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程，中和了云下部正電荷區(qū)的正電荷，放電過程只有連續(xù)電流，沒有回?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，放電過程由連續(xù)電流和回?fù)暨^程組成，電流峰值和中和電荷量較大，是經(jīng)典型放電過程。自2006年開始，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，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程，云內(nèi)對(duì)流、粒子的類型及分布和同地區(qū)典型雷暴過程之間存在差異，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，局地性很強(qiáng)，沒有明顯的天氣尺度背景前兆信號(hào)[17]。

此次過程發(fā)生在弱的天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫條件下，無明顯低空急流、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程。00時(shí)，單體在花都區(qū)中部偏東區(qū)域開始生成，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“列車效應(yīng)”（即不斷有對(duì)流單體經(jīng)過同一點(diǎn)），最大反射率因子仍超過55 dBZ，6分鐘內(nèi)雨強(qiáng)已經(jīng)超過了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50 mm的區(qū)域增大（圖略）。此時(shí)“列車效應(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55 dBZ?；夭ㄒ苿?dòng)緩慢加上“列車效應(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65 dBZ，其頂高達(dá)到-30℃溫度層。與雹暴過程相比，此次暴雨過程的最大回波強(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，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，說明此區(qū)域雨滴的尺寸較大。同地區(qū)颮線過程[16]中的雨滴比含水量最大值（11.02 g/kg）比此次暴雨過程的大，但此次暴雨過程由于回波少移動(dòng)，造成局地降水多，而颮線過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)的兩次雹暴過程[25-26]（后面分別簡(jiǎn)稱蘭州雹暴過程和那曲雹暴過程）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冷水滴的碰凍，進(jìn)而減弱了向霰的轉(zhuǎn)化過程，因此，此次暴雨過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，說明云水含量中心的凇附過程最強(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)通過凇附過程長(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。廣東颮線過程的霰和冰雹的比含水量比蘭州雹暴和那曲雹暴過程的還要大，說明廣東颮線的對(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程中基本都融化蒸發(fā)了，地面無固態(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)一步說明在此次暴雨過程中兩者含量很少，不足以形成較強(qiáng)回波。

此外，從圖6也可見，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)著一定的過冷云滴，有利于凇附過程，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)流過程相比，此次特大暴雨過程的對(duì)流較弱，云雨滴主要通過碰并增長(zhǎng)，向0℃層以上輸送的過冷水較少，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，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，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，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，對(duì)流區(qū)上部-15℃層以上，霰主要是和雪花通過非感應(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。這是由于颮線過程對(duì)流強(qiáng)于此次以暖云降水為主的暴雨過程，其云中上部大小冰相粒子更多而導(dǎo)致的。

云滴通過與霰粒的感應(yīng)碰撞分離而帶上電荷。結(jié)合圖6和圖8a可見，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程中都會(huì)融化成雨，此外帶負(fù)電荷的云滴也會(huì)通過碰并或自動(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]通過分析此次暴雨過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，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，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。暴雨過程云頂高度比典型對(duì)流過程的低，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)流過程比暴雨過程各電荷區(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)的暴雨過程(a)與典型對(duì)流過程(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）此次特大暴雨過程的對(duì)流較弱，云頂高度低于同地區(qū)典型對(duì)流過程。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冷水滴的碰凍，因此，此次暴雨過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。