地球上每秒大约有2000多个雷暴在发生，并伴随着大量闪电。长期以来，雷电灾害带来了严重的人员伤亡和经济损失，并且，随着经济发展和社会财富的增长，雷电灾害造成的损失越来越大。闪电是雷暴活动的产物，闪电活动与雷暴云中水成物、对流和微物理过程等关系的研究，几十年来备受中外学术界的关注(Winn et al，1974; Hondl et al，1994; Stolzenburg et al，1998; 郄秀书等，2003；何文英等，2006；黄延刚等，2007)。

闪电与降水的关系密切，每个闪电能够产生多少降水是一个衡量闪电与降水关系的参数，许多学者对对流系统单个闪电能够产生降水的区域性差异进行了大量的研究(Battan，1965; Maier et al，1978; Buechler et al，1990; Williams et al，1992; Tapia et al，1998; Soula et al，2001; Takayabu，2006)，但研究结果相差很大，如在陆地上的单个闪电能够产生的降水可以从小于1×10⁷ kg/fl到90×10⁷ kg/fl，而在海洋上的单个闪电能够产生的降水最大可达到3000×10⁷ kg/fl。单个闪电能够产生多少降水主要归因于对流系统、雷暴活动自身的复杂性以及降水量和闪电同步观测技术的限制。近年来，因探测手段的进步，这方面的研究亦有所进步，如周筠珺等(1999)利用3站闪电定位系统的地闪资料与雷达、探空及降水等资料，发现在甘肃地区的地闪数与对流性天气中的降水量存在较好的相关；赵丽娟等(2009)利用雷州半岛常规地面气象观测资料和闪电定位资料，分析了闪电活动与24 h降水量及雨强的关系，结果表明24 h降水量大于30 mm的事件大多发生在伴随闪电活动的情况下。由于地基同步观测降水量与闪电还存在一定的困难，利用热带测雨卫星(TRMM)搭载仪器探测结果来研究诸如此类问题，将为我们另辟蹊径。

TRMM于1997年11月27日升空，是一颗极轨卫星，轨道倾角约为35°，飞行高度为350 km(2001年8月7日升轨后为400 km)，搭载了测雨雷达(PR)、微波成像仪、可见光和红外扫描仪、云和地球辐射能量系统及闪电成像传感器(Lightning Imaging Sensor，LIS)。近年来TRMM搭载仪器的探测结果已被广泛用来研究热带和副热带地区(35°S—35°N)的降雨特征与闪电活动(Liu et al，2001；Fu et al，2001，2003a，2003b，2006，2007；傅云飞等，2003，2005，2007，2008；郑媛媛等，2004；马明等，2004；何文英等，2006；冯桂力等，2007；刘奇等，2007；Xu et al，2009；刘鹏等，2010)。郑媛媛等(2004)对淮河一次锋面气旋系统的对流降水和层云降水廓线的研究发现，闪电强度越大，5 km以上的雨强越大，而近地面雨强却不大，并推断闪电强度主要与降水云中上部的冰相粒子浓度有关，而与地表附近的雨强关系不大。何文英等(2006)通过对一次冰雹降水过程降水廓线的研究，也指出冰雹云降水阶段在6—12 km高度上的雨强非常大，说明中高层中有高的固态降水粒子浓度；而在暴雨云降水阶段和消散阶段，中高层的雨强很小。冯桂力等(2007)利用地面雷电探测网探测的地闪资料，并结合TRMM卫星探测资料，分析了10次雹暴过程的降水结构及其与闪电活动的关系，指出总闪电主要出现在强回波区及其周围，并由此借用闪电与对流降水的相关性来识别对流降水区。Xu等(2009)利用TRMM 探测资料对梅雨前、梅雨期以及梅雨后的雷暴云参数、降水与闪电频数的关系进行了研究，结果表明在温度为-5—-15℃的高度上，闪电频数与雷达回波大于35 dBz区存在密切的关系。袁铁等(2010)利用TRMM探测资料对中国华南的一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构的关系进行了研究，结果表明大多数闪电发生在低亮温区域，总闪电频数和冰相降水含量存在密切而稳定的关系。然而，我们尚缺乏对闪电频数、雷暴类型与降水廓线关系的认识。

本文将利用TRMM的PR和LIS的逐轨探测结果，通过资料匹配的方法，将雷暴活动与降水廓线结合在一起，分析2006年6月29日发生在黄淮地区的一次强对流过程的不同类型雷暴单体的降水廓线，并分析不同雷暴单体闪电频数的降水廓线特点，为统计研究不同雷暴类型、闪电频数与降水廓线的关系奠定基础。 2 资料与方法

使用的TRMM PR标准资料(2A25)由美国航空航天局(NASA)的戈达德飞行中心(GSFC)提供。LIS闪电资料来自美国的全球水文资源中心(GHRC)。2A25给出的是逐条轨道上的雨强(mm/h)，根据TRMM 降水算法，2A25还提供了降水类型的信息，降水分为对流降水、层状云降水和其他类型降水。LIS闪电资料包括闪电定位(经度和纬度)、辐射能量及轨道信息等，其中，闪电定位包含事件，即成像器单个感应点探测到的瞬变光脉冲；组，即在相邻CCD 像素点上，观测到的2 ms内闪电事件的集合，视为单个放电过程，近似对应于地闪的回击或云闪的反冲流光；闪电，即为观测到的时间不超过330 ms，空间不超过5.5 km的放电脉冲组的集合，一般视为一次物理意义上的闪电；雷暴单体(Area)，即为空间不超过16.5 km的闪电的集合，有一个或多个闪电。

由于文中使用的2A25和LIS资料空间分辨率不同(时间可认为准同步)，为方便资料分析，就必须对资料进行匹配处理。为了得到雷暴单体相应的平均降水廓线，则以雷暴单体位置为中心，0.1°为半径(相当于10 km，雷暴单体是空间不超过16.5 km闪电的集合)，求得该圆面积上诸多2A25廓线的平均廓线，近似作为雷暴单体的降水廓线(图 1)。

图 1 雷暴单体(黑点)、对流降水像素(红点)和层云降水像素(蓝点)位置分布Fig. 1 Locations of thunderstorm cells(black circle)，as well as pixels of convective(red dot) and stratiform precipitation(blue dot)

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所研究的强对流过程发生于2006年6月29日06—08时(北京时，下同)苏皖北部，图 2是6月28日14时至29日每隔6 h的500 hPa位势高度等值线分布和850 hPa相应时次风场。由图 2可见，此次过程由500 hPa低压槽东移、850 hPa西南暖湿气流共同作用引起，实况表明强对流约在6月29日凌晨达到最强，而TRMM在6月29日06时37分(轨道号为49112)正好过境，捕捉了此次过程的部分信息，此时该系统正处于成熟期，对流活动和闪电活动都十分强烈。

图 2 850 hPa风场(箭矢)和500 hPa位势高度(等值线，gpm)(a、b分别为6月28日14和20时，c、d分别为6月29日02和08时)Fig. 2 Wind field at 850 hPa(arrow) and geopotential height field at 500 hPa(contour，gpm)(at 14:00 BT(a) and 20:00 BT(b)28 June 2006 and 02:00 BT(c) and 08:00 BT(d)29 June 2006)

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图 3给出了2006年6月29日02时的条件性稳定度指数I_Condi、沙氏指数SI及700和200 hPa散度的分布。从图 3可以看到，在49112轨道经过黄淮地区(白色方框)4 h前，I_Condi的值为-10—-20，属于条件性不稳定状态，而沙氏指数的值为-3—0℃，预示有雷暴发生的可能性。大气低层和高层的散度场也表明黄淮地区大气低层气流辐合、高层辐散的特点，这些都为强对流发生提供了充要条件。

图 3 2006年6月29日02时的(a)条件性稳定度指数(填色)与700 hPa散度(等值线，单位：10-5s-1)和(b)沙氏指数(填色)与200 hPa散度(等值线，单位：10-5s-1)Fig. 3(a)Conditional Stability Index(shaded) and divergence at 700 hPa(contour，unit:10-5s-1)as well as(b)Showalter Index(shaded) and divergence at 200 hPa(contour，unit:10-5s-1)at 02:00 BT 29 June 2006

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为了进一步了解本次强对流活动过程发生前的大气不稳定性，分析了南京探空站2006年6月28日20时的温度对数压力图的大气温湿度廓线(图略)。强对流活动发生前大气存在较大的对流有效位能(1568.6 J/kg)，在700 hPa以下温度露点差小，说明强对流发生前这一地区有中低云存在；在600 hPa以上，温度露点差迅速增大，即大气上部较干；而在850 hPa以下，大气中存在很薄的稳定层结，这些都是强对流发生的前提条件。 3.2 雷暴单体与降水廓线

TRMM PR在这次强对流过程中有一次探测，6月29日06时37分PR探测的2 km高度上的雨强分布以及雨强垂直剖面见图 4，其中降水剖面位置如图 4a中所示。从图 4a中可以看到该强对流存在两个强降水中心，最大雨强超过100 mm/h；两个强对流降水中心宽度约为25 km，长约为150 km，在其周围分布有大量的弱降水区，整个降水系统雨强分布十分不均匀。从沿AB和CD降水剖面图看，两个强对流降水中心的最大雨顶高度可达15 km，大部分对流降水的雨顶高度在10 km左右；雨强垂直分布剖面图还表明大部分高雨强均出现在6 km以下，强降水中心如柱或塔状分布，而柱或塔周围被层云降水所包围(可以看到5 km附近的冻结层亮带)。

图 4 PR测得的2 km高度雨强分布(a)及垂直剖面(b、c、d、e、f)Fig. 4 Rain rate distribution at the altitude of 2 km(a) and the vertical cross sections of the rain rate(b，c，d，e and f)detected by the PR

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另外，还统计了强对流系统2 km高度处对流降水与层云降水强度的概率密度分布，结果表明80%以上的层云雨强小于5 mm/h；而80%以上的对流雨强在5—35 mm/h。统计结果表明对流降水像素数量(1052个)仅为层云降水像素数量(2105个)的一半，而对流降水的平均雨强(17.21 mm/h)是层云降水的平均雨强(2.93 mm/h)的近6倍，故对流降水对总降水量的贡献远大于层云降水的贡献，前者是后者的近3倍。

为了解强对流系统中降水类型分布及降水廓线特点与雷暴活动、闪电活动的关系，图 5a给出了PR探测对流降水与层云降水的像素及LIS探测的闪电位置分布，从图 5a可看出大部分闪电位于对流降水区，只有小部分的闪电位于层云降水区。统计还表明整个强对流系统存在约40个雷暴单体(图 5b绿色圆点)，这些雷暴单体也多位于对流降水区附近。

图 5 PR探测的对流降水与层云降水的像素分布及LIS探测的闪电位置(a)和雷暴单体位置(b)Fig. 5 Locations of convective/stratiform precipitation pixels and flash(a)，and the areas(b)detected by the PR and the LIS

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这些雷暴单体具有怎样的降水廓线呢？图 6给出3个雷暴单体位置及相应的平均降水廓线，其中，雷暴单体A内全为对流降水，雷暴单体B内则全为层云降水，而雷暴单体C为对流与层云混合降水，为此可以定义对流降水雷暴单体、层云降水雷暴单体和混合降水雷暴单体。表 1表明对流降水雷暴单体A内有22个闪电，而层云降水雷暴单体B和混合降水雷暴单体C内分别仅有1和2个闪电，故单体A的辐射能也最大。平均降水廓线显示单体A 的平均雨顶高度在13 km以上，地表平均雨强为28.43 mm/h；单体B的雨顶平均高度在11 km，平均地面雨强为2.59 mm/h，该平均廓线还表明降水云的冻结层高度约4 km；而单体C的雨顶平均高度也在11 km左右，其内部对流降水的地面平均雨强约9 mm/h，层云降水平均雨强约2 mm/h。

图 6 3个不同类型雷暴单体的降水廓线(a.为对流降水、层云降水与雷暴单体位置，b、c、 d. 雷暴单体A、 B、 C相应的平均降水廓线)Fig. 6 Precipitation profiles for the convective area A，the stratiform area B and the mixed area C.(a)Pixel locations of convective/stratiform precipitation and area A，B and C，and (b)-(d)mean precipitation profiles of convective area A(b)，stratiform area B(c) and mixed area C(d)

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对该强对流系统内雷暴单体的统计表明(表 2)，31个雷暴单体为混合降水单体，其地面平均雨强约13.69 mm/h；对流雷暴单体和层云雷暴单体数量少，分别为3和6个，但对流雷暴单体的地面平均雨强最大，为26.31 mm/h，层云雷暴单体的地面平均雨强最小，为2.28 mm/h。从平均廓线看(见图 7)，对流雷暴单体与层云雷暴单体的雨顶高度相近，在13 km，而混合降水雷暴单体的雨顶高度均在13 km以上，其内对流雨顶高达16 km。

图 7 3种不同类型雷暴单体所对应的降水平均廓线特征(a.混合雷暴单体中的对流与层云降水平均廓线，b.对流雷暴单体和层云雷暴单体的降水平均廓线)Fig. 7 Mean precipitation profiles for the 3 different areas:(a)mixed areas，and (b)convective areas or stratiform areas

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由雷暴和闪电的定义可知，一次雷暴单体可以包括多个闪电，故下文使用的闪电频次指的是单次雷暴单体内的闪电数。由于闪电可视为物理意义上的闪电，为此也统计了闪电频次的概率密度分布。结果表明，这次强对流过程闪电数为1的居多(近35%)，2—5占30%，6—10占22%，大于10占13%。根据闪电频次的大小，对闪电频次为1、2—5、6—10及多于10次相应的降水廓线进行了统计，了解不同雷暴闪电频次对应的降水廓线特点。

图 8给出了不同闪电频次的雷暴单体对应的对流降水和层云降水平均廓线。从图 8可见，对流降水廓线的雨强在4.5 km高度处达到最大，而层云降水廓线的最大雨强位于3.5 km高度处；雷暴中闪电频次越多，降水廓线所指示的雨顶高度越高、地面雨强越大，说明降水廓线的雨顶高度和地面降水强度与雷暴闪电频次成正相关关系。此外，图中还表明当雷暴中闪电频次越多时，5 km以上高度廓线给出的雨强越大(对流降水廓线尤其如此)，说明雷暴中闪电频次越多时，降水云冻结层以上存在的冰相粒子越多。当然，雷暴闪电频次强弱对应的降水廓线气候特征，还有待利用更多数据来进行统计。

图 8 依据闪电频次划分的雷暴单体相应的对流降水廓线(a)和层云降水廓线(b)Fig. 8 Mean precipitation profiles of(a)convective precipitation and (b)stratiform precipitation. The profiles are sorted into four kinds，according to the flash number

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通过资料匹配处理方法，将TRMM PR和LIS的逐轨探测资料进行结合，并配合其他气象资料，分析了一次强对流过程中不同类型雷暴单体降水廓线，并分析了降水廓线与闪电频数的关系，得到以下结论。

(1) 通过常规气象资料的分析表明，发生在2006年6月29日黄淮地区的这次强对流活动由500 hPa低压槽东移、850 hPa西南暖湿气流共同作用引起，散度场表明该地区大气低层气流辐合、高层辐散，当时的条件性稳定度指数、沙氏指数和对流有效位能也都有利于强对流的发生。

(2) 该强对流系统中存在不同类型的雷暴单体，即对流降水、层云降水、对流与层云混合降水组成的3种雷暴单体，其中混合降水雷暴单体出现最多，对流降水雷暴单体和层云降水雷暴单体少；而雷暴单体中的闪电大多发生在对流降水区；强降水多发生在对流降水雷暴单体中，而层云降水雷暴单体的雨强最小。

(3) 不同闪电频数的雷暴单体相应的降水廓线的特征分布表明，当雷暴中闪电频数越大时，5 km以上高度廓线给出的雨强越大(对流降水廓线尤其如此)，说明雷暴单体中闪电越多时，降水云冻结层以上存在的冰相粒子越多。

需要说明的是本文仅针对一次强对流过程做了分析，我们正在利用完整的PR和LIS匹配处理资料，研究全球及不同地区雷暴中闪电频次与降水廓线相互关系的气候特征。

致谢: 感谢美国航空航天局(NASA)的戈达德空间飞行中心(GSFC)为本研究提供了TRMM PR和TMI资料，感谢美国的全球水文资源中心(GHRC)为本研究提供了TRMM LIS资料。