超强台风“玛莉亚”闪电活动特征分析①

2022-10-09吴生灿张烨方刘冰林岚吴启绵

热带农业工程 2022年4期

吴生灿张烨方刘冰林岚吴启绵

（1 福建省南平市气象局福建南平 353000；2 福建省气象灾害防御技术中心福建福州 350008）

台风结构、强度及路径预报是做好台风灾害预警、减少台风过程灾害的有效办法。闪电的形成与云内微物理过程、动力特征密切相关，闪电活动变化表明云内对流正在变化。近年来对台风过程的闪电活动研究表明，台风过程中的闪电可能对台风结构和强度变化预报预警有指示意义。Price C M A等［1］分析了全球56个飓风过程的闪电活动，发现闪电频数跟飓风最大持续风速存在正相关，相关系数达到0.82。在飓风达到最强，气压达到最低点前一天闪电频数增加。潘伦湘等［2］分析了西北太平洋地区2005～2008年登陆我国的7次台风过程，发现在台风中心最大风速急剧增大阶段，眼壁上闪电爆发，在眼壁闪电（台风中心100 km范围内的闪电）爆发几小时后中心风速达到最大值，有个别台风在台风最强期间的前半段眼壁闪电爆发。潘伦湘等［3］分析了台风“圣帕”过程的闪电活动，发现在台风中心最大风速急剧增大阶段，眼壁上闪电爆发两次，在第二次眼壁闪电爆发后2 h，中心风速达到最大值。雷小途等［4］使用TRMM卫星获得的闪电信息结合热带气旋活动特征，发现闪电与热带气旋的强度及变化有一定关系，利用发生在热带气旋不同区域的闪电信息可对热带气旋的强度进行估算。因此，对台风中闪电活动的研究具有现实意义。

我国东南沿海地区，特别是台湾岛—台湾海峡—福建沿海地区的近海海域，是最易发生热带气旋闪电的两个区域之一［4］，研究此区域典型台风与闪电活动特征，有助于加深对台风结构、强度与闪电活动的了解。本研究将综合使用福建省三维闪电定位系统与全球闪电定位系统（World Wide Lightning Location Network，WWLLN）提供的闪电定位数据、中国气象局热带气旋资料中心提供的台风数据、福建省气象局提供的雷达资料对1808号超强台风中闪电活动特征进行分析。

1 数据来源

1.1 闪电数据

使用福建省三维闪电定位系统（主要用于研究台风登陆福建前后闪电活动特征）和全球闪电定位系统（World Wide Lightning Location Network，WWLLN）提供的闪电定位数据。使用某时刻前后90 min的闪电代表该时刻闪电发生情况。

福建省三维闪电定位系统共布设16台探测仪，探测半径200 km，可以覆盖福建全省及中国台湾海峡近海区域。全球闪电定位系统（WWLLN）详细介绍见相关文献［5］。WWLLN通过探测闪电产生的甚低频电磁辐射信号，可以探测到数千公里内闪电发生的电磁辐射信号，实现全时监控台风过程的闪电活动。尽管WWLLN探测效率不高，但其探测结果可以反映海洋上空闪电活动分布规律，帮助了解热带气旋对流中的闪电活动特征［6-8］。

1.2 台风资料

使用中国气象局热带气旋资料中心提供的CMA热带气旋最佳路径数据集数据。数据集提供了每6 h的台风信息、台风登陆前24 h及在我国陆地活动期间每3 h的台风信息，具体为气旋编号、时间、中心位置、中心最低气压、近中心最大风速等，采用国家标准GB/T 19201-2006［9］定义热带气旋强度等级。

将台风的径向方向划分为内核、内雨带和外雨带。其中距台风中心0～50 km为眼壁区域，0～100 km为内核区域，100～200 km为内雨带区域，200～500 km为外雨带区域。参照Kapand［10］、Shu［11］将台风在海上强度变化的标准定为迅速加强（Rapid Intensity，RI）、一般加强（Average Intensity Change，AIC）、迅速减弱（Rapid Weaken），判定标准是24 h风速变化，即RI为ΔVmax24≥15 m/s、RW为ΔVmax24≤-20 m/s、AIC为-20 m/s≤ΔVmax24≤15 m/s。

1.3 雷达数据

研究表明，6 km高的雷达回波与闪电活动关联性较好［12］，且眼壁区闪电与5～7 km高度混合相变区雷达反射率高值区关系密切［13］，因此，本研究使用6 km高度处的雷达回波。

2 结果与分析

2.1 台风过程

1808号强台风“玛莉亚”是中华人民共和国成立以来7月直接登陆福建的最强台风，于2018年7月4日12：00（世界时，下同）生成于美国关岛以东海洋面上，2018年7月11日9∶10左右在福州市连江县黄岐半岛沿海登陆，登陆时中心附近最大风力14级，沿海局部最大阵风达17级，至2018年7月11日12时减弱为热带低压。台风发展过程与强度信息详见表1。

表1 台风发展过程与强度变化

续表1 台风发展过程与强度变化

2.2 台风过程中闪电活动分布特征

图1是台风过程中距台风中心500 km内闪电活动径向分布图。由表1与图1可以看出，气旋过程的闪电活动总体呈现出3个时间段分布，大致对应台风发展的初始期（经过热带低压、热带风暴、强热带风暴等强度等级）、成熟期（经过台风、强台风、超强台风、强台风、台风等强度等级）及消散期（经过强热带风暴、热带风暴、热带低压等强度等级）。

初始期，当处于热带低压、热带风暴阶段，闪电主要发生在外雨带与内雨带外侧区域。当增强为强热带风暴时，内核区开始出现闪电活动。但闪电活动较弱。随着中心气压降低，近台风中心最大风速快速增长，气旋逐渐进入成熟期。内核闪电迅速增加，尤其是眼壁闪电活动增长幅度最大，在6日3∶00达到最高值，而后逐渐回落，8日3∶00眼壁闪电短暂增加后再次减少。内雨带中远离台风中心较远区域的闪电持续时间相对较长，但总体闪电活动偏少。外雨带闪电活动相对活跃，在各个局域中均有闪电发生，其中处于外雨带中间区域闪电活动变化最为频繁。消散期，雨带中闪电活动相对于前两个阶段均有所增强，11日6∶00开始各区域闪电活动进入爆发期。台风登陆前后，外雨带近台风中心位置的闪电活动最为活跃。在台风中心登陆3 h后闪电逐渐减少。在消散期，外雨带的闪电活动明显高于另外两个区域，并且闪电活动剧烈的位置随时间变化呈现出从内侧向外侧变化的趋势。

总的来说，台风活动主要发生在气旋发展成熟期至结束，强热带风暴、热带风暴闪电活动强于台风及以上等级。外雨带中内侧闪电活动较为活跃，且在台风登陆减弱为强热带风暴后，闪电活动徒增趋势明显且维持了一段时间。内雨带闪电活动最少，在台风登陆前有短暂增加。内核闪电活动主要发生在初始至成熟阶段，眼壁区域闪电活动在气旋增强为超强台风的阶段达到峰值。

2.3 台风强度变化与闪电活动关系

研究表明，台风强度快速增强时，闪电活动也可能出现明显增长，闪电活动与台风强度变化存在一定的关联性，这主要是由于台风活动影响着产生闪电的云内微物理过程。

图2～3分别是距台风中心0～50、0～500 km闪电活动与台风近中心最低风速、中心最低气压图。结合表1、图2可见，7月4日6∶00，台风进入RI阶段，气旋中心气压迅速减小，近中心最大风速快速增长，眼壁区域开始出现闪电活动。7月5日14∶00时，眼壁闪电突然陡增，此时台风正逐渐增强为超强台风，并于7月6日0∶00时中心气压达到最低值，近中心风速达到峰值。眼壁闪电爆发提前于台风最大强度10 h。随后近12 h眼壁闪电活动仍一直处于活跃期，同期中心气压逐渐回升。7月6日12∶00时，闪电活动开始快速减少。6 h后中心气压逐渐回升，中心风速有所回落。7月8日0∶00时，台风中心气压快速减小，6∶00前后，眼壁闪电经过连续3 h增长后，中心气压第二次达到最低值。结合表1、图3可见，在整个台风发展过程中闪电活动主要集中在AIC与RW，RI期间闪电活动相对较弱，台风登陆前后的6 h内闪电活动最活跃，7月6日23∶00，闪电次数达到最高值，台风消散后闪电活动也随之逐渐减少。在AIC、RW期间，闪电活动变化趋势与台风强度的增长趋势基本相同，但闪电活动变化要提前3 h。

总的来看，眼壁闪电的爆发提前于台风最大强度出现，眼壁闪电活动在短时间连续增长或陡增对台风强度等级具有一定的指示作用，眼壁闪电爆发有可能预示着台风强度正在增强。RI期间台风过程中闪电活动相对较弱，台风登陆后闪电活动可能爆发。

2.4 台风登陆前后闪电活动

2018年7月11日9∶10，台风在福州市连江县黄岐半岛沿海登陆，台风登陆前后福建省内闪电活动情况见表2。从表2中可知，台风登陆过程中福建省内闪电活动主要发生在台风登陆后。台风登陆前12 h，福建省内几乎没有闪电活动，台风中心登陆前后3 h，没有闪电发生，而后闪电活动有所加强，15∶00后闪电活动陡增。登陆后闪电活动负闪明显多于正闪。图4～5分别是7月11日15∶00、21∶00的6 km高度处雷达回波与闪电活动分布图。15∶00热带低压形成的云系覆盖了福建省内大部分上空，处于外雨带的漳州、龙岩地区部分回波强度达到了35 dBZ，该区域存在较强的闪电活动。21∶00云系已快速消散，此时在漳州、龙岩还零星发生闪电，但数量已大幅减少。总体上看，台风登陆前福建省内闪电活动很微弱，在台风即将消散的最后几小时内，省内闪电活动呈现陡增随后快速消失的过程。闪电区域与雷达回波高于35 dBZ的区域存在较好的一致性。