东亚和西太平洋闪电时空尺度及光辐射能

尤 金 郑 栋 姚 雯 孟 青

(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室, 北京 100081)

利用2002—2014年的TRMM/LIS(Tropical Rainfall Measuring Mission/lightning imaging sensor，热带测雨卫星/闪电成像仪)闪电观测数据分析了18°～36°N和70°～160°E范围内闪电尺度和光辐射能空间分布特征，并选取6个区域(区域1～6)，探讨09:00—14:00(地方时，下同)和18:00—次日06:00两个时段闪电上述属性的逐月变化和参数分布特征。研究指出：闪电空间尺度和光辐射能在深海最大，次之为近海和陆地，持续时间在中国东部近海最大，次之为深海和陆地。不同闪电属性大值分布区域差异明显，小值则分布在区域1和区域2。多数区域分析时段内闪电空间尺度和光辐射能的逐月变化趋势较一致，陆地上它们与闪电活动逐月变化的反向对应关系较明显。分析时段内闪电时空尺度和光辐射能均呈对数正态分布，陆地闪电各属性值比海洋闪电更向小值方向集中。在LIS观测性能较高的18:00—次日06:00，各区域内闪电持续时间中值为0.18～0.29 s，通道延展距离中值为12～21 km，光辐射能中值为0.11～0.52 J·m-2·sr-1·μm-1。分析时段内闪电空间尺度与光辐射能的相关性明显优于它们与持续时间的相关性。

引 言

闪电活动与强对流天气联系紧密，是一种重要的自然灾害[1-3]。经典闪电活动研究主要是关于闪电活动频次或密度的时空特征[4-9]，它能够体现强对流的活动规律，对雷电灾害评估也有参考价值。近期一些基于雷暴个例的研究表明：除闪电频次外，闪电的其他属性，如闪电的时空尺度(本文时空尺度包含闪电持续时间、空间扩展；空间尺度指闪电空间扩展)和闪电强度(电流、辐射能等)与雷暴结构之间的关系不同于闪电频次与雷暴结构的关系。研究发现，超级单体中闪电扩展面积与闪电频次在空间上具有反向对应关系[10-12]。对流活动相对较弱时段或地区倾向具有更大的闪电尺度或光辐射能[8，13-14]。这些研究认为，雷暴动力过程对电荷分布形态的塑造是影响闪电尺度和强度特征以及它们与闪电频次宏观上反向对应关系的重要原因。从宏观角度看，在弱对流或非对流条件下，电荷区范围较大，垂直分层特征相对明显，利于低频次但大尺度的闪电放电；而在强的对流性湍流和切变等影响下，云内电荷区可能较小并呈交错分布特点，利于高频次但小尺度的闪电放电[10]。

利用光学瞬态探测器(OTD, optical transient detector)[15]以及热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission)上携带的闪电成像仪(LIS, lightning imaging sensor)观测到的闪电数据[14-16]研究中低纬度区域的闪电时空尺度和辐射能特征，指出不同闪电属性具有明显的海陆差异。本研究利用LIS观测数据，分析18°～36°N和70°～160°E之间的东亚以及西太平洋区域闪电活动，研究LIS闪电持续时间、闪电通道面积、闪电光辐射能以及自行反演获得的闪电通道延展距离时空分布和概率分布特征及不同属性的相互关系。

1 数据和方法

1.1 分析区域

本文分析范围为18°～36°N，70°～160°E(如图1所示)。在该范围内选取具有不同下垫面的6个区域用于闪电特征的对比分析，分别命名为区域1、区域2、区域3、区域4、区域5和区域6。

1.2 LIS数据

研究主要使用TRMM/LIS轨道观测数据以及闪电气候格点数据。

TRMM初始运行在350 km高度的轨道上，2001年8月抬升至402 km高度。TRMM/LIS通过CCD(charged coupled device,电荷耦合装置)阵列探测闪电光信号，视场宽度在地表为500～550 km，空间分辨率为3～6 km。闪电数据包括：事件，即成像器单个感应点探测到的瞬变或光脉冲；组，在相邻CCD像素点上，观测到的2 ms内闪电事件的集合；闪电，由时间间隔不超过330 ms和空间间隔不超过5.5 km的1个或多个组组成，一般视为一次物理意义上的闪电。本研究主要使用2002年1月—2014年12月LIS中的闪电数据，包括闪电位置、持续时间、通道面积、光辐射能(单次闪电包含的所有事件光辐射能之和)。此外，通过计算1次闪电包含的所有事件中相距最远的两个事件的距离，获得每个闪电的水平通道扩展距离。

图1 分析区域地形以及所选择的6个区域(填色为地形高度)Fig.1 The topographic map of target area and six target regions(the shaded denotes terrain)

LIS气候类格点数据通过对LIS轨道数据进行时空平滑得到[17]。此处选用1998—2013年0.5°×0.5°的HRFC(high resolution full climatology,高分辨率全气候学)数据，并基于此计算得到分析区域内2°×2°网格下的平均闪电密度。

1.3 数据处理方法

为保证数据可靠性，本文去掉一些极值LIS闪电，包括持续时间大于3 s或等于0的闪电，延展距离大于1000 km或小于4 km的闪电。经过上述数据质量控制后得到的LIS闪电数据为原始样本的88%。

由于白天和夜晚的背景光辐射能有明显变化，LIS闪电的观测性能存在日变化。Boccippio等[18]报道LIS平均的探测效率为88%±9%，其中白天约为73%±11%，夜晚约为93%±4%。本文分析了图1所示6个区域内，LIS探测到的最小光辐射能随当地时间的变化(如图2所示)。由图2可见，各区域闪电最小可探测光辐射能在09:00—14:00(地方时，下同)和18:00—次日06:00两个时段变化较小，且地区差异性小。18:00—次日06:00的最小可探测光辐射能最小，意味着LIS的探测效率在此时最高；相反，09:00—14:00的LIS探测性能相对较低；其他时段LIS探测性能处于快速变化过程中。因此，在对上述6个区域内闪电逐月变化和参数分布特征进行分析时，主要使用上述两个时段的数据。

图2 2002—2014年6个区域闪电最小事件光辐射能日变化Fig.2 Diurnal variations of the minimum detectable flash event radiances in six target regions from 2002 to 2014

2 分析和结果

2.1 闪电属性的空间分布

2.1.1 闪电密度

图3显示，闪电活动密度呈现明显的区域差异。首先，陆地上的闪电活动整体大于近海和深海；深海闪电密度普遍小于1 km-2·a-1，靠近陆地的近海区域，局部闪电密度可以达到2～4 km-2·a-1。其中，日本以东的洋面有一条密度相对周围海洋较高的闪电活动带，这主要是由于亚洲东部海岸冬季黑潮的影响[19]。陆地上的最大闪电密度出现在青藏高原南麓，闪电密度普遍大于10 km-2·a-1，局地可超过70 km-2·a-1；中国内陆华南地区闪电活动也较为活跃，特别是珠江三角洲附近，闪电密度普遍大于10 km-2·a-1，局地可大于30 km-2·a-1。中国内陆闪电活动自东向西减小，青藏高原上闪电较弱，密度普遍小于6 km-2·a-1，其中腹地密度较大，西部和南部与喜马拉雅山之间闪电密度较小(普遍小于1 km-2·a-1)。

图3 1998—2013年闪电密度分布(数据统计格点为2°×2°)Fig.3 Spatial distributions of the flash density from 1998 to 2013 (statistical grid box is 2° ×2°)

2.1.2 闪电持续时间

本研究对比了白天和晚上闪电持续时间、空间尺度和光辐射能的空间分布形态，它们整体上保持一致(图略)，所以本文在空间分布分析中不进行时段区分。

闪电平均持续时间的空间分布如图4a所示。持续时间较长的闪电主要位于中国沿海区域，LIS观测的闪电持续时间平均值大于0.32 s，局地中心大于0.36 s。整体上看，深海闪电持续时间小于近海但大于内陆，除了局地强中心外，深海大部分地区的闪电持续时间平均值小于0.3 s。陆地上，中国中东部地区闪电的平均持续时间主要分布于0.3～0.32 s；此外，四川盆地还有一个闪电平均持续时间的大值中心，对应值为0.3～0.36 s。青藏高原闪电平均持续时间最短，普遍低于0.22 s。而青藏高原以南地区闪电持续时间也相对较小，为0.22～0.28 s。

2.1.3 闪电空间尺度

闪电通道延展距离(图4b)和闪电通道区域面积(图4c)均表征闪电空间尺度，它们的分布形态较为相似。整体上，闪电空间尺度在从深海向内陆过渡中由大到小变化。大部分深海地区的闪电通道延展距离(其物理意义更为清晰，以该参量为例说明)平均值普遍大于21 km，同时有自北向南递增的趋势。近海的闪电通道延展距离为18～21 km，而内陆则普遍小于18 km，除了在四川盆地和周边存在18～21 km的大值中心。青藏高原及其南麓闪电空间尺度最小，闪电通道延展距离平均值普遍小于15 km，西部地区更小。

2.1.4 闪电光辐射能

图4d为闪电光辐射能空间分布。整体上，从深海到近海再到内陆，闪电光辐射能呈减小趋势。而在日本以东太平洋地区存在一个明显的强闪电辐射带，平均光辐射能普遍大于2 J·m-2·sr-1·μm-1。近海地区闪电光辐射能为0.8～1.6 J·m-2·sr-1·μm-1。最小的平均光辐射能出现在青藏高原地区，中西部值小于0.4 J·m-2·sr-1·μm-1。

图4 2002—2014年闪电属性分布(数据统计格点为2°×2°)(a)持续时间(单位：s)，(b)延展距离(单位：km)，(c)通道面积(单位：km2)，(d)光辐射能(单位：J·m-2·sr-1·μm-1)Fig.4 Spatial distributions of flash properties from 2002 to 2014(statistical grid box is 2° × 2°)(a)duration(unit:s),(b)length(unit:km),(c)footprint(unit:km2),(d)radiance(unit:J·m-2·sr-1·μm-1)

2.1.5 闪电属性的空间分布特征

从前面的分析可以看到，闪电时空尺度和光辐射能的空间分布与闪电密度空间分布明显不同。如闪电密度整体表现为陆地大、海洋小，但闪电的时空尺度和光辐射能整体上海洋大、陆地小。从区域上看，闪电密度与闪电时空尺度和光辐射能也并非简单的反向对应，如青藏高原和青藏高原南麓都是分析区域内闪电时空尺度和光辐射能极小值的区域，但青藏高原南麓具有分析区域内最大的闪电密度，而青藏高原整体具有最小的闪电密度。此外，如果只是粗略看中国陆地区域，从东部到西部，闪电密度、时空尺度和光辐射能都由大到小变化。闪电时空尺度和光辐射能空间分布虽然具有前文中所说的相似性，但在部分区域分布上却有明显差异：闪电持续时间近海最大，但闪电空间尺度和光辐射能在深海最大；且闪电空间尺度在分析区域南部深海最大，而光辐射能在分析区域北部日本以东洋面最大。

2.2 闪电时空尺度和光辐射能逐月变化

由于闪电活动的区域差异，本文针对图1中所示的6个区域，分别研究09:00—14:00和18:00—次日06:00两个时段的闪电时空尺度和光辐射能多年平均逐月变化特征。为确保样本量，闪电总数少于20个样本的月份不分析；为使宏观变化趋势更加明显，对各月份数据进行三点滑动平均。不同区域各月LIS观测闪电频次占所有LIS闪电的比例，以及各月闪电光辐射能、通道延展距离和闪电持续时间的中值见图5(09:00—14:00)和图6(18:00—次日06:00)，具体数值和峰、谷分布可直接从图5和图6中获取，本文在此着重关注不同参量在逐月变化上的对应关系。

图5 2002—2014年09:00—14:00不同区域闪电参量中值逐月变化 Fig.5 Monthly median values of flash parameters in different regions during 0900-1400 LT from 2002 to 2014

首先，除区域6外，研究时段内闪电空间尺度和光辐射能的逐月变化趋势较为一致；同时，除09:00—14:00的区域1以及区域2和18:00—次日06:00的区域2和区域3外，闪电的持续时间与闪电空间尺度和光辐射能的逐月变化具有较为明显的差异。这表明闪电空间尺度和光辐射能之间可能具有更好的对应关系，而它们与闪电持续时间关系可能较差。其次，陆地上的几个区域(区域1～3)，闪电通道延展距离和光辐射能的逐月变化与闪电活动的逐月变化大体上呈反向对应关系，闪电活动活跃的月份，闪电的空间尺度和光辐射能相对较小，反之亦然。海洋上的几个区域(区域4～6)则具有不同的对应关系。区域4也存在上述反向关系；区域5闪电通道延展距离和光辐射能与闪电活动却有大体上相似的逐月变化；而区域6的对应关系并不明显。部分地区的部分闪电属性在09:00—14:00和18:00—次日06:00两个时段有明显差异。如区域3在09:00—14:00闪电持续时间的峰值出现在4月，而18:00—次日06:00闪电持续时间的峰值出现在9月。区域1在09:00—14:00的闪电持续时间与闪电活动逐月变化呈反向趋势，而18:00—次日06:00两者则为同向趋势。与此同时，从大体趋势看，区域2在09:00—14:00和18:00—次日06:00各闪电属性的逐月变化最为一致。

图6 2002—2014年18:00—次日06:00不同区域闪电参量中值逐月变化Fig.6 Monthly median values of flash parameters in different regions during 1800-0600 LT from 2002 to 2014

2.3 不同区域闪电时空尺度和光辐射能概率分布

6个区域闪电时空尺度及光辐射能的概率及累计概率分布如图7(09:00—14:00)和图8(18:00—次日06:00)所示，相关统计值见表1和表2。首先，对于所选的两个时段，各地区的闪电各属性均符合对数正态分布的特点，即大部分样本位于闪电属性值较小的区域，而小概率值覆盖了较宽的大值区，缓慢下降。其次，虽然不同时段闪电属性的值因为LIS观测能力的不同而有差异[16，18]，但各闪电属性的峰值分布区间保持不变。对于闪电持续时间，6个区域的峰值均分布于0～0.1 s；对于闪电通道延展距离，陆地和海洋存在差异，陆地上3个区域的峰值区间位于8～12 km，海洋上3个区域的峰值区间位于12～16 km；对于闪电通道面积，6个区域的峰值区间均位于100～200 km2；对于闪电光辐射能，6个区域的峰值区间均位于0～0.2 J·m-2·sr-1·μm-1。从闪电属性的累积分布曲线看，分属于海洋的3个区域的曲线均位于陆地3个区域的曲线下方，意味着陆地闪电相比海洋闪电在各属性值上更向小值方向集中。这一点从闪电各属性的概率分布也可知，在小值范围，陆地的闪电样本概率分布大于海洋，而在大值范围，陆地的闪电样本概率分布小于海洋。张志孝等[20]给出了美国新墨西哥州一次超级单体过程中由LMA(lightning mapping array，闪电成像阵列)闪电观测数据反演的闪电空间尺度分布，在物理量定义上与本研究相同的闪电通道(水平)延展距离，且两者分布形态相似。

由表1 和表2各闪电属性中值和平均值也可以看到与2.1节中分析相似的结论。09:00—14:00和18:00—次日06:00闪电持续时间均为区域4最大，区域1最小；闪电的空间尺度(通道延展距离)在区域5最大，09:00—14:00在区域1最小，18:00—次日06:00则在区域2最小；光辐射能在区域6最大，09:00—14:00在区域1最小，18:00—次日06:00 在区域2最小。

图7 2002—2014年09:00—14:00闪电属性概率(柱状)及累积概率(曲线)分布Fig.7 Probability(columns) and cumulative probability(lines) distributions of flash properties during 0900-1400 LT from 2002 to 2014

图8 2002—2014年18:00—次日06:00闪电属性概率(柱状)及累积概率(曲线)分布Fig.8 Probability(columns) and cumulative probability(lines) distributions of flash properties during 1800-0600 LT from 2002 to 2014

表1 2002—2014年09:00—14:00闪电属性统计Table 1 Statistics of flash properties during 0900-1400 LT from 2002 to 2014

表2 2002—2014年18:00—次日06:00闪电属性统计Table 2 Statistics of flash properties during 1800-0600 LT from 2002 to 2014

2.4 闪电各属性间的相关关系

从闪电各属性时空分布看，闪电时空尺度和光辐射能之间关系可能比较复杂，特别是闪电持续时间与闪电空间尺度和光辐射能之间在逐月变化和从深海到近海再到内陆的对应关系明显不同。利用常见的函数关系对整个区域内闪电各属性间的相关关系进行分析，同样选择09:00—14:00和18:00—次日06:00两个时段，结果见表3和表4，表格左下部为拟合函数，右上部为拟合优度r2(均达到0.001显著性水平)。分析表明：18:00—次日06:00闪电各属性之间的相关关系要优于09:00—14:00，这可能与该时段LIS探测性能更好有关。同为表征闪电空间尺度的通道延展距离和通道区域面积之间相关关系最佳，在幂函数拟合条件下，09:00—14:00的拟合优度r2=0.87，18:00—次日06:00拟合优度r2=0.90；其次，闪电空间尺度与闪电光辐射能之间的相关性也较强，如在幂函数拟合条件下，闪电通道延展距离与光辐射能的拟合优度在09:00—14:00为0.62，18:00—次日06:00为0.68。与前面分析的预期相符，闪电持续时间与闪电空间尺度和光辐射能的相关性最差，与闪电通道延展距离的最佳拟合函数为对数拟合，拟合优度小于0.3；与光辐射能的拟合优度稍好，但在指数拟合条件下，拟合优度在09:00—14:00 仅为0.34，18:00—次日06:00仅为0.41。

表3 2002—2014年09:00—14:00闪电各属性之间的拟合函数及拟合优度Table 3 Correlations and goodness of fitting among flash properties during 0900-1400 LT from 2002 to 2014

表4 2002—2014年18:00—次日06:00闪电各属性之间的拟合函数及拟合优度Table 4 Correlations and goodness of fitging among flash properties during 1800-0600 LT from 2002 to 2014

3 结论和讨论

本研究利用2002—2014年的TRMM/LIS闪电观测数据分析了18°～36°N和70°～160°E区域内闪电持续时间、通道延展距离、通道区域面积和光辐射能的空间分布特征，并在上述范围内选取了6个典型区域，在LIS最小可探测辐射能变化较小的09:00-14:00(当地时间)和18:00-次日06:00两个时段，对闪电各属性变化和参数分布特征进行研究，得到以下主要结论：

1) 闪电密度从大到小依次为陆地、近海、深海；闪电空间尺度和光辐射能从大到小依次为深海、近海、陆地；而闪电持续时间在中国东部近海最大，其次为深海和陆地。闪电密度、闪电持续时间、闪电空间尺度和光辐射能的大值分布区域分别对应青藏高原南麓、中国东部近海、分析区域南部太平洋深海和日本以东洋面。而闪电时空尺度和光辐射能在青藏高原和高原南麓总是较小。

2) 基于09:00—14:00和18:00—次日06:00两个时段的LIS闪电数据的逐月分析，除区域6外，闪电空间尺度和光辐射能的逐月变化趋势较为一致，但持续时间与空间尺度和光辐射能的逐月变化在多个地区和不同时段均有明显差异。陆地区域闪电通道延展距离和光辐射能的逐月变化与闪电活动的逐月变化大体呈反向对应关系，海洋区域则具有多种对应关系。此外，部分地区的部分闪电属性在不同时段差异明显。

3) 09:00—14:00和18:00—次日06:00闪电时空尺度和光辐射能均呈对数正态分布的特点，其中陆地闪电相比海洋闪电在各属性值上更向小值区集中。本文得到6个区域各闪电属性的中值范围(以夜晚LIS探测效率较高的18:00—次日06:00时段为例)：闪电持续时间为0.18～0.29 s，通道延展距离为12～21 km，光辐射能为0.11～0.52 J·m-2·sr-1·μm-1。

4) 09:00—14:00和18:00—次日06:00闪电持续时间均为区域4最大，区域1最小；两个时段的闪电通道延展距离在区域5最大，09:00—14:00在区域1最小，18:00—次日06:00则在区域2最小；两个时段的光辐射能在区域6最大，09:00—14:00 在区域1最小，09:00—14:00和18:00—次日06:00 则为区域2最小。

5) 闪电不同属性间相关分析表明：18:00—次日06:00闪电各属性之间的相关关系优于09:00—14:00，同为表征闪电空间尺度的通道延展距离和通道区域面积相关关系最佳，闪电空间尺度与闪电光辐射能之间的相关性也较强，闪电的持续时间与闪电空间尺度和光辐射能的相关关系最差。

研究中应注意两点：第一，先前雷暴个例研究中发现闪电空间尺度或地闪电流强度与闪电频次呈反向对应关系[10-12，21]，在海陆雷暴和闪电研究中发现具有较弱对流特征的海洋雷暴闪电尺度和放电强度大于具有较强对流特征的陆地雷暴[8，14，16]。这种闪电尺度与闪电频次在空间上的反向对应关系在本文的海陆对比中也有体现；但具体到地区，却并非完全如此。如在2.1节分析中，从我国的东部到西部，闪电密度呈减小趋势，而闪电空间尺度和光辐射能也呈减小趋势。原因可能是我国雷暴活动的频次从东到西呈减小特征，导致气候统计的闪电频次从东到西减少，但区域3和西部地区的雷暴对流可能更强，从而导致闪电尺度和光辐射能相对较小。区域1是一个例外，这个地区对流活动虽然频繁，但对流弱，对流云尺度小[22]，导致闪电频次、尺度和光辐射能均较小。因此，从雷暴个体或更宏观的海陆差异角度得到的闪电密度和频次的反向关系不能直接推广到相关闪电属性的气候时空分布上。第二，与潜在的主观认知不同，闪电持续时间与闪电尺度和光辐射能之间的相关关系不明显，这可能意味着闪电放电的物理过程与雷暴结构和电荷结构之间的复杂关系，值得从闪电放电过程的角度进一步探究。