闪电是自然界常见的天气现象，最初，人们赋予其神话性质，解释了闪电起始源于神仙、法器。两百多年前，Benjamin Franklin证明了云内“lightning”和“electrical discharge”是物理同源，并测得了云电荷极性。随后学界一直试图寻找云内为什么会起电的物理机制。从20世纪初期开始，自由离子捕获机制、对流起电机制、感应起电机制和非感应起电机制等起电理论相继被提出并在学界内进行了激烈讨论。截至目前，大量实验室研究和外场观测试验研究表明在一定的温度和过冷却水存在的环境中，由霰和冰晶粒子发生的碰撞回弹过程会导致霰和冰晶粒子带不同极性电荷，这种非感应起电机制是现在学界内最为认可的云内起电机制（图1）。霰粒子的存在也被认为是云内闪电起始的关键信号。然而，对流云内霰粒子的存在往往表现为云内闪电起始的必要非充分条件，这是为什么？是否与霰的量级（影响有限空间内非感应起电机制中的碰撞效率）或凇附程度（关联潜热的释放，从云内热动力角度影响起电效率）有关？这二者是否可以被量化讨论？

近日，我校赵川鸿副教授联合复旦大学、中国气象科学研究院、中国气象局广州热带海洋气象研究所等单位，基于华南地区暖季双偏振雷达和三维闪电观测，从偏振雷达视角对比量化了雷暴云和不产生闪电的对流云内与霰相关的冰微物理，特别是通过可表征加权轴比变化的差分反射率（Z_DR）揭示了雷暴云从初生至闪电起始对应的霰粒子形状变化，并与Li et al.（2018）在芬兰观测到的冷底云内霰粒子凇附效率变化进行对比，讨论了霰粒子的凇附程度（图2）。统计给出了云内特殊的“Z_DR柱”信号是暖季霰粒子形成机制（“coalescence–freezing”）的证据，并根据三维闪电特殊的通道描绘能力，给出了云内首次闪电击穿事件的环境特征。

研究结果表明：雷暴初次闪电发生时，云内霰体积与无闪电对流云内霰体积在－10°C层达到最大差值（7.6 km³）（图3），此时霰粒子趋近球形，平均Z_DR值为0.3 dB，表征了较严重凇附；98.2%的雷暴云内形成了平均深度~2.5 km的Z_DR柱，意味着毫米量级的过冷却雨滴和较强的上升气流，支持了“coalescence–freezing”生成霰的物理机制；初次闪电击穿事件对应的Z_H（Z_DR）中值为31 dBZ（0 dB）。这些结果将为雷暴电学的深入研究提供基础，同时为闪电数值模式参数化提供思路。

该项研究成果发表在《Atmospheric Chemistry and Physics》期刊上，研究论文题目为“On the ice microphysics of isolated thunderstorms and non-thunderstorms in southern China – a radar polarimetric perspective”。

论文信息：

Zhao, C., Zhang, Y., Zheng, D., Li, H., Du, S., Peng, X., Liu, X., Zhao, P., Zheng, J., and Shi, J.: On the ice microphysics of isolated thunderstorms and non-thunderstorms in southern China – a radar polarimetric perspective, Atmos. Chem. Phys., 24, 11637–11651, https://doi.org/10.5194/acp-24-11637-2024, 2024.

图1.非感应起电机制图解（引自Saunders, 2008）

图2.对流云初期至闪电起始过程中霰粒子的水平反射率（Z_H）和差分反射率（Z_DR）变化，（a）、（b）、（c）表示云发展不同阶段，各个散点表示每个孤立的雷暴（橙色）或非雷暴（蓝色）单体云内霰对应的平均Z_H和Z_DR，蓝色和黄色阴影分别表示Li et al. (2018)中轻度凇附和中/重度凇附；（d）为云发展阶段中雷暴云与非雷暴云样本的平均变化趋势，阴影为95%置信度

图3.孤立雷暴单体初期至闪电起始生命期内融化层上方霰体积垂直分布（橙色条形图，取样本平均值）与孤立非雷暴单体初期至最强回波生命期内融化层上方霰体积垂直分布（蓝色条形图，取样本平均值）对比，数值文本对应被统计样本（存在霰粒子）占总样本的比例，散点表示单个样本在每层高度上（0.5km至20 km高度，每500 m为一个高度层结）总的霰体积（灰色对应雷暴云，黑色对应非雷暴云）