西北太平洋熱帶氣旋閃電時空尺度和光輻射能

周 鑫 張文娟 張義軍 鄭 棟

1)(中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室， 北京 100081) 2)(成都信息工程大學電子工程學院， 成都 610225) 3)(復旦大學大氣與海洋科學系/大氣科學研究院， 上海 200438) 4)(復旦大學海洋氣象災害聯(lián)合實驗室， 上海 200438)

引 言

熱帶氣旋是影響沿海地區(qū)的主要災害性天氣系統(tǒng)之一，它產(chǎn)生的狂風、暴雨、巨浪和風暴潮，給沿岸地區(qū)人民生命和國家財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅[1]。西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋生成較多，其中約80%發(fā)展成臺風。臺風造成途經(jīng)沿海地區(qū)嚴重大風、暴雨、風暴潮等災害[2]，因此加強西北太平洋區(qū)域熱帶氣旋的研究和預報具有重要意義。很多觀測和研究表明：熱帶氣旋不僅存在獨特的對流結構特征[3-5]，還常伴隨閃電活動，且閃電活動與熱帶氣旋的對流演變和強度變化密切相關[6-11]。

隨著閃電探測技術的發(fā)展，針對西北太平洋熱帶氣旋閃電活動特征已開展一系列研究。雷小途等[12]利用熱帶測雨(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)衛(wèi)星上攜帶的閃電成像儀(lightning imaging sensor，LIS)探測數(shù)據(jù)，分析西北太平洋熱帶氣旋閃電特征，發(fā)現(xiàn)眼壁、內(nèi)雨帶和外雨帶普遍存在閃電現(xiàn)象，且閃電頻數(shù)與熱帶氣旋強度及其變化存在一定關系。熱帶氣旋閃電密度具有三圈分布的特性，即內(nèi)核和外雨帶閃電密度較高，內(nèi)雨帶閃電密度最低[7,10]，強度較弱的熱帶低壓和熱帶風暴中平均閃電頻次相對較高[9-10]。楊美榮等[13]研究登陸我國的46個熱帶氣旋發(fā)現(xiàn)，當強度達到強熱帶風暴等級后，氣旋強度越強，平均閃電數(shù)量反而越少。Zhang等[14]分析登陸我國的33個熱帶氣旋發(fā)現(xiàn)，隨著強度等級的增加，閃電密度大值區(qū)從眼壁區(qū)域(0～60 km)轉(zhuǎn)移到外雨帶區(qū)域(180～500 km)。楊寧等[15]發(fā)現(xiàn)臺風中心最大風速的發(fā)生時間多滯后于閃電頻數(shù)的峰值時刻。Pan等[16]發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋登陸后對流活動增強，導致閃電活動增強。Kong等[17]利用全球閃電定位網(wǎng)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋閃電活動的頻數(shù)和峰值分布與最大風速及其變化存在一定相關性。盡管有關西北太平洋熱帶氣旋閃電的研究已開展多年，但大多集中在閃電頻次或閃電密度的時空分布特征、閃電活動與熱帶氣旋強度變化的關系方面，有關熱帶氣旋閃電屬性的研究鮮見報道。

閃電活動的表征參量除了閃電頻次和閃電密度外，還包括閃電屬性特征，即時間尺度、空間尺度和輻射強度等。閃電時間尺度指閃電的持續(xù)時間，空間尺度指閃電的延展距離和通道面積，輻射強度指閃電的電流和光輻射能等。研究發(fā)現(xiàn)，全球閃電屬性最高值位于美國東部，最低值位于印度[18-20]。超級單體中閃電面積與閃電頻次在空間上呈反相關關系，當對流活動相對較弱時，閃電傾向于具有更大的尺度或光輻射能[21-23]。利用TRMM衛(wèi)星LIS閃電數(shù)據(jù)，一些學者對全球熱帶和亞熱帶中低緯度區(qū)域的閃電時空尺度和輻射能進行研究，指出二者均具有明顯的海陸特征差異，并且與陸地閃電相比，海洋閃電具有更大屬性值[18-20]。郄秀書等[24]通過分析全球13個地區(qū)的閃電光輻射能和持續(xù)時間之間的關系，發(fā)現(xiàn)二者平均值呈顯著線性相關，說明放電強度大的閃電，持續(xù)時間也長，且光輻射能及持續(xù)時間表現(xiàn)出隨閃電數(shù)量增多而減少的趨勢。閃電頻次、尺度和強度等閃電屬性特征主要受雷暴動力過程影響。Bruning等[21]提出在雷暴弱對流或非對流區(qū)域，云中電荷結構更傾向于形成大電荷區(qū)，有利于大尺度閃電放電，但閃電頻次較低；在雷暴強對流區(qū)，湍流混合極有可能將大電荷區(qū)分為相對較小的電荷區(qū)，電荷結構以正電荷區(qū)與負電荷區(qū)相互交錯的分布形態(tài)為主，有利于產(chǎn)生頻次高但空間尺度小的閃電活動。

為了認識熱帶氣旋閃電屬性特征，揭示其與陸地雷暴閃電屬性的差異，本研究利用TRMM衛(wèi)星LIS閃電數(shù)據(jù)，以西北太平洋熱帶氣旋閃電屬性特征為主要對象開展研究，包括以下內(nèi)容：①西北太平洋熱帶氣旋閃電的時空尺度和輻射能參量的分布范圍，其與陸地雷暴閃電屬性參量的差異；②不同區(qū)域(內(nèi)核、內(nèi)雨帶、外雨帶)、不同強度等級(熱帶低壓、熱帶風暴、臺風)熱帶氣旋閃電屬性的差異；③登陸前、后(即發(fā)生在海洋和陸地)熱帶氣旋閃電屬性的差異。研究以上問題有助于進一步認識熱帶氣旋閃電活動特征及其所指示的強對流活動發(fā)生發(fā)展規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 閃電數(shù)據(jù)

研究使用的閃電數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局提供的TRMM衛(wèi)星LIS閃電數(shù)據(jù)(https:∥ghrc.nsstc.nasa.gov/hydro/details/lislip)。TRMM衛(wèi)星1997年11月發(fā)射，2015年停止觀測。TRMM衛(wèi)星軌道傾角為35°，2001年8月軌道高度由350 km抬升至402.5 km。LIS通過128×128像素的電荷耦合元件陣列探測閃電光信號，在地表的視野為500～550 km，空間分辨率為3～6 km，用于觀測38°S～38°N范圍內(nèi)的閃電活動。戴建華等[25]研究表明:LIS全天的探測效率為(88±9)%，白天和夜間的探測效率分別為(73±11)%和(93±4)%。LIS閃電數(shù)據(jù)主要包括：事件，成像儀單個感應點探測到超過特定閾值的光脈沖；組，在相鄰像素點上探測到的2 ms內(nèi)1個或多個閃電事件的集合；閃電，由時間間隔不超過330 ms和空間間隔不超過5.5 km的1個或多個組組成，一般視為1次物理意義上的閃電；區(qū)域，空間間隔不超過16.5 km分離的閃電構成，近似認為是1個雷暴單體。本文使用LIS閃電數(shù)據(jù)中事件和閃電參量，時間為1998—2014年，閃電屬性參量見表1。

表1 閃電屬性參量Table 1 Lightning attribute parameters

1.2 熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)

熱帶氣旋強度和路徑數(shù)據(jù)來源于中國氣象局上海臺風研究所整編的西北太平洋熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集提供熱帶氣旋每6 h(或3 h)的中心位置、中心氣壓、風速等信息[26]。利用線性插值法將最佳路徑數(shù)據(jù)插值成逐小時數(shù)據(jù)，得到熱帶氣旋逐小時的位置、強度等信息。根據(jù)中心最大平均風速，本文將熱帶氣旋劃分為3個強度等級：①熱帶低壓等級(風速為10.8～17.1 m·s-1)，②熱帶風暴等級(風速為17.2～32.6 m·s-1，包括傳統(tǒng)分類中的熱帶風暴和強熱帶風暴)，③臺風等級(風速不小于32.7 m·s-1，包括傳統(tǒng)分類中的臺風、強臺風和超強臺風)。

本文研究對象為1998年1月—2014年12月每日18：00—次日06：00(北京時，下同)內(nèi)TRMM衛(wèi)星LIS在西北太平洋地區(qū)(0°～55°N，100°～180°E)探測的熱帶氣旋(共362個樣本)。由于極軌衛(wèi)星的掃描特點，LIS無法持續(xù)探測熱帶氣旋整個生命史的閃電活動，每個軌道監(jiān)測大約90 s的獨立熱帶氣旋樣本，1998年1月—2014年12月LIS共獲得362個熱帶氣旋的1305個獨立樣本，包括381個熱帶低壓獨立樣本，555個熱帶風暴獨立樣本和369個臺風獨立樣本。圖1給出研究時間內(nèi)LIS獲得的西北太平洋所有熱帶氣旋獨立樣本中心位置。

圖1 1998—2014年LIS獲得的西北太平洋熱帶氣旋獨立樣本中心位置Fig.1 The center position of individual tropical cyclone overpass observed by LIS during 1998-2014

1.3 研究方法

以往研究表明：西北太平洋熱帶氣旋閃電主要發(fā)生在距離中心500 km范圍內(nèi)[8,14,27]，因此本文將發(fā)生在距離熱帶氣旋中心500 km范圍內(nèi)的閃電定義為熱帶氣旋閃電，范圍之外的閃電定義為非熱帶氣旋閃電。將熱帶氣旋在徑向方向劃分為內(nèi)核、內(nèi)雨帶和外雨帶3個區(qū)域，范圍分別定義為0～100 km，100～200 km和200～500 km。

由于光學閃電信號的探測受到背景光輻射的影響，LIS在白天和夜間對閃電的探測性能存在差異。尤金等[28]發(fā)現(xiàn)LIS探測的閃電事件最小光輻射能在09:00—14：00 (白天)和18：00—次日06：00 (夜間)兩個時段相對穩(wěn)定。盡管如此，LIS白天時段的探測效率低于夜間，探測的閃電樣本量較少，且白天受到光照影響，LIS探測的閃電屬性值與真實值存在一定偏差[24]。為了盡可能避免這種影響，本文選擇LIS探測性能相對穩(wěn)定且樣本量相對較大的夜間時段進行研究。此外，為保證LIS閃電數(shù)據(jù)的可靠性，將持續(xù)時間等于0 s或大于3 s，或延展距離小于4 km或大于1000 km的閃電剔除，該數(shù)據(jù)篩選方法與尤金等[28]一致。經(jīng)過質(zhì)量控制后，閃電數(shù)據(jù)樣本共21363個。

根據(jù)研究目的本文將熱帶氣旋閃電分為以下3類：①按照閃電發(fā)生的區(qū)域，分為海洋熱帶氣旋閃電(海洋上熱帶氣旋范圍內(nèi)的閃電)和陸地熱帶氣旋閃電(亞洲大陸上熱帶氣旋范圍內(nèi)的閃電，陸地區(qū)域不包括菲律賓、日本、臺灣島和海南島等島嶼)，占比分別為74%和26%；②按照閃電發(fā)生時熱帶氣旋所處的強度等級，分為熱帶低壓閃電、熱帶風暴閃電和臺風閃電，占比分別為27%，51%和22%；③按照閃電發(fā)生在熱帶氣旋的區(qū)域，分為內(nèi)核閃電、內(nèi)雨帶閃電和外雨帶閃電，占比分別為7%，9%和84%。

2 熱帶氣旋閃電屬性參量及其分布特征

2.1 概率及累積分布特征

圖2給出不同強度等級(熱帶低壓、熱帶風暴和臺風)熱帶氣旋閃電屬性(持續(xù)時間、延展距離、通道面積和光輻射能)的概率及累積概率分布。不同強度等級熱帶氣旋閃電各屬性均符合對數(shù)正態(tài)分布的特點，即大部分樣本分布在閃電屬性數(shù)值較小的區(qū)域，而小概率值覆蓋較寬的閃電屬性大值區(qū)，且概率隨著屬性值的增加而緩慢減小。熱帶氣旋閃電的持續(xù)時間峰值位于0～0.1 s，延展距離峰值位于12～16 km，通道面積峰值位于100～200 km2，光輻射能峰值位于0～0.2 J·m-2·sr-1·μm-1。可以看到，熱帶氣旋閃電屬性峰值的分布與尤金等[28]揭示的西北太平洋海洋雷暴系統(tǒng)的閃電屬性峰值分布一致，但與陸地雷暴系統(tǒng)存在差異。東亞陸地雷暴系統(tǒng)的閃電延展距離峰值區(qū)間位于8～12 km[28]，熱帶氣旋閃電延展距離峰值落區(qū)大于陸地雷暴系統(tǒng)。由累積概率曲線可知，熱帶氣旋強度越強，持續(xù)時間短的閃電樣本概率越大。如在持續(xù)時間小于0.3 s的閃電中，臺風所占比例大于熱帶風暴和熱帶低壓；而當閃電持續(xù)時間大于0.7 s后，熱帶低壓和熱帶風暴的比例超過臺風。在延展距離和光輻射能方面，熱帶風暴累積概率曲線一直大于熱帶低壓和臺風，表明在熱帶風暴強度階段，延展距離較小和光輻射能較弱的閃電樣本概率相對熱帶低壓和臺風更大。

圖2 不同強度等級熱帶氣旋閃電參量的概率(柱狀)及累積概率(曲線)分布Fig.2 Probability(the column) and cumulative probability(the curve) distributions of tropical cyclone lightning parameters at different intensity levels

圖3是熱帶氣旋不同區(qū)域(內(nèi)核、內(nèi)雨帶、外雨帶)閃電屬性的概率及累積概率分布特征。內(nèi)核、內(nèi)雨帶和外雨帶各區(qū)域閃電的屬性概率分布均呈對數(shù)正態(tài)分布的特點。熱帶氣旋不同區(qū)域閃電的持續(xù)時間、延展距離、通道面積和光輻射能，其峰值分布區(qū)間與圖2相同。由持續(xù)時間的累積概率分布曲線看到，內(nèi)核位于內(nèi)雨帶與外雨帶下方，表明內(nèi)核中持續(xù)時間短的閃電樣本概率小于內(nèi)雨帶和外雨帶區(qū)域。在空間尺度(包括延展距離和通道面積)和光輻射能方面，累積概率分布曲線中外雨帶位于最上方，中間是內(nèi)雨帶，下面是內(nèi)核，表明離熱帶氣旋中心越遠的區(qū)域(如外雨帶)，空間尺度較小和光輻射能較弱的閃電樣本發(fā)生概率更大。

圖3 熱帶氣旋不同區(qū)域閃電參量概率(柱狀)及累積概率(曲線) 分布Fig.3 Probability(the column) and cumulative probability(the curve) distributions of lightning parameters in different areas of tropical cyclone

熱帶氣旋閃電屬性各參量間均呈顯著相關(均達到0.05顯著性水平)：熱帶氣旋閃電的延展距離和通道面積關系非常緊密(相關系數(shù)r=0.99)，閃電空間尺度和光輻射能關系也非常緊密(r=0.81)。閃電持續(xù)時間與閃電延展距離(r=0.58)、通道面積(r=0.33)以及光輻射能(r=0.36)之間相關較顯著。Peterson等[18]和尤金等[28]也發(fā)現(xiàn)閃電持續(xù)時間與閃電空間擴展尺度以及光輻射能之間的對應關系較差。Peterson等[18]甚至指出，具有更長持續(xù)時間的LIS地閃，對應的回擊電流強度偏弱。Zheng等[29]還發(fā)現(xiàn)隨著閃電密度的增大，閃電持續(xù)時間和空間尺度最初均快速減小，但當達到某一閃電密度臨界值時，閃電通道的空間尺度變化不大，閃電持續(xù)時間反而呈整體增長趨勢。不同閃電放電物理過程的差異決定閃電通道時空形態(tài)特征之間關系的復雜性。閃電通道時空形態(tài)隨季節(jié)、下墊面、母體雷暴類型、閃電類型等呈現(xiàn)出不同的變化特征，需要更加深入的研究。

2.2 熱帶氣旋極大值閃電分布

將熱帶氣旋閃電屬性值前10%的閃電定義為熱帶氣旋極大值閃電，統(tǒng)計不同分類條件下，熱帶氣旋極大值閃電數(shù)量占該類閃電總數(shù)的比例(表2)。如計算熱帶氣旋持續(xù)時間前10%的極大值閃電中發(fā)生在熱帶低壓下的比例，需選擇熱帶氣旋閃電持續(xù)時間前10%的閃電，統(tǒng)計其中發(fā)生在熱帶低壓強度等級的閃電數(shù)量，計算其占所有熱帶低壓強度等級閃電的比例(11.32%)。由表2可以看到，在不同強度階段中，熱帶氣旋極大值閃電更易發(fā)生在弱強度等級的氣旋中，即持續(xù)時間長、空間尺度大和光輻射能強的閃電在熱帶低壓等級中占有最大比例(11.32%～13.31%)。臺風等級中空間尺度和光輻射能大的極值閃電比例高于熱帶風暴等級，但持續(xù)時間長的極值閃電比例低于熱帶風暴。統(tǒng)計陸地與海洋極大值閃電的比例，按照閃電屬性參量持續(xù)時間、延展距離、通道面積和光輻射能順序，依次是9.46%，7.31%，7.25%，7.47%和10.08%，10.76%，10.81%，10.66%，表明海洋熱帶氣旋極大值閃電發(fā)生在海洋的平均比例高于陸地，即持續(xù)時間長、空間尺度大和光輻射能強的閃電更傾向于發(fā)生在海洋(平均比例為10.08%～10.81%)。

表2 不同分類中熱帶氣旋極大值閃電數(shù)量占該類閃電總數(shù)的比例(單位：%)Table 2 Proportion of the number of extreme lightning to the total number of lightning within tropical cyclones in different categories(unit:%)

在熱帶氣旋不同區(qū)域，持續(xù)時間長和光輻射能強的極大值閃電易發(fā)生在內(nèi)核(比例分別為18.13%和14.87%)，而通道面積大的極大值閃電易發(fā)生在內(nèi)雨帶區(qū)域(比例為10.55%)，外雨帶極大值閃電所占比例最低。尤金等[28]發(fā)現(xiàn)西北太平洋地區(qū)持續(xù)時間長、延展距離大和光輻射能強的閃電傾向于發(fā)生在高度較高和面積較大的雷暴中。內(nèi)核極大值閃電較高的比例可能表明熱帶氣旋在海洋上某些特定發(fā)展過程中，內(nèi)核的云頂高度更高、對流強度更強。

3 熱帶氣旋閃電屬性特征差異

3.1 熱帶氣旋不同強度和區(qū)域閃電屬性差異

為了分析閃電屬性與熱帶氣旋強度之間的關系，計算不同強度等級熱帶氣旋4種閃電屬性特征的平均值、中值和分布范圍(圖4)。由圖4可見，閃電持續(xù)時間在熱帶氣旋3個強度等級間無明顯差異，在閃電空間尺度和光輻射能方面，熱帶風暴強度等級的閃電屬性中值和平均值均低于熱帶低壓和臺風強度等級，為3個強度等級最小,表明:當熱帶氣旋由熱帶低壓逐漸發(fā)展成較為穩(wěn)定的熱帶風暴和強熱帶風暴時，閃電屬性特征值下降；當熱帶氣旋進一步增強，達到臺風強度等級時，閃電的空間尺度和輻射能量再次增強。西北太平洋熱帶氣旋閃電活動和氣旋強度的關系研究表明:處于熱帶風暴強度等級的熱帶氣旋，其閃電頻次最大，均大于熱帶低壓和臺風的閃電頻次[9-10]。本研究顯示熱帶風暴階段閃電的空間尺度與光輻射能最小，這種光輻射能與閃電頻次呈反相關的結果與以往研究一致[23-24]。

圖4 不同強度等級熱帶氣旋閃電屬性參量(方框底部和頂部邊緣分別表示第25和第75分位數(shù)；方框內(nèi)水平線代表中值，菱形代表平均值)Fig.4 Lightning attributes at different tropical cyclone intensity levels(the bottom and top edges of the box denote the 25th and 75th percentiles,respectively；the horizontal line in the box denotes the median value,and the diamond denotes the average value)

熱帶氣旋不同區(qū)域發(fā)生的閃電屬性參數(shù)分布如圖5所示。由圖5可以看到，閃電的延展距離和通道面積在熱帶氣旋的不同區(qū)域內(nèi)無明顯差異。但值得注意的是，與內(nèi)雨帶和外雨帶相比，內(nèi)核的閃電持續(xù)時間和光輻射能(包括中值和平均值)最高，說明內(nèi)核閃電的平均持續(xù)時間最長，平均光輻射能最強。光輻射能中值在內(nèi)核、內(nèi)雨帶和外雨帶依次遞減，表明隨著閃電與熱帶氣旋中心距離增加，閃電光輻射能逐漸減小。Zheng等[22]對一次陸地超級單體的觀測研究發(fā)現(xiàn)，強雷暴傾向于產(chǎn)生持續(xù)時間短、光輻射能小的閃電。本研究發(fā)現(xiàn)，與內(nèi)核相比，外雨帶閃電的持續(xù)時間更短和光輻射能更小，一定程度上說明外雨帶比內(nèi)核和內(nèi)雨帶的對流活動更強。內(nèi)核在特定階段傾向于產(chǎn)生較強的對流活動，特別是在熱帶氣旋快速增強和眼壁置換階段[13]，會出現(xiàn)內(nèi)核閃電爆發(fā)現(xiàn)象[14]。但從閃電屬性總體分布推測，熱帶氣旋內(nèi)核的整體對流活躍程度較外雨帶弱。閃電參量特征由雷暴中的電荷結構決定，電荷結構受云面積和對流強度共同影響。通常面積較大的云產(chǎn)生較大有效電荷區(qū)的可能性較大，但外雨帶強對流引起的強烈湍流混合可能將大電荷區(qū)分成相對較小的電荷區(qū)[21]，從而使閃電特征參量值減小。

圖5 熱帶氣旋不同區(qū)域閃電屬性參量(方框底部和頂部邊緣分別表示第25和第75分位數(shù)；方框內(nèi)水平線代表中值，菱形代表平均值)Fig.5 Lightning attributes in different tropical cyclone regions(the bottom and top edges of the box denote the 25th and 75th percentiles,respectively；the horizontal line in the box denotes the median value,and the diamond denotes the average value)

熱帶氣旋的閃電屬性與氣旋強度變化有關。已有研究表明：熱帶氣旋強度變化的不同階段，閃電屬性呈現(xiàn)出不同特征[30-31]。Duran等[30]對颶風Dorian(2019)研究發(fā)現(xiàn)，在增強和減弱過程中，內(nèi)核均發(fā)生閃電爆發(fā)，且增強過程的閃電面積更大、能量更強。Ringhausen等[31]對颶風Harvey(2017)研究指出，外雨帶閃電面積和持續(xù)時間的減小及眼壁閃電能量和閃電中包含事件數(shù)量減少，是熱帶氣旋增強的前兆。

外雨帶和眼壁區(qū)的閃電屬性與熱帶氣旋強度均呈負相關關系。隨著熱帶氣旋強度的增加，外雨帶閃電數(shù)量增加，但閃電尺度減小。這是由于熱帶氣旋增強時外雨帶對流增強，強上升氣流將電荷抬升到更高的高度。由于閃電擊穿閾值隨高度呈指數(shù)下降，因此相同電場下外雨帶閃電更易發(fā)生。此外，強上升氣流導致強湍流，湍流增加產(chǎn)生更小的電荷口袋區(qū)，從而在外雨帶產(chǎn)生面積更小、但更頻繁的閃電活動[31]。眼壁區(qū)閃電屬性與熱帶氣旋強度的負相關并不顯著。當眼壁區(qū)閃電包含的閃電事件數(shù)量減少、閃電能量降低時，熱帶氣旋將增強。模式研究發(fā)現(xiàn)當颶風增強時，眼壁內(nèi)電荷區(qū)高度隨時間下降，下層正電荷區(qū)與中間負電荷區(qū)大小相當，阻礙通道向地面?zhèn)鞑?，從而抑制地閃、有利于云閃的產(chǎn)生[32]。颶風增強時眼壁區(qū)云閃比例增加，閃電能量也降低，這是因為云閃比地閃尺度更小、平均能量更低，即云閃越多，眼壁區(qū)整體的閃電屬性越??；從云中較低位置開始的閃電必須穿過更多的云層，散射增加導致到達云頂?shù)墓鉁p少，因此衛(wèi)星探測到的眼壁區(qū)閃電能量降低[31]。

上述研究表明:閃電能量和閃電尺度用于區(qū)分增強和減弱過程的閃電爆發(fā)，閃電屬性可為熱帶氣旋強度變化提供信息。靜止衛(wèi)星閃電成像儀能夠?qū)﹃懙睾秃Ｑ箝W電活動進行連續(xù)探測，因此可提供更多熱帶氣旋閃電的有益信息。熱帶氣旋閃電位置、閃電頻次、閃電屬性的變化有助于識別熱帶氣旋強度和結構的變化，可輔助預報員對熱帶氣旋增強進行有效判斷。

3.2 海洋和陸地熱帶氣旋閃電屬性差異

圖6為海陸熱帶氣旋的閃電屬性參量對比。由圖6可以看到，陸地熱帶氣旋和海洋熱帶氣旋的閃電持續(xù)時間無明顯差異，但在空間尺度和光輻射能上，海洋熱帶氣旋的閃電屬性均大于陸地熱帶氣旋(包括中值和平均值)，即海洋熱帶氣旋閃電通常比陸地熱帶氣旋閃電的平均空間尺度更大、平均能量更強。熱帶氣旋在海洋上整體對流活動較弱，導致其閃電的頻次低、空間尺度大、光輻射能強。熱帶氣旋登陸后對流活動加強[33]，閃電頻次升高、閃電空間尺度減小、光輻射能減弱。該特征與其他非熱帶氣旋雷暴系統(tǒng)閃電空間尺度和光輻射能屬性的海陸差異一致[20,28]。

圖6 海陸熱帶氣旋閃電屬性參量(方框底部和頂部邊緣分別表示第25和第75分位數(shù)；方框內(nèi)水平線代表中值，菱形代表平均值)Fig.6 Lightning attributes for tropical cyclones on land and ocean(the bottom and top edges of the box denote the 25th and 75th percentiles,respectively；the horizontal line in the box denotes the median value,and the diamond denotes the average value)

研究表明，閃電活動和形態(tài)屬性存在明顯海陸差異。陸地閃電頻次和閃電密度高于海洋(平均閃電密度比約為10:1)[34]，但海洋閃電的平均時空尺度和能量大于陸地[18,35]。閃電的光輻射能在海洋和陸地也存在較大差別。海洋閃電的放電強度高于陸地，海洋每次閃擊的平均光輻射能為陸地的兩倍左右[19,24]。此外，閃電面積在陸地和海洋的可視性也存在差異。Peterson等[18]指出海洋閃電的平均照亮面積大于陸地閃電約30%。

閃電尺度與雷暴強度變化趨勢相反，海陸閃電屬性的差異與其母體雷暴的對流強弱有關。海洋雷暴對流強度弱于陸地雷暴。海洋雷暴水平尺度更大、發(fā)展更成熟，陸地雷暴具有結束更早、水平擴展更小的特點[20]。具有強對流特征的陸地雷暴傾向于產(chǎn)生頻次高但時空尺度、能量較小的閃電，而具有弱對流特征的海洋雷暴雖然閃電頻次相對較低，但傾向于產(chǎn)生時空尺度更大、能量更強的閃電[35]。

3.3 熱帶氣旋與非熱帶氣旋閃電屬性差異

為了進一步分析熱帶氣旋系統(tǒng)與非熱帶氣旋系統(tǒng)的閃電屬性差異，統(tǒng)計西北太平洋熱帶氣旋閃電主要發(fā)生區(qū)域(20°～30°N，100°～123°E亞洲大陸地區(qū)和10°～35°N，106°～140°E海洋地區(qū)，不包括陸地和島嶼)內(nèi)熱帶氣旋與非熱帶氣旋閃電屬性。熱帶氣旋閃電樣本量為18111，非熱帶氣旋閃電樣本量為539037。表3是熱帶氣旋閃電和非熱帶氣旋閃電屬性參量的平均值對比。由表3可見，非熱帶氣旋系統(tǒng)的4個閃電屬性特征參量與尤金等[28]統(tǒng)計的我國內(nèi)陸和東部沿海區(qū)域的閃電屬性值范圍一致。可見，無論陸地或海洋區(qū)域，在閃電延展距離、通道面積和光輻射能方面，熱帶氣旋閃電較非熱帶氣旋閃電統(tǒng)計特征值更小。在持續(xù)時間方面，熱帶氣旋閃電比非熱帶氣旋閃電更長。由于非熱帶氣旋系統(tǒng)的雷暴強度變化范圍較大，因此本結果僅為統(tǒng)計意義上的平均結果。

表3 熱帶氣旋閃電與非熱帶氣旋閃電屬性參量對比Table 3 Comparisons of attribute parameter for lightning in tropical cyclone and non-tropical cyclone

4 結論與討論

本研究利用1998—2014年TRMM衛(wèi)星LIS閃電數(shù)據(jù)，分析西北太平洋熱帶氣旋的閃電屬性(包括持續(xù)時間、延展距離、通道面積和光輻射能)特征，并從不同強度等級的熱帶氣旋、熱帶氣旋不同區(qū)域、海洋熱帶氣旋和陸地熱帶氣旋、熱帶氣旋和非熱帶氣旋4個方面對比閃電屬性特征，得到以下主要結論：

1) 熱帶氣旋閃電屬性峰值分布與西北太平洋海洋雷暴系統(tǒng)分布一致，均符合對數(shù)正態(tài)分布，但與東亞陸地雷暴系統(tǒng)存在差異。熱帶氣旋極值閃電更傾向于發(fā)生在海洋和熱帶低壓強度等級。外雨帶極大值閃電所占比例最小，內(nèi)核閃電在持續(xù)時間和光輻射能的極大值比例最大，表明熱帶氣旋在海洋上的某些特定發(fā)展過程中，內(nèi)核的云頂高度更高、對流強度更強。

2) 不同強度等級(熱帶低壓、熱帶風暴、臺風)熱帶氣旋的閃電持續(xù)時間無明顯差異，熱帶風暴閃電的空間尺度和光輻射能均低于熱帶低壓和臺風，表明：當熱帶氣旋由熱帶低壓發(fā)展成穩(wěn)定的熱帶風暴和強熱帶風暴時，閃電屬性特征值下降；當熱帶氣旋增強達到臺風強度等級時，閃電的空間尺度和輻射能量再次增強。

3) 熱帶氣旋內(nèi)核的閃電持續(xù)時間最長、光輻射能最強，且持續(xù)時間和光輻射能隨閃電與熱帶氣旋中心距離的增加而逐漸減小，外雨帶達到最小。在海陸差異方面，熱帶氣旋閃電在海洋上具有比陸地上更大的空間尺度和更強的光輻射能。熱帶氣旋登陸后閃電的空間尺度減小、光輻射能減弱。與非熱帶氣旋閃電相比，熱帶氣旋閃電延展距離、通道面積和光輻射能更小，但閃電平均持續(xù)時間更長。

TRMM衛(wèi)星的極軌運行方式導致LIS探測的熱帶氣旋閃電數(shù)據(jù)樣本有限，且更大概率觀測到外雨帶閃電。由于LIS白天探測能力受限，本文僅使用夜間探測數(shù)據(jù)，因此需要積累更多數(shù)據(jù)以進一步完善熱帶氣旋閃電屬性特征的研究。同時，衛(wèi)星閃電成像儀的聚類算法對閃電事件的判別設置固定的時間和空間閾值，閾值設置是否對部分閃電事件及其屬性判定造成影響，也需要深入探討。熱帶氣旋與外部環(huán)境的相互作用，一定程度上具有陸地雷暴特點，但同時又受到渦旋動力約束，因此顯示出獨特的對流結構和閃電活動特征[8,14,36]。有關熱帶氣旋閃電屬性特征和影響因素、與其他海洋和陸地雷暴系統(tǒng)閃電屬性的差異，需利用衛(wèi)星、雷達等多種觀測數(shù)據(jù)開展綜合分析。