基于多源觀測數據對山東半島南部及近海地區三維雷電探測效率評估

劉 釗，張源源，曹雪芬，孫 豪

(1.青島市氣象局，青島266003；2.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南250031；3.廣東省氣象公共安全技術支持中心，廣州510640；4.南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室，南京210044)

0 引言

雷電發生具有隨機性且成災迅速，影響面大，受到了電力、氣象等諸多部門的廣泛關注，因此對雷電監測和預警的需求越來越大。雷電監測無論在雷電的研究、監測還是防護領域中都處于極其核心的位置[1，2]。當前普遍認為，閃電的發生發展與雷暴云內的微物理與動力特征息息相關[3-10]。

自20世紀50年代雷達技術開始用于天氣監測以來，天氣雷達以其精細的時空分辨力、及時準確的遙感探測能力成為研究雷暴天氣的重要手段。眾多學者研究了雷達反射率和雷暴初生的特征關系[11-16]，并將其運用于雷電預警中。天氣雷達能夠獲取各種天氣過程的實時演變特征，但雷達資料是通過發射不同頻段的電磁波，計算接收反射回的輻射強度和發射強度的比值，來定義云的反射率因子。因此，雷達資料能夠反映云的一些特征，比如雷暴云的特征是回波強度、云頂高度等。

除天氣雷達探測外，通過氣象衛星資料也可以大范圍監控強對流性天氣過程[17]。例如，風云二號衛星(FY-2A)的云頂亮溫TBB資料通過實時監測云團的紅外亮溫來表征其對流程度[18]。風云四號衛星(FY-4A)的云頂溫度CTT資料可以全天空、實時監測地面的強對流天氣過程，通過紅外探測技術，能夠感知對流云頂的亮溫CTT。值得注意的是，雖然衛星數據不受地物遮擋且探測范圍大，但其空間分辨力和時間分辨力比較差。

在地基雷電監測方面，國外一些國家建設雷電探測網較早，如美國等建立國家雷電監測網(NLDN：National Lightning Detection Network)，利用多種探測儀器相結合捕捉雷電信息，對雷電的監測取得了較好的成果[19-21]。中國的地基雷電觀測網絡經過多年的發展，逐步從省級網絡發展為國家級網絡，主要用來監測和分析中國境內發生的地閃，對電力、交通、民航等行業的運行保障工作做出了一定的貢獻[22，23]。但是，其探測精度受觀測站點位置布設不均、信號衰減等因素的制約，無法更高精度地提升對短臨災害性天氣系統的業務化監測和預警預報能力。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的問題，2019年起，青島布設高精度的三維雷電探測系統，該系統能夠探測山東半島南部沿岸及近海海域400 km范圍內閃電，已成為該地區主要的業務閃電定位系統之一。文章基于天氣雷達資料、FY-2A相當黑體溫度TBB資料、FY-4A云頂亮溫CTT資料等多源觀測資料，對山東半島南部地區三維雷電探測效率及精度進行分析評估。

1 探測系統及探測原理

青島三維雷電探測系統由7個VLF/LF三維雷電實時定位站點構成。7個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。系統通過實時采集多站同步磁場波形數據，利用互相關技術進行時差定位。

該系統通過7個測站聯網觀測，實現對一次閃電的N個脈沖進行準確定位，即實時描繪了整個閃電的發生發展軌跡。當采取的傳感器探測頻段不同時，得到的脈沖數量也不同。頻段越高，點越多；點越多，描繪的雷電三維通道結構越精細。但頻段越高，硬件傳感器探測半徑越小，同時受場地誤差的影響也越大。因此，綜合考慮，該系統采用目前相對成熟的VLF/LF三維雷電實時定位技術，能夠刻畫出精細的閃電通道結構，定位原理如圖1所示。

圖1 三維雷電實時定位系統定位原理

2 結果分析

2.1 三維雷電探測結果

經過2019-2020年的觀測試驗，三維雷電探測網工作穩定，數據傳輸正常。山東半島南部沿岸及近海海域共觀測到閃電31，530個，其中云閃(IC)25，520個，地閃(CG)6010個，正地閃(PCG)860個，負地閃5150個。2019-2020年6-9月，山東半島南部沿岸及近海海域的雷暴活動頻繁，其中8月份雷電發生次數最多。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資料的對比評估

FY-4A衛星采用三軸穩定控制方案，其連續、穩定運行將大幅提升中國靜止軌道氣象衛星探測水平。作為新一代靜止軌道定量遙感氣象衛星，FY-4A衛星的功能和性能實現了跨越式發展。衛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代靜止軌道氣象衛星的16個通道。星上輻射定標精度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個紅外窗口和1個CO2吸收通道，結合數值預報資料，通過最優估計的迭代計算，反演出云頂溫度產品。CTT資料可以全天空、實時監測地面的強對流天氣過程，通過紅外探測技術感知對流云頂的亮溫CTT。CTT越低，意味著云對流越旺盛，是強烈的雷暴云。從閃電發生機理來看，閃電通常發生在強對流區域。因此，CTT資料能夠很好地驗證三維雷電定位的準確性。

從兩種資料的對比看出閃電主要發生在CTT亮溫范圍為205～245 K的區域，對應的溫度為-53～-38 ℃，對應的高度為11～18 km。此位置對應的是對流云，在強大的對流系統中，由于溫差，地面上的水汽會隨著氣流上升，在空中遇到凝結核使得水汽凝結成固態的水成物粒子(如冰晶、霰粒子、軟雹粒子等)，當不同粒子之間發生碰并時，通過感應或非感應起電機制使得云攜帶了大量電荷，當電壓超過空氣的擊穿閾值時，就會擊穿空氣放電，從而可能發生閃電。三維雷電探測系統探測到的位于對流云區域內的閃電數量占比基本在95%以上，個別情況除外。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資料的對比評估

FY-2G上搭載的掃描輻射計包括1個可見光和4個紅外通道，可以實現非汛期每小時，汛期每半小時獲取覆蓋地球表面約1/3的全圓盤圖像。相當黑體溫度TBB是利用輻射計紅外窗口獲取的信息，結合數值預報資料，反演出的相當黑體溫度產品。TBB資料可以大范圍監控強對流天氣過程，缺點是空間分辨力和時間分辨力比較差。目前常用的FY-2A相當黑體溫度TBB資料的空間分辨力為10 km，時間分辨力為30 min。

從兩種資料的對比看出，閃電主要發生在TBB亮溫范圍為220～245 K的區域，對應的溫度約為-43～-33 ℃，對應的高度為11～15 km，此位置對應的是對流云，為容易發生閃電的區域。三維雷電探測系統探測到的位于對流云區域內的閃電數量占總閃電探測數量的75%左右。因此，從TBB資料來看，山東半島南部地區三維雷電探測效率為75%。

2.4 與雷達資料的對比評估

雷達回波強度是判斷強天氣的重要參數，特別是局地暴雨、雷雨大風和冰雹等強對流降水天氣。一般來說，閃電發生時常伴有強對流的發生。大氣的溫度在對流層通常表現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冰點以下溫度所對應的高度才會產生，即云中粒子被上升氣流拖曳到一定的高度，閃電會在含有這樣粒子的云中發生。對于不同云層形成的閃電，雷達回波會表現出相應的特征。

雷暴屬于災害性天氣，是由強對流生成的，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，因而大多數發展較旺盛的雷暴單體的回波強度都能夠達到30 dBZ以上，這與非雷暴單體有著較明顯的差異。所以，通過對雷暴過程的雷達回波強度的分析，可以得到閃電發生相對應的位置。

對2019-08-01，2019-08-02和2019-08-16雷電天氣過程的雷達回波與閃電位置的疊加圖進行分析(圖2～圖4)，可以發現閃電發生于強雷達回波區域，雷達回波強度在30 dBZ以上，對應的云頂高度超過10 km，意味著該區域是強對流中心。因為當大量水汽上升時，水汽凝結形成很多固態粒子，可能使得雷達回波很強。從雷電起電機制可知，雷暴云中要發生強起電過程使電荷發生分離，必須存在足夠數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。若云內具有足夠的水汽含量，且對流足夠強，則為閃電的發生提供了可能。因此，從雷達資料來看，發生在強回波區的閃電數量占系統總探測閃電數量的97%，即山東半島南部地區的三維雷電探測效率為97%。

圖2 2019-08-01閃電位置與雷達組合反射率的疊加

圖3 2019-08-02閃電位置與雷達組合反射率的疊加

圖4 2019-08-16閃電位置與雷達組合反射率的疊加

3 結束語

文章利用星地多源觀測數據對2019-2020年山東半島南部地區三維雷電探測數據進行了對比分析，結果表明，青島三維雷電探測系統具備很好的可靠性、穩定性和易用性，山東半島南部地區閃電定位結果精度較高，探測效率基本達到90%以上，能夠為該地區的電力、交通和民航等部門提供重要的雷電專業服務和決策支持。