南海雷暴大风时空分布及闪电和对流活动特征

闫琳城 张文娟 张义军 张增海 郑 栋 姚 雯 孙秀斌 张一旭

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081)

2)(成都信息工程大学, 成都 610225)

3)(复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院, 上海 200438)

4)(复旦大学海洋气象灾害联合实验室, 上海 200438) 5)(国家气象中心, 北京 100081)

引 言

雷暴大风是一种灾害性强对流天气,突发性强,范围小,时间短,阵风风力常在8级以上,并伴有雷电,是目前天气预报预警的重点和难点之一[1]。目前有关海上雷暴大风的观测匮乏,在有限的观测数据基础上,统计海上雷暴大风的时空分布规律,分析其发生时的对流和闪电活动特征,对提高海上雷暴大风的预报具有重要意义[2-3]。

雷暴大风发展主要由强烈的下沉气流造成,下沉气流导致的冷池密度流(阵风锋)和动量下传作用非常明显[4]。下沉气流的空间分布不均匀,在大片下沉气流中往往存在一股或几股较强的下沉气流,即下击暴流[5-6]。中国产生雷暴大风的气候特征存在区域差异,强雷暴大风主要发生在中国中东部地区,3月开始在西南、华南地区出现,4月北进到华中、华东地区,5月继续向北推进到华北、东北和西北地区[7-8]。海上风的风速夜间大、白天小,而沿岸风的风速白天大、夜间小,最大值出现在14：00(北京时,下同)前后[9]。

研究指出,南海地区的雷暴活动较为活跃[10]。尽管陆地上发生的闪电频次大约是海洋上的10倍[11-12],但海洋上发生的闪电往往更强[13-15]。闪电活动分布是反映某一地区基本气候特征的重要指标[16]。我国近海海域闪电密度平均值是全球海洋平均值的近5倍,这说明陆缘海和大洋上的雷电活动存在明显不同[17],海洋闪电更大、更亮、持续时间更长[18]。热带测雨卫星闪电成像传感器(TRMM/LIS)探测到的海洋闪电也有同样的结果[19]。此外,很多研究指出大风过程出现前存在闪电频次峰值或闪电跃变现象[20-21]。利用雷达数据,Williams[22]发现闪电频次峰值和闪电跃变出现在大风事件之前。

为了认识我国南海区域雷暴大风的时空分布特征及其对流和闪电活动特征,基于MICAPS气象观测站以及海洋浮标记录的2019—2020年极大风数据,识别出我国南海区域71次雷暴大风过程。利用全球闪电定位网(WWLLN)提供的闪电观测数据,结合风云四号气象卫星A星多通道扫描成像辐射计(FY-4A/AGRI)的云属性(云顶亮温和云顶高度)数据,初步分析我国南海区域雷暴大风的时空分布特征、闪电活动及其跃变特征,以及产生大风的雷暴云对流属性(云顶亮温、云顶高度、低值亮温区面积及其与大风发生位置的关系等)特征。研究结果可为我国南海区域雷暴大风过程的监测和预警提供参考。

1 数 据

1.1 大风数据

本文研究范围为我国南海区域(5°～30°N,105°～125°E),极大风(10 min内瞬时风速的最大值)数据来源于该范围内的28个海上观测站,观测站距离海岸线均超过200 km,观测站分布见图1。数据由中国气象局MICAPS地面气象观测数据库提供,包括观测站的站号、经纬度、海拔高度、风向、风速以及风速观测时间,数据时间分辨率为10 min。

1.2 闪电数据

全球闪电定位网(world wide lightning location network,WWLLN)于2004年由美国华盛顿大学地球与空间科学中心负责建设,目前全球已超过80个观测站[23]。本文使用2019—2020年WWLLN在南海区域探测的闪电数据,包括闪电经纬度位置和发生时间。

1.3 卫星云顶数据

研究使用的云属性数据包括云顶亮温和云顶高度,均来自FY-4A/AGRI,空间分辨率为4 km,全圆盘成像仪时间分辨率为15 min,中国区域时间分辨率为5 min[24]。

2 研究方法

本文研究方法主要包括3部分：大风数据的质量控制和高度订正、雷暴大风过程的筛选和样本集形成、闪电跃变算法。首先使用2019—2020年的MICAPS大风数据将风速订正为10 m高度风速,经过质量控制,对数据进行筛选,形成2019—2020年南海地区雷暴大风过程样本集。后续研究均以该样本集为基础,分析雷暴大风的时空分布特征,通过筛选出的雷暴大风过程在时间和空间范围匹配WWLLN闪电数据和卫星云顶数据,分析雷暴大风过程的闪电活动及跃变特征和云对流属性特征。

2.1 高度订正和大风数据的质量控制

订正风场可以很好地反映沿岸风场信息和大风过程中的风速极值区,并能动态监测大风变化过程[25]。在风速随高度的变化上,幂指数法较为常用[26-28]。本研究采用幂指数法,根据植石群等[29]研究结果将各测站的风速订正到10 m高度,并对风速数据进行质量控制[30]。

2.2 雷暴大风过程的筛选和样本集形成

本研究定义的雷暴大风过程为风速峰值超过17.2 m·s-1[31],持续时间不超过3 h,且雷暴区域范围内存在5个及以上WWLLN闪电记录的过程。按照以上标准筛选出雷暴大风过程共71次,其中2019年50次,2020年21次。定义T-表示雷暴大风过程中风速峰值发生前的时刻,T+表示风速峰值发生后的时刻。本研究未确定每个雷暴大风过程的具体时间范围,为了研究闪电活动是否具有指示作用,研究时间段为大风过程风速峰值时刻的前45 min 至峰值后30 min共75 min(T-45～T+30)[32]。定义雷暴大风持续时间不超过3 h,这是为了在挑选雷暴大风个例时剔除系统性大风。尽管不同雷暴大风过程风速峰值不同,持续时间不同,但是研究的标准均是每个雷暴大风过程风速峰值时刻的时间前45 min至后30 min。若同一个雷暴大风过程有两个峰值,则取较大风速的时刻。

其次,需要确定每个雷暴大风过程的空间范围,对每个样本选云顶亮温(TBB)小于220 K的连续云团,作为该样本雷暴大风过程的研究区域。目的是为了识别孤立的雷暴大风单体,一方面将非孤立的过程排除,另一方面针对孤立单体,挑选出TBB小于220 K的强对流区域。为了检验产生大风的雷暴的闪电活动是否具有指示性,定义孤立雷暴,排除大风之外其他云团的闪电活动的干扰。在研究雷暴大风的闪电跃变特征和对流特征时,选择样本中12个孤立单体作为研究对象。

本研究的雷暴大风过程样本分为两部分：①全部样本,共计71次,用于研究总体时空分布特征;②孤立雷暴样本,共计12次。12次孤立过程有8次分布在南海北部,4次分布在南海南部。手动框选出的孤立云团,云团范围清晰,闪电也比较集中,用于研究雷暴大风闪电活动特征和对流特征,也便于检验产生大风的雷暴的闪电活动是否具有指示性。

3 雷暴大风时空分布特征

3.1 雷暴大风的时间分布特征

根据海上大风预警等级[33],2019—2020年南海区域的雷暴大风样本总体以8级大风(17.2～20.7 m·s-1)为主,占总样本的81.8%,其余为9级大风(20.8～24.4 m·s-1),占总样本的18.2%。由总体年分布看,南海区域2019年发生的雷暴大风次数(50次)高于2020年(21次)。图2为雷暴大风的年变化。可以发现,南海区域雷暴大风主要发生在5—9月,占全年雷暴大风的86%,每月均出现2次以上的雷暴大风过程,而其他月份发生雷暴大风次数均在2次及以下。一年中雷暴大风平均发生次数最大值出现在8月,超过12次,占全年雷暴大风的39%。

图2 2019—2020年南海区域雷暴大风频次年变化Fig.2 Annual frequency variation of thunderstorms and strong winds in the South China Sea from 2019 to 2020

图3为2019—2020年南海区域雷暴大风频次日变化。南海区域的雷暴大风主要发生于凌晨和上午(05：00—12：00)。雷暴大风频次从凌晨开始增加,10：00达到最高值。频次午后开始下降,16：00—18：00再次稍增多,随后快速下降,傍晚和夜间(19：00—23：00)较少发生雷暴大风。为了统计南海区域不同时段雷暴大风出现频率,将一日划分为4个时间段：上午(07：00—12：00)、下午(13：00—18：00)、前半夜(19：00—00：00)和后半夜(01：00—06：00)。前半夜是雷暴大风出现频率最低的时间段,仅占5.6%,上午是雷暴大风过程发生频率最高的时间段,占36.6%,下午(29.6%)和后半夜(28.2%)发生雷暴大风过程的频率相当。

3.2 雷暴大风的空间分布特征

图4为2019—2020年南海区域雷暴大风过程发生频次的空间分布。整体上,雷暴大风过程主要发生在南海北部地区,2019—2020年共计发生55次雷暴大风过程,有5个观测站记录到平均每年3次及以上的雷暴大风过程。南海中部和南海南部发生的雷暴大风相对较少,这两个区域所有观测站记录到的雷暴大风过程频次均小于每年3次,2019—2020年南海中部共计发生6次雷暴大风过程,南海南部共计发生10次雷暴大风过程。造成南海北部、中部和南部雷暴大风过程空间分布差异的可能原因：①南海北部观测站的观测效率高于中部和南部,②受季风和地形作用的影响[34],③南海北部本身发生雷暴大风的次数更多。

图4 2019—2020年南海区域雷暴大风年平均频次空间分布Fig.4 Spatial distribution of annual frequency of thunderstorms and strong winds in the South China Sea from 2019 to 2020

2019—2020年至少包含1次雷暴大风过程的站点共计16个,其中南海北部9个,中部2个,南部5个。整体上南海北部的观测站观测到的雷暴大风过程多于南海中部和南部,最多的1个站观测到16次。2019—2020年南海北部的观测站每个站平均每年观测到3.1次,南海中部和南部平均分别观测到1.5次和1次。2019—2020年南海北部的观测站相比于南海中部和南部的观测站观测到雷暴大风的效率更高。

本次研究的71次雷暴大风次雷暴大风过程,通过与热带气旋最佳路径数据集(中国气象局上海台风研究所提供)进行匹配发现,共有14次雷暴大风过程的观测站位置距离对应时间的台风中心位置小于500 m,因此初步推测这14次雷暴大风过程可能均由台风引起。

4 雷暴大风过程的闪电活动特征

4.1 闪电活动的空间分布特征

图5是2019—2020年所有雷暴大风过程WWLLN观测到的闪电密度空间分布图。由图5可知,南海北部区域闪电密度最高,闪电密度极大值区域分布在广东南部近海区域,南海中部与南部区域闪电密度非常小。这与前面分析的雷暴大风过程空间分布结果相符合。

图5 2019—2020年雷暴大风过程闪电密度空间分布Fig.5 Spatial distribution of lightning density of thunderstorms and strong winds from 2019 to 2020

分析孤立雷暴过程的闪电活动特征发现,风速峰值分布为17.2～23.61 m·s-1,闪电频次为0.24～31.51 min-1。由统计闪电发生位置与观测站间的距离(图6)可见,大部分闪电发生在距离观测站100 km范围以内,且闪电集中发生在40～80 km的半径范围,平均雷暴大风在40～60 km范围和60～80 km范围内记录到100次闪电以上。而在距离观测站100 km以上的范围,雷暴大风过程中记录到的闪电次数相对较少,孤立雷暴过程中平均每次记录到的闪电不足40次。

4.2 闪电跃变

本研究采用σ算法[35-36]计算闪电跃变。本文对12次孤立雷暴过程中闪电频次的跃变进行分析,发现在大风风速达到峰值前,均存在明显的闪电跃变。在12次孤立雷暴大风过程中,闪电首次跃变最早发生的时刻超前雷暴大风风速峰值时刻30 min,闪电首次跃变最晚发生在超前雷暴大风风速峰值时刻2 min,12次雷暴大风过程平均首次发生闪电跃变的时刻超前于大风风速峰值时刻16.2 min。图7是2019年4月20日10：55雷暴大风过程的闪电频次及跃变情况。在大风峰值时刻的前29 min时(即T-29处),闪电频次达到最大值40 min-1,风速达到峰值时刻之前,闪电活动整体较强,闪电频次较大,并且存在明显下降趋势。而在风速达到峰值之后,闪电活动趋于平稳且闪电频次均小于10 min-1。经闪电跃变算法识别,该过程中闪电活动存在3次明显跃增,分别发生在T-30,T-18,T-2时刻,其中在大风风速峰值时刻的前30 min,闪电频次增幅最明显,表明闪电活动对雷暴大风峰值发生时刻具有一定指示作用。

图7 2019年4月20日10：55闪电频次及跃变Fig.7 Lightning frequency and jump at 1055 BT 20 Apr 2019

图8为2019年5月28日02：20雷暴大风过程的闪电频次及跃变情况。此次雷暴大风过程中,闪电频次在T-40时刻达到最大值,为25 min-1。与图7过程相同,随着雷暴大风风速峰值时刻的临近,闪电频次下降趋势明显,而在雷暴大风的风速达到峰值时刻之后,闪电频次均低于15 min-1且趋于稳定。闪电频次变化率在T-2时刻存在一次明显的跃增。第2次跃增是发生在T+20,这或许是因为在雷暴大风风速峰值之后的T+19时刻闪电活动频次加剧,所以在雷暴大风风速峰值之后也出现了闪电跃增。

图8 2019年5月28日02：20闪电频次及跃变Fig.8 Lightning frequency and jump at 0220 BT 28 May 2019

5 雷暴大风过程的对流特征

在雷暴大风峰值时刻,TBB主要集中分布在200～220 K,云顶高度集中分布在12.5～15 km。从目前有限的观测数据中无法获得雷暴大风过程中的最大风速以及最大风速的位置,因此普遍使用观测站记录到的最大风速进行研究。本研究以观测站为定点,分析观测站上空云团的对流属性,分析雷暴大风过程中观测站与对流最强位置的距离以及TBB差值,获取大风发生位置与该雷暴对流最强位置的距离差。分析观测站位置(即雷暴大风发生位置)和孤立雷暴大风云团内TBB最低值位置(即最强对流发生位置)的距离差和TBB数值差,发现二者最近距离为12.2 km(2020年8月4日11：17过程),最远距离达到199.3 km(2019年8月16日14：11过程)。TBB最低值位置与雷暴大风位置TBB差值最小为5.8 K(2019年4月20日10：55过程),最大为52.7 K(2019年8月16日14：11过程)。从平均看,雷暴大风云团TBB最低值位置与雷暴大风站点位置的距离平均为77.2 km,TBB值平均相差2.6 K。

选取TBB小于220 K(-53℃)和TBB小于210 K(-63℃)的面积作为云顶亮温低值区面积,表明强对流核的发展。对云顶亮温低值区面积进行归一化后结果见图 9。在孤立雷暴过程中,有8个雷暴过程的TBB小于220 K和TBB小于210 K的面积随时间演变有明显减小趋势(图 9a),其中TBB小于210 K的面积在雷暴大风过程演变中降低趋势更明显,在T-15时刻之前面积急剧降低,随后出现短暂增加的过程,在T+10时刻之后再次急剧降低。而TBB小于220 K的面积相较于TBB小于210 K的面积在雷暴大风演变过程中降低的趋势相对平缓。在T-15时刻之前面积趋于稳定,而在T-15时刻之后面积降低较为明显。图9b是4个TBB低值区面积随时间演变逐渐增加的雷暴大风过程。TBB小于220 K和TBB小于210 K的面积在雷暴大风过程中变化趋势大致相同,整体均呈现上升趋势,强对流面积分别在T-25时刻和T时刻增加最为明显。雷暴大风的强对流发展过程可划分为初始、发展、成熟和消亡4个阶段,成熟阶段红外亮温较低[37]。图9a的8个雷暴大风过程前5 min的时间段内TBB平均值为206.4 K,末尾5 min的TBB平均值为212.1 K。图9b的4个雷暴大风过程前5 min的时间段内TBB平均值为208.1 K,末尾5 min的TBB平均值为201.5 K。推测图9a的8个雷暴大风过程对流发展过程处于成熟到消亡阶段,而图9b的4个雷暴大风过程对流发展过程处于发展至成熟阶段。因此强对流面积出现两种不同趋势,可能与强对流发展过程处于不同阶段有关。在75 min雷暴大风过程时间内,图9a的8个雷暴大风的移动方向无明显规律,而图9b的4个雷暴大风过程呈现整体由东向西或西南方向移动的趋势。因此,两种不同变化趋势可能由大风移动方向不同所致。

图9 孤立雷暴大风过程TBB低值区面积变化(a)TBB面积逐渐减小,(b)TBB面积逐渐增大Fig.9 Area of low TBB in isolated thunderstorms and strong winds(a)decreased TBB area,(b)increased TBB area

6 结论与讨论

本研究得到以下主要结论：

1) 2019年南海区域雷暴大风次数(50次)高于2020年(21次),雷暴大风总体以8级大风(17.2～20.7 m·s-1)为主,占总样本的81.8%。雷暴大风过程主要发生在南海北部地区,有5个观测站记录到5次及以上的雷暴大风过程,而南海中部和南海南部发生的雷暴大风相对较少。造成南海北部、中部和南部雷暴大风过程空间分布特征差异的可能原因：①南海北部的观测站观测效率高于中部和南部,②受季风和地形作用的影响,③南海北部本身发生雷暴大风的次数更多。

2) 在时间分布特征方面,雷暴大风主要发生在5—9月,峰值出现在8月,3月雷暴大风发生次数最少。雷暴大风主要发生在上午(07：00—12：00)(占36.6%),10：00达到频次最高值,午后(14：00开始)频次大幅减少。前半夜(19：00—00：00)发生频次较低(占5.6%),而在21：00—23：00发生频次最少。

3) 雷暴大风过程的闪电活动主要分布在南海北部区域,闪电密度极大值区域分布在广东南部近海区域,闪电频次为0.24～31.51 min-1,大部分闪电发生在距离观测站100 km范围内,且闪电集中发生在40～80 km的半径范围内。12次孤立雷暴大风过程均存在明显的闪电跃变,首次跃变发生时刻相对大风峰值时刻超前30 min至2 min,平均超前于雷暴大风峰值16.2 min,表明闪电活动对雷暴大风峰值发生时刻具有一定指示作用。

4) 在对流特征方面,雷暴大风风速峰值时刻,观测站位置处的TBB为200～220 K,云顶高度为12.5～15 km。孤立雷暴大风云团TBB最低值(即最强对流发生位置)与雷暴大风观测站(即雷暴大风发生位置)的平均距离为77.2 km,TBB平均相差2.6 K。在孤立雷暴大风过程(75 min)中,有8个过程的TBB小于220 K对流区面积逐渐减小,有4个过程的TBB小于220 K对流区面积逐渐增大,并呈现整体由东向西或向西南方向移动的趋势。强对流面积出现两种不同趋势,可能与强对流发展过程处于不同阶段或者与大风过程的移动方向以及大风类型有关。

本文对我国南海区域雷暴大风过程的闪电活动和对流特征进行分析,研究以观测站进行定点分析,然而观测站所处位置并不代表整个过程的最大风速位置,因此分析有一定局限性。此外,鉴于南海北部和南部雷暴大风空间分布存在差异、雷暴大风不同发展阶段(初始、发展、成熟和消亡)闪电活动和对流特征的差异、海洋陆地以及岛屿雷暴大风过程中闪电和对流特征的差异等,今后有待使用卫星、雷达等其他观测数据开展深入研究。