基于TRMM/ LIS資料的浙江省及周邊地區(qū)閃電特征和氣象要素分析

張祎，邊學文，王康挺，張衛(wèi)斌，王振會

(1. 浙江省氣象安全技術中心，浙江杭州310008；2. 杭州市氣象局，浙江杭州310051；3. 南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京210044)

1 引 言

熱帶降雨測量衛(wèi)星(TRMM)自1997年11月成功發(fā)射到2015 年4 月停止運行[1-2]，積累了大量的閃電(包含云閃和地閃)資料，并且由于該資料的長期性和完整性，已被廣泛用于研究閃電氣候特征等。Boccippio 等[3]利用 1997—1999 年的 LIS 資料發(fā)現(xiàn)熱帶海洋和陸地閃電分布具有顯著的特征。郄秀書等[4]利用1997—2002 年的LIS 閃電資料對全球典型區(qū)域的閃電活動進行分析，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的閃電活動在閃電頻數(shù)和閃電的光輻射能方面都有明顯的不同；郄秀書等[5]也利用1998—2001年LIS 閃電資料對青藏高原雷電活動特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)閃電活動受其特殊地形的熱力和動力特征所調制。戴建華等[6]利用1998—2004年LIS資料分析了長江三角洲的閃電特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域閃電次數(shù)的年差異較大、盛夏季節(jié)是閃電高發(fā)期，且閃電活動受到熱輻射、地形等因素影響。王義耕等[7-8]分別利用9 年和10 年LIS 閃電資料分析了華南和西南地區(qū)的閃電時空分布特征，結果顯示華南閃電月分布呈雙峰值特征，南海水面為密度低值區(qū)；西南地區(qū)閃電主要集中在春末仲夏，空間分布大體呈現(xiàn)東部、南部高的特點；兩個地區(qū)閃電分別受當?shù)叵聣|面、地形等因素影響。以上研究結果顯示，不同區(qū)域的閃電活動存在顯著區(qū)別。

除了偏重區(qū)域閃電時空分布分析外，也有部分學者開展了衛(wèi)星閃電資料與氣象要素關系的研究。例如，熊亞軍等[9]根據(jù)1995—2002 年OTD/LIS全球閃電資料，分析了區(qū)域閃電活動對地面相對濕度的響應，結果表明當?shù)孛嫦鄬穸冗^大時，相對濕度的增加不利于閃電活動的發(fā)生；而當相對濕度較小時，相對濕度的增加有利于閃電活動的發(fā)生。馬明等[10]研究了全球閃電活動對氣溫變化的響應，發(fā)現(xiàn)全球陸地和北半球陸地季平均的閃電頻次對地面氣溫和濕球溫度增加有靈敏的正響應，但在南半球、熱帶等其他區(qū)域，季平均的閃電頻次與地面溫度年際變化之間無明顯相關。杜賽等[11]研究了我國西南兩個區(qū)域閃電活動和氣溶膠的相關性，結果顯示氣溶膠高和低的兩個地區(qū)氣溶膠對閃電活動的影響是相反的。Dai 等[12]利用TRMM 衛(wèi)星10 年LIS 資料，研究了中國九個季風區(qū)的閃電活動與對流指數(shù)的關系，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)閃電與對流參數(shù)的相關性各不相同。上述研究表明，閃電活動與一些氣象要素有關，但是不同地區(qū)閃電與氣象要素的關系也有所不同。

利用衛(wèi)星閃電資料開展時空分布研究及相關氣象要素分析為人類進一步認識閃電分布規(guī)律及影響要素提供了基礎，但以上研究所使用的衛(wèi)星閃電資料往往數(shù)據(jù)時間過短、且空間分辨率多集中于0.25 °～2.50 °；另一方面浙江省位于我國東南沿海，雷電活動比較頻繁，利用衛(wèi)星閃電資料開展該地區(qū)的閃電研究較少。

本研究將采用更長時間尺度(1998 年1 月1 日—2013 年12 月31 日)、更高空間分辨率的衛(wèi)星閃電產(chǎn)品[2]開展浙江省及周邊地區(qū)(117.5～123.0°E，26～32°N)衛(wèi)星閃電資料的時空分布研究，并可能與閃電發(fā)生有關的氣象要素進行相關性分析，以期為該地區(qū)進一步科學開展閃電預報及雷電防護提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)介紹

2.1 衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)

本文所使用的衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)為TRMM/LIS 超高分辨率閃電定位產(chǎn)品[2]。該產(chǎn)品[2,13-14]根據(jù)LIS軌道“閃電”數(shù)據(jù)并綜合考慮觀測持續(xù)時間和探測效率統(tǒng)計得到。產(chǎn)品[2]包含年、月、日、季節(jié)及年逐日五個氣候數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為0.1°，時間范圍為 1998 年 1 月 1 日—2013 年 12 月 31 日，覆蓋范圍為南北緯38 °之間的全區(qū)域。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

本文所使用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國區(qū)域地面氣象要素驅動數(shù)據(jù)集[15]。該數(shù)據(jù)集[15-17]包含近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風速、地面向下短波輻射、地面向下長波輻射、地面降水率共7 個要素。數(shù)據(jù)[15]時間分辨率為3 小時，水平空間分辨率為0.1 °，時間范圍為1979 年1月 1 日—2018 年 12 月 31 日，覆蓋范圍為中國大陸。本文選取近地面氣溫、近地面空氣比濕、地面向下短波輻射、地面向下長波輻射、地面降水率等5個參數(shù)。

2.3 氣溶膠數(shù)據(jù)

3 閃電分布特征

3.1 閃電空間分布特性

根據(jù)LIS 年氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品，統(tǒng)計了研究范圍內的閃電空間分布(圖1)。

圖1 研究區(qū)域閃電密度空間分布圖

(1) 1998—2013年，區(qū)域內的閃電平均密度為5.97 f1/(km2·a)，其中陸地閃電平均密度為7.94 f1/(km2·a)，海洋閃電平均密度為 2.09 f1/(km2·a)。陸地閃電平均密度為海洋閃電平均密度的3.80 倍，該值小于全球陸地海洋閃電比[22]，但與華南地區(qū)[7]研究結果較一致，其主要原因是本研究范圍海域和文獻[7]的海域均為近海地區(qū)，近海地區(qū)的閃電密度遠大于深海地區(qū)[22]。閃電密度從陸地到海洋呈現(xiàn)斷崖式下降變化帶，該結果與文獻[23-24]等研究結果一致，反映了陸地更容易產(chǎn)生對流活動[3]，其原因應該是受下墊面及對應的氣象條件不同影響。

(2) 研究區(qū)域陸地閃電總體較活躍，但空間分布不均勻，其中閃電密度最大值為28.41 f1/(km2·a)，位于寧波余姚。此外，在金華義烏、杭州淳安建德交界處、湖州安吉德清交界處等地也存在密度高值區(qū)。陸地閃電密度低值主要集中在嘉興、杭州淳安、衢州開化常山交界處、紹興嵊州及金華磐安等地。研究區(qū)域內陸地閃電分布情況應該是受到了氣候、下墊面、地形等多種因素的影響。區(qū)域地處亞熱帶季風氣候，雨量充沛，閃電總體較活躍；地形復雜，含山地、丘陵、沖擊平原和大型水體等，不同的下墊面、地形及氣象條件導致了陸地閃電分布不均勻。

3.2 閃電時間分布特征

3.2.1 閃電月變化

根據(jù)LIS月氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品，統(tǒng)計了研究區(qū)域內陸地、海洋以及海陸的逐月平均閃電密度(圖2a)。(1) 研究區(qū)域內陸地、海洋以及海陸的平均閃電密度值逐月變化有很好的一致性：自1 月開始，閃電密度值緩慢上升，5 月閃電密度值略有下降，隨后迅速上升，并于7—8 月達到最大值，其中8 月峰值陸地、海洋及海陸的閃電平均密度分別為7.75×10-2、1.92×10-2和 5.79×10-2f1/(km2·d)；9 月開始閃電密度迅速下降，并于12月達到最小值，分別為1.94×10-4、2.01×10-4和1.96×10-4f1/(km2·d)。海洋與陸地閃電密度的月變化具有較好的一致性，主要原因是研究海域為近海地區(qū)，近海地區(qū)閃電活動與大陸閃電活動有密切聯(lián)系[22]。(2) 研究區(qū)域內閃電活動具有較明顯的季節(jié)變化特征：夏季閃電密度最大，冬季閃電密度值最小。該研究成果與文獻[4，22，25-26]等結論一致，反映了北半球中緯度及附近夏季熱對流活動最頻繁。(3) 陸地閃電密度值總體上大于海洋閃電密度值，但在11月、12月、1月，海洋閃電密度值略大于陸地閃電密度值。11 月、12 月、1 月陸地閃電密度值分別為4.57×10-4、1.94×10-4和 3.64×10-4f1/(km2·d)，海洋密度值分別為8.94×10-4、2.01×10-4和4.72×10-4f1/(km2·d)，該研究結果與文獻[27]一致：在熱帶輻合帶以外區(qū)域，冬季海洋閃電多于陸地，主要原因是冬季海洋溫度較高，溫暖的海水在寒冷季節(jié)將為對流的產(chǎn)生提供能量。因此，研究區(qū)域冬季海洋更易形成對流活動。

3.2.2 閃電日變化

根據(jù)LIS日氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品，統(tǒng)計了研究區(qū)域內陸地、海洋以及海陸的逐時平均閃電密度(圖2b)。(1) 陸地閃電密度總體上呈現(xiàn)單峰結構：08:00(北京時間，下同)波谷對應閃電密度為1.50×10-4f1/(km2·h)；15:00 波峰對應閃電密度為 2.38×10-3f1/(km2·h)。研究區(qū)域內陸地日變化峰谷發(fā)生時間與全球及亞洲等陸地閃電密度日變化峰谷發(fā)生時間[28]有較好的一致性，與我國中東部地閃密度日分布[26]也有較好的一致性，進一步驗證了研究區(qū)域陸地午后對流活動比較頻繁[6,26]。(2) 就海洋閃電密度而言，日變化整體較平緩，呈現(xiàn)雙峰雙谷波形：03:00 首個波峰對應閃電密度為4.05×10-4f1/(km2·h)；10:00 出現(xiàn)首個波谷值，對應的閃電密度為6.50×10-5f1/(km2·h)；18:00 出現(xiàn)第二個峰值，此時閃電密度為 5.99×10-4f1/(km2·h)；23:00 出現(xiàn)第二個谷值，密度為1.43×10-4f1/(km2·h)。該研究結果符合文獻[4]給出的結論：海洋閃電活動主峰值發(fā)生在傍晚，凌晨還有一次峰值出現(xiàn)。(3) 陸地閃電密度總體上高于海洋閃電密度，但在凌晨03:00—06:00，海洋閃電密度略高于陸地閃電密度。03:00—06:00，海洋閃電密度值分別為 4.05×10-4、1.89×10-4、2.17×10-4、1.90×10-4f1/(km2·h)，陸地閃電密度值分別為 3.42×10-4、1.84×10-4、1.84×10-4、1.77×10-4f1/(km2·h)。海洋閃電密度凌晨出現(xiàn)首個波峰，且此時閃電密度大于陸地閃電密度，該研究結果應該與凌晨海水溫度相對較高有關，將在后面進一步深入分析。(4) 海陸閃電密度值日變化與陸地閃電密度平均值變化趨勢一致。

阿花把王義山叫過來，對我和王義山的工作進行了分工，又讓我把技術和質量方面的事情交代給了王義山。王義山長得精瘦，但接受得很快。他讓我想起了潘長江的一句詼諧臺詞：濃縮的都是精品！確實是精品！阿花說，王義山在景花廠干四年多了，一直很敬業(yè)，也很忠誠，工作踏實，事情交給他你盡管放心。我也注意到，王義山是個不錯的主管，虛心好學，每次來了異型產(chǎn)品，他就站在我邊上，看我怎么做。學會了，又去教別人。

圖2 研究區(qū)域內閃電時間變化

4 與閃電有關的氣象要素分析

閃電活動受到多種氣象要素共同作用的影響。為了進一步探討各氣象要素可能對其產(chǎn)生的作用，本文分別統(tǒng)計了研究區(qū)域內閃電密度與各要素之間的關系。

由于中國區(qū)域地面氣象要素驅動數(shù)據(jù)集和亞洲大陸氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)集均為陸面數(shù)據(jù)，因此僅統(tǒng)計研究區(qū)域內陸地閃電密度逐月平均值和對應區(qū)域內氣象要素逐月平均值的變化關系；另外，由于亞洲大陸氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)集時間范圍為2002—2011 年，因此在研究陸地閃電密度與氣溶膠光學厚度的變化關系時，氣溶膠光學厚度逐月平均值采用此時段內的統(tǒng)計平均值。各氣象要素與閃電密度逐月平均值相關系數(shù)如表1所示，逐月變化圖如圖3所示。

結合表1 和圖3 可看出，除氣溶膠光學厚度外，各氣象要素與閃電密度平均值的逐月變化趨勢有很好的一致性，均成正相關。其中，地面降水率和閃電密度月變化的相關系數(shù)最高，為0.858 0；地面向下長波輻射、地面向下短波輻射及近地面空氣比濕和閃電密度月變化的相關系數(shù)均在0.700 0 以上；近地面氣溫和閃電密度月變化的相關系數(shù)為0.667 0。

表1 閃電密度與氣象要素的相關系數(shù)

雷暴的發(fā)生主要由水汽條件、不穩(wěn)定層結條件和抬升力條件[29]三方面綜合作用而造成。浙江及周邊地區(qū)衛(wèi)星閃電資料與地面向下短波輻射、長波輻射和溫度成正相關(圖3a～3c)，主要是因為：地面向下短波輻射是以輻射形式到達地表的總太陽輻射，長波輻射是來自大氣本身的熱輻射和來自云的熱輻射[30]。因此，輻射值的大小與太陽輻射、云層分布及地表屬性有關，該值的大小也將直接影響地表溫度的高低。浙江及周邊區(qū)域從冬季開始至春季、夏季，隨著地面向下短波輻射和長波輻射增強時，地表溫度逐步升高，地面熱空氣的上升運動逐步增強，其大氣層結不穩(wěn)定度和抬升力均逐步增大，更有利于雷暴的形成和發(fā)展，因此閃電密度值也逐漸增加；之后，進入秋季、冬季，隨著輻射值下降，地表溫度逐漸減少，大氣層結也更加穩(wěn)定，閃電密度也逐漸下降。該研究成果與文獻[10，31]研究成果有很好的一致性。

圖3 研究區(qū)域內閃電密度與各氣象要素平均值的月變化

研究區(qū)域內近地面空氣比濕和閃電密度平均值成正相關(圖3d)，其統(tǒng)計結果與南京地區(qū)[32]研究結果一致。這主要是與雷暴形成的水汽條件[29]有關。對流的發(fā)生、發(fā)展需要以一定的濕度條件為基礎，較小的濕度難以形成產(chǎn)生閃電活動所需一定強度的云[9]。夏季，源于印度洋的西南季風和西太平洋的東南季風為我國帶來充足的水汽，造成東部和南部季風區(qū)比濕增加[33]，雷暴云形成的水汽條件逐漸成熟，閃電密度值逐漸增大；冬季我國大部地區(qū)盛行寒冷干燥的西北和東北氣流，比濕值下降[33]，閃電密度值也逐漸減小。

圖3e顯示降水率和閃電密度平均值的逐月變化趨勢也有很好的一致性，這主要是因為：閃電活動和降水都是云內動力和微物理過程作用的產(chǎn)物。閃電的發(fā)生與云內粒子所攜帶的電荷有關，而冰相粒子則是電荷的重要載體，因此冰相粒子與閃電的發(fā)生有緊密的聯(lián)系[34-36]。當對流云系內冰相物含量較高時，閃電活動也會比較頻繁。降水的發(fā)生則直接與云內粒子的含量有關，它是云內粒子凝結成核、碰并增長，在上升氣流和重力共同作用下下落的產(chǎn)物[37]。云內粒子含量豐富的區(qū)域，降水特別是對流降水也相對較強[37]。浙江省短時強降水主要是以臺風及午后分散性熱對流為主[38-39]，夏季隨著研究區(qū)域內對流及臺風天氣的增加，其降水率也最大；而對流、臺風云墻、外圍云系[40]等都存在著激烈的閃電活動，其閃電活動也最頻繁。

氣溶膠光學厚度與閃電密度值呈現(xiàn)弱的負相關，相關系數(shù)為-0.397 8。由圖3f 可見，6 月之前，研究區(qū)域內閃電平均密度值較小，而氣溶膠光學厚度值較大；7 月閃電密度值迅速增加，并于8 月達到峰值；而氣溶膠光學厚度平均值則快速減少，并于8月到達最小值；此后，閃電密度值逐步減小，而氣溶膠光學厚度平均值則逐漸增加，并于11 月出現(xiàn)拐點。閃電與氣溶膠的關系十分復雜。一方面，氣溶膠可通過微物理作用影響冰相粒子的生成和對流的發(fā)展而影響閃電活動[11,41-42]；另一方面，氣溶膠可通過輻射效應而影響閃電活動[43-44]。本文研究結果顯示：冬春季，研究區(qū)域內氣溶膠濃度較高，閃電密度值較小，可能原因是大量的氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射減少了到達地表的太陽輻射，降低了從地面到低層大氣的對流能量[43-45]；對流抬升的減弱不利于液態(tài)水輸送到凍結層以上，抑制了冰相過程的發(fā)展，從而減弱閃電活動的強度[45]。夏季氣溶膠濃度較小但閃電密度迅速增加，可能原因是夏季由于降水的清洗作用導致氣溶膠濃度快速減少，太陽輻射能更有效到達地面使地面升溫，從而促進閃電的增加。因此研究區(qū)域內氣溶膠對于閃電活動的影響應該主要受氣溶膠輻射效應的影響。研究區(qū)域內城市眾多、人口密集，人類活動導致大量空氣污染物排放，使該區(qū)域氣溶膠濃度較高，進一步證實了文獻[11，45-46]的研究成果，即在氣溶膠濃度較高的區(qū)域，氣溶膠通過輻射效應影響閃電。

綜上所述，研究區(qū)域閃電密度受到局地氣象條件熱輻射、水汽等各氣象要素的影響，因此也可進一步解釋本文第3 節(jié)中研究區(qū)域的閃電時空分布特點。該地區(qū)夏季熱輻射不斷增加，地表溫度通常于午后達到最大值，加之充足的水汽條件，易形成雷暴產(chǎn)生的水汽條件、不穩(wěn)定層結條件和抬升力條件[29]，因此該區(qū)域閃電密度總體上在夏季午后呈現(xiàn)最大值。

陸地閃電密度值總體上大于海洋閃電密度值，該研究成果與文獻[3-4，7，22-24，47-48]研究成果一致。Boccippio 等[3]研究指出：海洋和陸地閃電密度的不同主要是因為海洋和陸地的雷暴數(shù)量不同，并非海洋和陸地每個雷暴產(chǎn)生的閃電數(shù)量差異引起。一般情況下陸地更容易產(chǎn)生雷暴，主要是因為水體的比熱大于陸地[47-48]，陸地表面感熱湍流通量和鮑恩比大于海洋[47]。一般情況在太陽熱輻射作用下，地面溫度升高較海洋更快，陸地低層大氣受熱產(chǎn)生的垂直上升運動更有利于形成熱對流。但在夜間和冬季，由于水域溫度下降的比陸地慢，當水體溫度高于陸地溫度時，等溫線從陸地到海面傾斜上升，這樣在夜間和冬季海上容易形成上升氣流，更有利于雷暴形成[7]。因此研究區(qū)域陸地閃電密度值總體上大于海洋閃電密度值，但在冬季及凌晨，海洋平均閃電密度略大于陸地閃電密度。

5 結 論

通過對1998—2013年浙江省及周邊地區(qū)衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)分析，并結合中國區(qū)域地面氣象要素驅動數(shù)據(jù)集、亞洲大陸氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)集對比分析，得到以下結論。

(1) 研究區(qū)域內閃電平均密度為5.97 f1/(km2·a)，其中陸地的閃電平均密度為7.94 f1/(km2·a)，海洋閃電平均密度為2.09 f1/(km2·a)。陸地閃電平均密度為海洋閃電平均密度的3.80 倍。研究區(qū)域陸地閃電總體較活躍，但空間分布不均勻。閃電密度最大值為28.41 f1/(km2·a)，位于寧波余姚。此外，在金華義烏、杭州淳安建德交界處、湖州安吉德清交界處等地也存在密度高值區(qū)。陸地閃電密度低值主要集中在嘉興、杭州淳安、衢州開化常山交界處、紹興嵊州及金華磐安等地。

(2) 就月變化而言，研究區(qū)域內陸地、海洋以及海陸的平均閃電密度逐月變化趨勢有很好的一致性；夏季閃電密度最大，8月峰值陸地、海洋及海陸的閃電平均密度分別為7.75×10-2、1.91×10-2和5.79×10-2f1/(km2·d)；冬季閃電密度值最小，12 月最小值分別為1.94×10-4、2.01×10-4和1.96×10-4f1/(km2·d)；陸地閃電密度值總體上大于海洋閃電密度值，但在 11 月、12 月、1 月，海洋閃電密度值略大于陸地閃電密度值。

(3) 就日變化而言，該區(qū)域內陸地閃電密度呈現(xiàn)單峰結構：波谷發(fā)生于08:00，閃電密度為1.50×10-4f1/(km2·h)；波峰出現(xiàn)在15:00，閃電密度為2.38×10-3f1/(km2·h)；海洋閃電密度呈現(xiàn)雙峰雙谷波形：波峰出現(xiàn)于03:00 和18:00，對應的閃電密度分別為 4.05×10-4、5.99×10-4f1/(km2·h)；波谷出現(xiàn)于10:00 和23:00，對應的閃電密度分別為6.50×10-5、1.43×10-4f1/(km2·h)。陸地閃電密度總體上高于海洋閃電密度，但在凌晨03:00—06:00，海洋閃電密度略高于陸地閃電密度。

(4) 該區(qū)域陸地氣溫、地面輻射、比濕及降水率與閃電密度月變化均成正相關。其中，地面降水率和閃電密度月變化的相關系數(shù)最高，為0.858 0；地面向下長波輻射、地面向下短波輻射及近地面空氣比濕和閃電密度月變化的相關系數(shù)均在0.700 0 以上；近地面氣溫和閃電密度月變化的相關系數(shù)為0.667 0。氣溶膠光學厚度與閃電密度值呈現(xiàn)弱的負相關，相關系數(shù)為-0.397 8。

致 謝：感謝NASA GHRC 提供LIS 超高分辨率閃電氣候數(shù)據(jù)；感謝中國科學院青藏高原研究所提供中國區(qū)域地面氣象要素驅動數(shù)據(jù)集；感謝中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所遠程通訊地學處理(TGP)課題組提供亞洲大陸氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)集。