《Atmospheric Research》：Influence of sea surface temperature in the southern Indian and Atlantic Oceans on austral summer rainfall in southern Tanzania
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本研究利用多源观测数据（Himawari-8卫星、多普勒雷达、闪电定位网络）分析内蒙古冰雹天气过程，揭示云顶微物理参数（有效半径、垂直运动速度）、动力过程（急速上升气流）与闪电活动（总闪流率）的协同演化机制，发现急速上升气流导致云顶冰晶有效半径骤减（40μm→20μm），同时闪电总闪流率激增，两者均与冰雹形成存在30-40分钟超前关联，为灾害性天气预警提供新判据。
李强|施洪荣|谢雨瑞|姜 Rubin|王朝阳|滕玉鹏|贾硕|文建伟|傅迪松|杨杰凡|范学华|张金强|甄晓琼|刘梦琪|赫斯·勒图|陈洪斌|夏向奥
中国成都信息科技大学电子工程学院
摘要
控制产生冰雹的深层对流云（DCCs）生命周期的动态和微观物理过程仍然知之甚少，这限制了恶劣天气的预测。在这里，我们利用多源观测数据（包括Himawari-8卫星数据、多普勒雷达和闪电测绘网络）分析了发生在内蒙古的一次严重冰雹暴。我们的分析揭示了云顶微观物理特性、云顶运动学和电活动的紧密耦合演化。一个关键发现是，在云顶有效半径迅速缩小的过程中（从约40微米缩小到约20微米），总闪电频率也出现了激增。快速的上升气流可能会缩短颗粒的停留时间，从而限制颗粒的生长，同时加速混合相碰撞和非感应充电，从而促进闪电跳跃活动。重要的是，这些上升气流速度和闪电活动的突然变化分别比地表降冰和降雨峰值提前了大约30-40分钟和2小时。本研究提供了定量证据，表明卫星、雷达和闪电观测的整合可以阐明导致严重对流天气的微观物理路径，并为改进现在预报提供了宝贵的时间提前量。
引言
深层对流云（DCCs）在地球系统的能量和水分垂直传输中起着核心作用，是极端天气事件的主要驱动因素（Xu等人，2026年；Zang等人，2023年）。冰雹是强烈对流的最具破坏性的结果之一，它源于由强上升气流维持的复杂微观物理过程（Liu等人，2023年；Yin等人，2019年）。其形成和强度也与闪电活动密切相关，闪电频率的突然增加通常预示着强烈的对流和即将发生的冰雹生成（Chen等人，2020年；Schultz等人，2017年）。然而，解析DCCs在其整个生命周期中的耦合动态、微观物理和电学演化仍然是提高恶劣天气监测和现在预报的关键科学挑战（Li等人，2024年；Qie等人，2021年）。从动态角度来看，深层对流云的发展和组织受到环境条件的强烈调节，特别是垂直风切变。Chen等人（2015年）表明，不同垂直层次的风切变在控制对流组织和上升气流结构中起着关键作用。强烈的低层风切变通过冷池-切变相互作用有利于形成有组织的大规模对流系统，而增强的中层切变则促进旋转上升气流和超级单体结构。这些动态组织的DCCs为水成物在混合相区域的长时间停留提供了有利条件，从而增强了冰雹生长的潜力（Liu等人，2020年）。
天气雷达系统，包括多普勒雷达和双极化雷达，被广泛用于检测产生冰雹的深层对流云（Abhijeet等人，2025年）。雷达观测揭示了冰雹形成与上升气流演化之间的紧密联系，为风暴动态和冰雹相关微观物理过程的遥感诊断提供了关键见解（Zhen等人，2025a；Zhen等人，2025b）。Heymsfield等人（2013年）使用机载Ka-Ku波段雷达观测了一次严重风暴的主要上升气流区域，报告雷达反射率（Ze）超过70 dBZ，同时伴有强烈的上升气流，其中冰雹在上升过程中经历了持续的湿增长。Pilorz等人（2022年）将ERA5再分析数据的等温层温度与雷达数据的垂直积分液态水（VIL）相结合，发现基于VIL的新冰雹检测方法（等温层温度在-12°C至-25°C之间）可以更准确地识别对流风暴中的大型冰雹事件（直径≥4厘米）。Ma等人（2024年）利用雷达复合反射率因子产品、聚类算法和散射剖面算法分析了强回波区域和反射率梯度等特征，使得在江西上空的超级单体中早期识别出携带冰雹的区域成为可能。Aregger等人（2025年）使用瑞士C波段雷达网络的差分反射率柱（ZDRC）数据，发现ZDRC特征（如最大ZDR、ZDRC高度和体积）可以在冰雹暴发生前10-15分钟提供冰雹预警。
闪电观测进一步揭示了深层对流云中电活动、上升气流强度增强和冰雹发生之间的紧密联系（Chen等人，2020年）。Jurkovi?等人（2015年）统计分析了中欧35个DCCs，发现闪电活动与过顶现象（OT）的发生密切相关，闪电频率在OT事件周围迅速增加，并经常延伸到对流层顶以上。Tian等人（2019年）结合北京闪电网络（BLNET）的总闪电数据和S波段雷达数据，使用2σ闪电跳跃（LJ）算法分析了闪电活动与冰雹之间的关系，发现闪电跳跃通常在降冰前约27.1分钟发生。Liu等人（2020年）进一步报告说，风暴在降冰前可能表现出倒置的三极电荷结构，表明闪电跳跃反映了微观物理和电条件的成熟。先前的研究还表明，对流单元的合并可以通过增强上升气流和促进混合相区域中冰相颗粒的生长和重新分布来增强闪电活动（Lu等人，2021年；Lu等人，2022年）。
在卫星观测方面，地球静止卫星为诊断DCCs中的上升气流并将其与云顶微观物理特性联系起来提供了有价值的代理指标。Senf等人（2015年）使用Meteosat第二代旋转增强可见光和红外成像仪（MSG SEVIRI）数据分析了2012年中欧的9个DCCs，跟踪了云顶温度（CTT）、冷却率和冰晶有效半径，发现较强的上升气流通常对应于较小的云顶冰尺寸，最强的负相关性出现在峰值冷却率后约20分钟——突显了对流动态-微观物理演化的显著时间滞后。Senf和Deneke（2017年）将研究范围扩展到一百多个DCCs，确认了云顶垂直速度（Wtop）在生长阶段与冰有效半径之间的显著负相关性（相关系数约为-0.4），表明强上升气流通过缩短云顶颗粒在有利条件下的停留时间来延迟冰核形成和生长。Coopman等人（2020年）使用2004年至2015年欧洲796个DCCs的MSG SEVIRI观测数据，显示DCCs的平均冰化温度为-21.6°C，对于较大的云滴，这一温度降低到-11°C。主成分分析进一步揭示，在云顶高度（CTH）之后，滴径是影响冰化温度的最重要因素。
除了动态控制之外，最近的观测证据表明，云微观物理与周围环境之间的反馈可以进一步增强深层对流。Zang等人（2023年）使用卫星观测结合机器学习技术表明，深层对流云中的微观物理过程可以改变环境湿度和不稳定性，从而增强上升气流强度和对流寿命。这种正反馈机制有助于维持强烈的DCC发展，并为严重对流风暴中冰相水成物的生长提供有利的热力学和动态背景。
上述研究表明，上升气流、云顶微观物理特性和闪电活动之间存在紧密耦合，受到环境动态控制和云-环境内部反馈的调节。然而，大多数研究依赖于单一数据源或仅结合两个数据源进行分析，尚未建立一个综合的诊断框架，将云顶微观物理、云动力学、电活动和地表响应联系起来。缺乏综合的多源分析阻碍了对产生冰雹的DCCs复杂演化的全面理解。
因此，本研究解决了以下科学问题：云顶微观物理演化、风暴动力学和闪电活动在产生冰雹的深层对流云的生命周期中是如何共同演化的，以及哪些综合多源特征对于冰雹现在预报最有效？为了解决这个问题，我们整合了地球静止卫星反演数据、多普勒雷达观测和闪电定位数据，并应用了云跟踪和基于阶段的分析方法，为产生冰雹的DCCs建立了一个连贯的多源诊断框架。这种综合方法为产生冰雹的云的演化和形成过程提供了更清晰的见解，并为改进冰雹预报和早期预警能力提供了科学基础。
本文的其余部分组织如下：第2节描述了数据和方法，第3节展示了多源观测结果，第4节总结了结论并讨论了未来展望。
部分摘录
天气背景
2020年7月30日07:30 UTC（当地时间15:30），中国内蒙古的白旗地区（114.938°E，42.195°N）经历了强降水和强风以及冰雹，冰雹事件是根据地面观测报告的。图1显示了07:00 UTC时的天气状况。在降雹区域上游的500 hPa层存在一个明确的环流，受冰雹影响的区域位于槽轴前方。这种配置有利于强烈的上升气流多源观测对产生冰雹的DCCs演化的洞察
图2展示了2020年7月30日内蒙古草原上产生冰雹的DCC的演化过程，基于Himawari-8 AHI、多普勒天气雷达、GPM/IMERG和地面闪电定位数据。图2e中显示的区域仅由一个多普勒天气雷达监测，该雷达距离产生冰雹的云相当远，导致对整个对流系统的覆盖不足。为了匹配图2(a-d)的纬度-经度范围，可检测到的回波区域结论
本研究整合了多源卫星、雷达、闪电和降水观测数据，并应用了基于TOBAC的对象跟踪方法，研究了产生冰雹的DCC生命周期中动态、微观物理和电过程的耦合演化。
DCC的生命周期可以根据CTT、CTT率、CTER、Wtop、闪电频率和PR的协调变化分为降冰前、快速发展和降冰后三个阶段。快速发展阶段主要由
CRediT作者贡献声明
李强：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析。施洪荣：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，方法论，调查，资金获取，概念化。谢雨瑞：撰写——审阅与编辑，监督，调查，正式分析。姜Rubin：撰写——审阅与编辑，项目管理，方法论，数据管理，概念化。王朝阳：可视化，利益冲突声明
施洪荣报告得到了国家自然科学基金的支持。施洪荣报告得到了中国科学院战略性重点研究计划的支持。杨杰凡报告得到了中国气象局中央区域天气改进建设项目的支持。文建伟报告得到了中央区域天气改进建设项目的支持致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42275091；42205147）、中国科学院战略性重点研究计划（项目编号：XDB0760402）、中国气象局中央区域天气改进建设项目，丹江口水库流域的天气改进建设研究实验（项目编号：ZQC H22255）以及关键研发与成果转化计划的支持
