1 引言
中尺度对流系统（MCS， Mesoscale Convective System）是中纬度地区最为典型的天气过程， 其尺度通常在几十公里到几百公里， 持续时间在几个小时， 甚至十几个小时； 从降水结构特征来说， 由对流区、 过渡区和层云区组成。MCS中的闪电大多数发生在对流区中， 少部分发生于层云区（5.6%）（冯桂力等， 2007； Peterson and Liu， 2011）； 但发生在层云区的闪电往往具有较大的空间尺度和较强的电流（Lang et al， 2004）， 意味着更大的影响范围和更强的致灾性。另外， 近年来诸多学者研究表明影响空间飞行器安全的中高层大气瞬态发光事件所对应的母体闪电大部分来自于MCS层云区（王志超等， 2015； 杨静等， 2018； 孔祥贞等， 2021）。这使得需要对层云区域的闪电活动、 电荷结构及机制开展更为深入的研究。
随着探测技术的发展， 地基遥感测量具备了闪电三维定位能力， 进而可以反演雷暴云内的电荷结构（李亚珺等， 2012； 武智君等， 2016； López et al， 2019）。Carey et al（2005）发现飑线内的闪电辐射源呈现双层的结构分布， 且从对流区向层状区倾斜； 根据闪电辐射源定位资料推测层云区正电荷主要集中在4.5， 6和9 km， 分别对应2， -11和-31 ℃。然而， 地基遥感手段仅能反演雷暴云内参与放电的区域， 加上层云区闪电发生频次少， 使得电荷结构地基反演结果比较简化、 不全面。为了获得层云区域更为详细真实的电荷分布， 必需借助于雷暴云内电场的原位探测。
已有的雷暴电场探空表明实际雷暴云电荷结构远比经典的偶极或三极性模型复杂， 不同地区、 不同雷暴、 甚至同一雷暴不同位置或发展阶段的电荷结构也不尽相同（Stolzenburg et al， 1998a， 1998b， 1998c； Macgorman et al， 2008； Marshall et al， 2009； 赵中阔等， 2009； 郄秀书等， 2013）。单就MCS层云区域而言， Stolzenburg et al（1994b）通过5次电场探空给出了层云区域具有代表性的电荷结构， 底部为负电荷层， 往上依次改变极性， 整体呈5个电荷区分布。但随着探空数据的积累， 研究发现层云区域内的电荷结构并不总是类似的， 个例差异明显： 有的电荷分布非常复杂， 包含5个及更多数量的电荷区； 而有的雷暴则电荷分布比较简单， 通常为4个电荷区（Marshall and Rust， 1993； Mo et al， 2003； Stolzenburg and Marshall， 2008）。国内探空技术起步较晚， 主要是在我国高原地区利用强电场探空仪开展穿云观测（赵中阔等， 2008）， 已有报道中探空对象均为小尺度的局地雷暴（赵中阔等， 2009； Zhang et al， 2015， 2018）。由于层云区域电荷结构自身的复杂性和探空观测的困难性， 目前对层云区域电荷结构的形成机制认识尚不明确， 还需要我们继续开展探空观测进行研究。
华北平原地区经常发生空间尺度大、 持续时间久的中尺度对流系统（张雅乐和俞小鼎， 2021）。之前学者基于有限的闪电辐射源三维定位资料对该地区的雷暴云电荷结构开展了个例研究（郑栋等， 2010； 李亚珺等， 2012； 刘冬霞等， 2013； Zhang et al， 2016）。但目前为止， 仅有基于最新研制的三维电场探空仪， 获取的少数电场探空个例（张鸿波等， 2021）。该地区中尺度对流系统层云区域， 其真实的电荷分布是怎样的？各电荷层的厚度、 电荷量及对应高度如何？这些问题均需要探测获取高质量的云内电场探空资料予以揭示。本文基于2016年8月19日获取的一次中尺度对流系统层云区域的电场、 气象要素综合探空资料， 结合地面大气电场、 闪电定位、 雷达回波等， 对其云内电场和电荷结构分布特征进行研究， 以期对该地区MCS层云区域的电荷结构有进一步的认识和理解。
2 电场探空仪及外场观测实验
双金属三维电场探空仪可以同时获得雷暴云内电场的三维分量， 且探测误差相对较小。其工作原理是在外界静电场作用下， 两个对称放置的圆形铝球分别带有等量、 异号的感应电荷。考虑到大气电场的变化比较缓慢， 铝球表面的感应电荷保持不变， 而没有电流通过放大电路来测量获得大气电场； 实验中采用旋转传感器（双铝球）的方式来周期性改变其感应电荷量， 进而实现对大气电场的测量。
双金属球电场探空仪的构成如图1（b）所示， 铝球内部包含有电场测量电路、 A/D转换模块、 姿态测量模块、 音频模块、 通讯模块和供电部分等， 所有模块通过单片机连接， 可独立进行数据测量， 并逐秒实时回传至地面。地面接收单元与电场探空仪配套开发， 用于数据接收和音频解码、 以及数据存储和处理分析。探空电场数据采样率为32 Hz， 三维姿态采样率16 Hz。在直流电机［图1（a）］作用下， 探空仪在垂直平面内旋转； 同时云内流场作用于探空仪两端的菱形泡沫上产生旋转的力矩， 使探空仪同时也在水平面旋转（姿态由姿态测量仪记录）。电场探空仪（悬挂于最低端）与常规气象探空仪、 降落伞、 探空气球等共同构成雷暴电场-气象要素综合探空系统。其中， 常规气象探空仪用于测量探空路径上的温度、 相对湿度等， 并提供探空系统所处的经纬度、 高度和时间信息。
电场探空仪的电压输出信号与大气电场在两球球心连线方向的分量呈线性关系（Davis， 1964）。基于探空电场和姿态测量数据， 利用自主发展的数据解析算法可获得大气电场的三维分量。进一步结合气象探空仪同步资料得出云内垂直电场廓线（EZ）（Stolzenburg et al， 1998c； 张鸿波等， 2021）。最后， 利用高斯定理的一维近似（公式1） ， 计算出雷暴云内电荷层电荷密度分布特征， 即：
式中： ρ为电荷密度； z为高度； ε=8.85×10-12 F·m-1， 为大气介电常数。Stolzenburg et al（1994a）证明了高斯定理一维近似计算方法的合理性。上述计算中剔除厚度较小（∆z<200 m）或电荷密度很小（|ρ|<0.1 nC·m-3）或|ρ∆z|<50 nC·m-2的电荷层（Stolzenburg et al， 1998c）； 但如果部分电荷层不满足上述阈值， 而其确实可能为真实的电荷层时， 则用对应颜色但无边框的矩形标注。本文所用的探空仪输出信号与大气电场的转换系数采用理论计算值、 而非标定结果； 但外场观测中与同步地面大气电场仪数据等对比说明了探空资料的可靠性（张鸿波等， 2021）； 而且即便探空电场的强度存在小幅度的偏差， 也不影响本文对电场极性和云内电荷结构的分析结果。文中电场极性采用物理学定义， 即向上的电场极性为正。
雷暴电场综合观测实验于山东省沾化地区展开， 距离山东人工引雷实验基地（架设有多种先进闪电观测设备）1.5 km。探空实验站点布设有大气电场仪和地面自动气象站， 测量元素包括近地面的大气电场、 温度、 相对湿度、 气压、 雨量、 风速和风向。山东省滨州市S波段天气雷达提供了雷暴的时空位置以及发展演变信息， 为探空系统释放提供重要的参考依据。本文所使用的雷电定位数据来自于国家电网闪电定位系统和全球闪电定位网（World Wide Lightning Location Network， WWLLN）。针对每次可能当顶的雷暴均提前进行实验准备和仪器地面测试； 然而， 由于雷暴发展的不确定性、 以及雷暴环境的复杂性和恶劣性， 释放探空系统并成功获取数据具有很大的难度。接下来， 主要对2016年8月19日成功获取的一次中尺度对流系统层云区域的探空结果进行分析。
3 雷暴及闪电活动特征分析
3.1 雷暴活动特征
2016年8月19日山东沾化发生了一次大尺度的线状中尺度对流系统， 持续时间约19 h。该雷暴始发于探空站点的西北侧， 自西北向东南方向移动， 并逐渐到达测站上空。在成熟阶段， MCS西侧的强回波区呈西南-东北向线状排列［最大值≥55 dBZ， 图2a］， 而东侧有多处回波强度≤35 dBZ的弱对流中心。随着雷暴的发展， 04:00（北京时， 下同）带状回波的前端（东南侧， 以带状方向为参考）对流减弱， 而后端（西北侧）对流增强， 中间出现了反射率因子小于35 dBZ的弱回波区域， MCS的宽度明显增大， 其中西北侧的雷暴边缘回波逐渐变弱。之后雷暴继续向东南方向移动和发展， 回波面积进一步扩大。09:00之后雷暴减弱， 强回波面积也开始变小； 12:00雷暴基本消散。其中， 03:30雷暴前端运动至探空测站上方， 07:50雷暴完全移开测站。
经过前期准备和地面仪器测试， 04:30成功释放探空系统（图2）， 获取到雷暴云内大气电场、 气象要素综合探空数据。图2中的黑色曲线为探空系统飞行轨迹的水平投影， 红色短线对应当前雷达时刻探空系统所处的位置。从图2中可以看出， 探空系统的运动轨迹与雷暴运动方向基本一致， 整体向东偏南方向移动。在上升和下降阶段， 探空系统始终处于MCS层云区域内（图2、 3）。部分探空数据因断电缺测， 其中上升阶段有效数据时间段为04:30 -05:21， 对应高度0~11 km［图3（a）~（c）， 图4（a）黑线标示的窗口］， 而下降阶段仅获取到4.6~9 km之间的部分数据， 对应时间为05:52 -06:24［图3（d）~（f）， 4（a）灰线标示的窗口］。整个探空期间， 该雷暴一直处于发展成熟阶段。图3给出了探空上升、 下降阶段不同时刻、 沿探空轨迹（图2黑色直线AB）的雷达剖面图。从图3中可以看出， 上升阶段， MCS层云区域的最大回波顶高约13 km， 与其附近较强回波（≥40 dB）的最小距离为23 km， 间距随时间逐渐增大但变化很小， 近似认为探空系统与雷暴相对静止， 探空所测可以大致代表层云区域的“垂直廓线”。下降阶段， 层云区域的云顶高度略有下降， 约为11 km； 探空系统与周围较强回波的距离基本保持不变， 同样近似认为“垂直廓线”。
3.2 地面电场和闪电活动特征
图4（a）为山东人工引雷主观测点记录的地面大气电场数据。从图4（a）中可以看出， 03:00地面电场出现弱的变化。随着雷暴的进一步靠近， 地面大气电场逐渐增大， 最大为+1.7 kV·m-1， 叠加的脉冲信号由闪电产生。相比该站点记录的其它当顶强雷暴（>5 kV·m-1）而言， 地面电场强度偏弱， 这与其处于MCS层云区域有关。从图4（b）可以看出， 该MCS中发生的闪电频数呈明显的单峰分布， 最大频数出现在06:00左右。在探空前期及探空阶段（04:30 -06:30）， 闪电频数逐渐增大； 但几乎所有的闪电都发生在MCS西南侧的强回波区。然而， 如图4（b）图所示， 由以不同统计时刻探空系统所处的位置为中心、 一定范围（30 km、 50 km）内的闪电发生频次分析发现， 在探空系统50 km范围内只有很少的闪电发生， 且随时间变化呈减小趋势。较弱的雷达回波和地面电场、 探空系统附近稀少的闪电活动， 共同反映了探空系统所处的MCS层云区域对流活动弱， 云内起放电过程也较弱。但雷暴云内电场和电荷分布具体是怎样的， 还需要借助于探空系统穿云观测得知。
3.3 雷暴云内气象要素探空结果
气象探空仪所记录的大气温度、 相对湿度以及探空系统的垂直、 水平运动速度如图5所示。从图5中可以看出， 上升阶段的探空数据表明， 近地面的温度（T）为28 ℃， 随高度增大近似呈线性变化， 每公里下降5.8 ℃。雷暴云的电荷结构通常与一定的温度层结有关， 本次MCS层云区域中0 ℃、 -10 ℃、 -20 ℃所处的高度分别为6.0 km、 7.5 km、 9.5 km。相对湿度（RH）随高度先增大后减小， 其中5.5~7.0 km处的相对湿度近100%； 由于探空前期一直下雨的原因， 低空处的相对湿度比较大， 最小也有90%（近地面）。探空系统的运动轨迹和速度主要受雷暴云内流场的影响， 其垂直运动速度在2.8~5.7 m·s-1之间变化（10%和90%百分位点对应值）， 随高度增大而略微增大， 高于8.7 km之后垂直运动速度则缓慢减小， 整体平均速度为4.1 m·s-1。图5（d）、 （e）给出了探空系统的水平运动速度和风向， 与其运动轨迹相对应， 水平风向由东北方向逐渐转变为东南方向； 水平速度随高度增大而逐渐增大， 最大高度11.5 km处的水平速度高达23 m·s-1， 这也是探空系统自西向东运动很大距离的原因。如图5中灰色曲线所示， 探空下降阶段的温度、 相对湿度以及探空系统的垂直、 水平运动速度和风向与上升阶段基本相同。其中， 0 ℃和 -10 ℃温度层所处高度分别为5.8 km和7.5 km； 相对湿度略有降低； 水平运动速度依然很大， 最大值为17 m·s-1。但是上升、 下降阶段的探空电场结果相差较大， 下面将对其分别展开分析和对比讨论。
4 MCS层云区域探空电场及电荷结构
4.1 探空系统上升阶段数据分析
基于自主发展的数据解析算法， 结合探空电场和探空仪三维姿态数据， 获得上升阶段探空垂直电场随高度的变化曲线［图6（a）］。近地面至3 km处， 空中电场为正值， 最大约为+24 kV·m-1； 3~9 km之间电场均为负值， 电场变化范围为-38~-8 kV·m-1， 中间存在变化； 之后电场再次转变为正值， 9.5 km处达最大值约+28 kV·m-1； 再往上电场逐渐变小， 并趋于平稳。
图6 探空上升阶段的垂直电场、 温湿和上升运动速度随高度变化曲线（a， 灰色短实线表示不同雷达时刻探空系统所处的高度）； 基于高斯定理一维近似计算的雷暴层云区域内电荷分布（b， 灰正黑负）Fig.6 |
利用高斯定理的一维近似（公式1） ， 计算得出雷暴云内电荷密度的垂直分布特征［图6（b）］。从图6（b）中可以看出， 本次探空结果呈现复杂多层电荷结构， 正、 负电荷区交替分布。0 ℃层附近及其上方共有6个电荷区， 4.9~5.5 km范围为一个弱正极性电荷区， 电荷密度+0.06 nC·m-3； 5.5~5.9 km范围为一个负电荷区， 电荷密度为-0.39 nC·m-3。7.1~7.4 km之间为一个正电荷区， 密度约+0.24 nC·m-3。紧邻上方为一个厚度约780 m的负电荷层， 密度约为-0.25 nC·m-3， 对应的温度范围为 -14~-10 ℃。在8.2~9.5 km范围内为一个强正电荷区， 密度约为+0.46 nC·m-3， 对应温度-20~ -14 ℃。9.5~10.2 km范围内为一个负电荷区， 密度约-0.20 nC·m-3。另外， 在近地面至2.4 km处， 有一个弱正电荷区， 密度约为+0.05 nC·m-3； 其上方为一个厚约600 m的负电荷区， 电荷密度为 -0.41 nC·m-3。
依据电荷区之间的相对强弱和空间分布关系， 8.2~9.5 km之间的正电荷区被视为该区域内的主正电荷区， 7.4~8.2 km之间的负电荷区为主负电荷区。结合雷达数据［图3（a）~（c）］可知此时层云区域的云顶高度约为13 km， 最上方的电荷层可能为雷暴云顶附近的负极性屏蔽层。雷暴云内的6个电荷层， 其总体（净）电荷量为+0.22 nC·m-2。结合北京城市气象研究院睿图临近数值预报子系统（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Nowcasting， RMAPS-NOW， 数据时空分辨率分别为10 min和3 km）提供的雷暴云内三维流场推测， 这可能是因为有部分正电荷由强对流区平流输送过来导致（Carey et al， 2005； Detwiler and Kennedy， 2020）。局地起电机制对于0 ℃附近的电荷区可能也有贡献（Wang et al， 2018）。而雷暴云下方的两个正、 负电荷区， 除了高空荷电粒子被下沉气流作用降低所致， 也有可能是由近地面的电晕粒子形成（Qie et al， 1994）。
4.2 探空系统下降阶段数据分析
图7 探空下降阶段的垂直电场、 温湿、 下降运动速度随高度变化曲线（a）； 基于高斯定理一维近似计算的雷暴层云区域内电荷分布（b， 灰正黑负）Fig.7 |
利用高斯定理的一维近似， 计算出雷暴云内电荷密度的垂直分布特征［图7（b）］可以发现， MCS层云区域内仍存在多个电荷区， 正、 负极性相互交替。4.2~6.1 km之间为一个正电荷区（按照电场廓线变化趋势， 其下方一段高度范围内仍为正电荷区）， 电荷密度为+0.31 nC·m-3。其上方为一个厚度250 m的负电荷区， 密度约-0.2 nC·m-3。6.4~6.9 km之间为一个正电荷区， 密度为+0.12 nC·m-3。从6.9 km往上至8.6 km（按照变化趋势， 该电荷区的上边界应该更高）为负电荷区， 电荷密度约 -0.24 nC·m-3。
探空系统上升、 下降阶段时间间隔约为1 h。上升、 下降阶段的常规气象要素分布基本相同（图5）。但对比上升、 下降阶段的电荷结构分布［图6（b）， 图7（b）］可以看出， 下降阶段的电荷分布与上升阶段分布具有类似性， 但电荷层厚度和电荷密度以及所处高度均存在差异。对比同步天气雷达数据推断， 引起二者差异的原因可能跟探空系统所处雷暴的位置、 雷暴云的发展状态以及云内的动力、 微物理场变化有关， 比如下降阶段探空轨迹上的回波强度要略大一些（图3）， 且其与周围较强回波区域（≥40 dB）的距离更近， 最小距离由上升阶段的22.7 km减小为16 km， 探空周围的较强对流活动可能对该层云区域内的电荷分布影响有所不同。基于天气雷达径向速度和睿图系统（RMAPS-NOW）提供的三维风场信息可以获知， 探空系统附近的垂直风场在7~9 km之间有一定的下沉速度， 这可导致雷暴云内原有的电荷层高度被降低。
5 结论与讨论
基于双金属球电场探空仪获取的电场以及气象要素探空数据， 结合地面大气电场、 天气雷达、 闪电定位等综合观测资料， 本文对2016年8月19日一次中尺度对流系统层云区域内的探空电场和电荷结构分布进行了研究。探空系统上升和下降阶段均穿越了该MCS层云区域进行探测， 雷暴正处于成熟阶段。数据分析发现， 该MCS层云区域呈复杂的多层电荷分布。上升阶段的完整探空数据表明， 雷暴云内存在6个正、 负极性交替的电荷区， 主正电荷区的高度范围为8.2~9.5 km， 密度为+0.46 nC·m-3， 对应温度-20~-14 ℃； 主负电荷区高度范围为7.4~8.2 km， 密度约为-0.25 nC·m-3， 对应的温度范围为-14~-10 ℃； 紧靠下方为一个薄正电荷区； 最上方为负极性屏蔽电荷层； 0 ℃层附近有一对正、 负极性电荷区。另外， 在云下方存在一对正、 负电荷区。探空下降阶段得到的电荷结构分布与上升阶段大致对应， 但电荷层厚度和电荷密度以及所处高度均有所变化。
由于中尺度对流系统层云区域自身的起电过程、 对流区域荷电粒子的平流输送、 以及复杂的流场等多因素作用， 导致层云区域的电荷结构很是复杂。本文对同一个雷暴间隔1 h的探空结果不尽相同也再次证实其复杂性。这需要继续开展雷暴电场探空观测实验， 积累大样本量的探空资料来开展对比研究； 同时， 也将结合同步地基闪电定位反演（Ma et al， 2021）、 数值模式（孙凌等， 2018； 王梦旖等， 2019）或多普勒双偏振雷达观测反演的云内微物理、 动力场等综合数据， 以进一步研究和揭示中尺度对流系统层云区域的复杂电荷结构及其形成机制。