基于氣象衛星觀測資料的雷電預報指標研究

張春龍，肖穩安，鄧樹民，王振會，陳紅兵

（1.南京信息工程大學，江蘇南京 210044；2.黑龍江省氣象局，黑龍江哈爾濱 150001；3.江蘇省氣象局，江蘇南京 210008）

基于氣象衛星觀測資料的雷電預報指標研究

張春龍1，肖穩安1，鄧樹民2，王振會1，陳紅兵3

（1.南京信息工程大學，江蘇南京 210044；2.黑龍江省氣象局，黑龍江哈爾濱 150001；3.江蘇省氣象局，江蘇南京 210008）

本文利用風云二號靜止衛星獲得的紅外通道觀測資料相當黑體溫度TBB，對南京及其周邊地區2009-2010年出現的16次雷暴天氣過程進行了研究。結果表明：雷暴云中心冷云頂降溫率達到10℃/h，并且冷云頂亮溫TBB在-33℃以下時，雷暴云中會有閃電發生；雷暴云中心冷云頂到對流云區邊界的溫度梯度達到0.65℃/km是雷暴得以快速發展加強重要指標；各種參數指標相互配合可以為雷電預報提供有力的理論依據。

氣象衛星；雷電預報；TBB

1 引言

雷電是發生在大氣中的劇烈天氣現象，雷電寓于龍卷、冰雹、強風、暴雨等災害性天氣現象之中，是一種典型的中小尺度天氣系統[1]。雷暴天氣系統空間尺度小，時間尺度短，用常規資料很難觀測到，但可以通過高時空分辨率的衛星圖像反映其在大氣中進行的動力和熱力過程的綜合效應而生成的不同云外形和種類的序列照片，捕捉大氣中的雷電及活動過程。因此，開展氣象衛星觀測資料在雷電監測和預警中的應用研究，在災害性雷電天氣的監測和預報預警業務中有實際應用意義。

關于使用衛星資料來做雷電預報，國內外都已做過大量研究，肖穩安[2]（1981）利用3 h一次的GMS云圖資料,分析了6-8月份我國大陸上的六類雷暴天氣，闡述了強雷暴活動的云圖特征。MacGorman[3]（1994）研究了中尺度對流復合系統（MCC）中的閃電活動，指出閃電頻率是多單體對流元的厚度和數目的函數。Smith[4]（1996）利用紅外云圖云頂冷卻率研究雷電的發生時發現，第一次云地閃經常發生在紅外云圖中最初云頂冷卻率超過0.50℃/min之后30 min或更長的時間。總之，有不少科學工作者用衛星觀測的云圖資料分析雷電，得到了一些有益的結果。本文在前人研究基礎上，收集南京及其周邊地區16次強雷暴天氣的衛星云圖觀測資料、常規觀測資料、閃電定位資料和大氣電場儀資料，通過對資料處理和雷暴天氣過程的綜合分析，提取用衛星資料進行監測和預警雷電的預報因子，可以做出雷暴的潛勢預報，也可以為閃電的臨近預報提供有力的依據。

2 資料與方法

2.1 資料

本文研究選取了2009-2010年公益性行業科研專項“基于遙感的雷暴云大氣電場強度分布預測研究”實驗期多次天氣過程的氣象衛星、閃電定位儀、大氣電場儀資料以及08時和20時的探空資料。衛星資料使用的是黑體溫度，通常將氣象衛星紅外通道的觀測值以相當黑體溫度（TBB）表示，也稱之為“亮度溫度”或者“亮溫”[5]。TBB資料可以揭示云在演變過程中的一些顯著特征，本文根據TBB資料來推斷雷暴天氣系統的強度、發展以及閃電發生的條件。

2.2 分析方法

首先根據歷史觀測資料選出16次雷暴天氣過程作為研究對象，然后根據大氣電場儀和閃電定位儀資料確定雷電發生的時間，以這個時刻為標準，根據天氣系統的持續時間來向前推算，找出雷電發生之前的衛星觀測資料TBB所具有的共同特征。

2.2.1 數據處理

將從國家衛星氣象中心獲得的FY-2C TBB資料用GrADS軟件進行處理和分析，得到雷電發生之前的TBB分布圖，研究區域范圍為116～122°E，30～35°N，水平分辨率設為0.5°×0.5°，衛星資料的時間分辨率為1 h一次，初步選取TBB≤-32℃作為雷暴云團的所在區域。

根據大氣電場儀數據和閃電定位儀得到當日的地面大氣電場值和閃電觀測結果。

2.2.2 雷暴云亮溫梯度的計算

雷暴云中心冷云頂到對流云邊界的溫度梯度是指水平方向上溫度的最大變化率，能表示對流的發展強度，梯度越大，表示對流發展越旺盛。云頂亮溫梯度的計算分為以下幾個步驟：

第一步：根據雷暴云在衛星云圖上的特征及云團出現的位置來看，雷暴云系在發展到成熟的過程中，可認為其冷溫中心即為雷暴云團的中心位置，在TBB分布圖上讀取雷電發生之前臨近時刻的冷溫中心的亮溫值T1，然后根據亮溫的分布讀取同一時刻密集邊界的亮度溫度值T2。

第二步：將冷溫中心坐標記為M1[I1,J1]，密集邊界坐標記為M2[I2,J2]，I和J分別代表各點的經度和緯度，M1和M2之間的距離：L=r×arccos（sinJ1×sinJ2+cosJ1×cosJ2×cos（I1-I2）），其中,r為地球半徑。

3 雷電天氣的衛星觀測資料特征分析

對16次雷電天氣過程發生1 h前衛星觀測的數值進行了統計和分析（表1）。

3.1 強對流云團中心冷云頂的降溫率

表1 雷電天氣發生1 h前的TBB分布特征

云頂溫度隨時間的降溫率是云頂變冷、云頂高度抬高、空氣垂直上升運動加強的間接表示，可用于表征雷暴加強的程度。本文研究的16次雷暴天氣過程，強對流云團中心冷云頂的降溫率有13次大于等于10℃/h，云頂溫度有12次小于-33℃（圖1），有4次個例的云頂溫度高于-33℃，其中雷電的發生同時滿足大于等于10℃/h和云頂溫度小于-33℃的有11次。有人提出雷暴云中心冷云頂溫度下降至-52℃，該雷暴云中一定有雷電發生。本文研究發現：當雷暴云中心冷云頂溫度下降率達到10℃/h，同時冷云頂溫度下降到-33℃以下，雷暴云中即有雷電發生。

圖1 雷電天氣發生散點圖

以2009年7月2日為例，南京及周邊地區受冷鋒影響自西向東出現了一次雷暴天氣過程。2009年7月初，東亞大氣環流呈現出典型的兩槽一脊的徑向環流型，在2009年7月2日08時500 hPa高空圖上（圖2a），從貝加爾湖向南一直到我國黃河中游持續著一個強度大范圍廣的大高壓，其東部在我國東北和俄羅斯遠東交界處有一大低壓，一深槽一直從低壓中心向南南西到達朝鮮半島后轉向西南延伸到長江中下游。南京地區正好處在槽前脊后，由溫壓場的配置可看出，南京地區直接受脊前偏北氣流的影響，有明顯的冷平流。在南京以南，是西太平洋大高壓西端的偏南的暖濕氣流，南京所在緯度是一條很顯著的南北冷暖氣流的交匯帶，在850 hPa圖上（圖2b）南京處在從海上向西伸展的切變線上，利于對流的發生和發展。從天氣背景來看，環流條件十分有利于雷暴的發生。

圖2 2009年7月2日08時環流形勢配置

在14時15分，蘇皖兩省交界處存在一對流云團，南京地區處于TBB的低值中心的邊緣，其云頂最低溫度為-42℃，從南京小校場站的大氣電場儀觀測記錄可看出，南京地區的大氣電場強度沒有變化，且電場強度數值為0,說明南京地區尚未有閃電發生。在15時15分，同1 h前比較，南京上空對流云區冷云頂的TBB值從-42℃降為-62℃，1 h內云頂的溫度下降了20℃，在15時之前大氣電場強度一直穩定在0，在15時到16時，大氣電場強度發生劇烈的抖動，其最大電場值達到30 kv/m，最小值為-25 kv/m，此時南京地區上空對流云電荷結構發生變化，云內發生放電，南京地區有雷電發生。在16時15分，此對流云團自西向東發展，冷云中心面積大幅度減少，此時揚州儀征地區開始受到冷云影響，儀征上空的對流云云頂溫度由1 h前的-42℃降為-52℃，1 h內溫度下降了10℃，從儀征站大氣電場儀觀測結果可看出，從0時到16時儀征地區的大氣電場強度一直保持為0，即16時之前儀征地區尚未有雷電發生，到了16時以后，大氣電場強度發生劇烈變化，幅值達到20 kv/m左右，說明儀征地區上空的對流云內有閃電發生。由此可知，當對流云團向東發展的過程當中，南京地區和儀征地區的云頂溫度分別下降，并且當地的大氣電場強度發生相應的變化，電場強度的變化與云圖的變化具有很好的對應關系，對流云頂溫度降溫率大于等于10℃/ h，并且TBB數值降低到一定程度時，南京地區和儀征地區陸續有雷電發生，這與Smith提出的第一次云地閃經常發生在紅外云圖中最初云頂冷卻率超過0.5℃/min之后30 min或更長的時間有些差異。但該雷暴天氣的實際情況還是很清楚地表明在南京及其周邊地區，雷暴發生區達到10℃/h的云頂降溫率，預示著雷電的發生，這也與前面的統計結果保持很好的一致性。

3.2 雷暴云中心冷云頂到對流云區邊界的溫度梯度

雷暴云中心冷云頂到對流云邊界的溫度梯度亦能表示對流的發展強度，梯度越大，表示對流發展越旺盛，對流云頂上升高度越高，雷暴天氣越強。本文研究的16次雷暴天氣過程，中心冷云頂到對流云邊界的溫度梯度如表1所示，從中可看出在雷電發生前1 h內，每次的TBB數值大不相同，甚至相差30 K左右，這與雷暴的強弱有關，如果是強雷暴天氣對流比較強烈，雷暴云上升的高度也較高，如果是弱雷暴天氣，對流相對較弱，雷暴云上升的高度自然較低，所以才會出現這樣的現象，但是可以發現每次過程的溫度梯度是比較集中的，平均云頂溫度梯度為0.66℃/km。雷暴云中心冷云頂到對流云區邊界的溫度梯度達到0.65℃/km是雷暴得以快速發展加強的重要指標。

以2009年6月5日天氣過程為例，這次江蘇地區自北向南的強對流天氣是一次比較典型的東北冷渦大背景下誘發的中尺度對流過程，在08時的500 hPa天氣形勢上（圖3a），我國東部大陸沿海高空槽南北錯位，南支已東移出海，北支一直穩定在東北冷渦中心經大連至山東半島一線，槽后不斷有西北冷平流從華北直接進入江蘇，蘇北及以南地面受弱的高氣壓影響，近地層輻射增溫較快，地面升溫，隨著系統的南壓，在入海高壓后部的回流東南氣流與低壓前部西南氣流之間存在一輻合線（圖3b），在輻合線的觸發下，大氣層結變得很不穩定，江蘇中部、南部地區產生了多個對流單體，并迅速發展增強，生成了該日的強雷暴天氣。

圖3 2009年6月5日08時的500 hPa高空圖和11時的地面流線圖

這次雷暴過程從開始到成熟的TBB演變可看出，11時在江蘇的中北部地區存在一初生對流云團，記為X云團，冷云中心亮度溫度為-33℃，冷云區邊界的亮度溫度為7℃，等溫線分布十分密集，冷云中心到冷云邊界的溫度梯度達到0.9℃/km，從閃電定位儀（位于南京市區118.48°E，32°N）監測獲取地閃頻數分布上可看出（圖4），在11時已經有地閃發生，地閃數目還比較少；到了12時，冷云中心溫度降為-43℃，冷云面積有所增加，冷云中心到冷云邊界的溫度梯度為0.6℃/km，雷暴得到進一步發展，以后地閃頻數持續增加，最大峰值為115次/10 min；到14時，X云團的面積是12時的六倍左右，即冷云面積增加了80%，覆蓋了整個江蘇的中部地區，閃電頻數達到80次/10 min；16時30分以后的消散階段，地閃頻數不到10次/10 min。由此可看出當溫度梯度達到最大值0.9℃/km以后，冷云的面積得到迅速增長，由蘇北地區擴張到蘇中區，云團內部的閃電頻次逐漸增多，雷暴得到發展加強。

圖4 2009年6月5日11-17時X云團每10 min的地閃頻數的時間分布

4 結論與討論

本文通過對發生在南京及其周邊地區的16次雷電天氣過程進行統計分析，并對其中兩次典型天氣過程進行了重點分析，結果發現：衛星觀測資料的特征參數與雷電的發生具有很好的對應關系，中心冷云頂溫度下降率達到10℃/h，冷云頂溫度在-33℃以下的雷暴云中有雷電發生，對于中小尺度的雷電天氣過程，結合常規天氣資料，通過判斷云頂降溫率和冷云頂溫度兩個指標的數值，可以在一定程度上預測未來1 h內對流云中是否有閃電發生；另外，還發現冷云頂到對流云區邊界的溫度梯度達到0.65℃/km時，雷暴得以快速發展加強，這對判斷雷暴發展的強度和趨勢具有很好的指示作用，可以為雷電預警和短時強對流天氣預報提供一定的參考依據。

[1]K.A.Browning.Nowcasting，ACADEMIC PRESS[M]1982，112-180.

[2]肖穩安.用地球靜止氣象衛星云圖分析我國幾類強雷暴天氣[J].大氣科學,1981，5（4）：398-405.

[3]MacGorman D R,Burgess D W.1994.Positive cloud-toground lighting in tornadicstorms and hailstorm[J].Wea.Rev, 122:1671-1697.

[4]Smith S B.1996.How soon can a thunderstorm be identified？a comparison of satellite-observed cloud-top cooling and the onset of cloud-to-ground lighting.Preprints.18th Conf. on Severe Lolal Storm[J],479-481.

[5]胡中明，張智勇，王曉明，等.吉林省一次區域性暴雨天氣過程的TBB圖像特征分析[J].暴雨災害，2007，26（2）：130-133.

P457.9

A

1002－252X（2012）01－0021－04

2011－12－6

張春龍（1986-），男，黑龍江省齊齊哈爾市人，南京信息工程大學，碩士生.