自富蘭克林證明雷暴雲內閃電現象和電的物理同源以來，學界一直試圖尋找雲內為什麽會起電的物理機製。大量實驗室研究和外場觀測試驗研究表明在一定的溫度和過冷卻水存在的環境中，由霰和冰晶粒子發生的碰撞回彈過程會導致霰和冰晶粒子帶不同極性電荷，這種非感應起電機製是目前學界內最為認可的雲內起電機製之一（圖1）🫛😢。霰粒子的存在也被認為是雲內閃電起始的關鍵信號😼🔛。然而，對流雲內霰粒子的存在往往表現為雲內閃電起始的必要非充分條件👨🏻🍼，這是為什麽？是否與霰的量級（影響有限空間內非感應起電機製中的碰撞效率）或凇附程度（關聯潛熱的釋放，從雲內熱動力角度影響起電效率）有關🙅🏼🤜🏼？這二者是否可以被量化討論🥠🩷？
近日，我系張義軍教授團隊基於華南地區暖季雙偏振雷達和三維閃電觀測，從偏振雷達視角對比量化了雷暴雲和不產生閃電的對流雲內與霰相關的冰微物理，特別是通過可表征加權軸比變化的差分反射率（ZDR）揭示了雷暴雲從初生至閃電起始對應的霰粒子形狀變化🦈，並與Li et al.（2018）在芬蘭觀測到的冷底雲內霰粒子凇附效率變化進行對比，討論了霰粒子的凇附程度（圖2）。統計給出了雲內特殊的“ZDR柱”信號為暖季霰粒子的形成機製（“合並-凍結”）的證據🧑🍳👨🏼🎨，並根據三維閃電特殊的通道描繪能力，給出了雲內首次閃電擊穿事件的環境特征🧑🏽💻。
我們的結果表明😁：雷暴初次閃電發生時，雲內霰體積與無閃電對流雲內霰體積在－10°C溫度層達到最大差值（7.6 km3），此時霰粒子趨近球形🥗🧘，平均ZDR值為0.3 dB，表征了嚴重凇附；98.2%的雷暴雲內形成了平均深度~2.5 km的ZDR柱，意味著半徑達毫米量級的過冷卻雨滴和較強的上升氣流👦，支持了“合並-凍結”生成霰的物理機製🤚🏼；雲內初次閃電事件對應的ZH（ZDR）中值為31 dBZ（0 dB）。這些結果為雷暴電學的深入研究提供基礎，同時為閃電數值模式參數化提供思路。
該項研究成果發表在《Atmospheric Chemistry and Physics》期刊上，研究論文題目為“On the ice microphysics of isolated thunderstorms and non-thunderstorms in southern China – a radar polarimetric perspective”🏓。我系博士後趙川鴻為第一作者，張義軍教授為通訊作者👩💻。
論文信息：
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.
圖1. 非感應起電機製圖解（引自Saunders, 2008）
圖2. 對流雲初期至閃電起始過程中霰粒子的水平反射率（ZH）和差分反射率（ZDR）變化👩🏽🎓，（a）👰🏼♂️、（b）、（c）表示雲發展不同階段◽️，各個散點表示每個孤立的雷暴（橙色）或非雷暴（藍色）單體雲內霰對應的平均ZH和ZDR🏌🏽♀️，藍色和黃色陰影分別表示Li et al. (2018)中輕度凇附和中/重度凇附🤵🏻；（d）為雲發展階段中雷暴雲與非雷暴雲樣本的平均變化趨勢👃🏿，陰影為95%置信度。
