基于卫星资料的大连地区强对流天气闪电活动特征

邹耀仁 王赟 王淑一 徐丹

(大连市防雷减灾中心，辽宁 大连 116001)

引言

近年来，国内外很多学者对闪电机理和灾害的监测及预警进行了研究，普遍认为：闪电的发生发展与雷暴云内的微物理与动力特征息息相关[1-3]。由于闪电与强对流天气过程的发生、发展过程密切相关，所以通常将闪电资料和雷达、卫星等多源气象资料结合起来，通过研究雷暴云内的闪电过程与某些气象要素之间的关系[4-5]，进而对一些灾害性天气进行预警预报。

雷达回波强度是判断强对流灾害天气系统的重要参数，特别是对局地暴雨、雷雨大风和冰雹等强对流降水天气系统具有重要的指示意义[6]。由于大气温度在对流层通常表现为随高度的升高而降低，所以软雹、冰晶粒子及过冷水需要到达冰点以下温度所对应的高度才会产生，即云中粒子被上升气流拖曳到一定的高度，闪电一旦在含有这样粒子的云中发生，雷达回波必然会增强。雷暴属于灾害性天气(闪电、冰雹、大风和暴雨)，它是由强对流生成的，它的水平尺度变化很大，从几十公里至上百公里不等，垂直厚度大多在10 km左右，大多数发展较旺盛的雷暴单体的回波强度均能够达到30 dBz以上[7-8]。所以，通过对雷暴过程的雷达回波强度图的分析，可以得到闪电可能的发生位置。但值得注意的是，闪电始发的位置通常在强回波区，但强回波不一定有闪电发生。如Karunarathna等[2]对一次超级单体中发生的66次闪电过程进行统计并得出相似的结论，云闪几乎都始发于回波核上方，回波强度范围为20—35 dBz；地闪始发于回波核顶以及周边区域，回波强度范围为25—40 dBz。李南等[9]和曲学斌等[10]分别利用闪电活动个例进行了研究，证实了闪电发生的数量与雷达回波顶高有较好的对应关系。Smith等[6]利用X波段偏振雷达与飞机观测到的粒子相态数据表明，该区域存在液态水的凝结过程，进一步证实了其为相态混合区的结论。一些学者对强对流天气过程的闪电活动特征与雷达之间的关系进行了研究，发现雷电密集区与强对流回波相对应，雷达回波顶高与闪电活动分布一致[11-13]。

2016年12月11日，中国新一代地球静止轨道气象卫星风云四号A星(FY-4A)顺利发射升空，FY-4A卫星上携带的探测仪器可以实时监测强对流天气活动，对流云垂直发展旺盛时，云层厚且浓密，在红外波段可以将云层近似看作黑体，由此反演出云顶高度。随着高度上升云层温度逐渐降低，卫星云顶亮温(Cloud Top Temperature，CTT)越低，意味着雷暴云高度越高，其中的对流运动越强烈，而闪电也通常发生在强对流天气系统中，因此CTT与闪电发生存在一定的关联性[14-15]。

由于不同地区的雷暴类型不同，相应的闪电活动特征也不同。因此，本文针对大连地区频繁的闪电活动，选取了2019年9月4日的一次典型天气过程，基于雷达资料和卫星资料和该地区建立的三维雷电定位资料，对这次天气过程的闪电活动特征进行综合分析，提取闪电与气象要素之间的关系，为闪电预警效果的提高提供参考。

1 资料与方法

闪电资料来源于大连市三维雷电定位系统6站同步数据。2019年大连市气象局建立了6个测站同步的三维雷电定位系统，如图1所示。测站两两之间的距离为45—128 km，大多数小于100 km，分别为庄河测站、长兴岛测站、长海测站、普兰店测站、大孤山测站、旅顺测站。探测系统通过实时采集多站同步磁场波形，利用互相关和时差法进行定位。

图1 大连地区三维雷电探测网测站分布Fig.1 Distribution of 3D lightning detection network stations in Dalian

雷达资料来源于大连地区多普勒天气雷达SA单站雷达资料，雷达探测半径为230 km。多普勒天气雷达利用了雷达数据采集系统(RDA)，产生电磁脉冲波束并发射，接收机接受目标物反射或散射回来的能量，经处理分析后得到雷达基数据。雷达基数据已经通过基本的电磁干扰杂波滤除、地物杂波滤除等质量控制。雷达天线绕垂直轴进行360°全部方位扫描，间距为1°，6 min完成一次体扫，扫描仰角为0.5°—19.5°，其中0.5°和1.5°分别扫描两次，记为一个仰角。反射率因子距离库长为1 km，最大距离库数为460，速度和谱宽距离库长为0.25 km，最大距离库数为920。

卫星资料来源于中国气象卫星网(http://data.nsmc.org.cn)，使用的是FY-4A卫星CTT资料。CTT资料可以全天空、实时监测地面的强对流天气过程，通过红外探测技术，能够感知对流云顶亮温。CTT越低，意味着云对流越旺盛。从闪电发生机理来看，闪电通常发生在强对流区域，可以利用这一特点使用卫星数据对闪电特征进行研究。FY-4A卫星资料不受地物遮挡同时由于探测范围大，空间分辨率为4 km。

经过2019年6—9月大连地区雷电探测网的观测试验，三维雷电探测网工作稳定，数据传输正常。

2 结果分析

2.1 大连三维雷电定位系统闪电特征

2019年6—9月，6个测站总共观测到闪电21135个，其中云闪14122个，比例为66.82%，地闪7013个，正地闪716个，负地闪6297个，各种类型的闪电频次如图2所示。

图2 2019年6—9月大连不同闪电类型频次的逐月变化Fig.2 Monthly variation of different lightning frequencies from June to September in 2019 in Dalian

2.2 闪电活动特征与雷达回波的相关性

2019年9月4日13:23—23:40大连地区发生了一次强对流天气过程，这次过程是从大连东南方向开始，逐渐向西北移动，整个过程持续时间较长。图3为该过程每30 min统计一次的测区闪电频数，由图3a可见，共计发生闪电934次、云闪322次、地闪612次，分别占总闪的34.48%、65.52%。其中，负闪680次，正闪254次，分别占总闪电的72.81%、27.19%。由图3b可见，云闪与地闪高发时段不同，雷暴过程中云闪先于地闪发生，负闪频次较正地闪偏多，变化趋势基本一致，由此可见，该过程发生的闪电为负闪为主，这与大多数的雷暴一致。在旺盛阶段，地闪发生频次大于云闪，闪电最高频次可达146次/30 min，地闪旺盛阶段频次可达125次/30 min，云闪旺盛阶段频次可达45次/30 min，在消散阶段，地闪衰减的速度大于云闪。整个过程中，云闪均值高度为7.0—12.2 km，负云闪的高度高于正云闪。在旺盛发展阶段，云闪的高度较为稳定，基本维持在6—10 km，在始发阶段和消散阶段，云闪高度较大。该区域理论上对应着固态水成物粒子的聚集区，是闪电活动最为频繁的区域。从图3c可以看出，闪电强度的分布差异较大，负地闪电流强度为-20～-50 kA,在雷暴旺盛期间，相对比较平稳，在-40 kA上下，正地闪电流强度在始发阶段的变化幅度较大。

图3 2019年9月4日大连闪电频次(a)、云闪高度(b) 和闪电电流(c) 随时间变化Fig.3 Variation of lightning frequency (a),cloud lightning height (b),lightning current (c) on September 4，2019 in Dalian

为了进一步完整表达这次强雷暴过程的闪电与雷达相关活动特征，图4为2019年9月4日6 min的雷达回波强度组合反射率与闪电活动的叠加，即每个格点的雷达回波强度为6 min(1 km×1 km)格点的最大组合反射率值。从图4可以看出，这次雷暴过程水平尺度可达300 km×400 km。雷暴经历了初生、发展、分裂、再发展、消亡等阶段。由图4可知，闪电发生在强回波区，回波强度大约30 dBz左右及以上，个别回波强度超过45 dBz。同时，根据进一步分析发现，强回波区域对应的云顶高度通常超过8 km，这意味着该区域是强对流中心。整体上来看，闪电活动与雷暴的强对流回波具有较好的一致性。

图4 2019年9月4日15:30—15:36(a)、16:00—16:06(b)、16:30—16:36(c)、17:00—17:06(d)、17:30—17:36(e)、18:00—18:06(f)、18:30—18:36(g)、19:00—19:06(h)大连强对流天气雷达回波与闪电叠加Fig.4 Overlay of radar echo and lightning data in a severe convective weather occurred on September 4，2019 from 15:30 to 15:36 (a) ,16:00 to 16:06 (b) ,16:30 to 16:36 (c) ,17:00 to 17:06 (d) ,17:30 to 17:36 (e) ,18:00 to 18:06 (f) ,18:30 to 18:36 (g) ,19:00 to 19:06 (h) in Dalian

综上，雷达强回波区与闪电的位置有较好的对应关系，表1为2019年9月4日13:00—23:40整个雷暴过程中不同雷达组合反射率区间内闪电频数分布情况，去掉雷达缺失数据对应的24次闪电，剩余910次闪电。88.02%以上的闪电发生于雷达组合反射率大于30 dBz的区域。75%的闪电对应的雷达组合反射率为35.5 dBz的区域，超过50 dBz 的和低于10 dBz区域的闪电较少，分别为8次和12次，占0.88%和1.32%。

表1 大连不同雷达组合反射率的闪电频数分布Table 1 Distribution of lightning frequency in different combination flection of radar in Dalian

2.3 闪电活动特征与雷达参数的统计

选择大连地区2019年6次典型的强对流天气过程进行雷达组合反射率、雷达回波顶高和基于雷达观测时间后的每6 min内闪电频次统计(表2)，通过量化分析发现，大连地区闪电的发生与雷达组合反射率及雷达回波顶高有一定的对应关系，雷达组合反射率四分位数均值为39.35 dBz,雷达回波顶高四分位数均值为8.21 km。闪电较大一部分数据集中于雷达组合反射率为39.35 dBz、回波顶高为8.21 km区域附近。

表2 雷达与闪电参数四分位数统计Table 2 Quartile statistics of radar and lightning parameters

2.4 闪电活动特征与FY-4卫星CTT的相关性

FY-4卫星CTT与对流强度有较好的相关性，可以大致反应雷暴的发展区域。在雷暴云的发展过程中，对流活动强烈，雷暴云到达一定高度后，随着高度上升云层温度逐渐降低，CTT越低，意味着雷暴云高度越高，对流活动越强烈。2019年9月4日的强对流天气过程中的闪电活动与FY-4卫星CTT叠加见图6，每图对应的时间尺度为4—5 min，闪电活动也为相同时间尺度。闪电定位资料为大连地区的三维雷电定位数据。对2019年9月4日15:00—23:40雷暴过程进行统计分析，以卫星时间为准提取相应时间内每条闪电对应的CTT，之后逐小时进行分类统计，结果如图6所示，闪电发生时，对应的CTT为240—250 K，量化计算均值在240 K附近。该位置对应的是对流层，闪电可能发生在强大的对流云中，在强烈的对流系统中，地面的水汽随着气流上升，凝结成大量的冰晶和软雹等固态水成物粒子，不同粒子之间通过感应或非感应起电机制使得云携带了大量的电荷，从而使得闪电发生。

图5 2019年9月4日07:15:00—07:19:16(a)、07:19:17—07:23:33(b)、07:23:34—07:27:50(c)、07:30:00—07:34:16(d)、07:38:34—07:42:50(e)、07:45:00—07:49:16(f)、07:49:17—07:53:33(g)、07:53:34—07:57:50(h)大连闪电活动与FY-4卫星CTT叠加Fig.5 Overlay of lightning data and CTT data retrieved from FY-4 satellite occurred on September 4，2019 from 07:15:00 to 07:19:16 (a) 、07:19:17 to 07:23:33 (b) 、07:23:34 to 07:27:50 (c) 、07:30:00 to 07:34:16 (d) 、07:38:34 to 07:42:50 (e) 、07:45:00 to 07:49:16 (f) 、07:49:17 to 07:53:33 (g) 、07:53:34 to 07:57:50 (h) in Dalian

图6 2019年9月4日15:00—23:40大连闪电对应的FY-4卫星CTT箱线图Fig.6 Box line map of CTT retrieved from FY-4 satellite corresponding to lightning on from 15:00 to 23:40 September 4，2019 in Dalian

3 结论

(1)2019年9月4日大连地区雷暴初始阶段主要为云闪，云闪高度主要集中在7—12 km；在旺盛阶段，地闪发生频次多于云闪，云闪高度较为平稳；在雷暴后期，地闪迅速衰减；雷暴初始阶段和雷暴后期，闪电强度变化较大，在雷暴旺盛期间，强度相对比较平稳。

(2)对2019年典型天气过程分析发现，强回波区与闪电的位置有较好的对应关系，75%的闪电在云内始发时刻所对应的雷达组合反射率位于39.38 dBz附近，对应的云顶高度位于8.21 km附近。

(3)此次雷暴过程的闪电活动与FY-4卫星CTT之间存在较好的相关性，闪电主要发生在CTT为240—250 K，量化计算均值为240 K附近。

通过闪电资料、雷达资料以及卫星资料的相关性分析表明，三种资料在时间和空间上较为一致，通过研究闪电过程与某些气象要素之间的关系进而对一些灾害性天气进行预警预报，这为日后加强该地区雷电灾害预警和特征分析提供了新方法和新思路。由于收集到的资料有限，这里仅提供一种分析方法，将在今后的研究中进一步补充和完善。