廣東2022年一次強降水的FY-4A觀測及閃電特征

蔡占文，王彤, ，朱傳林，雷彥森，茍阿寧

(1.廣東省氣候中心，廣東 廣州 510641；2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225；3.湖北省防雷中心，湖北 武漢 430074；4.武漢中心氣象臺，湖北 武漢 430074)

1 引 言

廣東省位于中國南部沿海地區，頻繁受西風帶和熱帶系統影響，暴雨頻發。同時，地形地貌復雜多變，中北部地區以山地和丘陵為主，約占廣東省總面積的60%，山地多呈東西走向，地勢北高南低，北部、東北部和西部都有較高山脈，中部和南部沿海地區多為低丘、臺地或平原。王堅紅等[1]研究發現廣東省年平均暴雨日數可達170 d以上，暴雨降水量占總降水量的34.6%，每年因暴雨引發的城市內澇、山體滑坡及中小河流洪水等造成了難以估量的人員傷亡和財產損失。

研究發現，閃電對暴雨和強對流監測預警有很好的指示作用[2-8]。目前閃電觀測可分為地基閃電觀測和星載閃電觀測。地基閃電觀測主要以定位地閃為主，能夠探測閃電位置、極性和強度等信息，具有時間序列長、時空分辨率高、定位誤差小及探測效率高等優點，但需要組網觀測[9]，且無法對海洋等偏遠地區形成有效的全覆蓋。衛星具有覆蓋范圍廣、不受地域限制等優勢，可以觀測不同尺度天氣系統的云團或云系活動，是監測預防災害性天氣的有效手段[10-11]。星載閃電觀測技術在20 世紀90 年代取得了很大進展，LMI(lightning mapping imager)是中國第二代地球靜止軌道定量遙感氣象衛星首發星FY-4A 的自主研發設備，2016年12月11日(北京時間，下同)發射升空，2018年5 月1 日正式投入業務運行，能夠實現閃電分鐘級的連續觀測，時空分辨率有顯著提升[12]。衛星閃電因對云閃觀測的敏感性更強，能較雷達更早發現快速增長的對流，因此在對流初生預警方面有重要價值，被廣泛應用于暴雨及強對流短臨預警業務[13-16]。隨著衛星遙感技術的進步，眾多學者綜合利用衛星和閃電觀測產品進一步挖掘了其在短臨預報中的應用潛力，發現了一些有價值的研究成果。Mohr 等[17]以正、負地閃在TBB 中的分布位置為判斷依據對MCS 生命史演變階段的閃電特征進行了研究；張琪等[18]發現紅外亮溫下降能夠提前預判強降水的發生，強降水出現在紅外和水汽亮溫快速下降到最低值后的幾小時內，最大雨強則出現在強對流云團成熟后開始迅速減弱的初始階段，并利用高頻次FY-4A 數據資料，提煉出四川盆地2018 年中尺度對流復合體MCC 初生和成熟階段的衛星云圖特征[19]；支樹林等[20]發現颮線過程中雷暴大風發生在衛星閃電密集區前沿，可以通過衛星閃電數據提前研判雷暴大風的發生位置；王清平等[21]開展強對流云團的識別研究后，認為衛星閃電能夠更好地識別強對流云團范圍；陳仁君等[22]對相似環境背景下一次連續風暴中兩次強對流的LMI、云頂亮溫TBB 低值區和二維地閃探測位置吻合，LMI 總閃和二維地閃隨TBB 低值中心移動，冰雹和對流性大風的TBB 更低，分布在230 K 以下，強降水則在250～270 K。上述研究圍繞閃電活動特征和衛星的相關性開展，為多源觀測資料的應用奠定了良好的基礎。

由于LMI 業務應用時間較短，且LMI 無法區分云閃與地閃，地基閃電則以定位地閃為主，二者結合在暴雨及強對流監測預警中的應用有待進一步開展。為更好的發揮FY-4A 產品在暴雨監測預警中的作用，同時進一步了解廣東暴雨系統演變中衛星與閃電活動的特征及其關系，本文利用FY-4A、地基閃電觀測和NCEP 再分析資料，對2022年5 月10 日廣東一次暴雨過程中兩個不同強降水區域對流云團發展演變的觀測特征進行分析，提煉閃電對暴雨的指示意義，以期提高FY-4A 資料在廣東暴雨監測和短臨預警中的服務能力。

2 過程概述

2022 年5 月10 日08:00—11 日08:00，廣東省出現了一次暴雨到大暴雨天氣過程，強對流類型以短時強降水為主，雷電活動劇烈。統計廣東省24 h 累積雨量分布(圖1a，見下頁)可以看出，本次過程共存在2 個降水極值中心，一個位于清遠、惠州至九連山迎風一側的粵中地區（簡稱強降水1區，黑色方框，下同），另外一個在粵西沿海陽江、珠海至云開大山南側附近（簡稱強降水2 區，紅色方框，下同）。強降水集中在兩個時段：第一個強降水時段是5月10日14:00—23:00，受到東移低槽前部暖濕氣流、中低層切變線和地面冷空氣共同影響，屬于鋒面低槽暴雨，湖南南部對流云團生成后東移至廣東西北部發展加強，導致九連山迎風坡一側清遠附近出現暴雨，加上地面有弱冷空氣滲入，降水性質以鋒面附近冷暖交匯為主，175 站出現≥20 mm/h 的短時強降水(圖1b)，最大小時雨強為67 mm/h；第二個強降水時段是5 月11 日00:00—08:00，受到南風氣流輻合，尤其是西南氣流和偏南氣流輻合影響，珠江口西側沿海一帶，珠江口西側沿海一帶出現暴雨，降水性質以暖區對流性降水為主，154站出現≥20 mm/h的短時強降水(圖1c)，9站小時雨強≥80 mm/h，最大為124 mm/h。強降水發生前TBB 迅速下降，強降水主要位于對流云團TBB低值中心梯度大值區[23]。

圖1 2022年5月10日08:00—11日08:00加密雨量(a)；5月10日17:00 FY-4A紅外云頂亮溫TBB(填色)與14:00—23:00強降水落區(b)；5月11日03:00 FY-4A紅外云頂亮溫TBB(填色)與00:00—08:00強降水落區(c)黑色和紅色方框分別為強降水1區和2區，黑色、藍色和紅色三角分別為小時雨強20～50 mm/h、50～80 mm/h和≥80 mm/h，紅色和黃色圓點分別對應清遠和珠海，下同。

3 數據說明

地閃資料采用了廣東省氣象局ADTD(advanced TOA and direction system)閃電定位儀數據，水平定位誤差在200 m 以內，高度定位誤差在500 m 以內，探測效率超過80%，分析過程中對電流強度大于300 kA 和小于5 kA 的地閃進行了剔除處理。衛星資料采用了國家衛星中心FY-4A全圓盤第12 通道(10.8 μm 紅外波段通道) 云頂亮溫TBB(Temperature of Brightness Blackbody)數據，時間分辨率為15 min，空間分辨率為0.04 °×0.04 °，不同顏色表示不同亮溫，單位K，用來反映對流云發展演變狀況；使用的FY-4A LMI 資料為LMIE(lightning mapping imager event)1 min 事件產品數據，光譜范圍777.4 nm，觀測間隔2 ms。NCEP-FNL 0.5 °×0.5 °再分析數據用于環境場和物理量診斷分析。

4 兩個不同強降水區域影響系統對比

兩個強降水區域雖都處在低槽前部，但中低層系統及冷空氣的參與程度不同，導致對流性質可能有所差異。計算并繪制了2022 年5 月10 日14:00 強降水1 區(114 °E，24 °N)、11 日02:00 強降水2 區(112 °E，22 °N)附近垂直速度的剖面(圖2，見下頁)和T-lnP圖(圖3，見下頁)。強降水1 區(圖2a、2b) 900～500 hPa 高度上有一個顯著的垂直上升運動區，強降水2 區(圖2c、2d)的垂直上升運動較1區偏弱，表明1區對流較2區旺盛，和冷空氣活動有關。同時計算繪制了強降水1 區和2 區附近的T-lnP圖。圖3a 10 日14:00 強降水1 區(114°E，24°N)T-lnP中顯示，1 000 hPa為南風，低層到高層風向順時針旋轉，暖平流較強，對流層低層溫度露點差≤1.8 ℃，K 指數37 ℃，CAPE值為1 332 J/kg，大氣可降水量為5.72 cm。圖3b 中11 日02:00 強降水2 區(112 °E，22 °N)T-lnP中底層1 000 hPa 有一支東南氣流，低層到高層暖平流發展旺盛，但西南急流中最大風速2區較1區偏小，最大為10 m/s，1 區最大為14 m/s，同時1 000～500 hPa 垂直風切變2 區較1 區偏小，對流層低層溫度露點差≤1.2 ℃，K 指數38 ℃，CAPE 值為364 J/kg，大氣可降水量為5.81 cm。對比來看，強降水1 區和2區都具備強降水發生的水汽、動力和不穩定條件，但2區的水汽含量更為豐富，西南和偏南氣流的水汽輻合條件更好，更易產生雨強較大的強降水，這一點和地面觀測實況吻合；而1區由于冷空氣滲入導致不穩定能量較強，對流發展的高度可能更高。

圖2 2022年5月10日14:00沿24 °N(a)、114 °E(b)強降水中心1和11日02:00沿22 °N(c)、112 °E(d)強降水中心2附近垂直速度剖面(單位：Pa/s) 虛線代表負值。

圖3 2022年5月10日14:00沿(114 °E，24 °N)強降水1區(a)、11日02:00沿(112 °E，22 °N)強降水2區(b)附近T-lnP圖

5 兩個強降水區域FY-4A 觀測的閃電時空分布及積云結構演變

5.1 LMI和ADTD觀測閃電的空間分布特征

使用鄰域插值法將ADTD 和FY-4A LMI數據插值到10 km 格點，統計ADTD 和LMI 觀測的10日08:00—11 日08:00 的空間分布特征。統計發現，ADTD (圖4a)和LMI(圖4b)均有兩個閃電密集中心，分別和強降水1區和2區位置對應，10 km格點ADTD 閃電密度較LMI 大。ADTD 強降水1 區10 km 格點上地閃平均40～80 個，最大在清遠附近，接近100 個，強降水2 區ADTD 60 個以上的范圍較大，陽江和深圳附近10 km 格點上最大可達100 個以上。LMI 的2 個中心一個位于清遠和肇慶的西北部，較強降水1 區附近位置偏西，數量較ADTD 觀測偏少，10 km 格點上最多30～60 個，另外一個位于粵西沿海陽江和珠海附近強降水2區，和粵西沿海的暴雨中心位置基本吻合，10 km格點上最多可達50～80 個。對比發現，強降水1 區清遠附近ADTD 觀測的閃電數量比LMI 觀測偏多，同時閃電位置和暴雨中心位置更為吻合，而強降水2區粵西沿海ADTD 觀測的閃電數量也比LMI 偏多，可能受LMI觀測分辨率影響較大。

圖4 2022年5月10日08:00—11日08:00ADTD(a)和FY-4A LMI(b) 10 km格點樣本數分布實心彩色小方塊表示樣本個數。

5.2 LMI和ADTD觀測閃電的時間演變特征

統計2 個強降水區域10 km 格點內的ADTD和LMI 頻次隨時間變化(圖5)，發現強降水1 區(圖5a)14:00 ADTD 觀測到零星初閃，較LMI 初閃(17:00)出現提前3 h，不排除儀器影響。1 區ADTD 觀測的閃電數量較LMI 偏多，可能與兩種儀器的空間分辨率有關。整個過程正閃比例較高，16:00-17:00正閃躍增時刻，短時強降水的雨強和站次隨之驟增，自動站數據顯示1 區≥20 mm/h的強降水站點由9 站快速增加到25 站，≥50 mm/h的強降水有1 站，負閃和LMI 呈單峰分布，峰值出現在18:00，正閃呈雙峰分布，峰值分別出現在18:00 和20:00，20:00—21:00 超過50 mm/h 的強降水增至5 站，22:00 以后積云減弱，閃電頻次驟降，降水量≥20 mm/h 的站點數隨之下降，僅為11 站。可見，閃電頻次與積云和強降水變化是一致的，閃電頻次躍增及20:00 正閃峰值較強降水有一定時間提前量。2 區(圖5b)LMI 和ADTD 觀測的閃電頻次較1區偏多，地閃以負閃為主。積云發展加強(02:00)后，閃電頻次增加到一個高值區，正閃02:00 達到峰值，隨之02:00—03:00 1 站出現≥80 mm/h 的強降水，負閃和LMI 峰值出現在03:00，03:00—04:00超過80 mm/h的強降水站次增加到4站，最大為124 mm/h，閃電峰值較強降水有一定的時間提前量，積云成熟階段閃電頻次維持在一個高值區，07:00 后隨著積云減弱閃電頻次下降。雷達回波（圖略）顯示，強降水1區回波以混合狀為主，≥45 dBZ 強回波所占比例不大，但由于冷空氣參與，回波頂高12 km 以上（遠遠超過-20 ℃等溫層），這可能是ADTD 觀測到正閃比較高的成因之一，而強降水2 區呈團狀或帶狀，≥45 dBZ 回波范圍較大，回波頂高8 km 左右（超過0 ℃等溫層），導致暖區強降水以負閃為主。

圖5 強降水1區(a)和強降水2區(b) 10 km格點ADTD和FY-4A LMI觀測的1 h閃電隨時間演變

5.3 FY-4A 衛星觀測的兩個強降水區域積云結構演變

選取FY-4A 衛星的全圓盤數據，采用TBB 及其變率代表積云云團發展演變過程的指標，繪制了強降水1區10日15:00—21:00，強降水2區11日01:00—09:00 12 通道(10.8 μm)紅外波段通道整點開始掃描的云頂亮溫TBB 及變率（當前時刻云頂亮溫與前一時刻云頂亮溫差）。考慮廣東省掃描的時間區間，篩選衛星整點開始掃描后10 min 以內的ADTD和LMI與TBB進行疊加分析。

10日15:00 前后，隨著低槽前部暖濕氣流加強及地面冷空氣南下影響，有一東北-西南走向的帶狀云團自西向東移動，廣東中北部處在帶狀云團南端。15:00—17:00 是1 區云團快速發展時刻。從15:00 紅外云頂亮溫TBB(圖6a)可以看到，廣東中北部有多個小的片狀對流云團生成，TBB 最低值230 K，地閃出現在云團移動前方九連山南側，正閃較多，LMI沒有觀測到閃電。從14:00—15:00 TBB 變率(圖6b)看，積云南部及東部TBB 變率較前1 h 下降幅度超過-15 ℃以上，局部達到-25 ℃，表明在積云仍在快速發展，積云南側清遠附近出現一個小的地閃密集區(黑色虛線長方形，下同)，16:00的云團位置說明云團南側的閃電對于未來1 h的對流發展移動有一定的指示作用（15:00—16:00 云團自西北向東南移動）。16:00(圖略)對流云團TBB 最低值下降至220 K，TBB 1 h 變率為-30 ℃，1 區開始出現強降水，16:00—17:00 有25 站出現≥20 mm/h 的強降水，最大67 mm/h。17:00—18:00(圖6c、6e)兩塊對流云團合并后向東北移動，TBB≤230 K 的范圍擴大，低值區達到220 K 以下，LMI出現，地閃仍以正閃為主，17:00、18:00 TBB 變率較前1 h 下降達-30 ℃(圖6d、6f)，18:00 地閃峰值出現，閃電密集分布在云團中心區域TBB 220～230 K 梯度大值區并隨低值區移動，云團移動前側的閃電對云團向東北方向移動有指示作用。19:00—21:00(圖6g、6i)閃電主要分布在云團中心及后部TBB≤220 K 的梯度大值區，閃電分布區域TBB 變率明顯減小，最大為-5 ℃(圖6h、6j)，表明積云發展到強盛時刻，閃電頻繁持續的時間和強降水時間一致。22:00 之后積云減弱，TBB≤230 K范圍逐漸減小，23:00之后ADTD和LMI消失。

圖6 2022年5月10日15:00(a)、17:00(c)、18:00(e)、20:00(g)、21:00(i)FY-4A云頂亮溫(填色，單位：K)、掃描時刻開始10 min ADTD和LMI空間演變，14:00—15:00(b)、16:00—17:00(d)、17:00—18:00(f)、19:00—20:00(h)、20:00—21:00(j) 1 h云頂亮溫變率(填色，單位：℃)紅色“+”為正閃、綠色“-”為負閃，玫紅色空心圓點為LMI，紅色圓圈為清遠，填色為TBB及其變率。

11 日01:00 前后，廣東沿海受到西南和偏南氣流輻合影響，茂名附近有對流云團生成，并逐漸發展為一個中尺度對流復合體緩慢東移。01:00—03:00 是該對流快速發展時刻。從01:00 FY-4A 紅外云頂亮溫和閃電的疊加(圖7a)來看，茂名附近有兩塊小的對流云團生成，范圍較小，TBB 低值已達到220 K，一部分地閃分布在云團中心TBB 低值區，一部分地閃和LMI 閃電分布在云團右側(紅色虛線方框，下同)，00:00—01:00 TBB 變率較大，最大降溫率達到-30 ℃(圖7b)，表明閃電觀測區域的對流仍有發展趨勢，02:00(圖略)和03:00 的觀測事實證明茂名的對流云團向01:00 云團右側閃電觀測區域移動，并且有新生對流發展。03:00 茂名和深圳的對流云團TBB≤220 K 的范圍達到最大，密度閃電分布積云中心TBB 梯度大值區(圖7c)，茂名閃電區域沒有出現低于0 ℃的云頂溫度變率，而深圳云團閃電TBB最大降溫率達到-30 ℃(圖7d)。03:00—09:00 是茂名附近云團發展成熟階段，而深圳對流東移至海上后(05:00)減弱。04:00—05:00(圖略)茂名對流TBB 低值區達到200 K 以下，向東北移動，閃電密集在積云中心區域TBB 梯度大值區并隨之移動，閃電分布區沒有出現較前1 h 低于0 ℃的云頂溫度變率。06:00—09:00(圖7e、7g、7i)對流云團發展為一個中尺度對流復合體后向東移動，TBB≤220 K 的低值區范圍增大，閃電分布在TBB≤220 K 附近并隨低值區向東北移動，TBB 變率減小，為-5 ℃左右(圖7f、7h、7j)。

圖7 2022年5月11日01:00(a)、03:00(c)、06:00(e)、07:00(g)、09:00(i)FY-4A云頂亮溫(填色，單位：K)、掃描時刻開始10 min ADTD和LMI空間演變，00:00—01:00(b)、02:00—03:00(d)、05:00—06:00(f)、06:00—07:00(h)、08:00—09:00(j)1 h云頂亮溫變率(填色，單位：℃)紅色“+”為正閃、綠色“-”為負閃，玫紅色空心圓點為LMI，黃色圓圈為珠海，填色為TBB及其變率。

綜上，從TBB及其變率和閃電空間位置來看，積云快速發展階段，TBB 逐漸下降到230 K 以下，閃電出現區域的TBB 變率較前1 h 下降較大，最大可達-30 ℃，云團前側的閃電對下一時刻對流的發展移動有較好的指示作用；對流發展成熟后，TBB≤220 K 的低值區范圍達到最大，TBB 變率減小，閃電頻次達到峰值，密集閃電分布在TBB≤220 K低值中心并隨之移動。

6 結論和討論

本文研究了2022年5月10日廣東一次暴雨過程中兩個不同區域強降水對流云團發展演變的觀測特征，得到如下結論。

(1) 本次暴雨是在有利的天氣形勢下發生的，中北部清遠至九連山南側的強降水1 區屬于典型的鋒面低槽型暴雨，發生在低槽前部冷暖交匯區，不穩定能量較強；珠江口西側沿海附近的強降水2區則是暖區西南和偏南氣流輻合作用的結果，水汽含量更為充沛。

(2) 從2個強降水區域閃電的時空演變規律來看，閃電頻次與強降水的發展是一致的，閃電頻次躍增及峰值較強降水有一定時間提前量。受儀器自身觀測性能和對流性質不同影響，LMI 和ADTD 觀測初閃的出現時間及正負地閃比例可能有所不同。LMI 和ADTD 觀測的閃電和暴雨位置基本吻合，鋒面降水中ADTD 觀測的閃電數量較LMI 明顯偏多，和強降水位置對應更好；暖區強降水無論LMI和ADTD 觀測的閃電數量明顯較鋒面強降水增多，閃電落區和強降水位置一致。

(3) 強降水發生前TBB 迅速下降到230 K 以下，強降水主要發生在對流云團TBB 低值中心梯度大值區。暖區強降水中對流云團TBB 值更低，且TBB≤200 K 范圍較鋒面降水增大，同時TBB 梯度變大，強水強度隨之增強，最大124 mm/h。

(4) 無論是鋒面強降水還是暖區強降水，對流發展初期云團移動前方的閃電對下一時刻對流的發展移動有很好的指示意義，TBB變率較前1 h下降幅度可達-15 ℃以上，局部可達-30 ℃；成熟階段TBB 下降到220 K 以下的范圍增大，局部可達200 K以下，TBB變率減小，維持在0～-10 ℃，閃電分布區較少出現低于0 ℃的云頂亮溫變率，密集閃電隨著TBB≤220 K低值區移動。

本文通過對2022年5月10日廣東一次暴雨過程兩個不同區域對流云團的演變特征進行了分析，揭示了FY-4A LMI、TBB 及ADTD 在暴雨監測預報中的指示意義。雖然兩個強降水區域都處在低槽前部，但兩個強降水區域的影響系統、雨強、閃電特征及積云結構有所不同。強降水1 區冷空氣參與程度較高，對流性強，正閃比例較高，這可能與≥45 dBZ回波超過-20 ℃等溫層有關，但強回波范圍較小，且FY-4A LMI僅觀測云頂閃電，空間分辨率較ADTD 偏低，可能導致LMI 觀測的閃電數量偏少。而強降水2 區由于暖低壓控制時間較長，加上水汽更為充沛，所以小時雨強較1 區大，≥45 dBZ 強回波范圍較大且超過0 ℃等溫層，閃電數量較1區明顯偏多，但-20 ℃等溫層以上的強回波比例較小等導致地閃以負閃為主。LMI 或者ADTD 觀測初閃的出現時間可能與對流范圍、對流性質及儀器本身性能等原因有關，但閃電頻次躍增及峰值時刻較強降水有一定時間提前量，閃電基本和暴雨落區吻合。積云發展階段TBB 下降，TBB 1 h 變率最大可達-30 ℃，表明積云快速發展，發展成熟后TBB低值區面積達到最大，TBB變率變小。FY-4A LMI 對范圍較大的對流或者地基探測設備無法架設的海洋觀測性能更好，可與ADTD 觀測互補使用，進一步提煉不同天氣背景下閃電對暴雨及強對流的指示作用。