基于多源觀測數(shù)據(jù)對(duì)山東半島南部及近海地區(qū)三維雷電探測效率評(píng)估

劉 釗，張?jiān)丛?，曹雪芬，孫 豪

(1.青島市氣象局，青島266003；2.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250031；3.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣州510640；4.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044)

0 引言

雷電發(fā)生具有隨機(jī)性且成災(zāi)迅速，影響面大，受到了電力、氣象等諸多部門的廣泛關(guān)注，因此對(duì)雷電監(jiān)測和預(yù)警的需求越來越大。雷電監(jiān)測無論在雷電的研究、監(jiān)測還是防護(hù)領(lǐng)域中都處于極其核心的位置[1，2]。當(dāng)前普遍認(rèn)為，閃電的發(fā)生發(fā)展與雷暴云內(nèi)的微物理與動(dòng)力特征息息相關(guān)[3-10]。

自20世紀(jì)50年代雷達(dá)技術(shù)開始用于天氣監(jiān)測以來，天氣雷達(dá)以其精細(xì)的時(shí)空分辨力、及時(shí)準(zhǔn)確的遙感探測能力成為研究雷暴天氣的重要手段。眾多學(xué)者研究了雷達(dá)反射率和雷暴初生的特征關(guān)系[11-16]，并將其運(yùn)用于雷電預(yù)警中。天氣雷達(dá)能夠獲取各種天氣過程的實(shí)時(shí)演變特征，但雷達(dá)資料是通過發(fā)射不同頻段的電磁波，計(jì)算接收反射回的輻射強(qiáng)度和發(fā)射強(qiáng)度的比值，來定義云的反射率因子。因此，雷達(dá)資料能夠反映云的一些特征，比如雷暴云的特征是回波強(qiáng)度、云頂高度等。

除天氣雷達(dá)探測外，通過氣象衛(wèi)星資料也可以大范圍監(jiān)控強(qiáng)對(duì)流性天氣過程[17]。例如，風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星(FY-2A)的云頂亮溫TBB資料通過實(shí)時(shí)監(jiān)測云團(tuán)的紅外亮溫來表征其對(duì)流程度[18]。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星(FY-4A)的云頂溫度CTT資料可以全天空、實(shí)時(shí)監(jiān)測地面的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，通過紅外探測技術(shù)，能夠感知對(duì)流云頂?shù)牧翜谻TT。值得注意的是，雖然衛(wèi)星數(shù)據(jù)不受地物遮擋且探測范圍大，但其空間分辨力和時(shí)間分辨力比較差。

在地基雷電監(jiān)測方面，國外一些國家建設(shè)雷電探測網(wǎng)較早，如美國等建立國家雷電監(jiān)測網(wǎng)(NLDN：National Lightning Detection Network)，利用多種探測儀器相結(jié)合捕捉雷電信息，對(duì)雷電的監(jiān)測取得了較好的成果[19-21]。中國的地基雷電觀測網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展，逐步從省級(jí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為國家級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主要用來監(jiān)測和分析中國境內(nèi)發(fā)生的地閃，對(duì)電力、交通、民航等行業(yè)的運(yùn)行保障工作做出了一定的貢獻(xiàn)[22，23]。但是，其探測精度受觀測站點(diǎn)位置布設(shè)不均、信號(hào)衰減等因素的制約，無法更高精度地提升對(duì)短臨災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報(bào)能力。為解決山東半島南部沿岸探測精度低及近海海域探測盲區(qū)的問題，2019年起，青島布設(shè)高精度的三維雷電探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠探測山東半島南部沿岸及近海海域400 km范圍內(nèi)閃電，已成為該地區(qū)主要的業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)之一。文章基于天氣雷達(dá)資料、FY-2A相當(dāng)黑體溫度TBB資料、FY-4A云頂亮溫CTT資料等多源觀測資料，對(duì)山東半島南部地區(qū)三維雷電探測效率及精度進(jìn)行分析評(píng)估。

1 探測系統(tǒng)及探測原理

青島三維雷電探測系統(tǒng)由7個(gè)VLF/LF三維雷電實(shí)時(shí)定位站點(diǎn)構(gòu)成。7個(gè)測站兩兩之間的距離大多小于100 km，分別為平度站、萊西站、田橫站、即墨站、潮連島站、鐵山站和董家港站。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集多站同步磁場波形數(shù)據(jù)，利用互相關(guān)技術(shù)進(jìn)行時(shí)差定位。

該系統(tǒng)通過7個(gè)測站聯(lián)網(wǎng)觀測，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次閃電的N個(gè)脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確定位，即實(shí)時(shí)描繪了整個(gè)閃電的發(fā)生發(fā)展軌跡。當(dāng)采取的傳感器探測頻段不同時(shí)，得到的脈沖數(shù)量也不同。頻段越高，點(diǎn)越多；點(diǎn)越多，描繪的雷電三維通道結(jié)構(gòu)越精細(xì)。但頻段越高，硬件傳感器探測半徑越小，同時(shí)受場地誤差的影響也越大。因此，綜合考慮，該系統(tǒng)采用目前相對(duì)成熟的VLF/LF三維雷電實(shí)時(shí)定位技術(shù)，能夠刻畫出精細(xì)的閃電通道結(jié)構(gòu)，定位原理如圖1所示。

圖1 三維雷電實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)定位原理

2 結(jié)果分析

2.1 三維雷電探測結(jié)果

經(jīng)過2019-2020年的觀測試驗(yàn)，三維雷電探測網(wǎng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常。山東半島南部沿岸及近海海域共觀測到閃電31，530個(gè)，其中云閃(IC)25，520個(gè)，地閃(CG)6010個(gè)，正地閃(PCG)860個(gè)，負(fù)地閃5150個(gè)。2019-2020年6-9月，山東半島南部沿岸及近海海域的雷暴活動(dòng)頻繁，其中8月份雷電發(fā)生次數(shù)最多。閃電類型主要以云閃(IC)為主，約占總閃電的81%，而地閃(CG)僅占19%，其中正地閃(PCG)僅占總地閃(CG)的14.3%。

2.2 與FY-4A-CTT資料的對(duì)比評(píng)估

FY-4A衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定控制方案，其連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行將大幅提升中國靜止軌道氣象衛(wèi)星探測水平。作為新一代靜止軌道定量遙感氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星的功能和性能實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。衛(wèi)星的輻射成像通道覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，接近歐美第3代靜止軌道氣象衛(wèi)星的16個(gè)通道。星上輻射定標(biāo)精度0.5 K、靈敏度0.2 K、可見光空間分辨力0.5 km。

云頂亮溫CTT是利用成像儀的2個(gè)紅外窗口和1個(gè)CO2吸收通道，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)資料，通過最優(yōu)估計(jì)的迭代計(jì)算，反演出云頂溫度產(chǎn)品。CTT資料可以全天空、實(shí)時(shí)監(jiān)測地面的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，通過紅外探測技術(shù)感知對(duì)流云頂?shù)牧翜谻TT。CTT越低，意味著云對(duì)流越旺盛，是強(qiáng)烈的雷暴云。從閃電發(fā)生機(jī)理來看，閃電通常發(fā)生在強(qiáng)對(duì)流區(qū)域。因此，CTT資料能夠很好地驗(yàn)證三維雷電定位的準(zhǔn)確性。

從兩種資料的對(duì)比看出閃電主要發(fā)生在CTT亮溫范圍為205～245 K的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的溫度為-53～-38 ℃，對(duì)應(yīng)的高度為11～18 km。此位置對(duì)應(yīng)的是對(duì)流云，在強(qiáng)大的對(duì)流系統(tǒng)中，由于溫差，地面上的水汽會(huì)隨著氣流上升，在空中遇到凝結(jié)核使得水汽凝結(jié)成固態(tài)的水成物粒子(如冰晶、霰粒子、軟雹粒子等)，當(dāng)不同粒子之間發(fā)生碰并時(shí)，通過感應(yīng)或非感應(yīng)起電機(jī)制使得云攜帶了大量電荷，當(dāng)電壓超過空氣的擊穿閾值時(shí)，就會(huì)擊穿空氣放電，從而可能發(fā)生閃電。三維雷電探測系統(tǒng)探測到的位于對(duì)流云區(qū)域內(nèi)的閃電數(shù)量占比基本在95%以上，個(gè)別情況除外。因此，從CTT資料來看，山東半島南部沿海的三維雷電探測效率在95%以上。

2.3 與FY-2G-TBB資料的對(duì)比評(píng)估

FY-2G上搭載的掃描輻射計(jì)包括1個(gè)可見光和4個(gè)紅外通道，可以實(shí)現(xiàn)非汛期每小時(shí)，汛期每半小時(shí)獲取覆蓋地球表面約1/3的全圓盤圖像。相當(dāng)黑體溫度TBB是利用輻射計(jì)紅外窗口獲取的信息，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)資料，反演出的相當(dāng)黑體溫度產(chǎn)品。TBB資料可以大范圍監(jiān)控強(qiáng)對(duì)流天氣過程，缺點(diǎn)是空間分辨力和時(shí)間分辨力比較差。目前常用的FY-2A相當(dāng)黑體溫度TBB資料的空間分辨力為10 km，時(shí)間分辨力為30 min。

從兩種資料的對(duì)比看出，閃電主要發(fā)生在TBB亮溫范圍為220～245 K的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的溫度約為-43～-33 ℃，對(duì)應(yīng)的高度為11～15 km，此位置對(duì)應(yīng)的是對(duì)流云，為容易發(fā)生閃電的區(qū)域。三維雷電探測系統(tǒng)探測到的位于對(duì)流云區(qū)域內(nèi)的閃電數(shù)量占總閃電探測數(shù)量的75%左右。因此，從TBB資料來看，山東半島南部地區(qū)三維雷電探測效率為75%。

2.4 與雷達(dá)資料的對(duì)比評(píng)估

雷達(dá)回波強(qiáng)度是判斷強(qiáng)天氣的重要參數(shù)，特別是局地暴雨、雷雨大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流降水天氣。一般來說，閃電發(fā)生時(shí)常伴有強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。大氣的溫度在對(duì)流層通常表現(xiàn)為隨高度的升高而降低，所以軟雹、冰晶粒子及過冷水需要到達(dá)冰點(diǎn)以下溫度所對(duì)應(yīng)的高度才會(huì)產(chǎn)生，即云中粒子被上升氣流拖曳到一定的高度，閃電會(huì)在含有這樣粒子的云中發(fā)生。對(duì)于不同云層形成的閃電，雷達(dá)回波會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的特征。

雷暴屬于災(zāi)害性天氣，是由強(qiáng)對(duì)流生成的，其水平尺度變化很大，可從幾千米到幾百千米，垂直厚度大多在10 km以上，因而大多數(shù)發(fā)展較旺盛的雷暴單體的回波強(qiáng)度都能夠達(dá)到30 dBZ以上，這與非雷暴單體有著較明顯的差異。所以，通過對(duì)雷暴過程的雷達(dá)回波強(qiáng)度的分析，可以得到閃電發(fā)生相對(duì)應(yīng)的位置。

對(duì)2019-08-01，2019-08-02和2019-08-16雷電天氣過程的雷達(dá)回波與閃電位置的疊加圖進(jìn)行分析(圖2～圖4)，可以發(fā)現(xiàn)閃電發(fā)生于強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)域，雷達(dá)回波強(qiáng)度在30 dBZ以上，對(duì)應(yīng)的云頂高度超過10 km，意味著該區(qū)域是強(qiáng)對(duì)流中心。因?yàn)楫?dāng)大量水汽上升時(shí)，水汽凝結(jié)形成很多固態(tài)粒子，可能使得雷達(dá)回波很強(qiáng)。從雷電起電機(jī)制可知，雷暴云中要發(fā)生強(qiáng)起電過程使電荷發(fā)生分離，必須存在足夠數(shù)量和大小的冰晶粒子以及足以使這些粒子上升到一定高度的上升氣流。若云內(nèi)具有足夠的水汽含量，且對(duì)流足夠強(qiáng)，則為閃電的發(fā)生提供了可能。因此，從雷達(dá)資料來看，發(fā)生在強(qiáng)回波區(qū)的閃電數(shù)量占系統(tǒng)總探測閃電數(shù)量的97%，即山東半島南部地區(qū)的三維雷電探測效率為97%。

圖2 2019-08-01閃電位置與雷達(dá)組合反射率的疊加

圖3 2019-08-02閃電位置與雷達(dá)組合反射率的疊加

圖4 2019-08-16閃電位置與雷達(dá)組合反射率的疊加

3 結(jié)束語

文章利用星地多源觀測數(shù)據(jù)對(duì)2019-2020年山東半島南部地區(qū)三維雷電探測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，青島三維雷電探測系統(tǒng)具備很好的可靠性、穩(wěn)定性和易用性，山東半島南部地區(qū)閃電定位結(jié)果精度較高，探測效率基本達(dá)到90%以上，能夠?yàn)樵摰貐^(qū)的電力、交通和民航等部門提供重要的雷電專業(yè)服務(wù)和決策支持。