張文娟，張義軍，鄭棟，呂偉濤，徐良韜

(1.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；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)合實驗室，上海 200438 )

引言

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

閃電探測具有距離遠(yuǎn)、實時性強(qiáng)、連續(xù)性高的優(yōu)勢，目前已在陸地雷暴和災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警中得到廣泛應(yīng)用。閃電資料能夠較好地指示強(qiáng)對流發(fā)生的時間、位置和強(qiáng)度[4]；閃電頻次躍變能夠?qū)Ρ⒑统墕误w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)對流天氣過程的模擬和預(yù)報效果[7]。閃電探測技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來得到快速發(fā)展，目前已實現(xiàn)對放電過程進(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[8]。TC閃電活動的地基探測系統(tǒng)主要包括：1)低頻-甚低頻區(qū)域閃電定位網(wǎng)，如美國國家閃電探測網(wǎng)(NLDN)[9]、美國長距離閃電探測網(wǎng)(LLDN)[10]、Los Alamos閃電定位陣列(LASA)[11]，我國氣象部門(ADTD)[12]和電力部門(LLS)[13]閃電定位網(wǎng)。區(qū)域閃電定位網(wǎng)的探測效率和定位精度較高，但由于受到觀測范圍的限制，因此主要用于近海和登陸TC的閃電活動監(jiān)測。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TC整個生命史(特別是海上)過程的閃電活動[17]，在TC閃電時空分布及其與氣旋強(qiáng)度變化關(guān)系的認(rèn)識方面發(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，以地閃探測為主且探測效率較低，因此限制了對TC閃電活動的全面深入理解。3)甚高頻閃電定位系統(tǒng)，如美國閃電圖示系統(tǒng)LMA。該系統(tǒng)采用輻射源定位技術(shù)實現(xiàn)總閃探測并給出精確的三維閃電定位信息。由于系統(tǒng)150 km以外探測效率顯著下降，因此在TC閃電探測的使用中受到限制。目前，GRIFFIN et al.[18]和LOGAN[19]已使用甚高頻地基閃電定位系統(tǒng)開展了TC閃電研究。利用LMA結(jié)合雙偏振雷達(dá)觀測，對登陸后再次增強(qiáng)的熱帶風(fēng)暴閃電三維發(fā)展結(jié)構(gòu)進(jìn)行了獨特分析。

衛(wèi)星是全球(陸地和海洋)TC閃電和對流活動的有效觀測平臺。利用熱帶測雨衛(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閃電活動的總體分布，揭示了不同海域閃電活動的特征差異，并得到了與以往地基閃電觀測系統(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)星閃電成像儀開啟了全球閃電監(jiān)測的新時代。2016年發(fā)射升空的美國GOES-R GLM[21]和我國首顆衛(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能力。新一代靜止衛(wèi)星閃電成像儀可以對觀測區(qū)域內(nèi)包括云閃、云間閃、云地閃在內(nèi)的全閃電活動進(jìn)行探測，能夠?qū)崿F(xiàn)對TC發(fā)生、發(fā)展和消亡過程中閃電活動的連續(xù)、長時間和大范圍實時監(jiān)測，將為TC強(qiáng)對流和閃電活動的監(jiān)測和預(yù)警提供重要信息。

1 TC閃電活動分布特征

由于對流活動較弱、過冷水較為缺乏，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。BLACK and HALLETT[23]最早在颶風(fēng)“Diana”(1984)中觀測到頻繁的閃電活動。VENNE et al.[24]、LYONS et al.[25]也注意到颶風(fēng)中存在一定閃電活動，并指出閃電集中發(fā)生在眼壁和外雨帶。我國有關(guān)TC閃電的研究先于國外學(xué)者。早在1960—1975年，中央氣象局曾組織遠(yuǎn)程測站網(wǎng)開展天電探測業(yè)務(wù)，利用天電資料研究臺風(fēng)的移動[26]。此后隨著閃電探測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的觀測證實TC中存在閃電活動，并指出閃電活動與TC對流有關(guān)。

TC閃電活動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，但閃電頻次低于外雨帶；內(nèi)雨帶閃電活動很少；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]。我國登陸臺風(fēng)的閃電活動同樣呈現(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深對流區(qū)[37]。盡管眼壁閃電活動弱于外雨帶，但其能夠為TC發(fā)展演變提供重要信息。近期研究[15,38]表明，成熟臺風(fēng)眼壁閃電存在一種獨特的環(huán)狀分布形態(tài)，稱為EEL(enveloped eyewall lightning)。利用EEL可以實時估算臺風(fēng)的中心位置、移動速度、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)合臺風(fēng)警報中心(Joint Typhoon Warning Center, JTWC)的平均誤差僅為17 km，從而為傳統(tǒng)臺風(fēng)監(jiān)測提供了一種新工具[38]。

圖1 熱帶氣旋閃電活動的三圈分布特性(a.不同強(qiáng)度等級(熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(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個登陸廣東的熱帶氣旋，閃電資料來自廣東電力閃電定位系統(tǒng)；b.超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”(2008)快速增強(qiáng)過程中閃電活動和MTSAT衛(wèi)星觀測云頂亮溫(TBB)的疊加，藍(lán)色區(qū)域表示W(wǎng)WLLN探測的閃電，三個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生命史中閃電活動的時序演變一般分為三個階段：①TC增強(qiáng)階段，閃電活動開始增多。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，外雨帶閃電活動會再次增強(qiáng)，對應(yīng)著眼壁閃電頻次的低值時段。此后隨著氣旋的減弱，TC閃電活動逐漸停止。利用WWLLN對全球颶風(fēng)的統(tǒng)計[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)閃電活動和臺風(fēng)強(qiáng)度變化存在一定關(guān)系，最大閃電頻數(shù)超前臺風(fēng)最大風(fēng)速25～49 h[40-44]?；陂W電活動對氣旋的指示作用，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。

2 眼壁閃電爆發(fā)

2.1 眼壁閃電爆發(fā)對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、活動異?；钴S的現(xiàn)象，即眼壁閃電爆發(fā)[10,47-49]。圖2給出了臺風(fēng)“百合”(2001)登陸過程中，閃電定位網(wǎng)探測到的眼壁閃電活動，發(fā)現(xiàn)在路徑轉(zhuǎn)向、快速增強(qiáng)和登陸三個過程中，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[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)過程中NBE放電高度增加，呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)，揭示了眼壁強(qiáng)對流單體的時空演變[2]。對2005—2017年西北太平洋230個臺風(fēng)的統(tǒng)計[35]發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)快速增強(qiáng)時閃電集中分布在眼壁和內(nèi)核區(qū)域，且具有軸對稱分布特性。對于我國登陸臺風(fēng)，ZHANG et al.[13]通過定義眼壁閃電爆發(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)速時序變化圖，b.臺風(fēng)最佳路徑圖；①—⑥為判別方法識別的眼壁閃電爆發(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、相對于垂直風(fēng)切變的分布及其配置關(guān)系，能夠為TC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，以探討眼壁閃電活動與TC強(qiáng)度變化的關(guān)系。對大西洋颶風(fēng)的統(tǒng)計[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，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))，并且切變越強(qiáng)，眼壁對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]。對超強(qiáng)臺風(fēng)“海燕”(2013)的觀測[49,54]發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)快速增強(qiáng)時，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?；趯Υ笪餮蠛蜄|太平洋的10 a統(tǒng)計結(jié)果，STEVENSON et al.[55]提出眼壁閃電爆發(fā)能夠為預(yù)報員判斷未來24 h氣旋是否增強(qiáng)提供重要信息。

2.2 眼壁閃電活動對TC移動路徑的指示

眼壁閃電活動對TC路徑變化同樣具有指示作用。我國早期研究[26]發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)有向其外圍強(qiáng)閃電區(qū)移動的趨勢，閃電位置及其發(fā)展趨勢對臺風(fēng)移向具有診斷作用，一定的特征閃電可以幫助確定臺風(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。對我國登陸臺風(fēng)的統(tǒng)計[13]發(fā)現(xiàn)，大約10%的眼壁閃電爆發(fā)與臺風(fēng)轉(zhuǎn)向有關(guān)。在超強(qiáng)臺風(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)對流不對稱有關(guān)[49]。在方位分布方面，對大西洋颶風(fēng)的觀測[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，右前象限閃電活動明顯增多。而西北太平洋臺風(fēng)與之不同，移速較慢(v<3 m·s-1)的臺風(fēng)其閃電主要發(fā)生在移動方向的后側(cè)。對于移速較快(v>6 m·s-1)的臺風(fēng)，內(nèi)核閃電主要發(fā)生在移動方向的前側(cè)，而外雨帶閃電發(fā)生在移動方向的右后象限[36]。

盡管如此，一些研究[20,32,57]指出外雨帶閃電同樣能夠為氣旋演變提供較好的指示作用。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，外雨帶以地閃活動為主[18]，內(nèi)核可能具有更大的云閃比例。GLM對颶風(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)的輻射能以及更長的持續(xù)時間。

3 外雨帶閃電活動與雨帶對流結(jié)構(gòu)

TC閃電活動主要發(fā)生在外雨帶，TRMM衛(wèi)星觀測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)外雨帶閃電活動與對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)生在外雨帶對流區(qū)的右側(cè)，對應(yīng)最強(qiáng)的雷達(dá)反射率和降雨區(qū)[56]，有時與外雨帶中超級單體的產(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與混合相態(tài)區(qū)30 dBZ回波體積的變化相一致，由此推測外雨帶具有充足的過冷水[62]。我國臺風(fēng)登陸過程中，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]。西北太平洋臺風(fēng)閃電的氣候?qū)W統(tǒng)計[34]也表明，外雨帶閃電密度最大值出現(xiàn)在臺風(fēng)南側(cè)500～600 km徑向范圍處。閃電活動成簇地發(fā)生在外雨帶低亮溫和高反射率的深對流區(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)度對外雨帶閃電分布具有明顯影響[63]。利用引入起電放電過程的WRF中尺度數(shù)值模式對臺風(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)下存在一個由雹粒子組成的正電荷區(qū)。臺風(fēng)登陸后衰亡階段的對流表現(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)臺風(fēng)“山竹”(2018)登陸期間，F(xiàn)Y-4A LMI觀測的外雨帶閃電活動(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)觀測時刻為2018年9月16日22時(世界時)，閃電疊加時段為衛(wèi)星時刻±30 min、雷達(dá)時刻±5 min，◇表示臺風(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]

外雨帶閃電活動與雨帶對流結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于同時受到渦旋動力和外部環(huán)境的約束，外雨帶顯示出獨特的對流結(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、下沉運動；對流單體趨于在雨帶的上風(fēng)向形成和發(fā)展，往下風(fēng)向移動并逐漸消散[65-66]。閃電活動的演變和雨帶的發(fā)展具有一致性。外雨帶混合相態(tài)區(qū)反射率增強(qiáng)時，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流特征并提供動力和微物理過程相關(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)外雨帶閃電開展的研究仍然較少，對其電過程的認(rèn)識還非常有限。

4 動力-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差異的原因是什么？一些學(xué)者從對流結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了解釋。飛機(jī)觀測發(fā)現(xiàn)，TC大部分區(qū)域被層云和弱對流降水控制，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，混合相態(tài)區(qū)才能同時產(chǎn)生霰粒子和過冷液態(tài)水，從而產(chǎn)生閃電活動[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，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。

眼壁的對流結(jié)構(gòu)類似于弱電化的海洋季風(fēng)深對流，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相對螺旋雨帶較弱。只有在對流發(fā)展較強(qiáng)時，眼壁才會產(chǎn)生較強(qiáng)的閃電活動[28]。內(nèi)雨帶具有中尺度對流系統(tǒng)拖曳層云的結(jié)構(gòu)，由于雷達(dá)圖中常觀測到亮帶，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[9]。外雨帶結(jié)構(gòu)類似于亞熱帶季風(fēng)間歇期的大陸深對流，由于具有較強(qiáng)的上升和下沉氣流，閃電頻次相對較高[28]。外雨帶受到環(huán)境氣流的影響，具有強(qiáng)烈的對流不穩(wěn)定，造成0 ℃層以上液態(tài)水、霰和冰粒子同時出現(xiàn)，因此容易產(chǎn)生電荷分離和閃電活動。我國登陸臺風(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中云微物理過程(特別是混合相態(tài)區(qū)冰相物粒子)對起電過程和電荷結(jié)構(gòu)的形成具有重要影響[70]。衛(wèi)星觀測表明，眼壁區(qū)域云頂相對光滑，表明眼壁對流較弱；而外雨帶云頂則顯示出高度活躍的對流性。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)展成為較高的對流云[71]。

一些學(xué)者從動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，眼壁的混合相態(tài)區(qū)相對淺薄，暖區(qū)中雨滴通過碰并增長，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)中冰粒子凇附增長過程不強(qiáng)，因此起電較弱[68]。當(dāng)上升氣流增強(qiáng)時，混合相態(tài)區(qū)高度和過冷水含量增大，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)生活躍閃電的三個動力-微物理條件，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、霰和過冷水的同時出現(xiàn)。SQUIRES and BUSINGER[10]同樣指出眼壁閃電爆發(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)。這種垂直結(jié)構(gòu)減小了帶電粒子的水平向外擴(kuò)散，使眼壁能夠長時間地維持一個強(qiáng)電場，從而產(chǎn)生較大的閃電密度。此后隨著時間的增長，過冷水含量逐漸減弱，導(dǎo)致電荷分離速度迅速下降，從而限制了起電過程，導(dǎo)致爆發(fā)后眼壁閃電活動的減弱[50]。數(shù)值模式結(jié)果顯示，TC增強(qiáng)過程與眼壁對流爆發(fā)有關(guān)[72]，當(dāng)眼壁中有“熱塔”存在時，TC增強(qiáng)的機(jī)會大大增加[73]。因此可以通過眼壁閃電爆發(fā)的時空特征變化，反映眼區(qū)中小尺度強(qiáng)對流以及“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

閃電探測與雷達(dá)、衛(wèi)星等多種探測手段相結(jié)合的綜合觀測，已為揭示陸地天氣系統(tǒng)的對流活動規(guī)律提供了重要觀測資料。盡管如此，目前閃電資料在TC監(jiān)測和預(yù)警中尚未完全發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，究其原因主要存在以下兩個制約因素。第一，閃電活動與TC對流結(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)對流結(jié)構(gòu)的獨特性和復(fù)雜性，以往基于陸地雷暴系統(tǒng)建立的閃電-對流關(guān)系不能直接應(yīng)用于TC中。因此需要重新認(rèn)識TC環(huán)流背景下，閃電活動與對流特征在分布、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，以及閃電活動與TC對流生消、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云微物理過程對電過程的作用機(jī)制是否與陸地雷暴存在差異尚不明確。TC閃電活動具有較大的差異性，盡管已有研究證實了閃電活動與TC中小尺度對流的發(fā)展密切相關(guān)，但閃電活動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。需要通過研究云微物理過程如何作用于電過程并影響其分布特征，進(jìn)而研究如何利用閃電活動來指示TC云微物理過程及其對流活動的變化。

近些年，隨著我國閃電探測技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的地基三維全閃探測網(wǎng)正在持續(xù)建設(shè)。新的閃電探測系統(tǒng)已實現(xiàn)放電過程的三維定位，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信息。我國首顆衛(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閃電觀測提供了重要技術(shù)手段。三維閃電探測數(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)時間、輻射能等更多屬性特征。未來地基和空基相結(jié)合的綜合閃電探測，有望建立一個更加明確、具有代表性的閃電活動-TC強(qiáng)度變化的關(guān)系模型。

我國大力發(fā)展的地基雙偏振雷達(dá)探測技術(shù)為登陸臺風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了良好的觀測手段。閃電探測與雷達(dá)探測手段的結(jié)合，為臺風(fēng)觀測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)可以開展綜合觀測研究，針對登陸臺風(fēng)的強(qiáng)對流過程，嘗試從以下兩個科學(xué)問題出發(fā)進(jìn)行探索：1)臺風(fēng)環(huán)流背景下，閃電和對流活動的對應(yīng)關(guān)系和演變規(guī)律是什么？如何利用閃電活動特征指示臺風(fēng)獨特的對流結(jié)構(gòu)及其演變過程？2)臺風(fēng)閃電活動的云微物理作用機(jī)制與陸地雷暴是否存在差異，云微物理過程如何作用于電過程并影響臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和特征的改變？針對以上問題開展的系統(tǒng)性研究，不僅能夠加深臺風(fēng)對流結(jié)構(gòu)和閃電活動的規(guī)律性認(rèn)識，同時有助于推進(jìn)閃電觀測資料在臺風(fēng)中小尺度強(qiáng)對流監(jiān)測、預(yù)警和資料同化中的應(yīng)用。