電頻次和中心最大風(fēng)速時(shí)序變化圖，b.臺(tái)風(fēng)最佳路徑圖；①—⑥為判別方法識(shí)別的眼壁閃電爆發(fā)，①②③發(fā)生在TC轉(zhuǎn)向階段，④發(fā)生在登陸前的快速增強(qiáng)階段，⑤⑥發(fā)生在登陸后) 。圖片摘自文獻(xiàn)[13]

除閃電頻次外，眼壁閃電爆發(fā)的空間方位、徑向距離、相對(duì)于垂直風(fēng)切變的分布及其配置關(guān)系，能夠?yàn)門C演變提供更加全面的指示信息。許多研究將閃電空間分布與表征環(huán)境結(jié)構(gòu)的850～200 hPa垂直風(fēng)切變聯(lián)系起來(lái)，以探討眼壁閃電活動(dòng)與TC強(qiáng)度變化的關(guān)系。對(duì)大西洋颶風(fēng)的統(tǒng)計(jì)[50-52]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直風(fēng)切變處于中等強(qiáng)度(5～10 m·s-1)時(shí)，眼壁中90%以上閃電發(fā)生在風(fēng)切變的下風(fēng)向(特別是下風(fēng)向左側(cè))，并且切變?cè)綇?qiáng)，眼壁對(duì)流和閃電分布越集中。在颶風(fēng)增強(qiáng)之前，眼壁閃電呈散落分布；當(dāng)增強(qiáng)時(shí)閃電集中爆發(fā)在某一特定象限，且強(qiáng)度越強(qiáng)，閃電徑向分布峰值越靠近TC中心[35,53]。對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”(2013)的觀測(cè)[49,54]發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)時(shí)，眼壁閃電密度的高值區(qū)位于垂直風(fēng)切變的下風(fēng)向，位于最大風(fēng)圈半徑(RMW)之內(nèi)，并逐漸向臺(tái)風(fēng)中心靠近；而登陸后減弱階段的閃電爆發(fā)則主要發(fā)生在風(fēng)切變的上風(fēng)向左側(cè)，位于RMW之外，且遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心?；谇叭搜芯拷Y(jié)果總結(jié)的眼壁閃電爆發(fā)特征與氣旋強(qiáng)度演變關(guān)系概念圖見(jiàn)圖3。圖3a給出了氣旋增強(qiáng)階段的眼壁閃電爆發(fā)特征：①中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變量；②相對(duì)較高的閃電頻次；③閃電大值區(qū)位于垂直風(fēng)切變的下風(fēng)向，位于RMW之內(nèi)，并逐漸向TC中心靠近。圖3b給出了氣旋減弱階段的眼壁閃電爆發(fā)特征：①中等偏弱的垂直風(fēng)切變量；②逐漸降低的閃電頻次；③閃電大值區(qū)位于垂直風(fēng)切變的上風(fēng)向，位于RMW之外，并逐漸遠(yuǎn)離TC中心。基于對(duì)大西洋和東太平洋的10 a統(tǒng)計(jì)結(jié)果，STEVENSON et al.[55]提出眼壁閃電爆發(fā)能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)員判斷未來(lái)24 h氣旋是否增強(qiáng)提供重要信息。

2.2 眼壁閃電活動(dòng)對(duì)TC移動(dòng)路徑的指示

眼壁閃電活動(dòng)對(duì)TC路徑變化同樣具有指示作用。我國(guó)早期研究[26]發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)有向其外圍強(qiáng)閃電區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，閃電位置及其發(fā)展趨勢(shì)對(duì)臺(tái)風(fēng)移向具有診斷作用，一定的特征閃電可以幫助確定臺(tái)風(fēng)的登陸地段。MOLINARI et al.[28]發(fā)現(xiàn)眼壁閃電突增后4 h，颶風(fēng)“Bob”(1991)出現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)折，因此指出處于穩(wěn)定狀態(tài)下的眼壁閃電爆發(fā)，很可能預(yù)示著TC路徑的改變。對(duì)我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)[13]發(fā)現(xiàn)，大約10%的眼壁閃電爆發(fā)與臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向有關(guān)。在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”(2013)登陸后的減弱階段，眼壁閃電爆發(fā)后出現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)向，這可能與風(fēng)切變和路徑夾角的突然變化所導(dǎo)致的眼區(qū)對(duì)流不對(duì)稱有關(guān)[49]。在方位分布方面，對(duì)大西洋颶風(fēng)的觀測(cè)[52,56]發(fā)現(xiàn)，大部分閃電發(fā)生在颶風(fēng)前進(jìn)方向的前側(cè)，當(dāng)颶風(fēng)靠近海岸時(shí)，右前象限閃電活動(dòng)明顯增多。而西北太平洋臺(tái)風(fēng)與之不同，移速較慢(v<3 m·s-1)的臺(tái)風(fēng)其閃電主要發(fā)生在移動(dòng)方向的后側(cè)。對(duì)于移速較快(v>6 m·s-1)的臺(tái)風(fēng)，內(nèi)核閃電主要發(fā)生在移動(dòng)方向的前側(cè)，而外雨帶閃電發(fā)生在移動(dòng)方向的右后象限[36]。

盡管如此，一些研究[20,32,57]指出外雨帶閃電同樣能夠?yàn)闅庑葑兲峁┹^好的指示作用。最近研究[58-59]表明，TC內(nèi)核和外雨帶存在不同的閃電類型，外雨帶以地閃活動(dòng)為主[18]，內(nèi)核可能具有更大的云閃比例。GLM對(duì)颶風(fēng)閃電屬性特征的研究[16,60]顯示，閃電類型與颶風(fēng)增強(qiáng)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，颶風(fēng)增強(qiáng)時(shí)眼壁的云閃比例顯著增大。颶風(fēng)增強(qiáng)期間的閃電比減弱期間的閃電具有更大的面積、更強(qiáng)的輻射能以及更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。

3 外雨帶閃電活動(dòng)與雨帶對(duì)流結(jié)構(gòu)

TC閃電活動(dòng)主要發(fā)生在外雨帶，TRMM衛(wèi)星觀測(cè)到外雨帶的閃電頻次是內(nèi)核和內(nèi)雨帶的4倍[61]。成熟颶風(fēng)外雨帶閃電活動(dòng)與對(duì)流和降水的徑向分布一致[28]。颶風(fēng)登陸期間閃電主要發(fā)生在外雨帶對(duì)流區(qū)的右側(cè)，對(duì)應(yīng)最強(qiáng)的雷達(dá)反射率和降雨區(qū)[56]，有時(shí)與外雨帶中超級(jí)單體的產(chǎn)生有關(guān)[47]。結(jié)合星載雷達(dá)的研究[20]發(fā)現(xiàn)，外雨帶閃電的變化趨勢(shì)與混合相態(tài)區(qū)30 dBZ回波體積的變化相一致，由此推測(cè)外雨帶具有充足的過(guò)冷水[62]。我國(guó)臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中，閃電多發(fā)生在外雨帶面積較大的回波后側(cè)或外側(cè)(圖4)[59]。西北太平洋臺(tái)風(fēng)閃電的氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)[34]也表明，外雨帶閃電密度最大值出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)南側(cè)500～600 km徑向范圍處。閃電活動(dòng)成簇地發(fā)生在外雨帶低亮溫和高反射率的深對(duì)流區(qū)域[59]，發(fā)生在6 km高度具有較高雷達(dá)反射率的區(qū)域[30]，垂直上升區(qū)的中心位置和強(qiáng)度對(duì)外雨帶閃電分布具有明顯影響[63]。利用引入起電放電過(guò)程的WRF中尺度數(shù)值模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“莫拉菲”(2009)的模擬發(fā)現(xiàn)，外雨帶主要表現(xiàn)為正的三極性或偶極性電荷結(jié)構(gòu)，即在霰粒子與冰晶組成的正偶極性電荷結(jié)構(gòu)下存在一個(gè)由雹粒子組成的正電荷區(qū)。臺(tái)風(fēng)登陸后衰亡階段的對(duì)流表現(xiàn)為負(fù)的偶極性電荷結(jié)構(gòu)，類似于陸地雷暴消散階段的特性[64]。

圖4 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”(2018)登陸期間，F(xiàn)Y-4A LMI觀測(cè)的外雨帶閃電活動(dòng)(a.閃電和Himawari-8 TBB的疊加圖，b.閃電和華南區(qū)域組網(wǎng)雷達(dá)組合反射率的疊加圖；衛(wèi)星和雷達(dá)觀測(cè)時(shí)刻為2018年9月16日22時(shí)(世界時(shí))，閃電疊加時(shí)段為衛(wèi)星時(shí)刻±30 min、雷達(dá)時(shí)刻±5 min，◇表示臺(tái)風(fēng)中心位置，紅色和黑色“+”表示FY-4A LMI閃電)。圖片摘自文獻(xiàn)[59]

外雨帶閃電活動(dòng)與雨帶對(duì)流結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于同時(shí)受到渦旋動(dòng)力和外部環(huán)境的約束，外雨帶顯示出獨(dú)特的對(duì)流結(jié)構(gòu)特征：一般具有寬廣的層狀降水區(qū)，不同組織結(jié)構(gòu)的對(duì)流單體活躍其中；單體具有向外傾斜的結(jié)構(gòu)和顯著的上升、下沉運(yùn)動(dòng)；對(duì)流單體趨于在雨帶的上風(fēng)向形成和發(fā)展，往下風(fēng)向移動(dòng)并逐漸消散[65-66]。閃電活動(dòng)的演變和雨帶的發(fā)展具有一致性。外雨帶混合相態(tài)區(qū)反射率增強(qiáng)時(shí)，意味著上升氣流的增強(qiáng)，有利于閃電的發(fā)生[67]。閃電信息能夠清晰地描繪雨帶的對(duì)流特征并提供動(dòng)力和微物理過(guò)程相關(guān)信息[33,56]。閃電頻次的增加能夠預(yù)示霰或冰雹粒子體積的增加以及上升氣流的加強(qiáng)，進(jìn)而表征雨帶對(duì)流的發(fā)展[48]。盡管如此，由于受到地形、環(huán)境等多種因素的影響，外雨帶對(duì)流尺度的云微物理結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。目前有關(guān)外雨帶閃電開(kāi)展的研究仍然較少，對(duì)其電過(guò)程的認(rèn)識(shí)還非常有限。

4 動(dòng)力-微物理機(jī)理探討

4.1 閃電三圈分布成因

哪些因素造成了TC中閃電分布的三圈特性？眼壁、內(nèi)雨帶和外雨帶閃電活動(dòng)差異的原因是什么？一些學(xué)者從對(duì)流結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了解釋。飛機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，TC大部分區(qū)域被層云和弱對(duì)流降水控制，冰粒子含量普遍較少，0 ℃層以上雷達(dá)反射率迅速減小。只有出現(xiàn)強(qiáng)上升氣流(v>10 m·s-1)時(shí)，混合相態(tài)區(qū)才能同時(shí)產(chǎn)生霰粒子和過(guò)冷液態(tài)水，從而產(chǎn)生閃電活動(dòng)[23,68]。除上升氣流影響外，F(xiàn)IERRO et al.[48]進(jìn)一步指出TC閃電頻次與霰粒子體積和質(zhì)量、液態(tài)水含量、水平風(fēng)等因素有關(guān)。由此可見(jiàn)，混合相態(tài)區(qū)的上升氣流通量、強(qiáng)上升氣流體積、霰粒子體積和質(zhì)量、液態(tài)水含量、水平風(fēng)等是TC閃電形成的主要影響因素。

眼壁的對(duì)流結(jié)構(gòu)類似于弱電化的海洋季風(fēng)深對(duì)流，最大反射率位于0 ℃層以下，0 ℃層以上反射率值迅速減小[28]。眼壁的傾斜上升氣流將負(fù)電荷區(qū)上層的正電荷向外推移，形成閃電和最大云頂亮溫區(qū)的位置差異。過(guò)冷水和強(qiáng)上升氣流的缺乏，一定程度上限制了液態(tài)水條件下冰晶和霰粒子的碰撞起電，所以通常情況下眼壁閃電活動(dòng)相對(duì)螺旋雨帶較弱。只有在對(duì)流發(fā)展較強(qiáng)時(shí)，眼壁才會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的閃電活動(dòng)[28]。內(nèi)雨帶具有中尺度對(duì)流系統(tǒng)拖曳層云的結(jié)構(gòu)，由于雷達(dá)圖中常觀測(cè)到亮帶，特性類似具有弱上升氣流的層云降雨區(qū)[28]。內(nèi)雨帶是眼壁向外排出的冰粒子沉降作用而形成，這種沉降過(guò)程減少了過(guò)冷水含量，融化和蒸發(fā)造成的冷卻作用抑制了上升氣流，因此很少產(chǎn)生閃電[9]。外雨帶結(jié)構(gòu)類似于亞熱帶季風(fēng)間歇期的大陸深對(duì)流，由于具有較強(qiáng)的上升和下沉氣流，閃電頻次相對(duì)較高[28]。外雨帶受到環(huán)境氣流的影響，具有強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定，造成0 ℃層以上液態(tài)水、霰和冰粒子同時(shí)出現(xiàn)，因此容易產(chǎn)生電荷分離和閃電活動(dòng)。我國(guó)登陸臺(tái)風(fēng)的研究[69]表明，外雨帶較強(qiáng)的上升氣流、較大的降水粒子濃度、混合相態(tài)區(qū)較高的冰相粒子濃度以及對(duì)流云體較高的垂直和較廣的水平分布，是外雨帶產(chǎn)生較強(qiáng)閃電活動(dòng)的主要原因。

4.2 眼壁閃電爆發(fā)成因

閃電的發(fā)生與云中軟雹、霰、冰晶等冰相物粒子緊密相關(guān)，TC中云微物理過(guò)程(特別是混合相態(tài)區(qū)冰相物粒子)對(duì)起電過(guò)程和電荷結(jié)構(gòu)的形成具有重要影響[70]。衛(wèi)星觀測(cè)表明，眼壁區(qū)域云頂相對(duì)光滑，表明眼壁對(duì)流較弱；而外雨帶云頂則顯示出高度活躍的對(duì)流性。眼壁與外雨帶的云微物理特征差異可能由垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度差異所引起。眼壁中的上升氣流被剪切并呈現(xiàn)傾斜，因此眼壁云很少能發(fā)展較高。而外雨帶云系在較弱的垂直風(fēng)切變組織下，強(qiáng)上升氣流能夠使云層發(fā)展成為較高的對(duì)流云[71]。

一些學(xué)者從動(dòng)力和微物理角度解釋了眼壁閃電爆發(fā)的成因。當(dāng)上升氣流較弱時(shí)，眼壁的混合相態(tài)區(qū)相對(duì)淺薄，暖區(qū)中雨滴通過(guò)碰并增長(zhǎng)，小雨滴在達(dá)到混合相態(tài)區(qū)之前從上升氣流中移出；混合相態(tài)區(qū)中冰粒子凇附增長(zhǎng)過(guò)程不強(qiáng)，因此起電較弱[68]。當(dāng)上升氣流增強(qiáng)時(shí)，混合相態(tài)區(qū)高度和過(guò)冷水含量增大，從而產(chǎn)生有效的起電和更高的閃電密度，導(dǎo)致眼壁閃電爆發(fā)。LIN and CHOU[35]指出眼壁閃電集中分布的有利環(huán)境條件包括：較強(qiáng)的高空輻散、較高的海表溫度、較大的最大潛在強(qiáng)度(MPI)以及較弱的垂直風(fēng)切變。REINHART et al.[67]指出眼壁產(chǎn)生活躍閃電的三個(gè)動(dòng)力-微物理?xiàng)l件，即內(nèi)核強(qiáng)上升氣流達(dá)到10～20 m·s-1，大于30 dBZ的混合相態(tài)區(qū)強(qiáng)回波發(fā)展到0 ℃層以上，冰晶、霰和過(guò)冷水的同時(shí)出現(xiàn)。SQUIRES and BUSINGER[10]同樣指出眼壁閃電爆發(fā)時(shí)，上升氣流迅速增強(qiáng)，眼壁迅速收縮并呈現(xiàn)出最強(qiáng)的對(duì)流垂直結(jié)構(gòu)。這種垂直結(jié)構(gòu)減小了帶電粒子的水平向外擴(kuò)散，使眼壁能夠長(zhǎng)時(shí)間地維持一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，從而產(chǎn)生較大的閃電密度。此后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，過(guò)冷水含量逐漸減弱，導(dǎo)致電荷分離速度迅速下降，從而限制了起電過(guò)程，導(dǎo)致爆發(fā)后眼壁閃電活動(dòng)的減弱[50]。數(shù)值模式結(jié)果顯示，TC增強(qiáng)過(guò)程與眼壁對(duì)流爆發(fā)有關(guān)[72]，當(dāng)眼壁中有“熱塔”存在時(shí)，TC增強(qiáng)的機(jī)會(huì)大大增加[73]。因此可以通過(guò)眼壁閃電爆發(fā)的時(shí)空特征變化，反映眼區(qū)中小尺度強(qiáng)對(duì)流以及“熱塔”的發(fā)展演變，從而探討TC特征的改變。

5 總結(jié)和展望

閃電探測(cè)與雷達(dá)、衛(wèi)星等多種探測(cè)手段相結(jié)合的綜合觀測(cè)，已為揭示陸地天氣系統(tǒng)的對(duì)流活動(dòng)規(guī)律提供了重要觀測(cè)資料。盡管如此，目前閃電資料在TC監(jiān)測(cè)和預(yù)警中尚未完全發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，究其原因主要存在以下兩個(gè)制約因素。第一，閃電活動(dòng)與TC對(duì)流結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系和演變規(guī)律尚不清楚。由于TC(特別是雨帶)對(duì)流結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和復(fù)雜性，以往基于陸地雷暴系統(tǒng)建立的閃電-對(duì)流關(guān)系不能直接應(yīng)用于TC中。因此需要重新認(rèn)識(shí)TC環(huán)流背景下，閃電活動(dòng)與對(duì)流特征在分布、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及閃電活動(dòng)與TC對(duì)流生消、發(fā)展之間的演變規(guī)律，進(jìn)而研究如何利用閃電資料指示TC的變化。第二，TC云微物理過(guò)程對(duì)電過(guò)程的作用機(jī)制是否與陸地雷暴存在差異尚不明確。TC閃電活動(dòng)具有較大的差異性，盡管已有研究證實(shí)了閃電活動(dòng)與TC中小尺度對(duì)流的發(fā)展密切相關(guān)，但閃電活動(dòng)差異性的根本原因尚不清楚，其中的云微物理作用機(jī)制也不明確。需要通過(guò)研究云微物理過(guò)程如何作用于電過(guò)程并影響其分布特征，進(jìn)而研究如何利用閃電活動(dòng)來(lái)指示TC云微物理過(guò)程及其對(duì)流活動(dòng)的變化。

近些年，隨著我國(guó)閃電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的地基三維全閃探測(cè)網(wǎng)正在持續(xù)建設(shè)。新的閃電探測(cè)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)放電過(guò)程的三維定位，提供了比以往地閃數(shù)據(jù)更豐富、與云微物理結(jié)構(gòu)關(guān)系更加直接的全閃活動(dòng)信息。我國(guó)首顆衛(wèi)星閃電成像儀FY-4A LMI也已發(fā)射升空并為西北太平洋區(qū)域TC閃電觀測(cè)提供了重要技術(shù)手段。三維閃電探測(cè)數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)以及FY-4A衛(wèi)星閃電成像儀的發(fā)展，使得閃電觀測(cè)參量從以往的頻次、密度擴(kuò)展到閃電類型、面積尺度、持續(xù)時(shí)間、輻射能等更多屬性特征。未來(lái)地基和空基相結(jié)合的綜合閃電探測(cè)，有望建立一個(gè)更加明確、具有代表性的閃電活動(dòng)-TC強(qiáng)度變化的關(guān)系模型。

我國(guó)大力發(fā)展的地基雙偏振雷達(dá)探測(cè)技術(shù)為登陸臺(tái)風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了良好的觀測(cè)手段。閃電探測(cè)與雷達(dá)探測(cè)手段的結(jié)合，為臺(tái)風(fēng)觀測(cè)提供了一種新資料和新方法。利用沿海地區(qū)架設(shè)的三維閃電定位系統(tǒng)結(jié)合雙偏振雷達(dá)可以開(kāi)展綜合觀測(cè)研究，針對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，嘗試從以下兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題出發(fā)進(jìn)行探索：1)臺(tái)風(fēng)環(huán)流背景下，閃電和對(duì)流活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和演變規(guī)律是什么？如何利用閃電活動(dòng)特征指示臺(tái)風(fēng)獨(dú)特的對(duì)流結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程？2)臺(tái)風(fēng)閃電活動(dòng)的云微物理作用機(jī)制與陸地雷暴是否存在差異，云微物理過(guò)程如何作用于電過(guò)程并影響臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和特征的改變？針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展的系統(tǒng)性研究，不僅能夠加深臺(tái)風(fēng)對(duì)流結(jié)構(gòu)和閃電活動(dòng)的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，同時(shí)有助于推進(jìn)閃電觀測(cè)資料在臺(tái)風(fēng)中小尺度強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)、預(yù)警和資料同化中的應(yīng)用。