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中国首次记录到龙卷风触地前的闪电空洞
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导语：2024年4月27日，广州白云区和增城区在约40分钟内先后遭遇EF2和EF1级龙卷风袭击。近日发表于《High Voltage》期刊的一项研究，利用国家电网广域闪电定位、气象雷达和Himawari-9卫星数据，首次在中国记录到龙卷风触地前的“闪电洞”现象，为理解华南龙卷风超级单体的电活动与对流耦合过程提供了全新视角。研究背景：中国龙卷风研究的关键空白
龙卷风是威胁电网安全的最极端强对流天气之一，常伴随暴雨、密集闪电和大冰雹。虽然中国龙卷风年发生频率仅为美国的约10%，但空间分布高度集中在长江-淮河流域、珠江三角洲及东北、华北平原等人口密集区域，强龙卷风是导致输电塔倒塔和风致闪络的主要原因。
闪电活动是深对流发展的关键指示器。已有研究表明，云-地闪频次变化与龙卷风生成存在显著时间关联，正地闪（+CG）比例在龙卷风触地前往往显著升高。另一个值得关注的电活动特征是“闪电洞”——风暴中闪电活动显著减弱的局部区域。这一现象最早由Krehbiel等在美国发现，此后观测主要集中在美国大陆。在中国，此前仅有一例龙卷风风暴中闪电洞的报道，且发生在龙卷风触地之后。龙卷风触地前闪电洞的特征，在中国尚无研究记录，构成该区域龙卷风风暴电动力学认识的重要空白。
此外，对流云顶“穿透性上冲顶”（Overshooting Top, OT）面积与龙卷风强度存在关联，但OT中心数量的时间演变与龙卷风发生的关系尚待探索。
研究案例：2024年4月27日广州连续龙卷风
研究聚焦2024年4月27日华南一次长生命史超级单体引发的两次连续龙卷风：
Tornado_BY（白云龙卷风）：EF2级，约14:50（北京时）在广州市白云区钟落潭镇触地，造成严重电网设施损坏——3座110 kV变电站和12条10 kV线路受影响，电杆倾倒、输电塔缠绕杂物（图1）。
Tornado_ZC（增城龙卷风）：EF1级，约15:30在广州市增城区朱村触地。
两次龙卷风间隔约33分钟，均发生在珠江三角洲地区。研究使用了国家能源雷电灾害监测预警与安全防护重点实验室的广域闪电定位数据（云-地闪探测效率超90%，定位精度优于500 m）、中国新一代天气雷达（CINRAD）组合反射率数据（6分钟/0.01°分辨率）以及Himawari-9卫星数据（10分钟/0.02°分辨率）。
核心发现一：龙卷风触地前正地闪比例激增至70%
研究揭示，白云龙卷风触地前，正地闪比例出现显著上升。12:00时正地闪比例仅约5%，至14:00已升至约30%。14:06–14:30期间，正地闪比例急剧攀升，峰值接近70%，随后快速回落。 白云龙卷风正是在这一峰值后的闪电频次下降期触地。
这一发现与强度对流的关系在于：强上升气流增强混合相态区的过冷水含量，促进冰雹和霰粒相关的正电荷区向更冷温度范围扩展，形成深厚的中层正电荷区，从而有利于频繁正地闪的产生。峰值70%的正地闪比例，与美国大平原龙卷风超级单体中观测到的正地闪主导特征在定性上一致，暗示强上升气流和异常电荷结构是不同地理区域强龙卷风风暴的共同电活动特征。
电流强度分析进一步显示，正地闪比例峰值期间，大电流正地闪频次急剧增加，反映对流增强和显著正电荷层的形成。随后正、负地闪电流强度整体下降，向低电流放电转变，这可能与龙卷风母风暴内强湍流混合破坏大电荷库形成有关。
此外，白云龙卷风触地前30分钟内出现了三次聚集性闪电跃增。
研究团队对闪电定位数据的可靠性进行了评估，确认国家电网监测网络与粤港澳闪电定位系统在正、负地闪相对探测效率上高度一致，排除了极性系统偏差导致正地闪比例被人为夸大的可能。
核心发现二：中国首次记录到龙卷风触地前的“闪电洞”
这是本研究最具突破性的发现。 研究在中国首次记录到龙卷风触地前的闪电洞现象：
白云龙卷风前：14:06和14:42分别识别出两个闪电洞
增城龙卷风前：15:24识别出第三个闪电洞
三个闪电洞均与雷达组合反射率强回波核（>55 dBZ）重合，且邻近OT中心、亮温较低，表明闪电洞周围存在深对流（图7）。闪电洞被定义为高反射率风暴核内闪电活动显著缺失、但被相对密集闪电包围的局部区域。
从物理机制看，在强上升气流区域，小水成物被快速抬升，抑制了冰晶-霰粒碰撞，从而减少电荷分离和云-地闪活动，形成闪电洞。在风暴垂直结构上，这些上升气流以弱回波区（WER）为特征。因此，尽管闪电洞在空间上与最强组合反射率重合，其物理本质与产生低层弱回波区的上升气流过程内在关联。
此前中国唯一报道的龙卷风闪电洞发生在触地之后。本研究首次确认了触地前闪电洞的存在，为龙卷风形成过程中强垂直上升气流的早期识别提供了重要指示意义。
核心发现三：穿透性上冲云顶中心（OT）数量与龙卷风强度的可能关联
研究发现，白云EF2龙卷风伴随的OT中心数量高于增城EF1龙卷风：
白云龙卷风触地时（14:50），OT中心数量达到峰值（约9个），表明龙卷风生成期间上升气流增强
白云龙卷风触地后，OT中心数量逐渐减少，至增城EF1龙卷风触地时（15:30）降至仅2个，暗示对流减弱
增城龙卷风触地约30分钟后，OT中心数量快速回升，16:00达到9个
两次龙卷风分别发生在OT中心数量的峰值和下降期，反映了龙卷风母风暴对流的演变。 这一初步发现暗示OT中心数量与龙卷风强度可能存在关联，但需更多案例验证。
对电网安全的工程意义
本研究不仅增进了对龙卷风生成机制的理解，也为电网等关键基础设施的灾害风险评估提供了直接依据：
正地闪比例持续上升是评估龙卷风对高压电网暂态过电压和绝缘失效风险的关键指标。正地闪通常具有更高的峰值电流和更长的持续电流，对电网设备的击穿电压更低。
闪电洞、异常正地闪比例、大电流正地闪和OT时间演变等诊断指标，为监测龙卷风发展提供了实用信号。
珠江三角洲平坦地形有利于低层暖湿气流辐合和深对流维持，是超级单体发展的有利环境。研究中描述的三维动力结构直接转化为对地面基础设施的极端机械载荷——旋转上升气流和穿透性后侧下沉气流可产生足以推倒电杆的风力，龙卷风涡旋的强低层辐合和垂直涡度可将碎片高速抛射并缠绕输电塔。
结论与展望
本研究利用广域闪电定位、气象雷达和Himawari-9卫星数据，分析了2024年4月27日广州长生命史超级单体中两次连续龙卷风的罕见闪电活动特征和OT特征，在中国首次记录并报道了龙卷风触地前的闪电洞现象。主要结论包括：
龙卷风母风暴持续约7小时，两次龙卷风均发生在闪电频次下降期。白云龙卷风触地前正地闪比例显著增加，峰值达70%，表明强上升气流引起电荷结构变化。触地前30分钟内出现三次聚集性闪电跃增。
中国首次在龙卷风触地前探测到三个闪电洞（白云龙卷风前两个、增城龙卷风前一个），均对应最强雷达组合反射率回波核（>55 dBZ）和亮温较低的OT中心。两次龙卷风之间OT中心数量显著下降，从白云EF2龙卷风期间的9个降至增城EF1龙卷风触地时的2个。
两次龙卷风分别发生在OT中心数量的峰值和下降期，暗示龙卷风母风暴对流的变化。
这些发现为理解龙卷风超级单体中对流-闪电耦合过程提供了新的物理认识和观测证据。从工程角度看，这些集成信号为龙卷风期间电网复合风险评估提供了关键信号集。未来工作应聚焦于在更广泛的龙卷风案例中验证和量化该多参数信号集的诊断和预测能力，从而显著提升电力系统的实时预警能力和运行韧性。
论文信息：Li F, Zhi J, Wang Y, et al. Rare Lightning and Convection Characteristics During Two Successive Tornadoes in Southern China. High Voltage, 2026. DOI: 10.1049/hve2.70187
通讯作者：谷山强（gushanqiang@epri.sgcc.com.cn）、唐国瑛（tanggy0103@163.com）
资助信息：中国气象局龙卷风重点开放实验室（TKL202305）、中国气象局雷电重点开放实验室开放基金（2024KELL-B016）
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《High Voltage》期刊简介
《High Voltage》是 IET（英国工程技术学会）旗下的开放获取期刊，专注于高电压、大电流、强电磁场领域的研究。
核心学术指标（2025年数据）：
https://blog.sciencenet.cn/blog-3660956-1552678.html
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