《Atmospheric Research》：Revealing the lifecycle evolution of hail-producing deep convective clouds by synergy of multi-source data
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冰雹云的微物理演变与闪电活动协同作用机制研究：基于内蒙古冰雹事件的多源观测分析发现，云顶有效半径在快速上升气流作用下从40μm骤降至20μm，同步伴随总闪电率激增，揭示粒子碰撞与感应电离的耦合效应，闪电跳变提前30-40分钟预示冰雹形成，雷达与卫星数据融合可提前2小时预警。
强李|施红荣|谢雨瑞|姜如彬|王朝阳|滕玉鹏|贾硕|文建伟|傅迪松|杨洁凡|范学华|张金强|甄晓琼|刘梦琪|何思乐图|陈洪斌|夏向傲
中国成都信息科技大学电子工程学院
摘要
控制产生冰雹的深厚对流云（DCCs）生命周期的动态和微观物理过程仍不甚明了，这限制了严重天气的预测。本文利用多源观测数据（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场强冰雹风暴。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：当云顶有效半径迅速减小（从约40微米减小到约20微米）时，总闪电频率会急剧增加。快速上升气流可能会缩短颗粒的停留时间，从而限制颗粒生长，同时加速混合相碰撞和非感应充电过程，进而促进闪电活动。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、雷达和闪电观测数据的整合可以阐明导致严重对流天气的微观物理路径，并为改进临近预报提供了宝贵的时间提前量。
引言
深厚对流云（DCCs）在地球系统的能量和水分垂直输送中起着核心作用，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，其形成源于强烈的上升气流所维持的复杂微观物理过程（Liu等人，2023年；Yin等人，2019年）。冰雹的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改进严重天气监测和临近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，深厚对流云的发展和组织受到环境条件的强烈影响，特别是垂直风切变。Chen等人（2015年）证明，不同垂直层次的风切变在控制对流组织和上升气流结构方面起着关键作用。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且持续上升气流的对流系统，而增强的中层风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，被广泛用于探测产生冰雹的深厚对流云（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，为风暴动力学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波段雷达观测了一场强风暴的主要上升气流区域，发现雷达反射率（Ze）超过70 dBZ，并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润生长。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，从而能够在江西上空的超级单体中早期识别出携带冰雹的区域。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）可以在冰雹风暴发生前10-15分钟提供冰雹预警。
闪电观测进一步揭示了深厚对流云中电活动、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）对中欧地区的35个DCCs进行了统计分析，发现闪电活动与超越顶（OT）现象密切相关，闪电频率在OT事件附近迅速增加，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，发现闪电跳跃通常发生在降冰前约27.1分钟。Liu等人（2020年）进一步报告说，风暴在降冰前可能表现出倒三角电荷结构，表明闪电跳跃反映了微观物理和电学条件的成熟。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中的上升气流及其与云顶微观物理特性的关联提供了宝贵的信息。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年中欧地区的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较小的云顶冰尺寸，最强的负相关出现在冷却率峰值后的约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）将超过一百个DCCs的数据进行了分析，确认了云顶垂直速度（Wtop）在生长阶段与冰有效半径之间存在显著的负相关（相关系数约为-0.4），表明强烈的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化和生长。Coopman等人（2020年）使用2004年至2015年间欧洲796个DCCs的MSG SEVIRI观测数据，发现DCCs的平均冰冻温度为-21.6°C，对于较大的云滴，这一温度降至-11°C。主成分分析进一步显示，在云顶高度（CTH）之后，滴粒大小是影响冰冻温度的最重要因素。
除了动态控制外，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厚对流。Zang等人（2023年）利用卫星观测数据结合机器学习技术表明，深厚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，受环境动态控制和云-环境内部反馈的调节。然而，大多数研究仅依赖单一数据源或结合两种数据源进行分析，尚未建立一个全面的诊断框架来联系云顶微观物理、云动力学、电活动和地表响应。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，本研究探讨了以下科学问题：云顶微观物理演化、风暴动力学和闪电活动如何在产生冰雹的深厚对流云的生命周期中共同演化，以及哪些综合多源特征对冰雹临近预报最有效？为了解决这个问题，我们整合了地球静止卫星反演数据、多普勒雷达观测数据和闪电位置数据，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节描述数据和方法，第3节展示多源观测结果，第4节总结结论并讨论未来展望。
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层次上存在一个明确的环流系统，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基于Himawari-8 AHI、多普勒天气雷达、GPM/IMERG和地面闪电位置数据，展示了2020年7月30日内蒙古草原上一个产生冰雹的DCC的演化过程。图2e所示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较远，导致对整个对流系统的覆盖不足。为了匹配图2(a–d)的经纬度范围，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TOBAC基于的对象跟踪方法，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。
根据CTT、CTT率、CTER、Wtop、闪电频率和PR的协调变化，DCC的生命周期可以分为降冰前、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
强李：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析。施红荣：撰写——审稿与编辑、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——审稿与编辑、监督、调查、正式分析。姜如彬：撰写——审稿与编辑、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
施红荣报告获得了国家自然科学基金的支持。施红荣还获得了中国科学院战略性重点研究计划的支持。杨洁凡获得了中国气象局中央区域天气改造能力建设项目的支持。文建伟获得了中央区域天气改造项目的支持致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42275091；42205147）、中国科学院战略性重点研究计划（资助编号：XDB0760402）、中国气象局中央区域天气改造能力建设项目、丹江口水库集水区的天气改造研究实验（资助编号：ZQC H22255）以及关键研发与成果转化计划的支持
