1 引言

台风登陆后往往会造成较大的危害，而台风在登陆前后受多种因素影响，其结构、强度和路径会发生异常变化(陈联寿等，2004)，这给台风登陆前后的路径和强度预报都造成困难，因此台风登陆前后的涡旋动力和云物理过程等精细结构的演变一直都受到人们的关注(端义宏等，2014)。

闪电活动特征不仅在台风的形成中有指示的作用(Price et al, 2007)，而且还同台风强度和路径的变化有密切联系(Corbosiero et al, 2002; Price et al, 2009; Pan et al, 2010)。登陆台风中的闪电活动同样有着鲜明的特色，Zhang等(2012)利用地闪定位资料研究了西北太平洋地区33个登陆台风在登陆期间的闪电活动特征，研究表明不同等级的台风闪电活动特征具有一定的差别。风暴登陆后，强台风螺旋雨带中闪电密度的减弱比强风暴要快很多，但是螺旋雨带中的闪电在热带低压和热带风暴中是增加的。风暴登陆后，随着台风强度等级的增加，外部雨带中的闪电活动越来越弱。王艳等(2011)利用TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星观测资料研究了41个登陆中国台风的闪电活动和降水特征，结果显示闪电活动的分布与对流区面积、云顶亮温和降水回波高度在台风不同区域的分布相对应。Zhang等(2013)研究指出台风登陆后外雨带对流中闪电密度快速减少，但是正地闪比率反而增大。

Griffin等(2014)利用偏振雷达和闪电定位资料分析了登陆热带风暴Erin (2007)，风暴在登陆后有一个再加强的阶段，在内陆地区重新形成了眼区。在环流中心附近具有闪电活动的深对流发生在Erin的眼形成之前，最多的闪电活动发生在台风重新加强之前和重新加强过程中。

观测和模拟都认为热带气旋眼壁区的对流一般具有负的偶极性电荷结构(Black et al, 1999; Xu et al, 2014)，在云的中部有一个负电荷区，云的下部有一个正电荷区。这主要是因为大小冰相粒子间碰撞位置的温度偏高，使得较大的霰粒子荷正电而较小的冰晶粒子荷负电。而热带气旋加强阶段眼壁区深对流可以呈现正的三极性电荷结构(Xu et al, 2014)。热带气旋外部螺旋雨带对流具有一般热带对流的性质，电荷结构一般是正的偶极性电荷结构(Fierro et al, 2007)。

虽然人们对台风电荷结构的演变有了一定的认识，也有一些针对登陆台风闪电活动的研究，但是台风登陆前后的电荷结构演变研究还较少。同时对于台风衰亡阶段电荷结构的变化也鲜有研究，Thomas等(2010)研究指出台风衰亡阶段正地闪数目会有所增多，这种闪电活动特征是否对应了特殊的电荷结构的形成？本研究利用中尺度起电放电模式，对比分析登陆台风莫拉菲(2009)在登陆前后以及衰亡阶段电荷结构的演变特征及其形成机制。

2 个例简介和观测资料

莫拉菲是一个闪电活动较强的登陆台风(Zhang et al, 2013)，于2009年7月16日(世界时，下同)在菲律宾以东洋面生成。历经强热带风暴、台风阶段，18日12时达到最大强度：中心最低气压为965 hPa，最大风速为38 m/s，并于18日16时50分在广东深圳登陆，登陆后强度一直减弱，19日12时停止编号。台风的路径、强度和最大风速等资料均来自中国气象局整编的《热带气旋年鉴》，时间分辨率为6 h。

分析主要利用日本地球静止卫星MTSAT (Multi-functional Transport Satellite)观测的水汽资料，云顶亮温资料是由日本高知大学整理的逐时0.1°× 0.1°分辨率的MTSAT卫星观测结果。雷达探测资料利用广州(Z9200)、汕头(Z9754)、海口(Z9898)和南宁(Z9771) 4部S波段多普勒天气雷达的组网结果，组网算法使用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室的雷达组网程序。

观测分析还使用了WWLLN (World Wide Lightning Location Network)的闪电定位资料，WWLLN是一套甚低频的全球闪电定位网(Dowden et al, 2002)，可以探测全球范围内的闪电活动，在西半球探测效率接近10% (Rudlosky et al, 2013)。虽然站网在地球不同区域探测效率不同，但是可以利用该资料分析台风在海上发展时的闪电活动特征，以弥补陆地站网探测范围的不足。

3 模式及设置

模拟研究使用耦合了起电和放电物理过程的WRF-Electric模式(徐良韬等，2012；Xu et al, 2014)，该模式可以模拟风暴系统的闪电活动特征和冰晶、雨、雪、霰、雹、云水等6种水成物粒子的荷电情况。起电过程包含了修正后的Gardiner-Ziegler非感应起电方案(Pereyra et al, 2000; Tan et al, 2014)和感应起电方案(Ziegler et al, 1991)。

模拟的初始场和边界条件由NCEP/NCAR FNL 1°× 1°再分析资料生成，其中在初始场中引入Bogus初始涡旋。模拟采用3层双向嵌套网格，3层网格距分别为18、6和2 km，网格格点数分别为133 × 113、253 × 205和361 × 283，模拟区域选择和地形情况如图 1所示。在垂直方向上，模式层数为43层(σ值分别为1.0、0.996、0.99、0.982、0.972、0.96、0.945、0.925、0.9、0.87、0.84、0.81、0.78、0.75、0.72、0.69、0.66、0.63、0.6、0.57、0.54、0.51、0.48、0.45、0.42、0.39、0.36、0.33、0.3、0.27、0.24、0.21、0.18、0.15、0.12、0.09、0.07、0.05、0.03、0.02、0.01、0.005和0)，具体σ值参考Zhang等(2011)，模式层顶为50 hPa。18 km网格区域中使用Kain-Fritsch积云方案(Kain, 2004)，内部两层网格均不使用积云方案。除积云方案外，3层网格使用相同的物理参数化方案，包括RRTM长波辐射(Mlawer et al, 1997)和Dudhia短波方案(Dudhia, 1989)，YSU (Yonsei University)边界层方案(Hong et al, 2006)，陆面方案使用5层热力扩散方案，微物理方案使用耦合了起电放电物理过程的Milbrandt双参数方案(Milbrandt et al, 2005a, 2005b)。模拟时间为2009年7月18日00时-19日12时(登陆前17小时至台风停止编号)，共模拟36 h，其中内层网格只运行24 h (7月18日06时-19日06时)。3层网格的时间步长分别为60、20和6.66 s，每1 h输出一次结果，具体的模式设置如表 1所示。

4 结果 4.1 观测的台风结构与闪电特征

台风结构分析主要利用卫星和雷达观测资料。从静止卫星Meteosat-7观测的水汽结构分布来看(图略)，台风在菲律宾以东洋面生成后，向西北方向不断移动并逐渐增强，18日11-13时形成了清晰的眼区，可以认为是近海增强的过程。虽然存在近海增强现象，但是强度变化并没有达到近海突变的标准(阎俊岳，1996)。由于台风生成后向西北方向移动过程中一直在增强，因此并不能判断近海的进一步增强以及眼区的形成是否由于接近陆地的影响。图 2为观测的台风登陆前后雷达回波组合反射率演变。从雷达回波图上可以辨别出更为精细的对流结构。18日08-15时都可以看到清晰的眼区(图 2a-c)，该阶段也是台风逐渐增强并达到最大强度的阶段，清晰眼区的形成也正好对应了台风的最大强度。台风登陆前，外部螺旋雨带逐渐形成带状的对流结构并不断增强，在台风登陆初期(18日18时)，外部螺旋雨带有一个略微减弱的趋势，内雨带对流还维持在一定强度，台风眼在登陆后逐步消失(图 2d)。而在登陆后期，外螺旋雨带再次增强，内雨带对流缓慢消散(图 2e)。最终只有团状的雨带云系存在(图 2f)。结合台风强度以及卫星雷达观测的台风结构演变，将台风分为5个阶段：近海增强阶段，达到最大强度后登陆前阶段，登陆初期，登陆后期，衰亡阶段。

图 3为WWLLN闪电资料与卫星观测云顶亮温的叠加，由图中可以看出台风发展过程中闪电活动的演变趋势。在台风近海增强阶段的18日00-12时，闪电主要分布在距台风中心300 km半径的范围内(图 3a、b)，台风眼壁区出现少量闪电活动，特别是台风接近最大强度前的阶段(05-09时)。12时以后闪电较多地发生在外部螺旋雨带形成的对流系统中(图 3c)，台风眼壁区及内雨带的闪电发生数目较少。台风登陆初期，外雨带的闪电活动有所减弱(图 3d)，登陆一段时间后外雨带对流中的闪电活动再次增强(图 3e)，这也对应了外雨带对流的雷达回波强度特征。而在台风衰亡阶段(图 3f)，台风中闪电活动较弱。

4.2 模拟的台风结构与闪电特征

模拟分析使用数据均来自domain 2中的模拟结果。图 4为观测(黑线)与模拟(红线)的台风中心路径和最低气压随时间的演变。在台风的移动路径上(图 4a)，模拟和观测的结果较为一致，登陆前后均向西北方向移动，模拟路径的36 h平均误差为36.7 km (图 4b)。在台风强度上(图 4c)，模拟的最低中心气压为972 hPa，高于观测的台风最低中心气压965 hPa。虽然模拟的台风中心强度同观测有所不同，且模拟的台风强度衰减要慢于观测的结果，但两者的变化趋势一致：在台风登陆前强度不断增强，登陆前5小时(18日12时)达到最大强度，登陆后台风中心强度迅速衰减。

图 5为模拟的雷达回波组合反射率演变。模拟结果显示，随着台风的不断增强，台风在18日12时形成了清晰地眼区(图 5a、b)；台风达到最大强度后的登陆前阶段，眼壁区对流逐渐减弱，外雨带对流不断增强进而形成一条带状的强回波区(图 5c)；台风登陆初期，外螺旋雨带对流逐步减弱(图 5e、f)；在台风登陆后期，模拟的外螺旋雨带对流一直呈现减弱(图 5f、g)，而观测的雷达回波中外雨带对流还有一个增强的过程；台风消亡阶段，台风整体对流活动都很弱，已经失去台风的基本形态(图 5h、i)。综合对比模拟与观测的回波来看，虽然模拟的回波强度要强于观测的结果，且登陆初期模拟的西侧螺旋雨带相比观测偏西，但是模拟的台风形态结构上同观测比较一致，基本再现了台风发展过程的主要特征。

在分析台风电荷结构演变之前，首先关注模拟的闪电活动特征。图 6为模拟的小时闪电密度累积分布。模拟的台风内雨带及眼壁区在18日00-09时有着较多的闪电活动分布(图 6a)，而观测中内雨带闪电也主要发生在这一时段。Zhang等(2013)曾统计莫拉菲台风在生命周期内观测的闪电活动特征，在台风的近海增强阶段，眼壁区闪电集中发生，清晰眼区的逐渐形成，正好对应了眼壁区闪电活动的多发。09时以后，模拟台风在内雨带仍有一定量的闪电活动发生，但是强度有所减弱(图 6b-e)。而观测中台风内雨带在09时以后仅在登陆初期有少量闪电发生，大多数时段几乎没有闪电发生，登陆前的12-17时，内雨带甚至没有观测到闪电。相比于观测来讲，模拟的内雨带闪电活动偏强。衰亡阶段模拟的内雨带闪电活动很少(图 6f)，符合观测的分布。

在台风登陆前，随着台风的不断增强，模拟的外螺旋雨带对流云团中的闪电活动不断增强(图 6a、c)，而在台风登陆后，外雨带中的闪电活动开始减弱(图 6d、e)。外雨带中闪电活动的这种强度变化在观测中也有着同样的体现。但是观测中，外雨带的闪电活动在台风登陆后期，还有一个增强的过程(图 3d、e)，这一特点在模拟中并没有体现出来。在台风的衰亡阶段，模拟的闪电活动非常少(图 6f)，这也同观测一致。

以上通过综合对比分析观测和模拟结果可知，耦合模式能较好地再现台风登陆前后的结构以及闪电活动的演变特征。接下来将利用模拟结果来分析台风登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构演变及形成。

4.3 登陆前后的电荷结构演变分析

图 7为沿图 5红线所示剖面内的总电荷浓度垂直分布。台风在18日12时达到最强，在18日17时登陆。选择的6个时刻分别为台风近海增强阶段(图 7a)，达到最大强度后到登陆前的阶段(图 7b)，登陆初期(图 7c)，登陆后期(图 7d、e)以及衰亡阶段(图 7f)。在台风登陆的近海增强阶段，眼壁区对流表现出正、负、正的三极性电荷结构(图 7a)，主负电荷区位于-10℃--25℃层，其上下各有一个正电荷区。Xu等(2014)的研究中，增强阶段眼壁区中的强对流也呈现正、负、正的三极性电荷结构。该时刻观测和模拟都在眼壁区附近有相对多的闪电产生，说明眼壁区对流比较旺盛。台风达到最大强度后，眼壁区附近的对流从正的三极性电荷结构转变为负的偶极性电荷结构(图 7b)，这一转变同理想的热带气旋中眼壁区对流的电荷结构演变是一致的(Xu et al, 2014)，而此时台风并没有登陆。台风登陆后一直至19日00时均可以较为清晰地辨别出台风的结构，该过程中眼壁区附近对流的电荷结构一直没有发生改变，仍然是负的偶极性结构(图 7c-e)。

外螺旋雨带对流的电荷结构在台风增强阶段以及登陆前后都没有明显的演变，主要表现出正、负、正的三极性电荷结构或正的偶极性电荷结构(图 7)。这同以往的研究有所不同，之前的研究(Fierro et al, 2007)一般认为外雨带对流多表现出上正下负的偶极性电荷结构。理想台风模拟中外雨带对流仅能表现正的偶极性电荷结构(Xu et al, 2014)，而在莫拉菲台风中，外雨带对流还可以表现出正的三极性电荷结构。

由以上分析可知，眼壁区附近对流电荷结构的演变与台风强度的变化密切相关，在增强阶段和达到最大强度后的阶段有着不同的电荷结构，而在台风登陆前后则并没有明显的变化，这说明眼壁区对流的电荷结构与登陆过程并不直接相关。外螺旋雨带对流的电荷结构与台风的强度变化及登陆过程都没有密切的联系。Griffin等(2014)观测发现台风登陆后在重新增强之前出现了大量的眼壁区闪电，并且伴随深对流，而莫拉菲台风登陆后眼壁区闪电仍然较少，也没有重新增强的过程。也就是说当台风登陆后，如果没有伴随重新增强的过程，眼壁区深对流没有出现，那么眼壁区对流的电荷结构将会保持负的偶极性电荷结构。

对流中闪电活动的强弱一定程度上可以体现对流活动的强弱，而通过垂直速度的分布(图 8)可以进一步分辨出对流的强弱。台风增强阶段表现出正三极性电荷结构的眼壁区对流的垂直速度(图 8a)要大于负偶极性的眼壁区对流(图 8b-f)。外雨带三极性电荷结构对流中的垂直速度高值区从低层一直延伸到高层(图 8b、d、f)。外雨带正的偶极性电荷结构对流的垂直速度一般只在较高的层次上具有一个大值区(图 8c)。垂直速度场的分布表明正的三极性电荷结构的对流强度要强于正的偶极性，也强于负的偶极性电荷结构对应的对流。具有正偶极性电荷结构的外雨带对流比具有负偶极性的眼壁区对流对应了更多的闪电，因此正的偶极性对流的强度应当高于负的偶极性。

电荷结构的差异还源自冰相粒子分布的差异。增强阶段的眼壁区强对流中，霰粒子在0--40℃区域内均有较多分布(图 9a)，霰粒子同冰晶粒子在霰粒子的正起电区和负起电区同时发生，从而形成正的三极性电荷结构。但是在呈现负偶极性电荷结构的眼壁区对流中，霰粒子核心区主要位于0--10℃区域内(图 9c)，冰晶粒子在该区域内也有少量的分布(图 10c)，大小粒子共存位置的温度偏高，起电主要发生在霰粒子正起电区，使得霰粒子荷正电，冰晶粒子荷负电，从而形成负的偶极性电荷结构。

模拟中眼壁区出现的正三极性与负的偶极性电荷结构的形成与理想台风模拟的结果具有一致性(Xu et al, 2014)。模拟中、外雨带对流出现的正的偶极性电荷结构的形成同理想模型也是相同的，由于大小冰相粒子碰撞主要发生在霰粒子负起电区。雪晶粒子虽然在台风演变中具有较高的混合比，但是携带的电荷浓度一直很低(图略)。

在莫拉菲台风中，外雨带对流还可以表现出正的三极性电荷结构，其形成机制同眼壁区的正三极性电荷结构是相同的。但值得注意的是，在三极性电荷结构对流云的下部出现了少量带正电的雹粒子，在霰粒子与冰晶粒子形成的正偶极性电荷结构下部又形成一个小的正电荷区，或者加强了正三极性电荷结构中的下部正电荷区(图 11b、d、f)。虽然眼壁区对流也会出现这种现象，但在外雨带对流中尤为明显，且随着外雨带对流中垂直速度的增大，雹粒子组成的正电荷区也增大。雹粒子只有在对流旺盛的情况下才产生，出现雹粒子的3处外雨带对流都具有较大的垂直速度(图 8b、d、f)，因此具有雹粒子组成正电荷区的对流应当具有非常高的强度。

通过分析台风登陆前后眼壁区附近以及外螺旋雨带对流电荷结构的变化及其对应的垂直速度、闪电活动特征可以看出，正、负、正的三极性电荷结构对应了较强的对流，上正下负的正偶极性电荷结构对应了中等强度的对流，而上负下正的负偶极性电荷结构对应了最弱的对流。外螺旋雨带对流中，不仅有正的三极性电荷结构和正的偶极性电荷结构，当对流较弱时也会出现负的偶极性电荷结构(图略)，但是眼壁区对流却常以正的三极性电荷结构和负的偶极性电荷结构为主，较少模拟出正的偶极性电荷结构。也就是说在外雨带对流中，随着对流强度的变化，对流中的电荷结构可以出现各种形态。然而眼壁区对流却往往只有较弱的对流强度或强的对流强度，较少出现中等强度的对流。

图 12为液态水含量的垂直分布，在台风发展的各个阶段，液态水含量都主要分布在-10℃层以下的区域，高的液态水含量会使得大小冰相粒子碰撞时的反转温度降低，使得在较高温度位置发生碰撞的大小冰相粒子碰撞时霰粒子更容易荷正电，冰晶粒子更容易荷负电。

4.4 衰亡阶段的电荷结构和微物理特征

在台风衰亡阶段，外螺旋雨带已经消散，眼壁区及内雨带对流形成的团状云系对流较弱，模拟结果中没有闪电活动，而观测中也很少观测到闪电发生。衰亡阶段对流中的垂直速度较小(图 8f)，同登陆后的眼壁区对流相似，都是强度较弱的对流。衰亡阶段对流的霰粒子含量较低，主要分布在-10℃层高度以下(图 9f)，冰晶粒子混合比的分布位置相对于台风其他发展阶段没有明显变化，但含量偏低(图 10f)，而雪晶粒子的混合比含量相对于台风登陆后期反而较大(图略)。霰粒子同冰晶粒子碰撞起电发生在霰粒子正起电区，霰粒子荷正电(图 9f)而冰晶粒子荷负电(图 10f)，形成了负的偶极性电荷结构(图 7f)。衰亡阶段的液态水含量(图 12f)高值区( > 1 g/m³)相对于台风登陆后的对流(图 12c-e)有着更大的分布范围，但仍然主要分布在0℃层以下。

观测中，莫拉菲台风在衰亡阶段只有很少的闪电发生，但在衰亡阶段正地闪数量和正地闪率均有增大(Zhang et al, 2013)。Thomas等(2010)也曾观测到在台风衰亡阶段有正地闪数量增多的现象，这与普通雷暴消散阶段正地闪较多发生和正地闪比率增大的现象是一致的，之前对于衰亡阶段对流的电荷结构和微物理特征也可以看出，衰亡阶段的台风对流与普通雷暴对流差异较小。模拟中莫拉菲台风在衰亡阶段几乎没有闪电发生，同时模式并不能区分闪电的类型和极性，因此无法判断模拟中是否有正地闪增多的现象。

5 结论与讨论

在对台风莫拉菲的结构以及闪电特征进行分析的基础上，利用中尺度起电放电模式WRF-Electric模拟了台风从近海增强阶段到登陆以及登陆后逐步减弱并衰亡的发展过程。模式可以较好地再现台风的路径、结构以及闪电活动特征，模拟的台风中心强度比台风实况偏弱，但强度变化的趋势一致。在较好模拟出台风的基本结构和闪电特征后，利用模拟结果详细分析了台风登陆前后、衰亡阶段的电荷结构演变和形成。主要有以下几点结论：

(1)台风在近海加强过程中逐渐形成清晰的眼区，眼壁区闪电活动主要发生在台风增强阶段，台风达到最大强度到登陆后，闪电在眼壁区及内雨带分布少，闪电活动较为集中地发生在外螺旋雨带中。

(2)眼壁区对流在台风增强阶段表现为正的三极性电荷结构，这是由于强的上升气流使得霰粒子可以被带到较高的位置，从而使得大小冰相粒子碰撞在霰粒子的正负起电区同时发生。台风达到最大强度以后，眼壁区霰粒子分布位置较低，霰与冰晶粒子碰撞主要发生在霰粒子的正起电区，从而形成负的偶极性电荷结构。这一眼壁区电荷结构的形成机制同理想台风中电荷形成的过程是相同的。台风登陆过程并没有对眼壁区电荷结构产生影响，眼壁区对流仍然是负的偶极性电荷结构。这说明眼壁区对流的电荷结构受到台风强度变化的直接影响，登陆过程虽然可以通过影响台风强度，进而影响眼壁区电荷结构，但眼壁区对流电荷结构与登陆过程并不存在直接相关。

(3)外雨带对流电荷结构主要呈现正偶极性或正三极性电荷结构，不受台风强度变化及登陆过程影响。正偶极性电荷结构的形成主要是由于大小冰相粒子共存区偏高，从而使得碰撞都发生在霰粒子负起电区。以往的研究一般认为外雨带对流中是正的偶极性电荷结构，正的三极性结构在外雨带中鲜有报道。外雨带的三极性电荷结构有两种形成机制，一种同理想台风眼壁区的三极性结构形成机制相同，而在强的外雨带对流中，可以存在其他机制，即在霰粒子和冰晶粒子形成的正偶极性电荷结构下部出现一个由雹粒子组成的正电荷区，从而形成正的三极性电荷结构。

(4)台风衰亡阶段对流主要是眼壁区和内雨带对流形成的，电荷结构主要表现负的偶极性。衰亡阶段对流垂直速度偏弱，正地闪数目和发生率的增加等特性都与处于消散期的普通雷暴类似。

其中结论(1)主要基于观测事实，结论(2)和(3)主要基于模拟结果，结论(4)基于观测事实也结合部分模拟的结果。

文中利用不同电荷结构的对流所对应的闪电活动强度以及垂直速度分布讨论了对流的强度。本研究认为在一般情况下，正的三极性电荷结构对流对应最大的对流强度，正的偶极性电荷结构对流对应中等强度的对流，而负的偶极性电荷结构对流对应弱的对流强度。而在三极性的电荷结构中，由较多雹粒子形成下部正电荷区的对流又对应了更强的对流强度。

虽然不同的台风之间闪电活动特征可能差别较大(Pan et al, 2014)，任何实际的台风都具有独特性，但是莫拉菲台风登陆前后对流的电荷结构演变特征，应当可以代表一类台风的电荷结构特征。

致谢: 感谢中国气象科学研究院信息部提供了雷达资料，感谢日本高知大学提供了卫星云顶亮温资料。