基于电场及水成物粒子探空系统对热带地区雷暴云的观测研究

The self-designed balloon-borne sounding instruments on measuring electric (E) field and hydrometeors in thunderstorm is planned to be utilized in this project to study the thunderstorms in the tropical region of Hainan province. The signals of vertical E field, hydrometeors, charge and polarity on particles, vertical airflow velocity, temperature, humidity and GPS information will be transmitted from sounding to the ground-based automatic tracking system. On the basic of observation, the vertical Ｅfield can be used to study the charge structure of thunderstorms and the vertical distribution of hydrometeors also can be obtained. The contribution of those charged particles in each charge region will be analyzed with their volume charge density. In order to analyze the forming mechanisms of charge region and discuss those potential dominant charging mechanisms, the relationship between the charge structure, hydrometeors and vertical airflow velocity will be studied in detail. The study results are valuable to further reveal the electrical structures of thunderstorm in tropical region, and the impact of updraft and downdraft on the forming mechanisms of charge regions also can well be understand.

本项目拟利用“雷暴云内电场及荷电水成物粒子摄像探空仪”系统，采用球载的方式对海南岛地区的雷暴进行穿云观测。获取云内探空路径上的垂直电场、水成物粒子图像、粒子电荷、垂直气流速度、温度、湿度和GPS信息。对雷暴云的电场及电荷结构进行分析，总结水成物粒子的垂直分布特征及各电荷区之间粒子特征的异同；研究带电水成物粒子的体积电荷密度对各电荷区的贡献，分析垂直气流速度与电荷结构及粒子分布之间的关系，探讨电荷区形成机理及云内潜在的优势起电机制。研究结果将能够进一步揭示热带地区雷暴云内的电荷结构特征，同时有助于深入理解垂直气流（包括上升气流和下沉气流）在电荷区形成中所起的作用。

目前，关于雷暴云内电荷结构的研究主要集中于中纬度地区，对热带地区雷暴云内电荷结构的研究仍然十分有限。另外，电荷结构特征与云内的微物理场以及热动力过程之间的关系较为紧密，而相应的观测研究仍然十分欠缺，从而在很大程度上制约了对起电机制以及电荷区形成机理的理解和认知。本项目采用球载的方式对海南岛地区的雷暴进行穿云观测，获取云内探空路径上的垂直电场、水成物粒子图像信息。对雷暴云的电场及电荷结构进行分析，总结水成物粒子的垂直分布特征及各电荷区之间粒子特征的异同，探讨电荷区形成机理及云内潜在的优势起电机制。项目在执行期间，于2018-2021年夏季在海南文昌开展了对流云的电场探空的野外观测，共释放探空气球30多次，获取到10次对流云内垂直电场的观测资料，其中，观测所涉及的天气类型不仅有常规夏季雷暴，也有中尺度飑线系统，更获取到1次台风过程登陆期间的台风眼壁区内的垂直电场和台风外围弱对流云云内的电场廓线，这对了解和认知热带地区对流天气过程的电荷结构起到了重要的数据支撑。首先，初步分析发现，有些雷暴云在成熟阶段呈三极性电荷结构特征，也有个别雷暴具有反极性电荷结构特征，而雷暴消散阶段的电荷结构较为复杂且具有连续变化的趋势；对一次飑线过程的观测证实了对流云体测边界上屏蔽电荷层的存在，那么意味着对流云外围可能都存在屏蔽电荷层；台风眼壁区内的电荷结构呈三极性特征且电荷区强度较大，这与基于对流云起电机制对台风模拟结构类似，但该台风闪电活动远低于常规雷暴云。同时，项目也对比分析了北方地区雷暴过程的电荷结构，二者确实存在一定的差异。其次，在项目执行期间，通过不断的改进，不仅提高了现有探空系统的稳定性，而且通过对设备参数的合理设计，实现了图像数据远距离的稳定传输，可以达到15—20km，这为进一步开展云内微物理特征的探空观测提供了技术保证。