将基于偏振雷达得到的风暴结构与印度核心季风区季风槽对流中的闪电活动联系起来

《Atmospheric Research》：Linking polarimetric radar-derived storm structure to lightning activity in monsoon-trough convection over the Indian Core Monsoon Zone

　　• 闪电倾向于聚集在季风槽的边缘。
• 当雷达反射率在季风槽雷暴中超过?10°C水平处的34–38 dBZ时，会发生闪电。
• 闪电和非闪电网格单元具有不同的垂直微物理结构。
• 尽管ZDR和KDP值较高，但在季风槽闪电网格单元中，混合相Z的值低5–10 dBZ。
• 在季风前风暴中，负ZDR和KDP特征较为常见，而在季风槽闪电网格单元中则较为罕见。

**引言**
印度夏季季风期间的闪电现象仍然知之甚少，特别是在核心季风区（CMZ），那里的活跃降水主要由广泛的对流性和层状降雨主导（Menon等人，2018；Parker等人，2016）。尽管在这种以降雨为主的条件下闪电会间歇性发生，但引发和维持闪电的混合相微物理和动力学过程尚未得到充分理解。闪电的产生源于云微物理和风暴动力学的耦合演化，其中非感应充电（NIC）机制（Takahashi，1978；Jayaratne和Saunders，1984）通过在过冷水存在的情况下冰晶和霰粒之间的碰撞提供了一种被广泛接受的解释。基于雷达的研究将闪电的起源与延伸到混合相区域（0°C至?20°C）的强反射率核心联系起来（Karunarathna等人，2017；Liu等人，2012；Vincent等人，2003）。然而，这些关系主要是在具有强烈垂直切变的温带雷暴中建立的，它们在热带和季风对流中的适用性尚未得到充分验证。
极化雷达观测提供了一个基于物理的框架，用于研究与电荷化相关的微物理和动力学特征，并证明了亚热带和温带对流中闪电与混合相过程之间的关系（Goodman等人，1988；Sharma等人，2021，Sharma等人，2024）。在少数详细的热带研究中，Carey和Rutledge（2000）使用C波段极化雷达和地面电场测量数据，证明了热带对流成熟阶段混合相冰质量、降雨和闪电之间的密切关系。他们的结果强调了?10°C至?20°C层中霰粒和冻结水成物的重要性（Goodman等人，1988；Carey和Rutledge，2000），而观测到的霰粒质量峰值与闪电频率之间的滞后与混合相碰撞在NIC机制中的作用一致（Reynolds等人，1957；Takahashi，1978；Saunders，2008）。
混合相充电的效率在很大程度上取决于过冷水的可用性，过冷水有助于冰-霰粒碰撞过程中的电荷转移。极化雷达变量提供了这些过程的间接但有用的指标。特别是差分反射率（ZDR）和特定差分相位（KDP）被广泛用于表征富液水区域、上升气流和混合相水成物的发展。垂直延伸的ZDR柱与强烈的上升气流和液水成物的抬升相关，而增强的KDP柱可以指示深对流中的高液水含量和活跃的电荷转移区域（Kumjian等人，2012，Kumjian等人，2014；Loney等人，2002）。最近的研究报告了闪电活动与ZDR和KDP柱的高度或体积之间的关系（Gupta等人，2023；Sharma等人，2024；Zhao等人，2025）。然而，这些特征的相对重要性取决于风暴的组织结构、上升气流强度和环境条件，这强调了针对热带和季风对流进行特定条件下的研究必要性（Doyle等人，2021；Virts和Houze Jr，2016）。
在印度，通过空间雷达和单极化多普勒雷达的观测记录了对流结构的显著季节性和季节内变化（Virts和Houze Jr，2016；Sindhu和Bhat，2021；Utsav等人，2022；Ghosh等人，2025；Ghosh等人，2024），最近的研究越来越多地利用双极化观测来表征对流微物理（Jash等人，2022；Krishna等人，2025，Krishna等人，2026）。然而，大多数针对印度地区严重的、产生闪电的风暴的详细研究都集中在季风前对流上（Jash等人，2022；Abhijeet等人，2025），而带电季风对流的微物理和动力学特征则相对较少被探索。少数研究专门考察了CMZ上与风暴微物理和动力学相关的闪电（Ghosh等人，2024，Ghosh等人，2025），但在季风槽存在的情况下，闪电强度与混合相水成物的垂直和体积发展之间的关系尚未得到充分量化。此外，目前尚不清楚产生闪电的季风风暴的微物理特征是类似于严重的、以冰雹为主的季风前风暴（Abhijeet等人，2025），还是代表了适应湿润季风环境的独特对流机制。明确这些差异对于确定区分闪电与非闪电季风对流的动力学和微物理特征以及季风电荷化与季风前季节强烈的混合相和产生冰雹的对流的不同之处非常重要。

为了填补这些知识空白，本研究结合了C波段双极化多普勒雷达观测和地面闪电定位网络的测量数据，以研究在季风槽影响下活跃季风阶段产生闪电的对流的动力学和微物理特征（Penki和Kamra，2013）。我们特别研究了双极化雷达特征作为与霰粒、冰晶和过冷水相关的混合相微物理过程的代理，这些过程驱动了热带季风对流中的电荷分离，并评估了这些混合相微物理组分在整个风暴生命周期中的演变如何影响闪电频率。进一步利用Z、ZDR、KDP和共极相关性（ρhv）的垂直结构及其相互关系来区分产生闪电的区域和非闪电区域，并表征它们的混合相微物理演化。我们量化了熔化层以上ZDR和KDP的垂直发展和体积，并研究了它们与整个风暴生命周期中的闪电频率强度之间的关系。选定的季风案例与代表性的季风前风暴进行了比较，以评估两种对流机制之间的电荷化差异。通过这些观测，我们评估了混合相水成物的体积和垂直范围是否比单独的风暴深度提供了更可靠的季风风暴电荷化指标，并确定了与闪电活动变化相关的动力学和微物理特征。

本文的结构如下：第2节描述了C波段双极化雷达观测、闪电定位网络数据和分析方法；第3节展示了在季风槽影响下，将风暴动力学和微物理特征与闪电活动联系起来的结果，包括产生闪电的对流与非闪电对流的比较；此外，该节还揭示了季风槽机制与季风前机制之间的微物理差异；第4节总结了主要发现，并讨论了它们对理解印度夏季季风期间雷暴电荷化的意义。

**数据和方法论**
本研究通过结合闪电观测、极化雷达数据和地面降雨测量来研究雷暴电荷化，分析了风暴结构、微物理和动力学。IITM于2018年建立了闪电定位网络，目前該网络在印度全境拥有超过100个传感器。研究区域分布均匀（图中显示了季风期间观测到的风暴概况）。在季风期间，一个低压槽从印度中部向东南方向延伸（图2），而在西海岸可以观测到一个弱脊。阿拉伯海的西风和孟加拉湾的西南风为印度地区带来了湿润空气（图2），导致随着季风槽（Choudhury和Krishnan，2011；Raghavan，1973；Miller，1968）的移动和热带辐合带的推进，降雨频繁且强度较大。

**结论**
本研究表明，印度夏季季风期间的闪电活动受到大尺度季风槽动力学和风暴尺度混合相微物理相互作用的控制，产生了一种不同于季风前对流的电荷化机制。结合动力学和微物理代理（ZDR和KDP）的分析清楚地区分了季风槽和季风前机制中的产生闪电的区域和非闪电区域。

**作者贡献声明**
Rakesh Ghosh：撰写 – 审查与编辑、撰写 – 原初草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。
Pavan R. Vaidya：撰写 – 原初草稿、方法论、概念化。
Manoj A. Domkawale：数据整理。
Hamza Varikoden：撰写 – 原初草稿、正式分析。
Sunil D. Pawar：监督、概念化。
RG制定了初步的概念化、方法论和分析。RG、PRV、MAD、HV和SDP参与了手稿的分析、撰写、审查和编辑。所有作者都参与了所有分析和解释工作以及手稿的撰写。

**关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**
在准备这项研究时，作者使用了在线可用的AI工具来提高手稿某些部分的可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

**未引用参考文献**
Ghosh, 2026
Homeyer和Kumjian, 2015
Kumjian, 2013
Reinhart等人，2014
Sachidananda和Zrnic', 1985
Tobin和Kumjian, 2021
Zrnic和Ryzhkov, 1999

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**
IITM由印度政府地球科学部资助。我们感谢IITM主任对这项研究的鼓励。我们还要感谢Atmospheric Research Testbed-IITM（位于印度中部的Shilkheda）提供的双极化多普勒雷达数据，以及ECMWF提供的各种数据集。我们也感谢三位匿名审稿人对手稿的审查。

**作者列表**
Rakesh Ghosh
Pavan R. Vaidya
Manoj A. Domkawale
Hamza Varikoden
Sunil D. Pawar