广东2022年一次强降水的FY-4A观测及闪电特征

蔡占文，王彤, ，朱传林，雷彦森，苟阿宁

(1.广东省气候中心，广东 广州 510641；2.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225；3.湖北省防雷中心，湖北 武汉 430074；4.武汉中心气象台，湖北 武汉 430074)

1 引 言

广东省位于中国南部沿海地区，频繁受西风带和热带系统影响，暴雨频发。同时，地形地貌复杂多变，中北部地区以山地和丘陵为主，约占广东省总面积的60%，山地多呈东西走向，地势北高南低，北部、东北部和西部都有较高山脉，中部和南部沿海地区多为低丘、台地或平原。王坚红等[1]研究发现广东省年平均暴雨日数可达170 d以上，暴雨降水量占总降水量的34.6%，每年因暴雨引发的城市内涝、山体滑坡及中小河流洪水等造成了难以估量的人员伤亡和财产损失。

研究发现，闪电对暴雨和强对流监测预警有很好的指示作用[2-8]。目前闪电观测可分为地基闪电观测和星载闪电观测。地基闪电观测主要以定位地闪为主，能够探测闪电位置、极性和强度等信息，具有时间序列长、时空分辨率高、定位误差小及探测效率高等优点，但需要组网观测[9]，且无法对海洋等偏远地区形成有效的全覆盖。卫星具有覆盖范围广、不受地域限制等优势，可以观测不同尺度天气系统的云团或云系活动，是监测预防灾害性天气的有效手段[10-11]。星载闪电观测技术在20 世纪90 年代取得了很大进展，LMI(lightning mapping imager)是中国第二代地球静止轨道定量遥感气象卫星首发星FY-4A 的自主研发设备，2016年12月11日(北京时间，下同)发射升空，2018年5 月1 日正式投入业务运行，能够实现闪电分钟级的连续观测，时空分辨率有显著提升[12]。卫星闪电因对云闪观测的敏感性更强，能较雷达更早发现快速增长的对流，因此在对流初生预警方面有重要价值，被广泛应用于暴雨及强对流短临预警业务[13-16]。随着卫星遥感技术的进步，众多学者综合利用卫星和闪电观测产品进一步挖掘了其在短临预报中的应用潜力，发现了一些有价值的研究成果。Mohr 等[17]以正、负地闪在TBB 中的分布位置为判断依据对MCS 生命史演变阶段的闪电特征进行了研究；张琪等[18]发现红外亮温下降能够提前预判强降水的发生，强降水出现在红外和水汽亮温快速下降到最低值后的几小时内，最大雨强则出现在强对流云团成熟后开始迅速减弱的初始阶段，并利用高频次FY-4A 数据资料，提炼出四川盆地2018 年中尺度对流复合体MCC 初生和成熟阶段的卫星云图特征[19]；支树林等[20]发现飑线过程中雷暴大风发生在卫星闪电密集区前沿，可以通过卫星闪电数据提前研判雷暴大风的发生位置；王清平等[21]开展强对流云团的识别研究后，认为卫星闪电能够更好地识别强对流云团范围；陈仁君等[22]对相似环境背景下一次连续风暴中两次强对流的LMI、云顶亮温TBB 低值区和二维地闪探测位置吻合，LMI 总闪和二维地闪随TBB 低值中心移动，冰雹和对流性大风的TBB 更低，分布在230 K 以下，强降水则在250～270 K。上述研究围绕闪电活动特征和卫星的相关性开展，为多源观测资料的应用奠定了良好的基础。

由于LMI 业务应用时间较短，且LMI 无法区分云闪与地闪，地基闪电则以定位地闪为主，二者结合在暴雨及强对流监测预警中的应用有待进一步开展。为更好的发挥FY-4A 产品在暴雨监测预警中的作用，同时进一步了解广东暴雨系统演变中卫星与闪电活动的特征及其关系，本文利用FY-4A、地基闪电观测和NCEP 再分析资料，对2022年5 月10 日广东一次暴雨过程中两个不同强降水区域对流云团发展演变的观测特征进行分析，提炼闪电对暴雨的指示意义，以期提高FY-4A 资料在广东暴雨监测和短临预警中的服务能力。

2 过程概述

2022 年5 月10 日08:00—11 日08:00，广东省出现了一次暴雨到大暴雨天气过程，强对流类型以短时强降水为主，雷电活动剧烈。统计广东省24 h 累积雨量分布(图1a，见下页)可以看出，本次过程共存在2 个降水极值中心，一个位于清远、惠州至九连山迎风一侧的粤中地区（简称强降水1区，黑色方框，下同），另外一个在粤西沿海阳江、珠海至云开大山南侧附近（简称强降水2 区，红色方框，下同）。强降水集中在两个时段：第一个强降水时段是5月10日14:00—23:00，受到东移低槽前部暖湿气流、中低层切变线和地面冷空气共同影响，属于锋面低槽暴雨，湖南南部对流云团生成后东移至广东西北部发展加强，导致九连山迎风坡一侧清远附近出现暴雨，加上地面有弱冷空气渗入，降水性质以锋面附近冷暖交汇为主，175 站出现≥20 mm/h 的短时强降水(图1b)，最大小时雨强为67 mm/h；第二个强降水时段是5 月11 日00:00—08:00，受到南风气流辐合，尤其是西南气流和偏南气流辐合影响，珠江口西侧沿海一带，珠江口西侧沿海一带出现暴雨，降水性质以暖区对流性降水为主，154站出现≥20 mm/h的短时强降水(图1c)，9站小时雨强≥80 mm/h，最大为124 mm/h。强降水发生前TBB 迅速下降，强降水主要位于对流云团TBB低值中心梯度大值区[23]。

图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红外云顶亮温TBB(填色)与14:00—23:00强降水落区(b)；5月11日03:00 FY-4A红外云顶亮温TBB(填色)与00:00—08:00强降水落区(c)黑色和红色方框分别为强降水1区和2区，黑色、蓝色和红色三角分别为小时雨强20～50 mm/h、50～80 mm/h和≥80 mm/h，红色和黄色圆点分别对应清远和珠海，下同。

3 数据说明

地闪资料采用了广东省气象局ADTD(advanced TOA and direction system)闪电定位仪数据，水平定位误差在200 m 以内，高度定位误差在500 m 以内，探测效率超过80%，分析过程中对电流强度大于300 kA 和小于5 kA 的地闪进行了剔除处理。卫星资料采用了国家卫星中心FY-4A全圆盘第12 通道(10.8 μm 红外波段通道) 云顶亮温TBB(Temperature of Brightness Blackbody)数据，时间分辨率为15 min，空间分辨率为0.04 °×0.04 °，不同颜色表示不同亮温，单位K，用来反映对流云发展演变状况；使用的FY-4A LMI 资料为LMIE(lightning mapping imager event)1 min 事件产品数据，光谱范围777.4 nm，观测间隔2 ms。NCEP-FNL 0.5 °×0.5 °再分析数据用于环境场和物理量诊断分析。

4 两个不同强降水区域影响系统对比

两个强降水区域虽都处在低槽前部，但中低层系统及冷空气的参与程度不同，导致对流性质可能有所差异。计算并绘制了2022 年5 月10 日14:00 强降水1 区(114 °E，24 °N)、11 日02:00 强降水2 区(112 °E，22 °N)附近垂直速度的剖面(图2，见下页)和T-lnP图(图3，见下页)。强降水1 区(图2a、2b) 900～500 hPa 高度上有一个显著的垂直上升运动区，强降水2 区(图2c、2d)的垂直上升运动较1区偏弱，表明1区对流较2区旺盛，和冷空气活动有关。同时计算绘制了强降水1 区和2 区附近的T-lnP图。图3a 10 日14:00 强降水1 区(114°E，24°N)T-lnP中显示，1 000 hPa为南风，低层到高层风向顺时针旋转，暖平流较强，对流层低层温度露点差≤1.8 ℃，K 指数37 ℃，CAPE值为1 332 J/kg，大气可降水量为5.72 cm。图3b 中11 日02:00 强降水2 区(112 °E，22 °N)T-lnP中底层1 000 hPa 有一支东南气流，低层到高层暖平流发展旺盛，但西南急流中最大风速2区较1区偏小，最大为10 m/s，1 区最大为14 m/s，同时1 000～500 hPa 垂直风切变2 区较1 区偏小，对流层低层温度露点差≤1.2 ℃，K 指数38 ℃，CAPE 值为364 J/kg，大气可降水量为5.81 cm。对比来看，强降水1 区和2区都具备强降水发生的水汽、动力和不稳定条件，但2区的水汽含量更为丰富，西南和偏南气流的水汽辐合条件更好，更易产生雨强较大的强降水，这一点和地面观测实况吻合；而1区由于冷空气渗入导致不稳定能量较强，对流发展的高度可能更高。

图2 2022年5月10日14:00沿24 °N(a)、114 °E(b)强降水中心1和11日02:00沿22 °N(c)、112 °E(d)强降水中心2附近垂直速度剖面(单位：Pa/s) 虚线代表负值。

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

5 两个强降水区域FY-4A 观测的闪电时空分布及积云结构演变

5.1 LMI和ADTD观测闪电的空间分布特征

使用邻域插值法将ADTD 和FY-4A LMI数据插值到10 km 格点，统计ADTD 和LMI 观测的10日08:00—11 日08:00 的空间分布特征。统计发现，ADTD (图4a)和LMI(图4b)均有两个闪电密集中心，分别和强降水1区和2区位置对应，10 km格点ADTD 闪电密度较LMI 大。ADTD 强降水1 区10 km 格点上地闪平均40～80 个，最大在清远附近，接近100 个，强降水2 区ADTD 60 个以上的范围较大，阳江和深圳附近10 km 格点上最大可达100 个以上。LMI 的2 个中心一个位于清远和肇庆的西北部，较强降水1 区附近位置偏西，数量较ADTD 观测偏少，10 km 格点上最多30～60 个，另外一个位于粤西沿海阳江和珠海附近强降水2区，和粤西沿海的暴雨中心位置基本吻合，10 km格点上最多可达50～80 个。对比发现，强降水1 区清远附近ADTD 观测的闪电数量比LMI 观测偏多，同时闪电位置和暴雨中心位置更为吻合，而强降水2区粤西沿海ADTD 观测的闪电数量也比LMI 偏多，可能受LMI观测分辨率影响较大。

图4 2022年5月10日08:00—11日08:00ADTD(a)和FY-4A LMI(b) 10 km格点样本数分布实心彩色小方块表示样本个数。

5.2 LMI和ADTD观测闪电的时间演变特征

统计2 个强降水区域10 km 格点内的ADTD和LMI 频次随时间变化(图5)，发现强降水1 区(图5a)14:00 ADTD 观测到零星初闪，较LMI 初闪(17:00)出现提前3 h，不排除仪器影响。1 区ADTD 观测的闪电数量较LMI 偏多，可能与两种仪器的空间分辨率有关。整个过程正闪比例较高，16:00-17:00正闪跃增时刻，短时强降水的雨强和站次随之骤增，自动站数据显示1 区≥20 mm/h的强降水站点由9 站快速增加到25 站，≥50 mm/h的强降水有1 站，负闪和LMI 呈单峰分布，峰值出现在18:00，正闪呈双峰分布，峰值分别出现在18:00 和20:00，20:00—21:00 超过50 mm/h 的强降水增至5 站，22:00 以后积云减弱，闪电频次骤降，降水量≥20 mm/h 的站点数随之下降，仅为11 站。可见，闪电频次与积云和强降水变化是一致的，闪电频次跃增及20:00 正闪峰值较强降水有一定时间提前量。2 区(图5b)LMI 和ADTD 观测的闪电频次较1区偏多，地闪以负闪为主。积云发展加强(02:00)后，闪电频次增加到一个高值区，正闪02:00 达到峰值，随之02:00—03:00 1 站出现≥80 mm/h 的强降水，负闪和LMI 峰值出现在03:00，03:00—04:00超过80 mm/h的强降水站次增加到4站，最大为124 mm/h，闪电峰值较强降水有一定的时间提前量，积云成熟阶段闪电频次维持在一个高值区，07:00 后随着积云减弱闪电频次下降。雷达回波（图略）显示，强降水1区回波以混合状为主，≥45 dBZ 强回波所占比例不大，但由于冷空气参与，回波顶高12 km 以上（远远超过-20 ℃等温层），这可能是ADTD 观测到正闪比较高的成因之一，而强降水2 区呈团状或带状，≥45 dBZ 回波范围较大，回波顶高8 km 左右（超过0 ℃等温层），导致暖区强降水以负闪为主。

图5 强降水1区(a)和强降水2区(b) 10 km格点ADTD和FY-4A LMI观测的1 h闪电随时间演变

5.3 FY-4A 卫星观测的两个强降水区域积云结构演变

选取FY-4A 卫星的全圆盘数据，采用TBB 及其变率代表积云云团发展演变过程的指标，绘制了强降水1区10日15:00—21:00，强降水2区11日01:00—09:00 12 通道(10.8 μm)红外波段通道整点开始扫描的云顶亮温TBB 及变率（当前时刻云顶亮温与前一时刻云顶亮温差）。考虑广东省扫描的时间区间，筛选卫星整点开始扫描后10 min 以内的ADTD和LMI与TBB进行叠加分析。

10日15:00 前后，随着低槽前部暖湿气流加强及地面冷空气南下影响，有一东北-西南走向的带状云团自西向东移动，广东中北部处在带状云团南端。15:00—17:00 是1 区云团快速发展时刻。从15:00 红外云顶亮温TBB(图6a)可以看到，广东中北部有多个小的片状对流云团生成，TBB 最低值230 K，地闪出现在云团移动前方九连山南侧，正闪较多，LMI没有观测到闪电。从14:00—15:00 TBB 变率(图6b)看，积云南部及东部TBB 变率较前1 h 下降幅度超过-15 ℃以上，局部达到-25 ℃，表明在积云仍在快速发展，积云南侧清远附近出现一个小的地闪密集区(黑色虚线长方形，下同)，16:00的云团位置说明云团南侧的闪电对于未来1 h的对流发展移动有一定的指示作用（15:00—16:00 云团自西北向东南移动）。16:00(图略)对流云团TBB 最低值下降至220 K，TBB 1 h 变率为-30 ℃，1 区开始出现强降水，16:00—17:00 有25 站出现≥20 mm/h 的强降水，最大67 mm/h。17:00—18:00(图6c、6e)两块对流云团合并后向东北移动，TBB≤230 K 的范围扩大，低值区达到220 K 以下，LMI出现，地闪仍以正闪为主，17:00、18:00 TBB 变率较前1 h 下降达-30 ℃(图6d、6f)，18:00 地闪峰值出现，闪电密集分布在云团中心区域TBB 220～230 K 梯度大值区并随低值区移动，云团移动前侧的闪电对云团向东北方向移动有指示作用。19:00—21:00(图6g、6i)闪电主要分布在云团中心及后部TBB≤220 K 的梯度大值区，闪电分布区域TBB 变率明显减小，最大为-5 ℃(图6h、6j)，表明积云发展到强盛时刻，闪电频繁持续的时间和强降水时间一致。22:00 之后积云减弱，TBB≤230 K范围逐渐减小，23:00之后ADTD和LMI消失。

图6 2022年5月10日15:00(a)、17:00(c)、18:00(e)、20:00(g)、21:00(i)FY-4A云顶亮温(填色，单位：K)、扫描时刻开始10 min ADTD和LMI空间演变，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云顶亮温变率(填色，单位：℃)红色“+”为正闪、绿色“-”为负闪，玫红色空心圆点为LMI，红色圆圈为清远，填色为TBB及其变率。

11 日01:00 前后，广东沿海受到西南和偏南气流辐合影响，茂名附近有对流云团生成，并逐渐发展为一个中尺度对流复合体缓慢东移。01:00—03:00 是该对流快速发展时刻。从01:00 FY-4A 红外云顶亮温和闪电的叠加(图7a)来看，茂名附近有两块小的对流云团生成，范围较小，TBB 低值已达到220 K，一部分地闪分布在云团中心TBB 低值区，一部分地闪和LMI 闪电分布在云团右侧(红色虚线方框，下同)，00:00—01:00 TBB 变率较大，最大降温率达到-30 ℃(图7b)，表明闪电观测区域的对流仍有发展趋势，02:00(图略)和03:00 的观测事实证明茂名的对流云团向01:00 云团右侧闪电观测区域移动，并且有新生对流发展。03:00 茂名和深圳的对流云团TBB≤220 K 的范围达到最大，密度闪电分布积云中心TBB 梯度大值区(图7c)，茂名闪电区域没有出现低于0 ℃的云顶温度变率，而深圳云团闪电TBB最大降温率达到-30 ℃(图7d)。03:00—09:00 是茂名附近云团发展成熟阶段，而深圳对流东移至海上后(05:00)减弱。04:00—05:00(图略)茂名对流TBB 低值区达到200 K 以下，向东北移动，闪电密集在积云中心区域TBB 梯度大值区并随之移动，闪电分布区没有出现较前1 h 低于0 ℃的云顶温度变率。06:00—09:00(图7e、7g、7i)对流云团发展为一个中尺度对流复合体后向东移动，TBB≤220 K 的低值区范围增大，闪电分布在TBB≤220 K 附近并随低值区向东北移动，TBB 变率减小，为-5 ℃左右(图7f、7h、7j)。

图7 2022年5月11日01:00(a)、03:00(c)、06:00(e)、07:00(g)、09:00(i)FY-4A云顶亮温(填色，单位：K)、扫描时刻开始10 min ADTD和LMI空间演变，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云顶亮温变率(填色，单位：℃)红色“+”为正闪、绿色“-”为负闪，玫红色空心圆点为LMI，黄色圆圈为珠海，填色为TBB及其变率。

综上，从TBB及其变率和闪电空间位置来看，积云快速发展阶段，TBB 逐渐下降到230 K 以下，闪电出现区域的TBB 变率较前1 h 下降较大，最大可达-30 ℃，云团前侧的闪电对下一时刻对流的发展移动有较好的指示作用；对流发展成熟后，TBB≤220 K 的低值区范围达到最大，TBB 变率减小，闪电频次达到峰值，密集闪电分布在TBB≤220 K低值中心并随之移动。

6 结论和讨论

本文研究了2022年5月10日广东一次暴雨过程中两个不同区域强降水对流云团发展演变的观测特征，得到如下结论。

(1) 本次暴雨是在有利的天气形势下发生的，中北部清远至九连山南侧的强降水1 区属于典型的锋面低槽型暴雨，发生在低槽前部冷暖交汇区，不稳定能量较强；珠江口西侧沿海附近的强降水2区则是暖区西南和偏南气流辐合作用的结果，水汽含量更为充沛。

(2) 从2个强降水区域闪电的时空演变规律来看，闪电频次与强降水的发展是一致的，闪电频次跃增及峰值较强降水有一定时间提前量。受仪器自身观测性能和对流性质不同影响，LMI 和ADTD 观测初闪的出现时间及正负地闪比例可能有所不同。LMI 和ADTD 观测的闪电和暴雨位置基本吻合，锋面降水中ADTD 观测的闪电数量较LMI 明显偏多，和强降水位置对应更好；暖区强降水无论LMI和ADTD 观测的闪电数量明显较锋面强降水增多，闪电落区和强降水位置一致。

(3) 强降水发生前TBB 迅速下降到230 K 以下，强降水主要发生在对流云团TBB 低值中心梯度大值区。暖区强降水中对流云团TBB 值更低，且TBB≤200 K 范围较锋面降水增大，同时TBB 梯度变大，强水强度随之增强，最大124 mm/h。

(4) 无论是锋面强降水还是暖区强降水，对流发展初期云团移动前方的闪电对下一时刻对流的发展移动有很好的指示意义，TBB变率较前1 h下降幅度可达-15 ℃以上，局部可达-30 ℃；成熟阶段TBB 下降到220 K 以下的范围增大，局部可达200 K以下，TBB变率减小，维持在0～-10 ℃，闪电分布区较少出现低于0 ℃的云顶亮温变率，密集闪电随着TBB≤220 K低值区移动。

本文通过对2022年5月10日广东一次暴雨过程两个不同区域对流云团的演变特征进行了分析，揭示了FY-4A LMI、TBB 及ADTD 在暴雨监测预报中的指示意义。虽然两个强降水区域都处在低槽前部，但两个强降水区域的影响系统、雨强、闪电特征及积云结构有所不同。强降水1 区冷空气参与程度较高，对流性强，正闪比例较高，这可能与≥45 dBZ回波超过-20 ℃等温层有关，但强回波范围较小，且FY-4A LMI仅观测云顶闪电，空间分辨率较ADTD 偏低，可能导致LMI 观测的闪电数量偏少。而强降水2 区由于暖低压控制时间较长，加上水汽更为充沛，所以小时雨强较1 区大，≥45 dBZ 强回波范围较大且超过0 ℃等温层，闪电数量较1区明显偏多，但-20 ℃等温层以上的强回波比例较小等导致地闪以负闪为主。LMI 或者ADTD 观测初闪的出现时间可能与对流范围、对流性质及仪器本身性能等原因有关，但闪电频次跃增及峰值时刻较强降水有一定时间提前量，闪电基本和暴雨落区吻合。积云发展阶段TBB 下降，TBB 1 h 变率最大可达-30 ℃，表明积云快速发展，发展成熟后TBB低值区面积达到最大，TBB变率变小。FY-4A LMI 对范围较大的对流或者地基探测设备无法架设的海洋观测性能更好，可与ADTD 观测互补使用，进一步提炼不同天气背景下闪电对暴雨及强对流的指示作用。