基于TRMM衛(wèi)星的江西省閃電時(shí)空分布特征

楊 鋼 , 賴(lài) 晨，支樹(shù)林

1. 吉安縣氣象局，江西 吉安 3431002. 江西省大氣探測(cè)技術(shù)中心，江西 南昌 3300963. 江西省氣象臺(tái)，江西 南昌 330096

0 引 言

雷電作為一種氣象災(zāi)害，常常伴隨于強(qiáng)對(duì)流性天氣活動(dòng)，威脅范圍廣，對(duì)生物和電子設(shè)備等傷害大，目前只能被動(dòng)地躲避和接引防護(hù)。江西省地形復(fù)雜，東西南三面環(huán)山，中部丘陵起伏，南北跨度大，雷電活動(dòng)在時(shí)間和空間上的分布變化很大，季節(jié)性、區(qū)域性特征明顯，對(duì)流和閃電活動(dòng)多發(fā)，雷電災(zāi)害較嚴(yán)重。同時(shí)雷電與強(qiáng)對(duì)流性天氣有著密切聯(lián)系，雷電的發(fā)生發(fā)展一定程度上能反映出強(qiáng)對(duì)流性天氣的發(fā)生演變，因此有必要對(duì)江西省的雷電特征進(jìn)行分析，以期提高雷電災(zāi)害防御能力和強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

目前對(duì)閃電的觀測(cè)手段主要有兩種，一種是利用地基閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，另一種是使用星載閃電探測(cè)器，衛(wèi)星閃電探測(cè)不受下墊面條件限制，可觀測(cè)覆蓋區(qū)域內(nèi)的總閃電，但無(wú)法區(qū)分云閃和地閃，地基閃電探測(cè)以定位地閃為主，二者探測(cè)原理不同，各有優(yōu)勢(shì)(惠雯等，2018；朱杰，2018)。將衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)和地基閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)能較好地反映雷暴的局部空間和時(shí)間規(guī)律(姚堯等，2011；Rudlosky and Shen，2013)。楊鵬武等(2011)利用地基閃電數(shù)據(jù)分析了2008年云南省雷電活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在地閃中，負(fù)地閃占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且云南省雷電主要發(fā)生在6—9月，16—22時(shí)是雷電活動(dòng)和雷災(zāi)頻發(fā)時(shí)段。朱潤(rùn)鵬等(2013)利用TRMM衛(wèi)星分析了11 a全球閃電特征，結(jié)果表明近海海域的閃電數(shù)占海洋總站點(diǎn)數(shù)的近70%，且陸地和近海海域閃電活動(dòng)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出單峰特征，峰值出現(xiàn)在7月。王義耕等(2009)利用TRMM衛(wèi)星分析了華南地區(qū)連續(xù)9 a的閃電資料，發(fā)現(xiàn)閃電活動(dòng)季節(jié)性特征非常明顯，主要集中在春末仲夏，呈雙峰值特征?；谝陨涎芯?，為更好地認(rèn)識(shí)衛(wèi)星閃電與地閃觀測(cè)資料的差異，理解對(duì)流云在不同高度上的閃電活動(dòng)特征，文中利用衛(wèi)星和地基數(shù)據(jù)資料，對(duì)江西省閃電活動(dòng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)比兩類(lèi)數(shù)據(jù)，并初步探討可能的影響因子，為未來(lái)雷電防護(hù)、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料來(lái)源和分析方法

文中所用閃電資料包括TRMM衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)、江西省閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)(ADTD)所得地閃觀測(cè)資料，以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的再分析資料(ERA5)，因目前美國(guó)全球水文資源中心(GHRC)閃電原始定位資料最新截止日期為2014年，故選取2004—2014年共11 a的數(shù)據(jù)，與江西省地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

熱帶降水測(cè)量任務(wù)(TRMM)衛(wèi)星于1997年11月28日發(fā)射升空，主要任務(wù)是觀測(cè)熱帶、亞熱帶地區(qū)的降水結(jié)構(gòu)、降水率及分布情況，其上搭載的閃電成像探測(cè)器(Lightning Image Sensor，LIS)可以觀測(cè)到注視區(qū)內(nèi)閃電放電時(shí)產(chǎn)生的亮度瞬時(shí)變化，因此它探測(cè)的是云閃和地閃的總閃電活動(dòng)。TRMM衛(wèi)星在2001年8月升軌后軌道高度為402.5 km，LIS采樣間隔不超過(guò)2 ms，掃描寬度為667 km，單點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間為91 s，掃描周期約為49 d，夜間和白天的閃電觀測(cè)效率分別為(93±4)%和(73±11)%(Mach et al, 2001)。

從美國(guó)全球水文資源中心(GHRC)獲取2004—2014年LIS閃電原始定位資料，經(jīng)緯度范圍選擇(24°—30.5°N，113°—119°E)，區(qū)域覆蓋整個(gè)江西省，以0.25°×0.25°的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)閃電發(fā)生次數(shù)，分別按晝夜的平均探測(cè)效率(73%、93%)進(jìn)行閃電次數(shù)訂正，再根據(jù)TRMM軌道信息和LIS掃描參數(shù)，計(jì)算LIS年平均注視時(shí)間(馬明等，2004)，求出每個(gè)格點(diǎn)的年平均閃電密度。

江西省雷電監(jiān)測(cè)定位網(wǎng)建設(shè)于2003年，圖1為

該系統(tǒng)所包括的12個(gè)探測(cè)儀的空間分布。可以看出，探測(cè)儀組網(wǎng)后的監(jiān)測(cè)范圍基本覆蓋江西全省，所用閃電定位系統(tǒng)(Lightning Location System，LLS)對(duì)雷電強(qiáng)度探測(cè)誤差小于15%，陡度測(cè)量誤差小于15%，回?fù)魰r(shí)間精度小于10-7s，該系統(tǒng)的定位精度和探測(cè)效率理論計(jì)算值分別約為500 m和90%(羅樹(shù)如等，2003)，因此所測(cè)得地閃數(shù)據(jù)可信可用。

為便于與同期的衛(wèi)星閃電資料進(jìn)行對(duì)比分析，從江西省氣象局獲得了2004—2014年所有的地閃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為去除云閃數(shù)據(jù)污染，剔除了閃電強(qiáng)度低于8 kA和超過(guò)200 kA的數(shù)據(jù)，然后將時(shí)間間隔在1 s以?xún)?nèi)、經(jīng)緯度距在0.1°以?xún)?nèi)的同極性回?fù)艟垲?lèi)成一次閃電，同樣選取(24°—30.5°N，113°—119°E)范圍，0.25°×0.25°網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格閃電次數(shù)和年平均閃電密度。

2004—2014年，衛(wèi)星觀測(cè)閃電(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)”)共篩選出71 039次，地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“地閃數(shù)據(jù)”)包括回?fù)舸螖?shù)4 984 708次，聚類(lèi)后共篩選出4 047 540次地閃數(shù)據(jù)。

文中使用的江西省高程數(shù)據(jù)資料來(lái)自NASA的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪項(xiàng)目(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)的公開(kāi)數(shù)據(jù)，分辨率為(1/60)°×(1/72)°，海拔高度精確到1 m。

2 江西省閃電時(shí)間分布特征

2.1 年變化

圖2給出了2004—2014年江西省衛(wèi)星閃電和地閃的年變化。為方便描述，文中設(shè)定06—18時(shí)為晝閃時(shí)段，其余時(shí)間為夜閃時(shí)段。分析可知，衛(wèi)星閃電總數(shù)的年變化較大，減少的年份多而增加的年份少，其中總閃電次數(shù)最多的2010年(11×103次)是最少的2009年(5×103次)的2倍多，而其年際變化較小，表現(xiàn)出趨勢(shì)曲線(xiàn)近乎水平。從衛(wèi)星閃電的變化趨勢(shì)可以看出，白天的衛(wèi)星閃電數(shù)年際變化較大，夜間變化較小，兩者的變化趨勢(shì)大都一致，僅2005和2009年相反。衛(wèi)星晝閃比例變化曲線(xiàn)可以看到，除2005和2009年外，其他年份的衛(wèi)星晝閃比例均超過(guò)50%，尤其在2008年和2012—2014年，占比達(dá)70%左右，表明衛(wèi)星閃電反映出的對(duì)流活動(dòng)多發(fā)生在白天，夜間則很少。

圖2 2004—2014年江西省衛(wèi)星閃電 (a)和地閃(b)的年變化Fig. 2 Annual variations of satellite lightning (a) and ground-to-ground flashes (b) in Jiangxi province from 2004 to 2014

分析地閃的年變化可知，總地閃數(shù)在2007、2010、2014年達(dá)到高峰(5×105次)，2005年為低峰(2.5×105次)，高峰值是低峰值的2倍。從總地閃趨勢(shì)可以看出，總地閃數(shù)呈逐漸上升的變化特征。晝地閃數(shù)在2007、2010、2014年有3個(gè)高峰值，夜地閃數(shù)同樣在2007、2010、2014年達(dá)到高峰。晝地閃數(shù)和夜地閃數(shù)變化趨勢(shì)大都一致，尤其體現(xiàn)在2009—2014年。從晝閃占比變化曲線(xiàn)可以看到，其比例均高于50%，表明地閃反映出的對(duì)流活動(dòng)主要發(fā)生在白天，夜間則不明顯。

因衛(wèi)星探測(cè)不到閃電的極性，因此只能分析地閃極性的變化，從兩種極性地閃的年際變化(圖略)可以看到，負(fù)地閃數(shù)基本接近總地閃數(shù)，并與總地閃數(shù)變化趨勢(shì)一致，而正地閃數(shù)極少發(fā)生，占總地閃的10%不到，同時(shí)也表明每年地閃極性比例變化小，較為穩(wěn)定。

2.2 月變化

圖3給出了2004—2014年江西省衛(wèi)星閃電和地閃的月變化。分析可知，衛(wèi)星總閃電數(shù)變化呈雙峰形特征，峰值出現(xiàn)在4、8月，后者閃電數(shù)最多；變化過(guò)程表現(xiàn)為整個(gè)4—8月閃電頻數(shù)都維持較高水平，與江西省在該時(shí)段內(nèi)多降水和對(duì)流活動(dòng)的氣候特征吻合。3月開(kāi)始閃電數(shù)快速增加，這是由于此時(shí)暖濕氣流開(kāi)始活躍和逐漸北抬所致；9—11月快速減少，則是因?yàn)槔淇諝饣顒?dòng)漸趨活躍和南下，導(dǎo)致對(duì)流性天氣顯著減少。晝夜閃電比例隨季節(jié)發(fā)生劇烈變化，在1—4月和12月是夜間閃電占優(yōu)勢(shì)，5—11月間則是白天閃電更多，一定程度上反映出了對(duì)流活動(dòng)的活躍時(shí)段。所有年份的1月以及12月的白天在江西省境內(nèi)衛(wèi)星都沒(méi)有探測(cè)到閃電，這可能是因?yàn)槎鹃W電頻數(shù)少所致。

圖3 2004—2014年江西省衛(wèi)星閃電 (a)和地閃(b)的月變化Fig. 3 Monthly variations of satellite lightning (a) and ground-to-ground flashes (b) in Jiangxi province from 2004 to 2014

分析地閃頻數(shù)的月變化可知，地閃總數(shù)變化和晝夜占比趨勢(shì)與衛(wèi)星閃電類(lèi)似，隨季節(jié)變化明顯，但地閃單峰形特征顯著，頻數(shù)高值集中于6—8月的盛夏季，并于8月達(dá)到峰值，9月后急劇下降。晝地閃數(shù)和夜地閃數(shù)變化趨勢(shì)完全一致。

2.3 日變化

圖4給出了2004—2014年江西省衛(wèi)星閃電和地閃的日變化。分析可知，衛(wèi)星閃電高發(fā)時(shí)間段為14—19時(shí)，04時(shí)、19—23時(shí)次之，其余時(shí)間段衛(wèi)星閃電發(fā)生頻數(shù)較低。從地閃的日變化可以看出，地閃在13—17時(shí)急劇增多，并于17時(shí)達(dá)到最高峰，之后開(kāi)始急劇減少，表明閃電活動(dòng)高峰期為午后和傍晚，上午較少，而午夜閃電次數(shù)變化小。

圖4 2004—2014年江西省衛(wèi)星閃電 (a)和地閃(b)的日變化Fig. 4 Diurnal variations of satellite lightning (a) and ground-to-ground flashes (b) in Jiangxi province from 2004 to 2014

2.4 季節(jié)變化

為進(jìn)一步了解衛(wèi)星閃電隨季節(jié)的變化特征，將月份分為3個(gè)季節(jié)段，分別為秋冬季(10—12月和1—2月)、春季(3—5月)和夏季(6—9月)，逐小時(shí)的閃電次數(shù)變化如圖5所示?？梢钥吹?，秋冬季的閃電很少，除00時(shí)外的其他時(shí)段均低于100次；春季衛(wèi)星閃電的逐小時(shí)變化較大，但大都為500次左右，無(wú)明顯的多發(fā)生或少發(fā)生時(shí)段，僅16時(shí)和04時(shí)相對(duì)較多，前者與熱力條件最佳有關(guān)，后者則可能是由于夜間大氣邊界層急流增強(qiáng)的日變化所致。夏季的閃電次數(shù)變化與春季完全不同，該季節(jié)呈現(xiàn)出顯著的單峰特征，午后14—18時(shí)為閃電的最多發(fā)時(shí)段，反映出了盛夏時(shí)節(jié)多熱對(duì)流發(fā)展，閃電集中發(fā)生于午后到前半夜(王義耕等，2010)，熱力條件對(duì)閃電活動(dòng)發(fā)揮了顯著促進(jìn)作用。

圖5 2004—2014年江西省不同月份LIS閃電的日變化

3 江西省閃電空間分布特征

3.1 閃電密度的空間分布

圖6為2004—2014年間衛(wèi)星閃電和地閃的年平均密度以及江西省地形分布。分析可知，江西省大部分地區(qū)閃電密度在10 fl/(km2·a)以上，最高超過(guò)30 fl/(km2·a)，中南部相對(duì)更高，高值區(qū)主要位于吉安和贛州西部及撫州西部等地，平均閃電密度達(dá)20 fl/(km2·a)以上，上饒、九江等地附近次之，低值區(qū)主要位于上饒西部和北部、宜春西部、撫州東南部和贛州北部等地。分析地閃平均密度可以看出，其值顯著低于衛(wèi)星閃電密度，兩者相差約10倍，部分地區(qū)的差異更大些；高值區(qū)主要位于浙贛鐵路沿線(xiàn)附近、吉泰盆地附近及贛州東部的部分地區(qū)，最大密度約為2 fl/(km2·a)。兩種閃電的空間分布特征相近，上饒南部、吉安中南部、撫州西部和贛州東部等地是閃電密度的較高值區(qū)，江西省西部和東北部等地的閃電密度均相對(duì)較低。將閃電空間分布與江西省地形高度相比，發(fā)現(xiàn)兩種閃電的密度高值區(qū)主要分布于地勢(shì)較低的平原、丘陵及平地向山地過(guò)渡地帶，以吉安中部、宜春北部和東部、鷹潭、上饒南部等地最為顯著，顯示出閃電活躍的地區(qū)與地形有較密切關(guān)聯(lián)。

圖6 2004—2014年衛(wèi)星閃電(a)、地閃(b)的年平均密度(單位：fl/(km2·a))及江西省地形分布(c，單位：m)(白色圓圈為L(zhǎng)LS測(cè)站)

3.2 閃電密度的季節(jié)變化

為更好地理解閃電密度反映出的對(duì)流性季節(jié)變化特征，分別計(jì)算了3—5月和6—9月的閃電密度，結(jié)果如圖7所示。可以看到，3—5月衛(wèi)星閃電密度較低，空間分布比較平均，但有2個(gè)很小的異常高值區(qū)，位于上饒北部和贛州南部，是LIS剛好在當(dāng)?shù)赜^測(cè)到一次強(qiáng)烈的閃電過(guò)程，經(jīng)過(guò)處理計(jì)算后得到當(dāng)?shù)亻W電密度異常偏高，可以忽略。3—5月地閃密度高值區(qū)在江西中部和南部的偏東地區(qū)，總體分布較均勻，此時(shí)西南季風(fēng)逐漸加強(qiáng)，江西省中南部多受華南暖濕氣流北上和鋒面活動(dòng)影響，閃電活動(dòng)較為頻繁。6—9月衛(wèi)星閃電密度分布不均，高值在吉安和江西省東北部附近，地閃高值在東北部和東部，此時(shí)受副熱帶高壓控制，閃電活動(dòng)更偏向江西省中北部。地閃在3—5月高值偏南，6—9月高值偏北，反映了太陽(yáng)輻射加強(qiáng)，季風(fēng)逐漸北上，副熱帶高壓北跳給對(duì)流活動(dòng)帶來(lái)的影響。

圖8分別給出了2004—2014年正地閃密度和正地閃比例分布。分析可知，九江東部、宜春東部、南昌大部、撫州北部、上饒南部和鷹潭的地閃密度較大，豐城、金溪附近為兩個(gè)大于0.25 fl/(km2·a)的正地閃密度大值中心，這與江西省南部地區(qū)的冰雹天氣相對(duì)較少、而中北部較多的氣候特征較一致(龍余良等，2009)，而南部的正地閃密度較小，大都在0.1 fl/(km2·a)以下，當(dāng)?shù)氐谋⒋螖?shù)也較少，僅贛州市西部的局部地區(qū)發(fā)生過(guò)。正地閃比例較高區(qū)域也位于南昌、撫州和鷹潭等地，與密度分布特征相似，最大超過(guò)16%，位于南昌南部和撫州北部。可見(jiàn)，正地閃密度和比例大值區(qū)多位于冰雹天氣多發(fā)地，即正地閃分布特征可以較好地反映出冰雹天氣的發(fā)生頻率。

3.3 閃電密度分布與變化的可能成因

為探究造成上述閃電密度分布與變化特征的可能成因，利用2013—3017年歐洲預(yù)報(bào)中心再分析資料(ERA5)的逐月平均場(chǎng)，得到對(duì)流層中、低層的環(huán)流背景和部分物理量分布，進(jìn)而分析造成江西省閃電活動(dòng)特征的氣候背景。

以對(duì)流有效位能(CAPE)為例來(lái)分析造成閃電空間分布和時(shí)間變化的環(huán)境條件。該物理量是在自由對(duì)流高度之上、氣塊可從正浮力作功而獲得的能量，常用?，攬D上的正面積大小來(lái)表示，反映的是大氣中不穩(wěn)定能量的大小，與對(duì)流活動(dòng)的強(qiáng)弱程度直接相關(guān)。該值越大，就越有利于形成對(duì)流性天氣。圖9給出了江西省及周邊地區(qū)3—5月和6—9月的CAPE平均值。分析可知，隨著季節(jié)的轉(zhuǎn)換，反映熱力和能量條件的CAPE值也有顯著的位置和數(shù)值變化，3—5月南部較大而東北部較小，150 J/kg以上的較大值區(qū)與贛州市域較吻合，也與圖7c地閃密度高值區(qū)相對(duì)應(yīng)，表明CAPE較高值區(qū)很好地反映了地閃活動(dòng)較強(qiáng)區(qū)域，但與衛(wèi)星閃電的密度分布(圖7a)偏差較大。北部地區(qū)的CAPE均值較低，也與當(dāng)?shù)氐男l(wèi)星閃電和地閃密度較低特征吻合。6—9月的CAPE值明顯高于3—5月；北部CAPE值較大而南部小，呈現(xiàn)出春季轉(zhuǎn)換到夏季時(shí)、高對(duì)流有效位能區(qū)有北進(jìn)的變化特征，這與副熱帶高壓西進(jìn)北推和偏南暖濕氣流北上密切相關(guān)。CAPE高值中心位于九江東部和南昌等地附近，最大值超過(guò)1 050 J/kg，與圖7b、d中的部分閃電密度高值區(qū)相吻合，但上饒南部、吉安西部等地的閃電密度大值區(qū)并沒(méi)有與高CAPE值區(qū)對(duì)應(yīng)，反映對(duì)流有效位能可以一定程度上反映出對(duì)流活躍區(qū)的位置分布，反之，對(duì)流活躍區(qū)并不一定與高CAPE值區(qū)重合，它可能受到更多因素的影響作用。

圖7 2004—2014年江西省3—5月(a、c)、6—9月(b、d)衛(wèi)星閃電(a、b)和地閃(c、d)密度分布(單位：fl/(km2·a))Fig. 7 Satellite lightning (a, b) and ground-to-ground flashes density (c, d) from March to May (a, c) and June to September (b, d) during 2004 and 2014 (unit：fl/(km2·a))

圖8 2004—2014年江西省正地閃密度(a，單位：fl/(km2·a))和正地閃比例(b)Fig. 8 Positive ground-to-ground flashes density (a，unit：fl/(km2·a))and the proportion (b)

圖9 2004—2014年江西省及周邊地區(qū)3—5月(a)和6—9月(b)的CAPE平均值(單位：J/kg)Fig. 9 Average CAPE values(unit：J/kg) of Jiangxi province and its surrounding areas from March to May (a) and June to September (b)

4 結(jié) 論

盡管TRMM衛(wèi)星的閃電探測(cè)任務(wù)已結(jié)束，但統(tǒng)計(jì)分析其歷史探測(cè)資料，仍可幫助更好地認(rèn)識(shí)對(duì)流云不同高度的閃電活動(dòng)特征，也為用好風(fēng)云衛(wèi)星(FY-4A)閃電資料提供參考。文中對(duì)比了TRMM衛(wèi)星的閃電探測(cè)儀和江西省地面閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)所獲取的2004—2014年數(shù)據(jù)，對(duì)江西省閃電活動(dòng)的時(shí)空特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)：

1) 兩種閃電的特征均表現(xiàn)對(duì)流活動(dòng)的年際差異較大，2010年發(fā)生次數(shù)最多，衛(wèi)星閃電和地閃高峰值為低峰值的兩倍左右，總體而言，晝地閃和夜地閃的變化趨勢(shì)較一致。兩種閃電活動(dòng)的季節(jié)變化特征均很明顯，高發(fā)于6—9月，低發(fā)于冬季，呈單峰型特征；盛夏時(shí)節(jié)(6—9月)閃電活動(dòng)多集中于午后到前半夜發(fā)生。

2) 無(wú)論是衛(wèi)星閃電還是地閃，均呈現(xiàn)出顯著的局地性和分散性特征?？傮w而言，多發(fā)于山地與地勢(shì)較低的過(guò)渡帶。CAPE值與閃電活動(dòng)密切相關(guān)，CAPE值越大的區(qū)域，地閃密度越大；反之，則不一定成立。

3)兩種閃電的頻數(shù)密度并不完全一致，地閃密度的高值區(qū)與冰雹多發(fā)地較吻合。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種閃電頻數(shù)的空間分布有相似之處，也有較多差異，兩者的探測(cè)機(jī)制不一樣是重要原因，衛(wèi)星閃電更多地反映了對(duì)流層中上層的對(duì)流活動(dòng)特征，而地基閃電大體相反。研究還發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星探測(cè)閃電存在缺陷，表現(xiàn)為常出現(xiàn)異常的極值，其原因需進(jìn)一步分析。因此，結(jié)合使用兩種閃電資料，才能更全面地了解對(duì)流云不同高度上的閃電活動(dòng)整體特征，也可以對(duì)今后利用好風(fēng)云衛(wèi)星閃電資料提供參考。