湖北一次連續(xù)風(fēng)暴中兩次強(qiáng)對流衛(wèi)星雷達(dá)特征及與閃電關(guān)系

陳仁君，茍阿寧，王玉娟，徐雙柱，余蓉，張琴，明紹慧

（1.湖北省防雷中心，湖北 武漢430074；2.武漢中心氣象臺，湖北 武漢430074；3.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧810001；4.淄博市氣象局，山東 淄博255048）

1 引言

強(qiáng)對流天氣因時效短、局地性強(qiáng)、災(zāi)害重等特點備受關(guān)注，目前，強(qiáng)對流的監(jiān)測和預(yù)報仍是災(zāi)害性天氣研究的重點和難點之一。強(qiáng)對流天氣不僅會產(chǎn)生冰雹、短時強(qiáng)降水和對流性大風(fēng)，也會產(chǎn)生密集雷電，從而引發(fā)多種災(zāi)害性天氣并存及次生災(zāi)害的發(fā)生。迄今為止大部分強(qiáng)對流監(jiān)測預(yù)警是基于雷達(dá)等多種觀測手段開展的，相關(guān)研究[1-4]較成熟，并為強(qiáng)對流預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[5]。由于地理位置、地形和氣候等不同，中國不同區(qū)域出現(xiàn)的強(qiáng)對流類型、天氣環(huán)境參量和形成機(jī)制等有所差別，中國東部山東地區(qū)暖季強(qiáng)對流可劃分為雷暴大風(fēng)、冰雹雷暴大風(fēng)和強(qiáng)降水混合型等3類，每一種類型的環(huán)境參數(shù)分布特征和閾值各不相同[6]。華中江西地區(qū)支樹林等[7]將江西省2004—2011年發(fā)生的強(qiáng)對流類型進(jìn)一步細(xì)化為短時強(qiáng)降水、伴隨雷暴大風(fēng)和冰雹的短時強(qiáng)降水、無短時強(qiáng)降水伴隨的風(fēng)雹這三種主要類型，并針對雷達(dá)和地閃的相關(guān)性提出了分類強(qiáng)對流的預(yù)報依據(jù)。不同環(huán)境背景產(chǎn)生的強(qiáng)對流一般是不同的，然而，相似環(huán)境背景下也可能出現(xiàn)不同類型的強(qiáng)對流天氣，因此，分類強(qiáng)對流預(yù)報有重要的科研價值和業(yè)務(wù)需求[8-9]。雷電是雷暴發(fā)展到一定強(qiáng)度的產(chǎn)物，閃電頻次、強(qiáng)度、峰值等變化對強(qiáng)對流的類型和發(fā)生發(fā)展有很好的指示作用[10-15]。Liu等[16]統(tǒng)計總閃與雷達(dá)反射率在不同季節(jié)、不同區(qū)域的定量關(guān)系，通過總閃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)最大反射率，對原有雷達(dá)反射率觀測進(jìn)行了很好的補(bǔ)充訂正。Pessi等[17-18]進(jìn)一步證明閃電頻率與雷達(dá)反射率之間存在明顯的對數(shù)相關(guān)性，并將閃電頻數(shù)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)反射率后進(jìn)行云分析預(yù)報，結(jié)果顯示閃電資料能夠很好反饋出強(qiáng)對流區(qū)域。孫玉婷等[19]對基于地形差異的閃電頻次和回波對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了華中地區(qū)閃電活動和雷達(dá)回波的特征關(guān)系，并建立了山區(qū)和平原的閃電代理回波(lighting proxy reflectivity)擬合公式。上述研究表明閃電資料和雷達(dá)資料有很好的相關(guān)性。LMI(Lighting Mapping Imager)是中國首次研制并搭載于FY-4A衛(wèi)星的閃電成像儀，可連續(xù)觀測云閃和地閃，可全天候無縫隙監(jiān)測雷暴的發(fā)生發(fā)展[20-21]。如何將雷達(dá)、地閃觀測和FY-4A高時空分辨率資料結(jié)合進(jìn)行強(qiáng)對流預(yù)報顯得尤為重要。

2018年5月17—18 日，湖北自西向東發(fā)生了一次連續(xù)強(qiáng)風(fēng)暴過程，鄂西北和鄂東出現(xiàn)了不同類型的強(qiáng)對流天氣，閃電劇烈。為了研究相似環(huán)境背景下產(chǎn)生不同類型強(qiáng)對流天氣的原因，本文利用FY-4A云頂亮溫TBB(Black Body Temperature)和LMI資料、ADTD(Advanced Toa and Direction system)二維閃電定位資料、多普勒雷達(dá)和自動站加密觀測等，分析對處在同一天氣系統(tǒng)背景下(西南渦東移)，為何產(chǎn)生了不同類型地區(qū)強(qiáng)對流天氣？觸發(fā)機(jī)制、中小尺度系統(tǒng)及雷電活動有何差異？并對不同類型強(qiáng)對流天氣的衛(wèi)星、雷達(dá)和閃電特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)生命史不同階段雷達(dá)衛(wèi)星和閃電的時空分布相關(guān)性，提煉分類強(qiáng)對流預(yù)報依據(jù)。

2 觀測資料及方法

本文使用的資料包括：湖北ADTD型二維地閃觀測資料，閃電定位儀采用時差法和定向時差聯(lián)合法進(jìn)行閃電定位，共13個探測子站，能探測正、負(fù)地閃，包含經(jīng)緯度、發(fā)生時間、強(qiáng)度、陡度等參數(shù)，定位精度小于300 m，時間精度0.1μs，整體探測效率超過80%。選擇架設(shè)在湖北十堰、武漢的2部S波段雷達(dá)觀測到的基數(shù)據(jù)及組合反射率、反射率垂直剖面RCS(Radar Cross Section)、徑向速度垂直剖面VCS(Velocity Cross Section)資料。和雷達(dá)掃描時間匹配，將地閃資料處理為6 min間隔，選取以雷暴為中心，半徑50 km范圍的地閃進(jìn)行統(tǒng)計分析。湖北省2759個地面加密逐分鐘觀測資料，主要包含雨量、溫度、風(fēng)場的逐分鐘觀測數(shù)據(jù)及冰雹記錄等，對流性大風(fēng)采用≥17.2 m/s以上的極大風(fēng)速時刻，中小尺度分析使用逐5 min一次的自動站氣溫、風(fēng)場資料。因常規(guī)探空層次數(shù)據(jù)不全，且武漢站5月18日08:00（北京時，下同）的280 hPa以上數(shù)據(jù)缺失，故使用美國懷俄明大學(xué)網(wǎng)站(http://weather.uwyo.edu)的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。國家衛(wèi)星氣象中心FY-4A的云頂亮溫TBB資料，用不同顏色表示不同亮溫，單位K，用來反映中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展?fàn)顩r，并使用FY-4A的LMI全閃探測數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-4A閃電成像儀利用光學(xué)成像技術(shù)實現(xiàn)對覆蓋區(qū)域內(nèi)的總閃電進(jìn)行實時、連續(xù)、不間斷觀測，包含云閃和地閃的發(fā)生時間、位置和強(qiáng)度等信息，獲取閃電成像產(chǎn)品，空間分辨率7800 m，更新頻率1 min，探測效率小于30%。將LMI和ADTD資料插值到0.1°×0.1°格點上，用于統(tǒng)計風(fēng)暴發(fā)生階段閃電樣本的空間分布及特征比較。

3 風(fēng)暴實況特征及主要影響天氣系統(tǒng)

受西南低渦東移影響，2018年5月17—18日，湖北自西向東出現(xiàn)了一次連續(xù)強(qiáng)風(fēng)暴過程，先后導(dǎo)致不同區(qū)域出現(xiàn)了兩次不同類型的強(qiáng)對流天氣。根據(jù)加密自動站觀測顯示，此次風(fēng)暴過程共分為2個階段，第1階段發(fā)生在2018年5月17日15:00—18日04:30，累計出現(xiàn)地閃2929次，其中負(fù)地閃2333次，正地閃596次，正地閃占總地閃的20.35%，閃電密度0.5～1.0 km-2，統(tǒng)計對流旺盛階段17日18:00—18日00:00的強(qiáng)對流災(zāi)害發(fā)現(xiàn)，湖北西北部十堰、襄陽兩地72站出現(xiàn)50 mm降水，7站超過100 mm，≥17.2 m/s(8級及以上)的大風(fēng)22站次，局地出現(xiàn)冰雹。第2階段為2018年5月18日00:00—14:30，發(fā)生地閃23367次，負(fù)地閃21731次，占總地閃的92.99%，09:00武漢上空突然由白晝轉(zhuǎn)為“黑夜”，狂風(fēng)大作，電閃雷鳴，暴雨如注，對流發(fā)展旺盛期的18日04:00—14:00，自動站觀測136站降水超過50 mm，最大降水92 mm，17.2 m/s以上大風(fēng)5站，但13.8～17.2 m/s大風(fēng)多達(dá)100站次以上。一次連續(xù)強(qiáng)風(fēng)暴造成的強(qiáng)對流如此劇烈，且產(chǎn)生的強(qiáng)對流類型不同，環(huán)境背景有何差異？對流系統(tǒng)觸發(fā)和加強(qiáng)機(jī)制、衛(wèi)星雷達(dá)和閃電活動演變特征及對強(qiáng)對流發(fā)生的指示意義等是本文的重點研究內(nèi)容。

3.1 不同類型強(qiáng)對流中地閃時間演變特征

以冰雹、對流性大風(fēng)和以強(qiáng)降水導(dǎo)致的大范圍暴雨為主的強(qiáng)對流閃電特征是不同的。從圖1a～1c閃電性質(zhì)、頻次時間演變和正負(fù)閃比例及強(qiáng)度特征來看，鄂西北以冰雹和對流性大風(fēng)為主的強(qiáng)對流閃電呈多峰分布，冰雹等強(qiáng)對流出現(xiàn)之前，閃電頻次有一個大幅度的躍增過程，同時，冰雹較對流性大風(fēng)出現(xiàn)的時間早。另外一個特征是正閃比例較大，正閃峰值時刻和降雹時刻幾乎一致，正閃對冰雹有很好的指示意義，同時，正閃的強(qiáng)度比負(fù)閃強(qiáng)度大，正閃最大強(qiáng)度可達(dá)100 kA以上，而負(fù)閃最大強(qiáng)度僅80 kA。鄂東暴雨的閃電活動更劇烈，累計閃電頻次2萬次以上，為鄂西北閃電頻次的10倍左右，閃電呈單峰分布，強(qiáng)降水發(fā)生時閃電增幅較平緩，峰值時刻有一個突增，峰值時刻閃電可達(dá)400 fl/(6 min)，與鄂西北峰值50 fl/(6 min)有一個巨大落差。同時發(fā)現(xiàn)，鄂東暴雨幾乎為頻繁劇烈的負(fù)閃為主，正閃頻次很少，正閃強(qiáng)度較冰雹和對流性大風(fēng)偏弱，70 kA以上的樣本比例明顯降低，負(fù)閃強(qiáng)度變化不大(圖1d～1f)。

圖1 鄂西北17日15:00—18日04:30(a～c)和鄂東18日00:00—14:30(d～f)地閃特征a、d.正負(fù)閃頻數(shù)；b、e.正閃強(qiáng)度；c、f.負(fù)閃強(qiáng)度。

閃電頻次多少、正負(fù)閃比例和強(qiáng)度變化、正負(fù)閃峰值較災(zāi)害性天氣出現(xiàn)的時間等對區(qū)分不同類型的強(qiáng)對流天氣有很好的指示意義。另外，18日冷空氣南下是導(dǎo)致第2階段鄂東雷電活躍的主要原因之一。

3.2 主要影響天氣系統(tǒng)

此次強(qiáng)風(fēng)暴是副高穩(wěn)定維持，低槽帶動西南渦東移，兩高之間形成的低值系統(tǒng)造成的(圖2a、2b)。17日上午西南渦開始東移并逐漸影響湖北，20:00左右湖北西部開始受西南渦東移及切變線共同影響。隨著低槽東移，槽前西南氣流發(fā)展，在槽前西南氣流區(qū)冷式切變線和暖濕切變線附近有中尺度云圖發(fā)展加強(qiáng)，低槽云系、西南渦東部中尺度系統(tǒng)和低槽后部冷平流結(jié)合，在湖北省西北和北部地區(qū)形成類似于“廠”型云系(圖2c)。“廠”型云系影響范圍大，覆蓋了湖北西部和北部地區(qū)，隨著槽后冷平流南下，“廠”型云系東西向云系加強(qiáng)，云頂溫度降低，云團(tuán)范圍加大并合并，誘發(fā)鄂西北出現(xiàn)局地冰雹、對流性大風(fēng)和短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。隨著500 hPa低槽東移，低渦東側(cè)暖切隨之東移，低渦“廠”型云型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂?東北向帶狀云系，逐漸東移到湖北東部。北部冷平流南下，低渦中心氣旋性旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，18日08:00移至武漢，云團(tuán)合并成圓團(tuán)狀(圖2d)，有明顯的中尺度對流復(fù)合體MCC(Mesoscale Convective Complexes)特征，邊界清晰，云頂溫度較低，水汽云圖上可看到明顯的干區(qū)，冷暖交匯劇烈。

圖2 2018年5月17日20:00(a)和18日08:00(b)500 hPa等高線(黑色實線，dagpm)、溫度(填色，單位：℃)和850 hPa風(fēng)矢量(箭頭，單位：m/s)及17日20:00(c)和18日08:00(d)500 hPa等高線(白色實線，dagpm和FY-2E紅外云圖疊加(紅色圓圈為主要影響云團(tuán))

雖然兩次對流出現(xiàn)在同樣的大背景環(huán)境下，但由于前期入海低槽后部的偏北氣流和南支槽前的西南氣流作用，形成多個短波槽。17日鄂西北過程處在短波槽底部，短波槽快速東移后，轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，中層冷平流相對明顯，700～850 hPa為西南渦頂部暖式切變線，此時地面仍為冷鋒前暖倒槽控制，不穩(wěn)定能量積聚較強(qiáng)。而18日鄂東過程處在槽前西南暖濕氣流區(qū)域，700 hPa以下為西南渦暖切變，不同的是此時地面冷鋒已南下至鄂東地區(qū)，冷空氣影響顯著，西南渦東移配合頂部暖式切變線是2次強(qiáng)對流觸發(fā)的主要成因。

前期湖北受弱脊控制，氣溫回升較快，受弱脊控制氣塊下沉絕熱增溫對低層有增溫作用，導(dǎo)致不穩(wěn)度加強(qiáng)。鄂西北沒有探空站，南陽站位于鄂西北上游，具有一定的代表性。受冷空氣南下滲透影響，17日20:00南陽站(圖3a)850 hPa已轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，700 hPa以上為南風(fēng)氣流，K指數(shù)38℃，CAPE(Convective Available Potential Energy)高達(dá)1825 J/kg，不穩(wěn)定能量強(qiáng)大，“上干下濕”層結(jié)清楚，屬于典型的以冰雹、對流性大風(fēng)和短時強(qiáng)降水為主的強(qiáng)對流性層結(jié)。18日08:00武漢站(圖3b)925 hPa低層的冷空氣非常明顯，可看到明顯的逆溫層，850 hPa以上的暖濕平流隨高度有一個明顯的順轉(zhuǎn)，暖平流較鄂西北發(fā)展旺盛，這可能與地面冷空氣的強(qiáng)迫抬升有關(guān)；另外，CAPE僅900.6 J/kg，中等強(qiáng)度，形狀為細(xì)長型，700 hPa以下濕層深厚，是典型的暴雨層結(jié)。

3.3 中小尺度系統(tǒng)

從17日鄂西北鄖西、老河口、襄陽至18日武漢一線，都有明顯的中尺度渦旋伴隨(圖4a、4b)。中尺度渦旋對雷暴的觸發(fā)、移動和消亡有很好的指示意義，雷電及強(qiáng)對流發(fā)生在中尺度渦旋/中尺度輻合線附近。另外，地形對第1階段強(qiáng)對流有明顯的觸發(fā)加強(qiáng)作用，從圖3a可看到，強(qiáng)對流和暴雨落區(qū)基本出現(xiàn)在鄂西北峽管地帶和氣流輻合區(qū)中，三面環(huán)山地形使地面中尺度渦旋氣旋性曲率進(jìn)一步加大，產(chǎn)生較強(qiáng)的低空輻合，觸發(fā)雷暴加強(qiáng)。第2階段則是由于北部桐柏山和南部幕阜山的阻擋作用，使環(huán)境氣流傳過山脈，在鄂東相對平坦區(qū)域發(fā)生多股中尺度氣流輻合，形成地面輻合線，觸發(fā)強(qiáng)對流且不斷組織對流發(fā)展。另外，湖北特殊地形對雷暴有明顯的觸發(fā)加強(qiáng)作用，鄂西北強(qiáng)對流和暴雨主要出現(xiàn)在狹管地帶，鄂東強(qiáng)對流則是地形影響下中尺度氣流輻合的結(jié)果。

圖3 2018年5月17日20:00南陽站(a)和18日08:00武漢站探空(b)

圖4 6 h暴雨落區(qū)(白色陰影)及17日20:00(a)和18日08:00(b)地面加密風(fēng)場黑色箭頭為中尺度氣流，陰影為地形，淺灰色海拔高度高，深灰色海拔高度低。

4 雷達(dá)的分類強(qiáng)對流預(yù)報特征

4.1 強(qiáng)對流回波演變及垂直剖面結(jié)構(gòu)

17日18:00 開始，隨著西南渦東移，湖北西部至川西一帶對流發(fā)展旺盛，多個對流單體強(qiáng)度迅速發(fā)展到50 dBZ以上，回波范圍擴(kuò)大。隨著冷空氣南下鄂西北至河南南部有對流生成合并，鄂西北回波組織性加強(qiáng)，20:00回波在地形狹管地帶發(fā)展為東西向的短帶回波，強(qiáng)度中心加強(qiáng)到60 dBZ，鄖西和鄖陽區(qū)開始出現(xiàn)強(qiáng)降水，并伴有局地雷暴大風(fēng)和冰雹天氣。21:00鄂西北回波緩慢東移維持，隨著地面南風(fēng)加強(qiáng)，在鄂西北和襄陽地區(qū)形成中尺度渦旋，多個加密站1 h雨強(qiáng)超過80 mm，最大小時雨強(qiáng)超過100 mm，并出現(xiàn)11級(≥28.5 m/s)對流性大風(fēng)。18日凌晨隨著地面中尺度渦旋維持，襄陽地區(qū)出現(xiàn)暴雨，03:00之后鄂西北回波減弱南壓，受低渦東移影響，江漢平原一帶回波加強(qiáng)，開始影響江漢平原和鄂東地區(qū)。18日凌晨(04:00左右)，隨著西南渦東移，中尺度對流系統(tǒng)在荊州附近加強(qiáng)后沿著暖式切變線自江漢平原向鄂東北移動，配合地面冷空氣及中尺度渦旋，不穩(wěn)定能量得到持續(xù)聚集，回波移經(jīng)武漢(09:00左右)，形狀呈現(xiàn)明顯的弓狀，電閃雷鳴，對流活動劇烈，閃電密集。

選取2次強(qiáng)對流生命史階段(圖5)十堰和武漢雷達(dá)組合反射率CR(Composite Reflectivity)產(chǎn)品，沿著雷達(dá)徑向做強(qiáng)度剖面RCS和徑向速度剖面VCS。發(fā)現(xiàn)第1階段(圖5a、5b)鄂西北強(qiáng)對流回波強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)，多個體掃出現(xiàn)≥60 dBZ的強(qiáng)回波，且強(qiáng)回波高度伸展到6 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0℃等溫層高度(5.2 km左右)，55 dBZ回波高度達(dá)到10 km，RCS傾斜和懸垂特征明顯，VCS能夠看到明顯的入流和中層徑向輻合MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)，由此推斷，鄂西北強(qiáng)對流出現(xiàn)冰雹、對流性大風(fēng)和短時強(qiáng)降水的概率極大，實況也是如此。而第2階段(圖5c、5d)鄂東對流回波強(qiáng)度明顯下降了2個量級，最強(qiáng)回波僅為55 dBZ左右，回波頂高比鄂西北對流低，形態(tài)有明顯的弓狀特征，RCS回波傾斜特征，VCS可看到1 km以下冷空氣南下形成的冷墊，表明18日08:00冷鋒已南下至鄂東。兩次對流45 dBZ以上的強(qiáng)回波均超過0℃等溫線，甚至-20℃等溫線(8.5 km)，是雷電活動頻繁的主要原因。

圖5 強(qiáng)對流生命史十堰雷達(dá)17日20:30(a)、22:30(b)和武漢雷達(dá)18日08:30(c)、09:30(d)組合反射率、強(qiáng)度剖面RCS和徑向速度剖面VCS演變特征(黑色實線為剖面位置)

可見，雷達(dá)資料對分類強(qiáng)對流預(yù)報有很好的指示作用。第1階段以冰雹和大風(fēng)為主的強(qiáng)對流回波多個體掃出現(xiàn)了中氣旋，伴有超級單體出現(xiàn)，≥60 dBZ持續(xù)時間較長，且超過0℃等溫線，前側(cè)入流、回波懸垂和風(fēng)暴頂輻散顯示上升運(yùn)動較強(qiáng)，以上特征對冰雹和大風(fēng)有很好的預(yù)報意義。第2階段回波整體強(qiáng)度減弱，最強(qiáng)55 dBZ，55 dBZ強(qiáng)回波基本在-20℃等溫線之下，上升運(yùn)動較第1階段明顯減弱，RCS和VCS可看到南下冷空氣形成的冷墊，同時2 km以上的西南急流發(fā)展強(qiáng)盛，冷暖交匯，推斷此類回波出現(xiàn)短時強(qiáng)降水的概率較大。

4.2 地閃在強(qiáng)對流回波中的空間分布特征

通過二維閃電與雷達(dá)回波疊加(圖6)發(fā)現(xiàn)，17日19:00回波已加強(qiáng)到45 dBZ以上，閃電分布在強(qiáng)回波附近35～50 dBZ回波中。此后隨著引導(dǎo)氣流向東北方向移動，由于副高阻擋，移速緩慢，形態(tài)也變?yōu)楹鸵龑?dǎo)氣流平行的西南東北走向短帶狀。20:00—21:30回波處在強(qiáng)盛階段，多個體掃回波強(qiáng)度≥60 dBZ，零星閃電分布在強(qiáng)回波35～45 dBZ周圍，≥60 dBZ強(qiáng)回波中心二維閃電系統(tǒng)并未觀測到地閃。以暴雨為主的鄂東地區(qū)則和鄂西北情況不同，中尺度對流系統(tǒng)MCS(Mesoscale Convective System)整個生命史階段閃電密集，尤其是經(jīng)過武漢的09:00—10:30，隨著西南渦東移回波呈弓狀，向東北方向移動，一個雷達(dá)體掃閃電頻次高達(dá)100次上，某些時次高達(dá)400次，零星正閃分布在MCS外圍25～35 dBZ的層狀云中，而負(fù)閃則密集分布在35～55 dBZ的強(qiáng)中心。

圖6 鄂西北強(qiáng)對流(范圍：109.10～112.02°E，31.13～33.52°N)、鄂東強(qiáng)對流(范圍：112.38～115.38°E，28.89～32.27°N)閃電和雷達(dá)回波的6 min空間分布演變(紅色、黑色“△”依次表示+CG、-CG，紅色邊界為湖北省界，下同)

可見，以冰雹、短時強(qiáng)降水和對流性大風(fēng)為主的強(qiáng)對流閃電在回波中的分布位置較散亂，零星地閃分布在強(qiáng)回波外側(cè)35～50 dBZ回波中，≥60 dBZ強(qiáng)回波中并未觀測到地閃，正閃和負(fù)閃在回波中分布無規(guī)律可循。而以暴雨為主的地閃集中度很高，密集的負(fù)閃分布在35～55 dBZ強(qiáng)回波區(qū)，零星正閃和強(qiáng)回波外圍25～35 dBZ層狀云對應(yīng)。

5 FY-4A TBB和LMI資料在強(qiáng)對流中的初步應(yīng)用

5.1 LMI和ADTD地閃的空間分布特征對比

使用鄰域插值法將FY-4A LMI和ADTD地閃資料插值到0.1°×0.1°格點，統(tǒng)計FY-4A 17日18:00—18日14:00的空間分布特征。從圖7每個格點上的樣本數(shù)分布可見，本次連續(xù)風(fēng)暴過程LMI閃電(圖7a)主要分布在湖北中東部地區(qū)，鄂西北對流沒有LMI出現(xiàn)，武漢格點樣本數(shù)大部分超過20個，武漢西南方向仙桃附近的樣本數(shù)超過150個。ADTD二維地閃資料(圖7b)鄂西北有某些區(qū)域有20個以下的地閃，雷電活躍在鄂西南南側(cè)至江漢平原到鄂東北，密集區(qū)樣本數(shù)最多區(qū)域集中在武漢和西南側(cè)仙桃方向，格點樣本數(shù)量在30個以上，最強(qiáng)可達(dá)到50個。對比發(fā)現(xiàn)，LMI、ADTD和對流落區(qū)基本吻合，LMI和ADTD空間位置對應(yīng)，閃電活躍區(qū)域基本重合，表明LMI對強(qiáng)對流發(fā)展演變有很好的監(jiān)測作用。其中，LMI觀測鄂東對流的閃電數(shù)量大于地閃，LMI鄂西北強(qiáng)對流中沒有觀測到閃電，可能與LMI空間觀測精度不夠有關(guān)。

圖7 2018年5月17日18:00—18日14時FY-4A LMI(a)和ADTD二維地閃(b)0.1°×0.1°格點樣本數(shù)分布實心彩色小方塊表示樣本個數(shù)。

5.2 TBB和閃電的空間關(guān)系

為進(jìn)一步探尋LMI和ADTD在不同類型強(qiáng)對流中的衛(wèi)星云圖特征，使用FY-4A的TBB資料和LMI及ADTD 0.1°×0.1°格點數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。通過圖8分析發(fā)現(xiàn)，兩次對流演變過程中TBB、地閃和LMI分布特征是不同的。第1階段鄂西北對流發(fā)展高度更高，云頂亮溫TBB溫度更低，分布在230 K以下，而第2階段鄂東對流云頂亮溫TBB較高，在250～270 K區(qū)間，可見以冰雹和大風(fēng)為主的強(qiáng)對流比以強(qiáng)降水為主的對流云頂發(fā)展高度更高，云頂亮溫TBB更低。LMI觀測鄂西北強(qiáng)對流沒有閃電(包含云閃和地閃)出現(xiàn)，90%以上地閃和TBB 210～230 K區(qū)間吻合，正閃(黑色“+”)和負(fù)閃(黑色“*”)分布在對流中心215～230 K，TBB低值區(qū)210 K地閃很少。鄂東強(qiáng)對流觀測到大量LMI和地閃，LMI分布較散亂，可能與LMI空間分辨率有關(guān)，LMI分布在TBB 250～270 K低值區(qū)中心，落區(qū)與強(qiáng)對流落區(qū)基本一致，負(fù)閃密集，分布在260～270 K低值區(qū)，正閃數(shù)量較少，分布位置較散亂。LMI、ADTD和TBB低值區(qū)吻合，并隨著TBB低值中心移動，表明閃電和系統(tǒng)的空間發(fā)展演變是一致的。

圖8 鄂西北強(qiáng)對流和鄂東強(qiáng)對流TBB和前后時刻各10 min的LMI和地閃空間分布演變黑色“+”為正閃，黑色“*”為負(fù)閃，白色圓點為LMI。

6 結(jié)論

本文利用FY-4A TBB和閃電資料LMI、地基ADTD二維地閃觀測資料、雷達(dá)和地面自動加密觀測資料等，對湖北2018年5月17—18日一次連續(xù)風(fēng)暴造成的兩次不同類型強(qiáng)對流過程進(jìn)行了詳細(xì)診斷，總結(jié)不同類型強(qiáng)對流天氣背景、中小尺度系統(tǒng)、雷達(dá)回波和閃電時空分布差異，提煉分類強(qiáng)對流預(yù)警指標(biāo)，主要結(jié)論如下。

(1)本次連續(xù)強(qiáng)風(fēng)暴是在相似的環(huán)境背景下產(chǎn)生了不同類型的強(qiáng)對流，第1階段鄂西北以典型的冰雹、對流性大風(fēng)和短時強(qiáng)降水，第2階段鄂東地區(qū)則是持續(xù)性強(qiáng)降水造成的大范圍暴雨和密集閃電。強(qiáng)風(fēng)暴是在副高穩(wěn)定維持，低槽帶動西南渦東移的相同環(huán)境背景下產(chǎn)生的，西南渦頂部的暖式切變線觸發(fā)強(qiáng)對流，地面中尺度渦旋促使對流加強(qiáng)，暖倒槽為第1階段對流積聚能量，地面冷空氣南下是第2階段對流較強(qiáng)的原因。

(2)地閃頻次、正負(fù)閃比例及強(qiáng)度、閃電峰值較災(zāi)害性天氣出現(xiàn)的時刻、地閃和雷達(dá)回波的空間對應(yīng)關(guān)系等，都有明顯差異。鄂西北強(qiáng)對流正閃比例較大，正閃峰值時刻和降雹時刻幾乎一致，零星地閃分布在強(qiáng)回波外側(cè)35～50 dBZ回波中，≥60 dBZ強(qiáng)回波中并未觀測到地閃，鄂東強(qiáng)對流閃電頻次較多，以負(fù)閃為主，密集的負(fù)閃分布在35～55 dBZ強(qiáng)回波區(qū)，零星正閃和強(qiáng)回波外圍25～35 dBZ層狀云對應(yīng)。

(3)以冰雹、短時強(qiáng)降水和對流性大風(fēng)為主的鄂西北強(qiáng)對流，和以大范圍持續(xù)性暴雨為主的鄂東強(qiáng)對流雷達(dá)回波特征不同，鄂西北對流最強(qiáng)回波超過60 dBZ，MRAC、入流和強(qiáng)回波高懸特征明顯，而鄂東回波頂高稍低，回波強(qiáng)度集中在55 dBZ以下，VCS可見明顯的冷墊。

(4)FY-4A LMI、ADTD和強(qiáng)對流位置對應(yīng)，同時和TBB低值區(qū)吻合，并隨之移動，鄂西北對流要求TBB值相對更低。另外，LMI觀測鄂西北強(qiáng)對流中沒有閃電，可能與LMI空間分辨率較低有關(guān)。