基于衛(wèi)星資料的大連地區(qū)強對流天氣閃電活動特征

鄒耀仁 王赟 王淑一 徐丹

(大連市防雷減災(zāi)中心，遼寧 大連 116001)

引言

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對閃電機理和災(zāi)害的監(jiān)測及預(yù)警進行了研究，普遍認為：閃電的發(fā)生發(fā)展與雷暴云內(nèi)的微物理與動力特征息息相關(guān)[1-3]。由于閃電與強對流天氣過程的發(fā)生、發(fā)展過程密切相關(guān)，所以通常將閃電資料和雷達、衛(wèi)星等多源氣象資料結(jié)合起來，通過研究雷暴云內(nèi)的閃電過程與某些氣象要素之間的關(guān)系[4-5]，進而對一些災(zāi)害性天氣進行預(yù)警預(yù)報。

雷達回波強度是判斷強對流災(zāi)害天氣系統(tǒng)的重要參數(shù)，特別是對局地暴雨、雷雨大風(fēng)和冰雹等強對流降水天氣系統(tǒng)具有重要的指示意義[6]。由于大氣溫度在對流層通常表現(xiàn)為隨高度的升高而降低，所以軟雹、冰晶粒子及過冷水需要到達冰點以下溫度所對應(yīng)的高度才會產(chǎn)生，即云中粒子被上升氣流拖曳到一定的高度，閃電一旦在含有這樣粒子的云中發(fā)生，雷達回波必然會增強。雷暴屬于災(zāi)害性天氣(閃電、冰雹、大風(fēng)和暴雨)，它是由強對流生成的，它的水平尺度變化很大，從幾十公里至上百公里不等，垂直厚度大多在10 km左右，大多數(shù)發(fā)展較旺盛的雷暴單體的回波強度均能夠達到30 dBz以上[7-8]。所以，通過對雷暴過程的雷達回波強度圖的分析，可以得到閃電可能的發(fā)生位置。但值得注意的是，閃電始發(fā)的位置通常在強回波區(qū)，但強回波不一定有閃電發(fā)生。如Karunarathna等[2]對一次超級單體中發(fā)生的66次閃電過程進行統(tǒng)計并得出相似的結(jié)論，云閃幾乎都始發(fā)于回波核上方，回波強度范圍為20—35 dBz；地閃始發(fā)于回波核頂以及周邊區(qū)域，回波強度范圍為25—40 dBz。李南等[9]和曲學(xué)斌等[10]分別利用閃電活動個例進行了研究，證實了閃電發(fā)生的數(shù)量與雷達回波頂高有較好的對應(yīng)關(guān)系。Smith等[6]利用X波段偏振雷達與飛機觀測到的粒子相態(tài)數(shù)據(jù)表明，該區(qū)域存在液態(tài)水的凝結(jié)過程，進一步證實了其為相態(tài)混合區(qū)的結(jié)論。一些學(xué)者對強對流天氣過程的閃電活動特征與雷達之間的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)雷電密集區(qū)與強對流回波相對應(yīng)，雷達回波頂高與閃電活動分布一致[11-13]。

2016年12月11日，中國新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號A星(FY-4A)順利發(fā)射升空，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星上攜帶的探測儀器可以實時監(jiān)測強對流天氣活動，對流云垂直發(fā)展旺盛時，云層厚且濃密，在紅外波段可以將云層近似看作黑體，由此反演出云頂高度。隨著高度上升云層溫度逐漸降低，衛(wèi)星云頂亮溫(Cloud Top Temperature，CTT)越低，意味著雷暴云高度越高，其中的對流運動越強烈，而閃電也通常發(fā)生在強對流天氣系統(tǒng)中，因此CTT與閃電發(fā)生存在一定的關(guān)聯(lián)性[14-15]。

由于不同地區(qū)的雷暴類型不同，相應(yīng)的閃電活動特征也不同。因此，本文針對大連地區(qū)頻繁的閃電活動，選取了2019年9月4日的一次典型天氣過程，基于雷達資料和衛(wèi)星資料和該地區(qū)建立的三維雷電定位資料，對這次天氣過程的閃電活動特征進行綜合分析，提取閃電與氣象要素之間的關(guān)系，為閃電預(yù)警效果的提高提供參考。

1 資料與方法

閃電資料來源于大連市三維雷電定位系統(tǒng)6站同步數(shù)據(jù)。2019年大連市氣象局建立了6個測站同步的三維雷電定位系統(tǒng)，如圖1所示。測站兩兩之間的距離為45—128 km，大多數(shù)小于100 km，分別為莊河測站、長興島測站、長海測站、普蘭店測站、大孤山測站、旅順測站。探測系統(tǒng)通過實時采集多站同步磁場波形，利用互相關(guān)和時差法進行定位。

圖1 大連地區(qū)三維雷電探測網(wǎng)測站分布Fig.1 Distribution of 3D lightning detection network stations in Dalian

雷達資料來源于大連地區(qū)多普勒天氣雷達SA單站雷達資料，雷達探測半徑為230 km。多普勒天氣雷達利用了雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(RDA)，產(chǎn)生電磁脈沖波束并發(fā)射，接收機接受目標物反射或散射回來的能量，經(jīng)處理分析后得到雷達基數(shù)據(jù)。雷達基數(shù)據(jù)已經(jīng)通過基本的電磁干擾雜波濾除、地物雜波濾除等質(zhì)量控制。雷達天線繞垂直軸進行360°全部方位掃描，間距為1°，6 min完成一次體掃，掃描仰角為0.5°—19.5°，其中0.5°和1.5°分別掃描兩次，記為一個仰角。反射率因子距離庫長為1 km，最大距離庫數(shù)為460，速度和譜寬距離庫長為0.25 km，最大距離庫數(shù)為920。

衛(wèi)星資料來源于中國氣象衛(wèi)星網(wǎng)(http://data.nsmc.org.cn)，使用的是FY-4A衛(wèi)星CTT資料。CTT資料可以全天空、實時監(jiān)測地面的強對流天氣過程，通過紅外探測技術(shù)，能夠感知對流云頂亮溫。CTT越低，意味著云對流越旺盛。從閃電發(fā)生機理來看，閃電通常發(fā)生在強對流區(qū)域，可以利用這一特點使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對閃電特征進行研究。FY-4A衛(wèi)星資料不受地物遮擋同時由于探測范圍大，空間分辨率為4 km。

經(jīng)過2019年6—9月大連地區(qū)雷電探測網(wǎng)的觀測試驗，三維雷電探測網(wǎng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常。

2 結(jié)果分析

2.1 大連三維雷電定位系統(tǒng)閃電特征

2019年6—9月，6個測站總共觀測到閃電21135個，其中云閃14122個，比例為66.82%，地閃7013個，正地閃716個，負地閃6297個，各種類型的閃電頻次如圖2所示。

圖2 2019年6—9月大連不同閃電類型頻次的逐月變化Fig.2 Monthly variation of different lightning frequencies from June to September in 2019 in Dalian

2.2 閃電活動特征與雷達回波的相關(guān)性

2019年9月4日13:23—23:40大連地區(qū)發(fā)生了一次強對流天氣過程，這次過程是從大連東南方向開始，逐漸向西北移動，整個過程持續(xù)時間較長。圖3為該過程每30 min統(tǒng)計一次的測區(qū)閃電頻數(shù)，由圖3a可見，共計發(fā)生閃電934次、云閃322次、地閃612次，分別占總閃的34.48%、65.52%。其中，負閃680次，正閃254次，分別占總閃電的72.81%、27.19%。由圖3b可見，云閃與地閃高發(fā)時段不同，雷暴過程中云閃先于地閃發(fā)生，負閃頻次較正地閃偏多，變化趨勢基本一致，由此可見，該過程發(fā)生的閃電為負閃為主，這與大多數(shù)的雷暴一致。在旺盛階段，地閃發(fā)生頻次大于云閃，閃電最高頻次可達146次/30 min，地閃旺盛階段頻次可達125次/30 min，云閃旺盛階段頻次可達45次/30 min，在消散階段，地閃衰減的速度大于云閃。整個過程中，云閃均值高度為7.0—12.2 km，負云閃的高度高于正云閃。在旺盛發(fā)展階段，云閃的高度較為穩(wěn)定，基本維持在6—10 km，在始發(fā)階段和消散階段，云閃高度較大。該區(qū)域理論上對應(yīng)著固態(tài)水成物粒子的聚集區(qū)，是閃電活動最為頻繁的區(qū)域。從圖3c可以看出，閃電強度的分布差異較大，負地閃電流強度為-20～-50 kA,在雷暴旺盛期間，相對比較平穩(wěn)，在-40 kA上下，正地閃電流強度在始發(fā)階段的變化幅度較大。

圖3 2019年9月4日大連閃電頻次(a)、云閃高度(b) 和閃電電流(c) 隨時間變化Fig.3 Variation of lightning frequency (a),cloud lightning height (b),lightning current (c) on September 4，2019 in Dalian

為了進一步完整表達這次強雷暴過程的閃電與雷達相關(guān)活動特征，圖4為2019年9月4日6 min的雷達回波強度組合反射率與閃電活動的疊加，即每個格點的雷達回波強度為6 min(1 km×1 km)格點的最大組合反射率值。從圖4可以看出，這次雷暴過程水平尺度可達300 km×400 km。雷暴經(jīng)歷了初生、發(fā)展、分裂、再發(fā)展、消亡等階段。由圖4可知，閃電發(fā)生在強回波區(qū)，回波強度大約30 dBz左右及以上，個別回波強度超過45 dBz。同時，根據(jù)進一步分析發(fā)現(xiàn)，強回波區(qū)域?qū)?yīng)的云頂高度通常超過8 km，這意味著該區(qū)域是強對流中心。整體上來看，閃電活動與雷暴的強對流回波具有較好的一致性。

圖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)大連強對流天氣雷達回波與閃電疊加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

綜上，雷達強回波區(qū)與閃電的位置有較好的對應(yīng)關(guān)系，表1為2019年9月4日13:00—23:40整個雷暴過程中不同雷達組合反射率區(qū)間內(nèi)閃電頻數(shù)分布情況，去掉雷達缺失數(shù)據(jù)對應(yīng)的24次閃電，剩余910次閃電。88.02%以上的閃電發(fā)生于雷達組合反射率大于30 dBz的區(qū)域。75%的閃電對應(yīng)的雷達組合反射率為35.5 dBz的區(qū)域，超過50 dBz 的和低于10 dBz區(qū)域的閃電較少，分別為8次和12次，占0.88%和1.32%。

表1 大連不同雷達組合反射率的閃電頻數(shù)分布Table 1 Distribution of lightning frequency in different combination flection of radar in Dalian

2.3 閃電活動特征與雷達參數(shù)的統(tǒng)計

選擇大連地區(qū)2019年6次典型的強對流天氣過程進行雷達組合反射率、雷達回波頂高和基于雷達觀測時間后的每6 min內(nèi)閃電頻次統(tǒng)計(表2)，通過量化分析發(fā)現(xiàn)，大連地區(qū)閃電的發(fā)生與雷達組合反射率及雷達回波頂高有一定的對應(yīng)關(guān)系，雷達組合反射率四分位數(shù)均值為39.35 dBz,雷達回波頂高四分位數(shù)均值為8.21 km。閃電較大一部分數(shù)據(jù)集中于雷達組合反射率為39.35 dBz、回波頂高為8.21 km區(qū)域附近。

表2 雷達與閃電參數(shù)四分位數(shù)統(tǒng)計Table 2 Quartile statistics of radar and lightning parameters

2.4 閃電活動特征與FY-4衛(wèi)星CTT的相關(guān)性

FY-4衛(wèi)星CTT與對流強度有較好的相關(guān)性，可以大致反應(yīng)雷暴的發(fā)展區(qū)域。在雷暴云的發(fā)展過程中，對流活動強烈，雷暴云到達一定高度后，隨著高度上升云層溫度逐漸降低，CTT越低，意味著雷暴云高度越高，對流活動越強烈。2019年9月4日的強對流天氣過程中的閃電活動與FY-4衛(wèi)星CTT疊加見圖6，每圖對應(yīng)的時間尺度為4—5 min，閃電活動也為相同時間尺度。閃電定位資料為大連地區(qū)的三維雷電定位數(shù)據(jù)。對2019年9月4日15:00—23:40雷暴過程進行統(tǒng)計分析，以衛(wèi)星時間為準提取相應(yīng)時間內(nèi)每條閃電對應(yīng)的CTT，之后逐小時進行分類統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示，閃電發(fā)生時，對應(yīng)的CTT為240—250 K，量化計算均值在240 K附近。該位置對應(yīng)的是對流層，閃電可能發(fā)生在強大的對流云中，在強烈的對流系統(tǒng)中，地面的水汽隨著氣流上升，凝結(jié)成大量的冰晶和軟雹等固態(tài)水成物粒子，不同粒子之間通過感應(yīng)或非感應(yīng)起電機制使得云攜帶了大量的電荷，從而使得閃電發(fā)生。

圖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)大連閃電活動與FY-4衛(wèi)星CTT疊加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

圖6 2019年9月4日15:00—23:40大連閃電對應(yīng)的FY-4衛(wèi)星CTT箱線圖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 結(jié)論

(1)2019年9月4日大連地區(qū)雷暴初始階段主要為云閃，云閃高度主要集中在7—12 km；在旺盛階段，地閃發(fā)生頻次多于云閃，云閃高度較為平穩(wěn)；在雷暴后期，地閃迅速衰減；雷暴初始階段和雷暴后期，閃電強度變化較大，在雷暴旺盛期間，強度相對比較平穩(wěn)。

(2)對2019年典型天氣過程分析發(fā)現(xiàn)，強回波區(qū)與閃電的位置有較好的對應(yīng)關(guān)系，75%的閃電在云內(nèi)始發(fā)時刻所對應(yīng)的雷達組合反射率位于39.38 dBz附近，對應(yīng)的云頂高度位于8.21 km附近。

(3)此次雷暴過程的閃電活動與FY-4衛(wèi)星CTT之間存在較好的相關(guān)性，閃電主要發(fā)生在CTT為240—250 K，量化計算均值為240 K附近。

通過閃電資料、雷達資料以及衛(wèi)星資料的相關(guān)性分析表明，三種資料在時間和空間上較為一致，通過研究閃電過程與某些氣象要素之間的關(guān)系進而對一些災(zāi)害性天氣進行預(yù)警預(yù)報，這為日后加強該地區(qū)雷電災(zāi)害預(yù)警和特征分析提供了新方法和新思路。由于收集到的資料有限，這里僅提供一種分析方法，將在今后的研究中進一步補充和完善。