基于TRMM卫星的江西省闪电时空分布特征

杨 钢 , 赖 晨，支树林

1. 吉安县气象局，江西 吉安 3431002. 江西省大气探测技术中心，江西 南昌 3300963. 江西省气象台，江西 南昌 330096

0 引 言

雷电作为一种气象灾害，常常伴随于强对流性天气活动，威胁范围广，对生物和电子设备等伤害大，目前只能被动地躲避和接引防护。江西省地形复杂，东西南三面环山，中部丘陵起伏，南北跨度大，雷电活动在时间和空间上的分布变化很大，季节性、区域性特征明显，对流和闪电活动多发，雷电灾害较严重。同时雷电与强对流性天气有着密切联系，雷电的发生发展一定程度上能反映出强对流性天气的发生演变，因此有必要对江西省的雷电特征进行分析，以期提高雷电灾害防御能力和强对流天气过程的认识。

目前对闪电的观测手段主要有两种，一种是利用地基闪电监测网，另一种是使用星载闪电探测器，卫星闪电探测不受下垫面条件限制，可观测覆盖区域内的总闪电，但无法区分云闪和地闪，地基闪电探测以定位地闪为主，二者探测原理不同，各有优势(惠雯等，2018；朱杰，2018)。将卫星闪电数据和地基闪电数据进行配对能较好地反映雷暴的局部空间和时间规律(姚尧等，2011；Rudlosky and Shen，2013)。杨鹏武等(2011)利用地基闪电数据分析了2008年云南省雷电活动，发现在地闪中，负地闪占绝对优势，且云南省雷电主要发生在6—9月，16—22时是雷电活动和雷灾频发时段。朱润鹏等(2013)利用TRMM卫星分析了11 a全球闪电特征，结果表明近海海域的闪电数占海洋总站点数的近70%，且陆地和近海海域闪电活动随季节变化呈现出单峰特征，峰值出现在7月。王义耕等(2009)利用TRMM卫星分析了华南地区连续9 a的闪电资料，发现闪电活动季节性特征非常明显，主要集中在春末仲夏，呈双峰值特征。基于以上研究，为更好地认识卫星闪电与地闪观测资料的差异，理解对流云在不同高度上的闪电活动特征，文中利用卫星和地基数据资料，对江西省闪电活动的时空分布特征进行详细分析，对比两类数据，并初步探讨可能的影响因子，为未来雷电防护、监测预报预警提供参考。

1 资料来源和分析方法

文中所用闪电资料包括TRMM卫星闪电数据、江西省闪电监测网(ADTD)所得地闪观测资料，以及欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析资料(ERA5)，因目前美国全球水文资源中心(GHRC)闪电原始定位资料最新截止日期为2014年，故选取2004—2014年共11 a的数据，与江西省地闪数据进行对比分析。

热带降水测量任务(TRMM)卫星于1997年11月28日发射升空，主要任务是观测热带、亚热带地区的降水结构、降水率及分布情况，其上搭载的闪电成像探测器(Lightning Image Sensor，LIS)可以观测到注视区内闪电放电时产生的亮度瞬时变化，因此它探测的是云闪和地闪的总闪电活动。TRMM卫星在2001年8月升轨后轨道高度为402.5 km，LIS采样间隔不超过2 ms，扫描宽度为667 km，单点观测时间为91 s，扫描周期约为49 d，夜间和白天的闪电观测效率分别为(93±4)%和(73±11)%(Mach et al, 2001)。

从美国全球水文资源中心(GHRC)获取2004—2014年LIS闪电原始定位资料，经纬度范围选择(24°—30.5°N，113°—119°E)，区域覆盖整个江西省，以0.25°×0.25°的网格统计闪电发生次数，分别按昼夜的平均探测效率(73%、93%)进行闪电次数订正，再根据TRMM轨道信息和LIS扫描参数，计算LIS年平均注视时间(马明等，2004)，求出每个格点的年平均闪电密度。

江西省雷电监测定位网建设于2003年，图1为

该系统所包括的12个探测仪的空间分布。可以看出，探测仪组网后的监测范围基本覆盖江西全省，所用闪电定位系统(Lightning Location System，LLS)对雷电强度探测误差小于15%，陡度测量误差小于15%，回击时间精度小于10-7s，该系统的定位精度和探测效率理论计算值分别约为500 m和90%(罗树如等，2003)，因此所测得地闪数据可信可用。

为便于与同期的卫星闪电资料进行对比分析，从江西省气象局获得了2004—2014年所有的地闪监测数据，为去除云闪数据污染，剔除了闪电强度低于8 kA和超过200 kA的数据，然后将时间间隔在1 s以内、经纬度距在0.1°以内的同极性回击聚类成一次闪电，同样选取(24°—30.5°N，113°—119°E)范围，0.25°×0.25°网格，计算网格闪电次数和年平均闪电密度。

2004—2014年，卫星观测闪电(以下简称“卫星闪电数据”)共筛选出71 039次，地面监测数据(以下简称“地闪数据”)包括回击次数4 984 708次，聚类后共筛选出4 047 540次地闪数据。

文中使用的江西省高程数据资料来自NASA的航天飞机雷达地形测绘项目(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)的公开数据，分辨率为(1/60)°×(1/72)°，海拔高度精确到1 m。

2 江西省闪电时间分布特征

2.1 年变化

图2给出了2004—2014年江西省卫星闪电和地闪的年变化。为方便描述，文中设定06—18时为昼闪时段，其余时间为夜闪时段。分析可知，卫星闪电总数的年变化较大，减少的年份多而增加的年份少，其中总闪电次数最多的2010年(11×103次)是最少的2009年(5×103次)的2倍多，而其年际变化较小，表现出趋势曲线近乎水平。从卫星闪电的变化趋势可以看出，白天的卫星闪电数年际变化较大，夜间变化较小，两者的变化趋势大都一致，仅2005和2009年相反。卫星昼闪比例变化曲线可以看到，除2005和2009年外，其他年份的卫星昼闪比例均超过50%，尤其在2008年和2012—2014年，占比达70%左右，表明卫星闪电反映出的对流活动多发生在白天，夜间则很少。

图2 2004—2014年江西省卫星闪电 (a)和地闪(b)的年变化Fig. 2 Annual variations of satellite lightning (a) and ground-to-ground flashes (b) in Jiangxi province from 2004 to 2014

分析地闪的年变化可知，总地闪数在2007、2010、2014年达到高峰(5×105次)，2005年为低峰(2.5×105次)，高峰值是低峰值的2倍。从总地闪趋势可以看出，总地闪数呈逐渐上升的变化特征。昼地闪数在2007、2010、2014年有3个高峰值，夜地闪数同样在2007、2010、2014年达到高峰。昼地闪数和夜地闪数变化趋势大都一致，尤其体现在2009—2014年。从昼闪占比变化曲线可以看到，其比例均高于50%，表明地闪反映出的对流活动主要发生在白天，夜间则不明显。

因卫星探测不到闪电的极性，因此只能分析地闪极性的变化，从两种极性地闪的年际变化(图略)可以看到，负地闪数基本接近总地闪数，并与总地闪数变化趋势一致，而正地闪数极少发生，占总地闪的10%不到，同时也表明每年地闪极性比例变化小，较为稳定。

2.2 月变化

图3给出了2004—2014年江西省卫星闪电和地闪的月变化。分析可知，卫星总闪电数变化呈双峰形特征，峰值出现在4、8月，后者闪电数最多；变化过程表现为整个4—8月闪电频数都维持较高水平，与江西省在该时段内多降水和对流活动的气候特征吻合。3月开始闪电数快速增加，这是由于此时暖湿气流开始活跃和逐渐北抬所致；9—11月快速减少，则是因为冷空气活动渐趋活跃和南下，导致对流性天气显著减少。昼夜闪电比例随季节发生剧烈变化，在1—4月和12月是夜间闪电占优势，5—11月间则是白天闪电更多，一定程度上反映出了对流活动的活跃时段。所有年份的1月以及12月的白天在江西省境内卫星都没有探测到闪电，这可能是因为冬季闪电频数少所致。

图3 2004—2014年江西省卫星闪电 (a)和地闪(b)的月变化Fig. 3 Monthly variations of satellite lightning (a) and ground-to-ground flashes (b) in Jiangxi province from 2004 to 2014

分析地闪频数的月变化可知，地闪总数变化和昼夜占比趋势与卫星闪电类似，随季节变化明显，但地闪单峰形特征显著，频数高值集中于6—8月的盛夏季，并于8月达到峰值，9月后急剧下降。昼地闪数和夜地闪数变化趋势完全一致。

2.3 日变化

图4给出了2004—2014年江西省卫星闪电和地闪的日变化。分析可知，卫星闪电高发时间段为14—19时，04时、19—23时次之，其余时间段卫星闪电发生频数较低。从地闪的日变化可以看出，地闪在13—17时急剧增多，并于17时达到最高峰，之后开始急剧减少，表明闪电活动高峰期为午后和傍晚，上午较少，而午夜闪电次数变化小。

图4 2004—2014年江西省卫星闪电 (a)和地闪(b)的日变化Fig. 4 Diurnal variations of satellite lightning (a) and ground-to-ground flashes (b) in Jiangxi province from 2004 to 2014

2.4 季节变化

为进一步了解卫星闪电随季节的变化特征，将月份分为3个季节段，分别为秋冬季(10—12月和1—2月)、春季(3—5月)和夏季(6—9月)，逐小时的闪电次数变化如图5所示。可以看到，秋冬季的闪电很少，除00时外的其他时段均低于100次；春季卫星闪电的逐小时变化较大，但大都为500次左右，无明显的多发生或少发生时段，仅16时和04时相对较多，前者与热力条件最佳有关，后者则可能是由于夜间大气边界层急流增强的日变化所致。夏季的闪电次数变化与春季完全不同，该季节呈现出显著的单峰特征，午后14—18时为闪电的最多发时段，反映出了盛夏时节多热对流发展，闪电集中发生于午后到前半夜(王义耕等，2010)，热力条件对闪电活动发挥了显著促进作用。

图5 2004—2014年江西省不同月份LIS闪电的日变化

3 江西省闪电空间分布特征

3.1 闪电密度的空间分布

图6为2004—2014年间卫星闪电和地闪的年平均密度以及江西省地形分布。分析可知，江西省大部分地区闪电密度在10 fl/(km2·a)以上，最高超过30 fl/(km2·a)，中南部相对更高，高值区主要位于吉安和赣州西部及抚州西部等地，平均闪电密度达20 fl/(km2·a)以上，上饶、九江等地附近次之，低值区主要位于上饶西部和北部、宜春西部、抚州东南部和赣州北部等地。分析地闪平均密度可以看出，其值显著低于卫星闪电密度，两者相差约10倍，部分地区的差异更大些；高值区主要位于浙赣铁路沿线附近、吉泰盆地附近及赣州东部的部分地区，最大密度约为2 fl/(km2·a)。两种闪电的空间分布特征相近，上饶南部、吉安中南部、抚州西部和赣州东部等地是闪电密度的较高值区，江西省西部和东北部等地的闪电密度均相对较低。将闪电空间分布与江西省地形高度相比，发现两种闪电的密度高值区主要分布于地势较低的平原、丘陵及平地向山地过渡地带，以吉安中部、宜春北部和东部、鹰潭、上饶南部等地最为显著，显示出闪电活跃的地区与地形有较密切关联。

图6 2004—2014年卫星闪电(a)、地闪(b)的年平均密度(单位：fl/(km2·a))及江西省地形分布(c，单位：m)(白色圆圈为LLS测站)

3.2 闪电密度的季节变化

为更好地理解闪电密度反映出的对流性季节变化特征，分别计算了3—5月和6—9月的闪电密度，结果如图7所示。可以看到，3—5月卫星闪电密度较低，空间分布比较平均，但有2个很小的异常高值区，位于上饶北部和赣州南部，是LIS刚好在当地观测到一次强烈的闪电过程，经过处理计算后得到当地闪电密度异常偏高，可以忽略。3—5月地闪密度高值区在江西中部和南部的偏东地区，总体分布较均匀，此时西南季风逐渐加强，江西省中南部多受华南暖湿气流北上和锋面活动影响，闪电活动较为频繁。6—9月卫星闪电密度分布不均，高值在吉安和江西省东北部附近，地闪高值在东北部和东部，此时受副热带高压控制，闪电活动更偏向江西省中北部。地闪在3—5月高值偏南，6—9月高值偏北，反映了太阳辐射加强，季风逐渐北上，副热带高压北跳给对流活动带来的影响。

图8分别给出了2004—2014年正地闪密度和正地闪比例分布。分析可知，九江东部、宜春东部、南昌大部、抚州北部、上饶南部和鹰潭的地闪密度较大，丰城、金溪附近为两个大于0.25 fl/(km2·a)的正地闪密度大值中心，这与江西省南部地区的冰雹天气相对较少、而中北部较多的气候特征较一致(龙余良等，2009)，而南部的正地闪密度较小，大都在0.1 fl/(km2·a)以下，当地的冰雹次数也较少，仅赣州市西部的局部地区发生过。正地闪比例较高区域也位于南昌、抚州和鹰潭等地，与密度分布特征相似，最大超过16%，位于南昌南部和抚州北部。可见，正地闪密度和比例大值区多位于冰雹天气多发地，即正地闪分布特征可以较好地反映出冰雹天气的发生频率。

3.3 闪电密度分布与变化的可能成因

为探究造成上述闪电密度分布与变化特征的可能成因，利用2013—3017年欧洲预报中心再分析资料(ERA5)的逐月平均场，得到对流层中、低层的环流背景和部分物理量分布，进而分析造成江西省闪电活动特征的气候背景。

以对流有效位能(CAPE)为例来分析造成闪电空间分布和时间变化的环境条件。该物理量是在自由对流高度之上、气块可从正浮力作功而获得的能量，常用埃玛图上的正面积大小来表示，反映的是大气中不稳定能量的大小，与对流活动的强弱程度直接相关。该值越大，就越有利于形成对流性天气。图9给出了江西省及周边地区3—5月和6—9月的CAPE平均值。分析可知，随着季节的转换，反映热力和能量条件的CAPE值也有显著的位置和数值变化，3—5月南部较大而东北部较小，150 J/kg以上的较大值区与赣州市域较吻合，也与图7c地闪密度高值区相对应，表明CAPE较高值区很好地反映了地闪活动较强区域，但与卫星闪电的密度分布(图7a)偏差较大。北部地区的CAPE均值较低，也与当地的卫星闪电和地闪密度较低特征吻合。6—9月的CAPE值明显高于3—5月；北部CAPE值较大而南部小，呈现出春季转换到夏季时、高对流有效位能区有北进的变化特征，这与副热带高压西进北推和偏南暖湿气流北上密切相关。CAPE高值中心位于九江东部和南昌等地附近，最大值超过1 050 J/kg，与图7b、d中的部分闪电密度高值区相吻合，但上饶南部、吉安西部等地的闪电密度大值区并没有与高CAPE值区对应，反映对流有效位能可以一定程度上反映出对流活跃区的位置分布，反之，对流活跃区并不一定与高CAPE值区重合，它可能受到更多因素的影响作用。

图7 2004—2014年江西省3—5月(a、c)、6—9月(b、d)卫星闪电(a、b)和地闪(c、d)密度分布(单位：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))

图8 2004—2014年江西省正地闪密度(a，单位：fl/(km2·a))和正地闪比例(b)Fig. 8 Positive ground-to-ground flashes density (a，unit：fl/(km2·a))and the proportion (b)

图9 2004—2014年江西省及周边地区3—5月(a)和6—9月(b)的CAPE平均值(单位：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 结 论

尽管TRMM卫星的闪电探测任务已结束，但统计分析其历史探测资料，仍可帮助更好地认识对流云不同高度的闪电活动特征，也为用好风云卫星(FY-4A)闪电资料提供参考。文中对比了TRMM卫星的闪电探测仪和江西省地面闪电监测网所获取的2004—2014年数据，对江西省闪电活动的时空特征进行了分析，发现：

1) 两种闪电的特征均表现对流活动的年际差异较大，2010年发生次数最多，卫星闪电和地闪高峰值为低峰值的两倍左右，总体而言，昼地闪和夜地闪的变化趋势较一致。两种闪电活动的季节变化特征均很明显，高发于6—9月，低发于冬季，呈单峰型特征；盛夏时节(6—9月)闪电活动多集中于午后到前半夜发生。

2) 无论是卫星闪电还是地闪，均呈现出显著的局地性和分散性特征。总体而言，多发于山地与地势较低的过渡带。CAPE值与闪电活动密切相关，CAPE值越大的区域，地闪密度越大；反之，则不一定成立。

3)两种闪电的频数密度并不完全一致，地闪密度的高值区与冰雹多发地较吻合。

通过对比发现，两种闪电频数的空间分布有相似之处，也有较多差异，两者的探测机制不一样是重要原因，卫星闪电更多地反映了对流层中上层的对流活动特征，而地基闪电大体相反。研究还发现，卫星探测闪电存在缺陷，表现为常出现异常的极值，其原因需进一步分析。因此，结合使用两种闪电资料，才能更全面地了解对流云不同高度上的闪电活动整体特征，也可以对今后利用好风云卫星闪电资料提供参考。