鄭棟，張文娟，姚雯，徐良韜，王飛

（中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京100081）

1 引言

雷暴是閃電活動的母體，閃電活動特征與雷暴自身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等特征息息相關(guān)。經(jīng)典的閃電活動特征通常指閃電活動的頻次、類型（云閃、地閃）、極性（正、負(fù)）等；近年來，隨著閃電通道三維形態(tài)探測能力的提升，閃電通道延展特征（如持續(xù)時間、空間延展等閃電尺度量）也被關(guān)注。雷暴的動力、微物理過程決定雷暴內(nèi)部起電的強(qiáng)弱以及不同冰相粒子的帶電極性。在氣流和帶電粒子自身屬性的作用下，在云內(nèi)形成不同極性電荷區(qū)的分布，被稱為電荷結(jié)構(gòu)。閃電在正、負(fù)電荷區(qū)之間的強(qiáng)電場中始發(fā)，以雙向先導(dǎo)方式朝與先導(dǎo)擊穿極性相反的電荷區(qū)發(fā)展，并在其內(nèi)傳播，特別是傾向于在高電荷密度區(qū)域傳播。因此電荷結(jié)構(gòu)影響閃電的起始和通道發(fā)展特征，而這些特征最終表現(xiàn)為前述的閃電活動特征。雷暴閃電活動特征研究為開展雷電預(yù)警、預(yù)報、閃電資料同化和應(yīng)用等提供理論基礎(chǔ)。

本文中，我們基于已有研究，對一般雷暴、災(zāi)害性雷暴和臺風(fēng)的閃電活動特征以及雷暴閃電尺度特征進(jìn)行介紹和梳理，以增強(qiáng)對閃電活動特征的概念性認(rèn)識。

2 一般雷暴閃電活動

一般雷暴是相對于災(zāi)害性雷暴而言的，它們屬于強(qiáng)對流過程，產(chǎn)生較為頻繁的閃電活動，但對流強(qiáng)度通常弱于災(zāi)害性雷暴，不產(chǎn)生冰雹、龍卷、災(zāi)害性大風(fēng)等現(xiàn)象。

一般雷暴中，云閃通常占總閃的大部分。從全球來講，云/地閃比例隨緯度的增大呈減小趨勢。Mackerras等[1]報道云/地閃比例在南北緯度0～20°為3.96，20～40°為3.18，40～60°為1.92，全球平均值為3.53。一般雷暴中正地閃在所有地閃中占比10%左右[2]。雷暴演變過程中，正地閃比例可能有較大變化。Zheng等[3]分析的一次中尺度對流系統(tǒng)消亡階段前的正地閃比例僅3.52%，但消亡階段正地閃比例達(dá)21.25%，某些時段甚至超過50%（圖1）。

圖1 2007年5月30（13時12分起）—31日（02時01分止）發(fā)生在湖北的一次雷暴過程中地閃（CG Flashes）、正地閃（PCG Flashes）和負(fù)地閃（NCG Flashes）以及正地閃占比隨時間演變

地閃接地位置通常對應(yīng)雷達(dá)低仰角反射率廓線大于20或30 dBZ的區(qū)域，但分布位置可能有較大變化[4-5]。Wang等[6]發(fā)現(xiàn)79.1%的地閃位置對應(yīng)0℃層垂直氣流在-5 m/s和5 m/s之間的弱上升和弱下沉氣流區(qū)。雷暴中不同極性的地閃可能在空間存在分離現(xiàn)象。Zheng等[3]發(fā)現(xiàn)負(fù)地閃傾向集中發(fā)生在對流區(qū)，而正地閃則分散于層云區(qū)。

一般雷暴通常具有上正-中負(fù)-下正的三級性電荷結(jié)構(gòu)。由于閃電雙向先導(dǎo)傳播的特征，地閃極性通常由始發(fā)地閃的兩層電荷區(qū)的上部電荷區(qū)極性決定[7]。地閃更容易由下部兩個電荷區(qū)貢獻(xiàn)，因此三極性電荷結(jié)構(gòu)往往產(chǎn)生更多負(fù)地閃。雷暴消亡階段，正、負(fù)地閃頻次均呈下降趨勢，但負(fù)地閃頻次下降更快，這可能是由于原負(fù)地閃集中的對流區(qū)動力過程的減弱程度更為顯著，從而導(dǎo)致正地閃比例在消亡階段反而增加[3]。

3 災(zāi)害性雷暴閃電活動

災(zāi)害性雷暴具有極強(qiáng)的動力和微物理過程，伴隨龍卷、災(zāi)害性大風(fēng)、冰雹等現(xiàn)象，在閃電活動特征上往往表現(xiàn)出不同于一般雷暴的特征。

災(zāi)害性雷暴通常產(chǎn)生非常活躍的閃電活動。Shackford[8]發(fā)現(xiàn)60%的雹暴閃電頻次超過100 fl/h。Zheng等[9]分析的超級單體聚合體峰值閃電頻次超過600 fl/min。災(zāi)害性雷暴中地閃占比可能低于普通雷暴。徐爽[10]分析16次北京雹暴的地閃比例平均為4.43%。Zheng等[9]研究的超級單體聚合體中地閃比例只有約1.07%。災(zāi)害性雷暴還傾向產(chǎn)生較高的正地閃比例，甚至超過50%[9-11]。超級單體雷暴對應(yīng)主上升氣流區(qū)位置可能存在一個較弱的閃電活動區(qū)，被稱為“閃電洞”（lightning hole）[12]。在雹暴中，一些研究發(fā)現(xiàn)地閃較少出現(xiàn)在降雹階段和降雹區(qū)域[11，13]。

王晨曦等[13]、鄭棟等[14]和Xu等[15]發(fā)現(xiàn)部分雹暴產(chǎn)生了兩個閃電活躍階段：第一個對應(yīng)降雹前后，閃電峰值往往出現(xiàn)在降雹前；降雹發(fā)生后，閃電頻次快速降低；降雹結(jié)束后，閃電頻次再次增強(qiáng)，并達(dá)到第二個峰值。第一階段正地閃比例較一般雷暴偏高，第二個階段正地閃比例接近一般雷暴，同時，第二個閃電活躍階段的峰值閃電頻次甚至可以強(qiáng)于降雹階段。鄭棟等[14]和王晨曦等[13]分別分析的北京和廣東雹暴個例以及Xu等[15]分析中的一次北京雹暴個例在動力特征上均表現(xiàn)為降雹結(jié)束后，雷暴對流再次增強(qiáng)，從而貢獻(xiàn)第二個閃電活躍階段。但對應(yīng)第二個閃電活躍階段的對流強(qiáng)度弱于降雹階段的對流強(qiáng)度，至于為什么相對較弱的對流反而產(chǎn)生了更強(qiáng)的閃電活動，我們在后面討論。Xu等[15]還報道了另一例降雹直徑較小、持續(xù)時間較短的天津雹暴，其第二個閃電活躍階段是在對流持續(xù)減弱過程中形成的，他們認(rèn)為，降雹結(jié)束后云內(nèi)較小的冰粒子在中低層聚集形成電荷高密度區(qū)，貢獻(xiàn)了活躍的閃電活動。

閃電活動與災(zāi)害天氣事件之間可能存在關(guān)聯(lián)。有研究指出冰雹出現(xiàn)和正地閃頻次增加相對應(yīng)[16]，正地閃比例與冰雹直徑之間存在正相關(guān)[10，17]，具有高正地閃比例的雹暴，降雹持續(xù)時間傾向更長[17]。閃電頻次在災(zāi)害性天氣現(xiàn)象出現(xiàn)前可能快速增加，被稱為“閃電躍增”（lightning jump）[18-19]。綜合Goodman等[20]和Gatlin等[21]的研究，閃電躍增超前龍卷10～28 min，超前災(zāi)害性大風(fēng)約9 min。Gatlin等[22]在90%的災(zāi)害性雷暴中發(fā)現(xiàn)了閃電躍增現(xiàn)象，平均超前災(zāi)害性天氣出現(xiàn)約27 min。Yao等[17]在北京雹暴中發(fā)現(xiàn)，地閃（總閃）躍增平均超前降雹25.4（32.2）min，圖2給出了他們分析中一次個例的情況。

圖2 2007年7月10日北京一次雹暴個例中基于2σ閃電躍變算法得到的閃電躍變信號

MacGorman等[23]提出“抬升電荷機(jī)制”解釋災(zāi)害性雷暴中地閃比例偏低的原因。認(rèn)為強(qiáng)上升氣流把中部主負(fù)電荷層向上抬升，使得主負(fù)電荷區(qū)與地面的距離增大，從而地閃頻次減少；而主負(fù)電荷區(qū)與上部正電荷區(qū)距離減小，使得云閃更為頻繁。Wang等[6]提供了另外一種觀點，認(rèn)為強(qiáng)對流雷暴中，電荷結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)小電荷區(qū)交錯分布的形態(tài)，不利于大電勢形成，從而抑制了地閃發(fā)生。

災(zāi)害性雷暴具有較高正地閃比例的現(xiàn)象可能與反極性電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)。強(qiáng)烈的對流和充足的水汽供應(yīng)使得混合相態(tài)區(qū)域具有較高的液態(tài)含水量，導(dǎo)致霰粒子獲得正電荷，冰晶獲得負(fù)電荷[24]，形成了上負(fù)-中正-下負(fù)的反極性電荷結(jié)構(gòu)，利于正地閃由下部兩層電荷區(qū)貢獻(xiàn)[9，14，25]。Xu等[26]在模擬中還發(fā)現(xiàn)一種動力夾卷作用，將帶負(fù)電的霰粒子輸送到帶正電的冰晶粒子上部形成局部反極性電荷結(jié)構(gòu)的情況。需要說明的是，電荷結(jié)構(gòu)在雷暴演變過程中是有可能變化的，反極性電荷結(jié)構(gòu)也可能只是存在于雷暴的局部區(qū)域或其演變的某些時段。

關(guān)于部分雹暴過程中的兩次閃電活躍階段，鄭棟等[14]和Xu等[15]都發(fā)現(xiàn)第一個階段（與降雹對應(yīng)）的電荷結(jié)構(gòu)為反極性，使得正地閃比例偏高。在第二個階段，鄭棟等[14]和Xu等[15]分析的兩個北京雹暴均形成正常的三級性結(jié)構(gòu)，使得負(fù)地閃比例更大。而Xu等[15]分析的天津雹暴，第二個閃電活躍階段是在對流持續(xù)減弱過程中形成的。在電荷區(qū)下降過程中，原有下部負(fù)電荷區(qū)減弱或消失，主要電荷結(jié)構(gòu)表現(xiàn)上負(fù)-下正的反偶極性，這種情況導(dǎo)致了負(fù)地閃的增加。綜合鄭棟等[14]、王晨曦等[13]和Xu等[15]的研究，圖3給出了兩種情形下雹暴閃電兩次活躍階段特征和形成機(jī)制的概念圖。

圖3 綜合鄭棟等[14]、王晨曦等[13]和Xu等[15]的研究繪制的兩種情形下雹暴閃電兩次活躍階段特征和形成機(jī)制的概念圖

閃電洞的形成被認(rèn)為是由于強(qiáng)上升氣流導(dǎo)致粒子難以在該區(qū)域停留，不足以使粒子攜帶足夠的電荷并聚集[27]。另一方面，強(qiáng)對流所形成的有界弱回波區(qū)內(nèi)很少有冰相粒子存在，閃電通道也難以發(fā)展到該區(qū)域。

災(zāi)害性雷暴中大雹粒子的存在可能對閃電活動有抑制作用。冰雹由于其數(shù)濃度較低而具有較小的集合表面積，在冰-冰碰撞中電荷轉(zhuǎn)移總量小。所以在大尺度雹粒子主導(dǎo)的區(qū)域電荷濃度低，不利于閃電活動。另一方面，冰雹降落過程中不斷融化形成液態(tài)水膜，不利于冰-冰碰撞和分離而產(chǎn)生電荷分離[13，15，28]。

災(zāi)害性雷暴強(qiáng)烈的動力和微物理過程導(dǎo)致閃電頻次快速增長，但當(dāng)大尺度冰粒子（如冰雹粒子）增加時，起電過程反而減弱，閃電頻次則會出現(xiàn)下降。大冰粒子繼續(xù)增長導(dǎo)致降雹等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，增強(qiáng)云內(nèi)下沉氣流，使得閃電活動持續(xù)減弱，因此閃電活動峰值超前災(zāi)害性天氣現(xiàn)象出現(xiàn)。降雹結(jié)束后，如果外界的動力條件能夠繼續(xù)支持對流系統(tǒng)發(fā)展，則有可能出現(xiàn)第二次閃電活躍期。該階段的動力和微物理過程弱于降雹前的階段，但此時豐富的小尺度冰粒子卻可以引起更強(qiáng)的起電，使得閃電活動強(qiáng)于降雹階段。

4 臺風(fēng)閃電活動

Black等[29]最早在颶風(fēng)Diana（1984）中觀測到閃電活動。目前人們認(rèn)識到臺風(fēng)閃電活動的三圈分布特征：內(nèi)核（或眼壁）閃電頻次較低；內(nèi)雨帶閃電活動稀少；外雨帶閃電頻次最高[30-31]。

閃電活動與臺風(fēng)強(qiáng)度變化和對流結(jié)構(gòu)演變密切相關(guān)。閃電頻次與臺風(fēng)中心最大維持風(fēng)速正相關(guān)，閃電頻次峰值可能超前臺風(fēng)強(qiáng)度峰值出現(xiàn)[32-33]。眼壁閃電爆發(fā)可能預(yù)示氣旋強(qiáng)度的快速增強(qiáng)以及臺風(fēng)路徑的轉(zhuǎn)折[30，34]（圖4）。眼壁閃電爆發(fā)對臺風(fēng)對流結(jié)構(gòu)也具有指示作用。當(dāng)垂直風(fēng)切變＞5 m/s時，眼壁閃電產(chǎn)生較強(qiáng)的下風(fēng)向偏左的非對稱結(jié)構(gòu)，切變越強(qiáng)，眼壁對流和閃電分布越集中[35]。颶風(fēng)增強(qiáng)過程中，眼壁正地閃分布在負(fù)地閃的外側(cè)，能表征傾斜的眼壁結(jié)構(gòu)[36]。眼壁閃電爆發(fā)時，上升氣流迅速增強(qiáng)，眼壁迅速收縮并呈現(xiàn)出最強(qiáng)的對流垂直結(jié)構(gòu)[37]。也有一些研究指出外雨帶閃電活動相比眼壁閃電對臺風(fēng)強(qiáng)度變化具有更好的指示作用[38]。

圖4 臺風(fēng)“百合”（2001）近海和登陸期間眼壁閃電頻次和臺風(fēng)強(qiáng)度變化圖（a）和路徑轉(zhuǎn)向圖（b）

研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)只有出現(xiàn)強(qiáng)上升氣流（＞10 m/s）時，才能產(chǎn)生閃電活動[39]。臺風(fēng)閃電易發(fā)生在極化修正亮溫低于225 K的深對流系統(tǒng)中[40]。臺風(fēng)眼壁閃電頻次與混合相態(tài)區(qū)的上升氣流量、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)[41]。內(nèi)雨帶區(qū)域是眼壁向外排出的冰粒子的沉降作用而形成，這種沉降過程減少了過冷水含量，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[42-43]。外雨帶受臺風(fēng)內(nèi)部渦旋動力的影響較小，其起電過程被認(rèn)為類似于陸地雷暴[44]。

5 閃電尺度特征與雷暴結(jié)構(gòu)關(guān)系

此處閃電尺度指閃電持續(xù)時間、空間擴(kuò)展等特征，屬于閃電放電的自身屬性。一次閃電的平均持續(xù)時間約0.3 s，通道的水平擴(kuò)展距離平均約10 km。從氣候特征和個例統(tǒng)計看，閃電持續(xù)時間、通道空間擴(kuò)展的數(shù)值一般呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布[45-47]。閃電的時空尺度在不同時間、下墊面、雷暴類型中可能存在較大差異。比如冬季雷暴中的閃電尺度可能大于夏季[45,48]；下午閃電的尺度小于上午閃電的尺度[49]；海洋閃電相比陸地閃電具有更大水平擴(kuò)展[46，50]；超級單體的閃電空間擴(kuò)展尺度顯著小于普通雷暴和冬季雷暴[47-48，51]。上述現(xiàn)象似乎指向這樣的特征：發(fā)生在對流較強(qiáng)的雷暴（比如夏季雷暴、下午雷暴、陸地雷暴、超級單體雷暴）中的閃電相比對流較弱的雷暴（比如冬季雷暴、上午雷暴、海洋雷暴、普通雷暴）傾向于具有更小的空間尺度。閃電持續(xù)時間在不同情況下的對比更為復(fù)雜，似乎沒有空間尺度差異特征那么明顯，且閃電持續(xù)時間與空間尺度的相關(guān)性并不強(qiáng)[46]。

一些針對超級單體的研究發(fā)現(xiàn)，閃電空間擴(kuò)展尺度與所在位置處或演變階段對應(yīng)的對流強(qiáng)度和閃電頻次之間存在宏觀上的反向?qū)?yīng)關(guān)系，即在接近強(qiáng)上升氣流的區(qū)域，閃電活動頻繁、閃電尺度較小，而在遠(yuǎn)離強(qiáng)上升氣流的區(qū)域，閃電活動少、閃電尺度大[9，47，51-53]。比如，Zhang等[51]發(fā)現(xiàn)在超級單體演變過程中，從對流區(qū)附近到前側(cè)云砧區(qū)，平均閃電尺度由小到大變化，平均閃電尺度最小值所在區(qū)域通常與閃電起始密度、閃電擴(kuò)展密度和雷達(dá)反射率的大值中心區(qū)相對應(yīng)（圖5）。Zheng等[47]還注意到，在超級單體聚合體整體增強(qiáng)且面積擴(kuò)大的過程中，閃電的平均空間擴(kuò)展尺度和頻次都隨之增大（慢速變化），但兩者在相鄰雷達(dá)體掃時間的變化上（快速變化）則表現(xiàn)出相反的特征，即當(dāng)閃電頻次增加時，平均閃電空間擴(kuò)展尺度減小。

圖5 2004年10月5日美國新墨西哥州一次超級單體過程三個連續(xù)體掃對應(yīng)的閃電活動和雷暴結(jié)構(gòu)

Bruning等[52]提出在雷暴弱對流或平流主導(dǎo)的區(qū)域，電荷區(qū)傾向水平擴(kuò)展和垂直分層，閃電頻次低但空間擴(kuò)展大；在雷暴強(qiáng)對流區(qū)域，受強(qiáng)烈的湍流、氣流切變、夾卷等影響，電荷分布形態(tài)以異種小尺度電荷區(qū)交錯分布為主，閃電頻次高，但受“破碎”的小尺度電荷區(qū)限制，閃電空間擴(kuò)展小。上述模型也可以對前述不同時間、下墊面和類型雷暴的閃電尺度對比關(guān)系進(jìn)行解釋。對流較強(qiáng)的雷暴中，電荷區(qū)可能相對較為“破碎”，則閃電頻次高但空間尺度小；相對地，對流較弱的雷暴電荷區(qū)水平擴(kuò)展大，分層特征更為明顯，則閃電頻次可能相對較低但平均閃電尺度更大。但是，該模型可能只適用于一定強(qiáng)度區(qū)間范圍內(nèi)的雷暴，近期研究也發(fā)現(xiàn)了對流極弱和極強(qiáng)情況下的一些例外的情況[46-47]。關(guān)于閃電尺度的研究還有待繼續(xù)深化。

6 總 結(jié)

本文從一般雷暴、災(zāi)害性雷暴和臺風(fēng)的閃電活動特征以及雷暴閃電尺度四個方面對已有研究進(jìn)行了概念性梳理。過去幾十年，人們對雷暴閃電活動特征和機(jī)理的認(rèn)識不斷深入，但對雷暴閃電活動的一些本質(zhì)性問題仍然缺乏足夠的了解。比如在自然條件下起電、電荷分布究竟是如何發(fā)生和形成的，閃電發(fā)生的時機(jī)和位置選擇是怎樣的，多維度閃電信息如何在閃電參數(shù)化中得到應(yīng)用等。云和閃電探測技術(shù)以及更精細(xì)的數(shù)值模式的進(jìn)步是推進(jìn)相關(guān)研究向前發(fā)展的關(guān)鍵手段。另一方面，利用已有研究成果，發(fā)展和提升雷電預(yù)警預(yù)報技術(shù)，推進(jìn)閃電資料在災(zāi)害天氣監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報中的應(yīng)用也是當(dāng)前緊迫需求。