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遥感技术与应用, 2021, 36(4): 873-886 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2021.4.0873

遥感应用

FY-4A LMI观测的利奇马(2019)台前飑线闪电活动及其与对流演变的关系

林小红,1,2, 张文娟,3, 范能柱2, 黄铃光2, 蒋滔2, 付超2

1.福建省灾害天气重点实验室,福建 福州 350007

2.福建省气象台,福建 福州 350007

3.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081

Lightning Activity in the Pre-TC Squall Line of Typhoon Lekima(2019) Observed by FY-4A LMI and Its Relationship with Convective Evolution

Lin Xiaohong,1,2, Zhang Wenjuan,3, Fan Nengzhu2, Huang Lingguang2, Jiang Tao2, Fu Chao2

1.Fujian Provincial Key Laboratory of Disaster Weather,Fuzhou 350007,China

2.Fujian Provincial Meteorological Station,Fuzhou 350007,China

3.State Key Laboratory of Disaster Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China

通讯作者: 张文娟(1981—),女,河北邯郸人,研究员,主要从事雷暴电学研究。E⁃mail: zwj@cma.gov.cn

收稿日期: 2020-06-15   修回日期: 2021-06-18   网络出版日期: 2021-09-26

基金资助: 中国气象局预报员专项.  CMAYBY2020-062
福建省气象局开放式基金项目(海峡所).  2019KH01

Received: 2020-06-15   Revised: 2021-06-18   Online: 2021-09-26

作者简介 About authors

林小红(1975—),女,福建福州人,正高级工程师,主要从事预报技术研究E⁃mail:pop_lxh@163.com , E-mail:pop_lxh@163.com

摘要

为研究风云四号A星闪电成像仪(FY-4A LMI)闪电资料在强对流天气的监测预警能力,以2019年台风“利奇马”台前飑线为例,利用FY-4A LMI闪电资料、FY-4A 云顶亮温资料(TBB)、地基闪电定位资料(ADTD)、组网雷达组合反射率因子资料和东南沿海自动站风雨资料,研究“利奇马”台前飑线全闪电活动的时空分布特征及其与飑线内对流演变的关系。结果表明:FY-4A LMI闪电频次的时空变化与台前飑线的演变过程相一致,LMI闪电爆发对台前飑线强度增强具有提早约1h的指示作用。在闪电活动与台前飑线对流的演变关系上,LMI闪电与卫星TBB深对流及雷达强回波的时空演变存在较好的相关性。LMI观测的闪电频数与强回波(35~55 dBZ)顶高具有对应关系,与-72 ℃冷云区面积及35 dBZ以上雷达组合反射率因子面积的变化特征相同。闪电活动集中位于TBB低值区的左侧和前部的亮温梯度大值区,对地面雷暴大风和强降水的可能发生位置具有判识作用。LMI与ADTD的比较发现二者所揭示的利奇马台前飑线闪电活动特征基本一致。

关键词: 闪电 ; 台前飑线 ; 闪电成像仪 ; 风云四号 ; 利奇马

Abstract

In order to study the monitoring and warning ability of Fengyun-4A Lightning Mapping Imager (LMI) lightning data in severe convective weather, the Pre-TC squall line of Typhoon Lekima (2019) is taken as a case study. Based on lightning data from FY-4A LMI, combining with FY-4A Temperature of Black Body (TBB) cloud top data,the cloud-to-ground lightning location data (ADTD), radar composed reflectivity factor data from National Radar Network, and wind and rain data from the automatic stations in southeast coast, the spatial and temporal distribution characteristics of the total lightning activity in the Pre-TC squall line and its relationship with the convective evolution are studied. The results show that the temporal and spatial changes of FY-4A LMI lightning rates are consistent with the evolution of the Pre-TC squall line. LMI lightning burst has an indicating function of about 1h in advance on the intensification of the Pre-TC squall line. In the relationship between lightning activity and convective evolution, the temporal and spatial characteristics of total lightning observed by LMI have good correlations with the evolution of satellite TBB and radar echoes. The time series of lightning rates has a corresponding relationship with the strong echo top height from 30 dBZ to 55 dBZ, which is consistent with the area changes of the cold cloud (≤-72 ℃ ) and the strong radar composed reflectivity factor (≥35 dBZ). Lightning activity is mostly located in the areas of large TBB gradient to the left and front side of the TBB low value area,which has an indication on the possible locations of thunderstorm gale and heavy precipitation. The comparisons between LMI and ADTD showed that the characteristics of lightning activity observed by the two systems in the Pre-TC squall line of Lekima are basically consistent.

Keywords: Lightning ; Pre-TC Squall Line ; Lightning Mapping Imager (LMI) ; Fengyun-4 ; Lekima

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本文引用格式

林小红, 张文娟, 范能柱, 黄铃光, 蒋滔, 付超. FY-4A LMI观测的利奇马(2019)台前飑线闪电活动及其与对流演变的关系. 遥感技术与应用[J], 2021, 36(4): 873-886 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2021.4.0873

Lin Xiaohong, Zhang Wenjuan, Fan Nengzhu, Huang Lingguang, Jiang Tao, Fu Chao. Lightning Activity in the Pre-TC Squall Line of Typhoon Lekima(2019) Observed by FY-4A LMI and Its Relationship with Convective Evolution. Remote Sensing Technology and Application[J], 2021, 36(4): 873-886 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2021.4.0873

1 引 言

闪电是一种大气放电现象,是对流性天气系统发展到一定阶段的产物1。闪电活动一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,往往伴随着暴雨、雷暴大风、冰雹等灾害性天气发生。闪电资料与雷达、卫星等观测资料相配合,可以用来确定对流发生发展过程并对其活动进行预报2-3。近十年,飑线系统的闪电活动特征研究有了一定的进展4-5,但针对台前飑线系统闪电活动的研究还较少。

目前,闪电观测资料的获取主要有两种方式,基于辐射地磁场传播理论的地面闪电探测技术和基于光学成像原理的卫星闪电探测技术,二者各有优势,互为补充。地面闪电观测通过建立地基监测站网,能够监测覆盖范围内闪电发生的位置,并获取极性、强度等信息6-7,其探测精度受观测站点位置布设、信号传播等因素制约。卫星闪电观测探测范围大、观测高度高,且不受地面条件制约,可以直观的、自上而下的、动态获得闪电生消发展信息8,探测包括云闪、云间闪和地闪在内的总闪电,对云闪更加敏感9-10。卫星闪电探测分为极轨卫星和静止卫星两种平台。极轨卫星始于20世纪90年代中期,以热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)携带的OTD(Optical Transient Detector)和LIS(Lightning Imaging Sensor)为代表,其观测资料至今仍广泛应用于研究11-19。尽管如此,由于受到轨道观测时间和周期的限制,OTD/LIS只能提供观测区域内不连续的平均闪电分布信息。与极轨卫星不同,静止轨道卫星对闪电的连续追踪能力具有明显优势,是卫星闪电探测发展的新方向。我国新一代静止轨道气象卫星风云四号A星(FY-4A)于2016年12月发射升空,该卫星搭载的闪电成像仪(Lightning Mapping Imager, LMI)是我国第一次自主研制的星载闪电成像仪20。LMI采用光学成像方法实现中国及周边地区的闪电活动全天候连续监测,提供覆盖范围广、时间分辨率高的总闪电活动信息,可用于中国及其周边海域的闪电和强对流天气的监测和预警21-22

基于FY-4A LMI全闪电观测资料,一些学者在LMI闪电数据的可靠性检验、强对流天气全闪电活动特征、全闪电数据模式同化等方面开展了研究。曹冬杰等22利用LMI和地基闪电探测产品对两次强对流天气过程进行对比,发现两种闪电资料反映的闪电密度高值区基本一致。由于LMI的总闪探测特点,其相对于地基闪电探测网能够探测更多的闪电。Hui等23对比了LMI与LIS对青藏高原的观测,发现二者观测的闪电频次空间分布较为一致,青藏高原闪电的光学辐射特性对LMI的闪电探测具有较大影响。此外,Hui等24基于2018年LMI观测数据,通过与LIS和全球闪电定位网络WWLLN(World Wide Lightning Location Network)观测结果的比较,详细分析了中国及其邻近地区闪电活动的时空分布特征,揭示了LMI的观测特征。张晓芸等25分析了2018年厦门一次强降水过程,发现LMI观测的闪电移动轨迹与对流云团的移动轨迹相符,且在云团移动轨迹的前方。Zhang等26比较了LMI和WWLLN两种探测系统对2018年超强台风山竹登陆过程闪电活动的观测,发现两种观测的台风闪电活动空间分布和时序演变特征较为一致,闪电频次之间存在较好的相关性。由于卫星的全闪电观测能力,LMI在揭示台风内核较高比例的云闪活动方面具有优势。魏凌翔等27利用LMI资料分析了台风利奇马(2019)的闪电时空演变特征,发现强台风阶段的日平均闪电密度最大,台风闪电的空间分布具有不对称性,台风移动方向左侧的闪电数量明显多于右侧。在闪电资料同化方面,Liu等28研究了LMI资料的同化及其对降水预报的影响,发现闪电与地面降水的空间分布相一致,该研究为静止卫星闪电资料在模式中的同化提供了基础。Chen等29开展了LMI资料在数值模式预报系统中的三维变分同化应用研究,发现循环同化结果可以有效地调节水汽条件,间接影响温度和风场,从而使热动力因子分析更合理。黄守友和徐国强30-31在GRAPES_Meso模式的云分析系统中首次引入了LMI闪电事件资料,试验结果表明LMI计算回波与实况雷达回波具有一致性,LMI闪电事件资料能够较好地捕捉到强降水信号。综上可见,尽管目前FY-4A LMI在天气监测应用方面开展的研究工作并不多,其资料的应用价值仍在探索中,但已有研究表明LMI闪电资料在云闪探测方面具有优势,并且能够揭示强降水、台风、飑线等灾害性天气的强对流活动演变特征。

FY-4A LMI为我国及其近海的全闪电和对流活动提供了前所未有的实时性、连续性观测资料。那么,LMI观测的台前飑线闪电活动具有怎样的时空分布特征,闪电活动与飑线生命史中的对流演变具有怎样的联系?对飑线的发展、移动、强度变化等特征是否具有指示作用?与地闪系统的观测存在哪些异同?针对以上问题,本实验利用FY-4A LMI对2019年超强台风“利奇马”台前飑线过程闪电活动的观测,结合FY-4A TBB云顶亮温、ADTD地基闪电、福建组网雷达以及东南沿海自动站的资料,分析研究台前飑线发展过程中闪电活动的时空分布特征及其与台前飑线对流演变的关系,以期为FY-4A LMI闪电资料在台前飑线预报预警业务中的应用提供参考。

2 研究区域和数据

2.1 研究区域

浙江、福建和广东三省位于109°~123° E,20°~31° N之间,是我国东南沿海地区,属于温暖湿润的亚热带海洋性季风气候和热带季风气候,气候温和,年平均气温17~21 ℃,平均降雨量1 400~2 000 mm,雨量分布从东南向西北方向逐渐减少,降水量冬夏不均,夏季雨量一般占全年雨量的一半以上。东南沿海地区也是我国遭受台风严重影响的地区,平均每年受2~3个台风登陆影响,多集中在7~9月。

2.2 闪电数据

本研究使用的卫星闪电数据来自FY-4A LMI L2级1 min探测产品(http://satellite.nsmc.org.cn)。LMI 测量777.4 nm波段的闪电光辐射信号,探测系统由星上数据预处理系统和地面数据处理系统两部分组成(曹冬杰等22)。星上预处理系统输出经定标定位处理后的原始探测数据,经过虚假信号滤除和聚类分析处理。当闪电成像仪CCD面阵单个像元探测到的闪电光辐射的辐亮度高于背景阈值时,定义为一次闪电“事件”。像元观测区域云中闪电光辐射透过云层的发光现象,对应的CCD面阵该像元中心位置即为这次闪电“事件”的位置。同一帧CCD图像上的多个相邻微小像元探测到的闪电“事件”组成一个“组”,对应于地闪的一次回击。满足一定阈值条件的多个“组”定义为一次“闪电”(曹冬杰等22)。LMI输出“事件(event)”、“组(group)”和“闪电(flash)”三种探测产品,以提供闪电的发生时间、位置、强度和辐射能等信息。本研究使用目前公布的event和group数据。

地基闪电数据来自中国气象局ADTD地闪探测网。ADTD闪电定位系统采用时差法和定向时差联合法对云地闪进行定位(王娟和谌芸32)。ADTD以回击(stroke)为基本探测单位,提供回击发生的时间(精确到毫秒)、位置(经纬度)、极性(正、负)以及强度等信息(朱杰33)。

闪电资料研究时段为2019年8月8日14:00~23:00(北京时,下同),空间范围为116.5°~120.5° E,22.5°~28.5° N。

2.3 FY-4A TBB数据

云顶亮温TBB数据来自FY-4A 辐射成像仪(AGRI) 4 km分辨率L1级数据(http://satellite.nsmc.org.cn),全圆盘成像仪时间分辨率为15 min,中国区域时间分辨率为5 min(张晓芸等25)。AGRI有14个通道,覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段。本研究使用2019年8月8日14:00~23:00成像仪AGRI波段12(波长10.8 μm)的数据,它反映了目标物的亮度温度,时间分辨率选用中国区域5 min步长。为了研究台前飑线内闪电活动与深对流的关系,本实验基于FY-4A TBB数据,将201 K(-72 ℃)作为深对流阈值,该阈值与支树林等10对低于-72 ℃区域不断增大相应闪电频数也越多的研究相一致。

2.4 雷达反射率因子数据

本研究使用的雷达反射率因子数据由福建省宁德、福州和厦门3部多普勒天气雷达提供,能提供基本反射率因子、速度和谱宽等多种信息,扫描半径为230 km,数据间隔为6 min,最低仰角为0.5°,最高仰角为19.5°,空间分辨率为0.01°×0.01°。本研究所用的雷达数据质量控制采取了地物杂波、距离去折叠和速度退模糊方式得到,是可用的。本实验对3部雷达组合反射率因子值进行研究。

2.5 自动站风雨数据

自动站数据来自浙江、福建和广东三个省稠密地面自动站的风和降水数据,将雷暴大风(≥ 17.2 m·s-1)和短时强降水(≥ 20 mm·h-1)作为表征台前飑线过程的天气现象。

3 结果与分析

3.1 台前飑线实况及演变

2019年8月8日下午到夜间,福建省沿海地区出现了一次影响范围广、持续时间长的飑线过程。此次飑线过程是在1909号超强台风“利奇马”外围环流背景下产生的线状台前飑线。台前飑线位于台风路径的左侧(图1(a)),自北向南移动,影响时间长达9 h(8日14:00~23:00)。飑线所经之处造成8~11级雷暴大风,最大风速为32.5 m·s-1 (11级,厦门同安区莲花镇白交祠村,站点位置见图1(a))。尽管此次台前飑线过程降水并不显著(仅一个自动站降水超过50 mm),但伴有强烈的短时强降水,最大降水率达42.5 mm·h-1(泉州南安眉山乡天山中学,站点位置见图1(a))。

图1

图1   2019年8月8日14:00~23:00“利奇马”台前飑线逐时演变

Fig. 1   Time series of the pre-TC squall line of Super Typhoon Lekima from 14:00 to 23:00 (local time) on 8 Aug, 2019


根据台前飑线过程的尺度、雷达回波强度及地面风雨站数的特征变化,可将此次台前飑线过程分为三个阶段,即:形成发展阶段(14:00~17:00)、加强成熟阶段(17:00~20:00)和减弱消亡阶段(20:00~23:00)。雷达回波水平结构和强度变化显示(图1(a)),14:00~17:00的形成发展阶段,断线型对流带逐渐合并连接成一条高度组织化的长线状飑线,雷达回波最大强度达到50 dBZ。

随着飑线的向南移动,飑线尺度及回波强度继续增大,在17:00~20:00的加强成熟阶段,其尺度增至260 km×45 km,回波最大值增至55 dBZ。20:00之后,飑线后部的回波强度快速衰减、回波尺度迅速减小,进入减弱消亡阶段。21:00飑线转为短线状结构,23:00飑线趋于结束。由地面自动站实测雷暴大风和短时强降水站数的逐时演变显示(图1(b)),雷暴大风和短时强降水站数在14:00~20:00(第一和第二阶段)呈递增趋势,期间风雨总站数出现两次跃增,17:00达到首次峰值,20:00达到最大峰值,之后在第三阶段站数快速减少。

从地面雷暴大风和短时强降水站点在台前飑线三个阶段的分布演变来看(图2),台前飑线形成发展阶段(第一阶段,14:00~17:00),以对流大风为主,降水率不高且站数少。雷暴大风区主要位于闽东北部到浙东南沿海一带,以8~9级风力为主(图2(a)和图2(b))。台前飑线加强成熟阶段(第二阶段,17:00~20:00),对流显著增强且转为对流性混合型性质。雷暴大风与短时强降水站数明显增多,站点南移至闽中沿海地区且影响范围增大,特别是10~11级大风站点数增多,降水率显著增大(图2(c)和图2(d))。台前飑线减弱消亡阶段(第三阶段,20:00~23:00),再次转为对流大风为主,但对流性质明显减弱。该阶段雷暴大风与短时强降水站点继续南移至闽南沿海及闽粤交界一带,站数明显减少,尤其是降水站点快速减少(图2(e)和图2(f))。

图2

图2   2019年8月8日14:00~23:00台前飑线3个阶段雷暴大风和短时强降水的站点分布

(圆点符号表示雷暴大风,三角形符号表示短时强降水)

Fig. 2   Distribution of meteorological stations observed thunderstorm gale and short-term heavy precipitation during the three stages of the pre-TC squall line from 14:00 to 23:00 on 8 Aug, 2019


3.2 台前飑线闪电活动的时空分布特征

3.2.1 时间演变特征

图3给出了台前飑线过程的LMI全闪和ADTD地闪的闪电频数、地面雷暴大风和短时强降水总站数的逐时演变。可以看出,台前飑线第一阶段,闪电活动逐渐增多。LMI在16:00达到该阶段的峰值,较ADTD地闪和地面风雨站数峰值(17:00)提前约1 h,随后闪电频次逐渐减小。进入台前飑线第二阶段后,闪电活动再次增强,这与该时段内飑线影响范围扩大及强度增强特征一致(图1(a))。两种探测系统观测的闪电活动频次变化相同,均为先减弱再增加,并在19:00再次出现峰值。闪电频次峰值(19:00)提前地面风雨峰值(20:00)约1 h,表明闪电活动对台前飑线的最大强度具有一定的指示作用。台前飑线第三阶段,闪电频数呈现减小趋势,与飑线强度衰减特征相符,LMI 频数减少较ADTD缓慢。整个台前飑线过程中,两种闪电观测系统探测的闪电频数变化与地面风雨站数随时间变化趋势有较好相关性,在台前飑线第一、第二阶段递增,第三阶段减小。

图3

图3   LMI全闪和ADTD地闪的闪电频次、雷暴大风与短时强降水站数的逐时演变

Fig. 3   Time series of lightning rates of LMI event, LMI group,ADTD cloud-to-ground lightning, and the number of meteorological stations observed thunderstorm gale and short-term heavy precipitation


云顶亮温(TBB)低值区和雷达强回波的范围变化能够展现强对流的演变过程。从闪电频数与云团深对流面积、强对流回波面积的逐10 min演变关系看出(图4):①闪电频次与卫星观测的深对流(TBB≤201 K)面积和雷达观测的强回波(≥35 dBZ)面积的变化趋势一致。由闪电频次表征的台前飑线对流强度和由深对流和强回波面积表征的强对流面积在第一阶段逐渐增大,第二阶段经历短暂减弱后继续增强并达到最大,第三阶段对流强度和面积均迅速缩小。对流强度和面积的演变与台前飑线强度由发展到加强再到减弱的变化特征基本相似。②闪电频数(LMI全闪和ADTD地闪)的变化较深对流面积和强回波面积的变化剧烈,这与云中冰相物粒子浓度和上升气流的快速变化有关。在台前飑线第一阶段,LMI和ADTD频数随时间逐渐增加并先后达到首次峰值,而深对流和强回波面积变化随时间稳定增加,LMI频数爆发(15:30)及ADTD频数爆发(16:00)较强回波和深对流面积峰值(17:00)提早约1 h。台前飑线第二阶段,18:30~19:40 深对流面积与强回波面积变化趋势高度同步,该时段也是飑线云团内深对流最强时段,造成雷暴大风和强降水站点最为密集。两种闪电频数分别于18:30前后再次达到峰值,再次早于两种面积峰值(19:30)约1 h。台前飑线第三阶段,闪电频数减少,与深对流面积及强回波面积减小趋势一致,较好地表征出飑线衰减过程。

图4

图4   LMI全闪和ADTD地闪的闪电频次、云团深对流面积和强雷达回波面积的时序演变(时间分辨率为10 min)

Fig. 4   Time series of lightning rates of LMI events, LMI groups, ADTD strokes, the areas of deep convection, and the areas of strong radar echo. The time step is 10 min


上述分析结果表明,闪电活动与TBB深对流面积和雷达强回波面积的变化特征基本一致,能够较好的表征出飑线发展演变过程中不同阶段的强度变化。在台前飑线第一和第二阶段,闪电(LMI和ADTD)频数爆发时间提前深对流和强回波面积的增幅时间约1 h,表征闪电活动对台前飑线中对流强度的增强具有一定指示作用。

3.2.2 空间分布特征

图5给出了LMI全闪和ADTD地闪在台前飑线三个阶段的闪电活动空间分布,同时给出了地面雷暴大风和短时强降水的观测站点分布。从整体来看,LMI(图5(b)5(e)和5(h))和ADTD(图5(c)5(f)5(i))两种探测系统观测的闪电活动密度高值区拟合度高,闪电活动的空间分布与地面实况分布(图5(a)5(d)和5(g))具有较好的空间对应。第一阶段台前飑线形成发展阶段(图5(a)~5(c)),闪电活动主要分布在闽东北到浙东南区域。LMI观测到闽浙一带有多个块状闪电区,该块状区与地面站点具有较好的空间对应关系。ADTD观测的地闪活动区域密集且空间分布连续。第二阶段台前飑线加强成熟阶段(图5(d)~5(f)),闪电活动增强且向南移动,主要集中于闽中沿海地区,闪电分布面积较第一阶段明显扩大。LMI探测的闪电活动范围覆盖了地面实况站点位置,与地面实况点对应较好。第三阶段台前飑线减弱阶段(图5(g)~5(i)),闪电活动空间范围与地面实况站数和分布面积同步减少。

图5

图5   台前飑线三个阶段地面雷暴大风和短时强降水站点、LMI全闪和ADTD地闪的空间分布叠加深对流移动轨迹过程(时间步长为30 min)

(地面风雨站为蓝色三角形,LMI event为绿色圆点,LMI group为蓝色圆点,ADTD地闪为紫色圆点,深对流移动轨迹为红色实线)

Fig. 5   Distribution of meteorological stations observed thunderstorm gale and short-term heavy precipitation, LMI lightning, and ADTD lightning during the three stages of the pre-TC squall line from 14:00 to 23:00 on 8 August, 2019


此外,图5还给出了深对流云团中心的移动轨迹。由图可见,LMI全闪和ADTD地闪的闪电活动轨迹与深对流云团中心的移动轨迹相一致。闪电位置超前于深对流移动轨迹,对深对流的移动趋势有较好的判识作用。第一阶段,深对流移动轨迹穿过闪电活动密集区,与穿过地面站点密集区高度重合;第二阶段,两种闪电活动主要位于深对流移动轨迹的右侧和前缘;第三阶段,两种闪电活动分布于深对流移动轨迹的两侧,LMI分布略偏向于深对流移动轨迹的右侧些。这可能与两种探测系统的观测对象不同有关。总体上,LMI全闪和ADTD地闪的闪电活动轨迹在台前飑线三个阶段与深对流云团及地面站点的移动轨迹表现基本相同。

3.3 闪电活动与台前飑线对流演变的关系

不同组合反射率因子的最大高度能够反映雷暴在发展过程中上升气流的强弱以及云中粒子的变化。图6为台前飑线内对流回波顶高与闪电频数的逐6 min演变。可以看出,闪电频数的增减变化与各回波顶高的起伏变化表现同步。台前飑线形成发展阶段(第一阶段),15:24之前,仅30 dBZ和35 dBZ回波顶高在-20 ℃层结高度以上,相应闪电频数较少;15:24之后,各回波顶高明显跃增,50 dBZ强回波产生且发展到6~7 km,回波顶高突破0 ℃层结高度,15:30左右LMI 闪电活动爆发;ADTD地闪于16:00左右爆发,该时刻回波顶高再次攀升,40 dBZ回波顶高突破-20 ℃层结高度并继续向上伸展。闪电频数的增幅与雷达回波顶高的攀升特征拟合度高,表明闪电活动能够较好地表征出飑线内对流垂直发展演变的特征。

图6

图6   强回波顶高、LMI全闪和ADTD地闪的闪电频数逐6 min演变

Fig.6   Time series of echo top height and lightning rages of LMI events,LMI groups and ADTD strokes(The time step is 6 min)


台前飑线加强成熟阶段(第二阶段),17:00~18:00,各回波顶高有所回落,相应闪电频数呈现减少;18:00之后,各回波顶高再次显著升高并达到过程最高值,55 dBZ强回波产生,其回波顶高达到-10 ℃层结高度,45 dBZ回波顶高达到10 km以上,LMI全闪和ADTD地闪活动再次爆发并达到过程最大峰值,闪电爆发与飑线内对流垂直发展至鼎盛的特征相吻合。20:00之后,进入台前飑线减弱消亡阶段(第三阶段),各回波顶高逐渐下降,对流活动减弱,55 dBZ强回波迅速衰减,45 dBZ和50 dBZ回波顶高也分别降至-20 ℃和-10 ℃层结高度以下,闪电频数快速减少与飑线内对流各回波顶高迅速下降特征相一致。

图7给出了台前飑线过程闪电频数与雷达组合反射率因子的统计关系。将每6 min LMI全闪和ADTD地闪分别与雷达组合反射率因子的格点相对应,以5 dBZ为步长,统计落在每个区间的闪电总数。从LMI event(图7(a))和group(图7(b))观测来看,在台前飑线第一阶段,闪电活动有50%发生在组合反射率因子为20~30 dBZ的回波区内。台前飑线第二阶段,闪电集中发生在组合反射率因子40~50 dBZ的强回波区,该回波区域闪电比例由第一阶段的22 %上升至42 %,特别是45~50 dBZ闪电频数百分比较第一阶段明显增大。台前飑线第三阶段,闪电主要活动区域回落至组合反射率因子为20~25 dBZ的回波区,>40 dBZ回波区所对应的闪电活动占比迅速较少。与之类似,ADTD观测的地闪活动分布区域同样在台前飑线第二阶段表现最强(图7(c))。闪电主要活动区的回波范围由第一阶段的30~40 dBZ,升高至第二阶段的40~50 dBZ,第三阶段再次回落到35~45 dBZ的回波区内。不同的是,在第一和第三阶段,LMI观测的全闪主要发生在20~30 dBZ(图7(a)和图7(b)),而ADTD观测的地闪主要发生范围为35~45 dBZ(图7(c)),说明在台前飑线的生成和减弱阶段,地闪相对云闪来说发生在更强的对流云中。

图7

图7   台前飑线过程 LMI event、LMI group和ADTD地闪的闪电频数与雷达组合反射率因子统计

Fig.7   Statistics of frequency of LMI events, LMI groups, and ADTD strokes and radar combined reflectivity factor at the process of the pre-TC squall line


图8~图10给出了台前飑线三个阶段,卫星TBB亮温、雷达组合反射率因子与观测时刻前后10 min的LMI全闪、ADTD地闪的空间分布。台前飑线形成发展阶段(第一阶段),14:30(图8(a)~8(c)),雷达强回波(35~45 dBZ)集中在福建东北部与浙江东南部一带。此时对流单体正在发展中,LMI与ADTD闪电分布与孤立的对流单体对应较吻合。从云团分布来看,中心冷云区亮温为221 K(-52 ℃),闪电活动集中发生在中心冷云区的左侧和前缘。15:30(图8(d)~8(f)),多个发展的对流单体逐渐排列形成一条断线型对流带,其前部不断触发新生对流单体,强回波(40~50 dBZ)面积、尺度及冷云面积增大并西移。闪电活动集中分布于对流带的中北部,LMI观测的闪电在对流带北部密集爆发。16:30(图8(g)~8(i)),飑线前部对流单体合并连接成明显的线状对流带,后部回波衰减转为层状云区,45~50 dBZ回波面积增大,相应211 K(-62 ℃)冷云区面积显著,与飑线向南北方向伸展特征一致。闪电频数明显增多(特别是飑线中前部)且分布于整条飑线,闪电的南北排列结构与飑线尺度相同。可见,台前飑线第一阶段,卫星LMI与ADTD地闪的闪电频数由少到多、南北向排列结构与对流组织化发展、线状飑线结构的形成及TBB< 211 K冷云区面积、强度显著增大基本对应。

图8

图8   台前飑线形成发展阶段FY-4A TBB、雷达组合反射率因子与观测时刻±10 min的LMI events、LMI groups 及ADTD地闪分布

为LMI events,为LMI groups,为ADTD地闪)

Fig. 8   Distribution of FY-4A TBB and radar reflectivity factor,LMI events, LMI groups ,ADTD strokes within ±10 minutes of the observation time at the formation and development stage of the pre-TC squall line


图 9

图 9   同图8,但为台前飑线加强成熟阶段

Fig. 9   Same as Fig.8, but for the strength and maturity stage of the pre-TC squall line


图10

图10   同图8,但为台前飑线减弱消亡阶段

Fig. 10   Same as Fig.8, but for the dissipation stage of the pre-TC squall line


台前飑线加强成熟阶段(第二阶段),17:30(图9(a)~9(c)),35~45 dBZ回波面积增大,而45~50 dBZ回波面积减小,闪电频数减少。LMI闪电主要分布在飑线的前部,该区域也是TBB低值区前部的亮温梯度大值区。ADTD地闪分布在整条飑线上及TBB左侧亮温梯度大值区。18:30(图9(d)~9(f)),飑线尺度稳定维持,回波(45~55 dBZ)强度及面积明显增大,TBB前端201 K(-72 ℃)冷云低值出现。闪电活动再次爆发并南北向排列分布在整条飑线上,与飑线尺度重合。特别是-72 ℃冷云区附近回波强度强,伴随闪电频数也较多,与飑线中前部显著加强的特征相符。19:30(图9(g)~9(i)), -72 ℃冷云区面积继续增大,飑线上强回波尺度与18:30相当,卫星LMI与ADTD地闪在飑线上的分布特征也相似,分布在TBB低值区前部及左侧的亮温梯度大值区,表明该时段为飑线的鼎盛成熟期。可见,台前飑线第二阶段,卫星LMI与ADTD地闪的频数爆发、尺度结构的稳定维持及向南移动特征与-72 ℃冷云区面积增大、对流系统加强至成熟的演变特征相一致。

台前飑线减弱消亡阶段(第三阶段),20:30(图10(a)~10(c)),飑线后部回波逐渐衰减,伴随-72 ℃冷云区减弱消失,40 dBZ以上强回波区主要位于TBB低值区前部,两种闪电密度变疏。飑线过程末期(21:30和22:30,图10(d)~10(i)),飑线中后部回波快速衰减,转为短线结构,-72 ℃冷云区破碎分裂,飑线位于TBB低值区前部,闪电频数显著减少,飑线过程趋于结束。

上述分析可知,LMI观测的全闪活动能够揭示出台前飑线不同发展阶段的对流强度差异,闪电频数在对流增强阶段的增大和对流衰减阶段的减小对判识飑线强弱变化具有较好的参考价值。台前飑线过程中,闪电活动主要分布在飑线对流带上,位于TBB低值区内或附近,更多分布在其左侧和前部的亮温梯度大值区上。尹丽云等34研究发现中尺度对流系统中,负地闪集中分布在TBB≤ -60 ℃的区域和前部梯度大值区,陈小华等35发现闪电发生在雷暴积雨云移动发展方向的边缘区域,支树林等10指出卫星闪电多分布于TBB≤ -72 ℃区域内或其附近,地闪更多分布在这些冷云区的前部。该结果与上述研究结果相符。此外发现,LMI闪电与TBB低值区及飑线均保持较固定的位置分布关系,对地面产生雷暴大风和强降水的可能发生位置具有判识作用。

4 结 语

以2019年台风“利奇马”台前飑线为研究个例,利用FY-4A LMI闪电观测资料、FY-4A TBB云顶亮温资料、福建组网雷达组合反射率因子资料及东南沿海自动站风雨资料,研究台前飑线发展的不同阶段中,闪电活动的时空分布特征及其与飑线内对流演变的关系,并结合ADTD地闪资料比较了两种探测系统对台前飑线闪电活动的观测异同,得到以下主要结论:

(1)台前飑线的形成发展和加强成熟阶段(第一和第二阶段),LMI闪电活动不断增强,闪电爆发对飑线强度增强具有提前约1 h指示作用,在减弱消亡阶段(第三阶段)闪电活动迅速减弱。LMI闪电活动能够较好的表征出飑线发展演变过程中不同阶段的强度变化,闪电频数变化与地面风雨站数、深对流(TBB≤-72 ℃)面积以及雷达强回波(≥35 dBZ)面积的时序变化特征相一致。

(2)LMI闪电活动与地面风雨站点在台前飑线三个阶段均具有较好的空间对应关系。闪电移动趋势与云团深对流的移动轨迹相同,闪电空间位置超前于深对流移动轨迹,对强对流的移动趋势具有判识作用。闪电频数在对流增强阶段的增大和对流衰减阶段的减小特征,对判识飑线强弱变化具有参考价值。

(3)LMI闪电与飑线内对流的演变关系来看,水平分布上,闪电活动主要分布在飑线对流带上,位于TBB低值区内或附近,集中分布在飑线左侧和前部的亮温梯度大值区。闪电活动与飑线及其云团深对流均保持较固定的位置分布关系,对地面产生雷暴大风和强降水的可能发生位置具有判识作用。垂直分布上,LMI闪电主要分布在35 dBZ回波顶高发展到-20 ℃层结高度区域,闪电频数的增减变化与回波顶高的起伏变化拟合度高。在台前飑线的加强成熟期,LMI闪电活动的爆发对应了55 dBZ强回波顶高达到-10 ℃层结高度,较好地揭示出飑线内对流的垂直旺盛发展特征。

(4)对比LMI全闪和ADTD地闪资料,发现二者所观测的台前飑线闪电活动时空分布特征基本一致。在形成发展和减弱消亡阶段(第一和第三阶段),ADTD地闪集中发生的回波强度范围高于LMI全闪,说明在台前飑线发展强度较弱时,地闪相对云闪发生在更强的对流云中。尽管如此,本研究发现时间分辨率越高时,LIM全闪频数变化较ADTD地闪频数剧烈,且二者空间分布形态(块状/连续状)并非完全相同,该结果与支树林等10观测结果相同,这是否与LMI的探测原理、成像识别和处理算法有关,其原因有待进一步研究和证实。另外,此次台前飑线过程存在卫星闪电频数小于地闪频数的现象。支树林等10对“山竹”(2018)台风飑线的形成与影响初期同样也发现卫星闪电频数小于地闪频数的现象;Price等36模拟研究表明,地闪频数比云闪频数具有更高敏感性;姚尧等37研究发现卫星闪电(LIS)对云层底部或高度较低处发生地闪的探测效率较低。FY-4A LMI对此次台前飑线过程探测效率低的真正原因也有待进一步分析研究。

本实验针对“利奇马”(2019)台前飑线的卫星闪电观测进行了个例研究,具有一定局限性。通过研究发现,FY-4A LMI观测的全闪电时空分布特征与台前飑线的演变具有一定的联系,尤其是卫星闪电的爆发对台前飑线的强度增强有提早指示作用。在今后的研究中,还将通过更多的分析全面揭示台前飑线发生发展过程中的全闪电活动特征、台前飑线发展不同强度阶段的云闪和地闪活动特征差异,进而探讨卫星闪电资料在台前飑线预警中的应用。

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