超強臺風“瑪莉亞”閃電活動特征分析①

吳生燦 張燁方 劉冰 林嵐 吳啟綿

（1 福建省南平市氣象局 福建南平 353000；2 福建省氣象災害防御技術中心 福建福州 350008）

臺風結構、強度及路徑預報是做好臺風災害預警、減少臺風過程災害的有效辦法。閃電的形成與云內微物理過程、動力特征密切相關，閃電活動變化表明云內對流正在變化。近年來對臺風過程的閃電活動研究表明，臺風過程中的閃電可能對臺風結構和強度變化預報預警有指示意義。Price C M A等［1］分析了全球56個颶風過程的閃電活動，發(fā)現(xiàn)閃電頻數(shù)跟颶風最大持續(xù)風速存在正相關，相關系數(shù)達到0.82。在颶風達到最強，氣壓達到最低點前一天閃電頻數(shù)增加。潘倫湘等［2］分析了西北太平洋地區(qū)2005～2008年登陸我國的7次臺風過程，發(fā)現(xiàn)在臺風中心最大風速急劇增大階段，眼壁上閃電爆發(fā)，在眼壁閃電（臺風中心100 km范圍內的閃電）爆發(fā)幾小時后中心風速達到最大值，有個別臺風在臺風最強期間的前半段眼壁閃電爆發(fā)。潘倫湘等［3］分析了臺風“圣帕”過程的閃電活動，發(fā)現(xiàn)在臺風中心最大風速急劇增大階段，眼壁上閃電爆發(fā)兩次，在第二次眼壁閃電爆發(fā)后2 h，中心風速達到最大值。雷小途等［4］使用TRMM衛(wèi)星獲得的閃電信息結合熱帶氣旋活動特征，發(fā)現(xiàn)閃電與熱帶氣旋的強度及變化有一定關系，利用發(fā)生在熱帶氣旋不同區(qū)域的閃電信息可對熱帶氣旋的強度進行估算。因此，對臺風中閃電活動的研究具有現(xiàn)實意義。

我國東南沿海地區(qū)，特別是臺灣島—臺灣海峽—福建沿海地區(qū)的近海海域，是最易發(fā)生熱帶氣旋閃電的兩個區(qū)域之一［4］，研究此區(qū)域典型臺風與閃電活動特征，有助于加深對臺風結構、強度與閃電活動的了解。本研究將綜合使用福建省三維閃電定位系統(tǒng)與全球閃電定位系統(tǒng)（World Wide Lightning Location Network，WWLLN）提供的閃電定位數(shù)據(jù)、中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的臺風數(shù)據(jù)、福建省氣象局提供的雷達資料對1808號超強臺風中閃電活動特征進行分析。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 閃電數(shù)據(jù)

使用福建省三維閃電定位系統(tǒng)（主要用于研究臺風登陸福建前后閃電活動特征）和全球閃電定位系統(tǒng)（World Wide Lightning Location Network，WWLLN）提供的閃電定位數(shù)據(jù)。使用某時刻前后90 min的閃電代表該時刻閃電發(fā)生情況。

福建省三維閃電定位系統(tǒng)共布設16臺探測儀，探測半徑200 km，可以覆蓋福建全省及中國臺灣海峽近海區(qū)域。全球閃電定位系統(tǒng)（WWLLN）詳細介紹見相關文獻［5］。WWLLN通過探測閃電產(chǎn)生的甚低頻電磁輻射信號，可以探測到數(shù)千公里內閃電發(fā)生的電磁輻射信號，實現(xiàn)全時監(jiān)控臺風過程的閃電活動。盡管WWLLN探測效率不高，但其探測結果可以反映海洋上空閃電活動分布規(guī)律，幫助了解熱帶氣旋對流中的閃電活動特征［6-8］。

1.2 臺風資料

使用中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集提供了每6 h的臺風信息、臺風登陸前24 h及在我國陸地活動期間每3 h的臺風信息，具體為氣旋編號、時間、中心位置、中心最低氣壓、近中心最大風速等，采用國家標準GB/T 19201-2006［9］定義熱帶氣旋強度等級。

將臺風的徑向方向劃分為內核、內雨帶和外雨帶。其中距臺風中心0～50 km為眼壁區(qū)域，0～100 km為內核區(qū)域，100～200 km為內雨帶區(qū)域，200～500 km為 外 雨 帶區(qū) 域。參 照Kapand［10］、Shu［11］將臺風在海上強度變化的標準定為迅速加強（Rapid Intensity，RI）、一般加強（Average Intensity Change，AIC）、迅速減弱（Rapid Weaken），判定標準是24 h風速變化，即RI為ΔVmax24≥15 m/s、RW為ΔVmax24≤-20 m/s、AIC為-20 m/s≤ΔVmax24≤15 m/s。

1.3 雷達數(shù)據(jù)

研究表明，6 km高的雷達回波與閃電活動關聯(lián)性較好［12］，且眼壁區(qū)閃電與5～7 km高度混合相變區(qū)雷達反射率高值區(qū)關系密切［13］，因此，本研究使用6 km高度處的雷達回波。

2 結果與分析

2.1 臺風過程

1808號強臺風“瑪莉亞”是中華人民共和國成立以來7月直接登陸福建的最強臺風，于2018年7月4日12：00（世界時，下同）生成于美國關島以東海洋面上，2018年7月11日9∶10左右在福州市連江縣黃岐半島沿海登陸，登陸時中心附近最大風力14級，沿海局部最大陣風達17級，至2018年7月11日12時減弱為熱帶低壓。臺風發(fā)展過程與強度信息詳見表1。

表1 臺風發(fā)展過程與強度變化

續(xù)表1 臺風發(fā)展過程與強度變化

2.2 臺風過程中閃電活動分布特征

圖1是臺風過程中距臺風中心500 km內閃電活動徑向分布圖。由表1與圖1可以看出，氣旋過程的閃電活動總體呈現(xiàn)出3個時間段分布，大致對應臺風發(fā)展的初始期（經(jīng)過熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴等強度等級）、成熟期（經(jīng)過臺風、強臺風、超強臺風、強臺風、臺風等強度等級）及消散期（經(jīng)過強熱帶風暴、熱帶風暴、熱帶低壓等強度等級）。

初始期，當處于熱帶低壓、熱帶風暴階段，閃電主要發(fā)生在外雨帶與內雨帶外側區(qū)域。當增強為強熱帶風暴時，內核區(qū)開始出現(xiàn)閃電活動。但閃電活動較弱。隨著中心氣壓降低，近臺風中心最大風速快速增長，氣旋逐漸進入成熟期。內核閃電迅速增加，尤其是眼壁閃電活動增長幅度最大，在6日3∶00達到最高值，而后逐漸回落，8日3∶00眼壁閃電短暫增加后再次減少。內雨帶中遠離臺風中心較遠區(qū)域的閃電持續(xù)時間相對較長，但總體閃電活動偏少。外雨帶閃電活動相對活躍，在各個局域中均有閃電發(fā)生，其中處于外雨帶中間區(qū)域閃電活動變化最為頻繁。消散期，雨帶中閃電活動相對于前兩個階段均有所增強，11日6∶00開始各區(qū)域閃電活動進入爆發(fā)期。臺風登陸前后，外雨帶近臺風中心位置的閃電活動最為活躍。在臺風中心登陸3 h后閃電逐漸減少。在消散期，外雨帶的閃電活動明顯高于另外兩個區(qū)域，并且閃電活動劇烈的位置隨時間變化呈現(xiàn)出從內側向外側變化的趨勢。

總的來說，臺風活動主要發(fā)生在氣旋發(fā)展成熟期至結束，強熱帶風暴、熱帶風暴閃電活動強于臺風及以上等級。外雨帶中內側閃電活動較為活躍，且在臺風登陸減弱為強熱帶風暴后，閃電活動徒增趨勢明顯且維持了一段時間。內雨帶閃電活動最少，在臺風登陸前有短暫增加。內核閃電活動主要發(fā)生在初始至成熟階段，眼壁區(qū)域閃電活動在氣旋增強為超強臺風的階段達到峰值。

2.3 臺風強度變化與閃電活動關系

研究表明，臺風強度快速增強時，閃電活動也可能出現(xiàn)明顯增長，閃電活動與臺風強度變化存在一定的關聯(lián)性，這主要是由于臺風活動影響著產(chǎn)生閃電的云內微物理過程。

圖2～3分別是距臺風中心0～50、0～500 km閃電活動與臺風近中心最低風速、中心最低氣壓圖。結合表1、圖2可見，7月4日6∶00，臺風進入RI階段，氣旋中心氣壓迅速減小，近中心最大風速快速增長，眼壁區(qū)域開始出現(xiàn)閃電活動。7月5日14∶00時，眼壁閃電突然陡增，此時臺風正逐漸增強為超強臺風，并于7月6日0∶00時中心氣壓達到最低值，近中心風速達到峰值。眼壁閃電爆發(fā)提前于臺風最大強度10 h。隨后近12 h眼壁閃電活動仍一直處于活躍期，同期中心氣壓逐漸回升。7月6日12∶00時，閃電活動開始快速減少。6 h后中心氣壓逐漸回升，中心風速有所回落。7月8日0∶00時，臺風中心氣壓快速減小，6∶00前后，眼壁閃電經(jīng)過連續(xù)3 h增長后，中心氣壓第二次達到最低值。結合表1、圖3可見，在整個臺風發(fā)展過程中閃電活動主要集中在AIC與RW，RI期間閃電活動相對較弱，臺風登陸前后的6 h內閃電活動最活躍，7月6日23∶00，閃電次數(shù)達到最高值，臺風消散后閃電活動也隨之逐漸減少。在AIC、RW期間，閃電活動變化趨勢與臺風強度的增長趨勢基本相同，但閃電活動變化要提前3 h。

總的來看，眼壁閃電的爆發(fā)提前于臺風最大強度出現(xiàn)，眼壁閃電活動在短時間連續(xù)增長或陡增對臺風強度等級具有一定的指示作用，眼壁閃電爆發(fā)有可能預示著臺風強度正在增強。RI期間臺風過程中閃電活動相對較弱，臺風登陸后閃電活動可能爆發(fā)。

2.4 臺風登陸前后閃電活動

2018年7月11日9∶10，臺風在福州市連江縣黃岐半島沿海登陸，臺風登陸前后福建省內閃電活動情況見表2。從表2中可知，臺風登陸過程中福建省內閃電活動主要發(fā)生在臺風登陸后。臺風登陸前12 h，福建省內幾乎沒有閃電活動，臺風中心登陸前后3 h，沒有閃電發(fā)生，而后閃電活動有所加強，15∶00后閃電活動陡增。登陸后閃電活動負閃明顯多于正閃。圖4～5分別是7月11日15∶00、21∶00的6 km高度處雷達回波與閃電活動分布圖。15∶00熱帶低壓形成的云系覆蓋了福建省內大部分上空，處于外雨帶的漳州、龍巖地區(qū)部分回波強度達到了35 dBZ，該區(qū)域存在較強的閃電活動。21∶00云系已快速消散，此時在漳州、龍巖還零星發(fā)生閃電，但數(shù)量已大幅減少?？傮w上看，臺風登陸前福建省內閃電活動很微弱，在臺風即將消散的最后幾小時內，省內閃電活動呈現(xiàn)陡增隨后快速消失的過程。閃電區(qū)域與雷達回波高于35 dBZ的區(qū)域存在較好的一致性。

表2 臺風登陸前后福建省內閃電活動情況

3 結論

閃電活動主要發(fā)生在氣旋穩(wěn)定期與消散期的內核與外雨帶。在臺風強度迅速增強期間內核閃電活動最為活躍，內核閃電的突然爆發(fā)對氣旋強度加強有一定的指示作用。臺風登陸前閃電活動銳減，登陸一段時間后閃電陡增而后快速減少。閃電活動區(qū)域與雷達回波高于35 dBZ的區(qū)域存在較好的一致性。