基于多源观测数据对山东半岛南部及近海地区三维雷电探测效率评估

刘 钊，张源源，曹雪芬，孙 豪

(1.青岛市气象局，青岛266003；2.山东省气象防灾减灾重点实验室，济南250031；3.广东省气象公共安全技术支持中心，广州510640；4.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，南京210044)

0 引言

雷电发生具有随机性且成灾迅速，影响面大，受到了电力、气象等诸多部门的广泛关注，因此对雷电监测和预警的需求越来越大。雷电监测无论在雷电的研究、监测还是防护领域中都处于极其核心的位置[1，2]。当前普遍认为，闪电的发生发展与雷暴云内的微物理与动力特征息息相关[3-10]。

自20世纪50年代雷达技术开始用于天气监测以来，天气雷达以其精细的时空分辨力、及时准确的遥感探测能力成为研究雷暴天气的重要手段。众多学者研究了雷达反射率和雷暴初生的特征关系[11-16]，并将其运用于雷电预警中。天气雷达能够获取各种天气过程的实时演变特征，但雷达资料是通过发射不同频段的电磁波，计算接收反射回的辐射强度和发射强度的比值，来定义云的反射率因子。因此，雷达资料能够反映云的一些特征，比如雷暴云的特征是回波强度、云顶高度等。

除天气雷达探测外，通过气象卫星资料也可以大范围监控强对流性天气过程[17]。例如，风云二号卫星(FY-2A)的云顶亮温TBB资料通过实时监测云团的红外亮温来表征其对流程度[18]。风云四号卫星(FY-4A)的云顶温度CTT资料可以全天空、实时监测地面的强对流天气过程，通过红外探测技术，能够感知对流云顶的亮温CTT。值得注意的是，虽然卫星数据不受地物遮挡且探测范围大，但其空间分辨力和时间分辨力比较差。

在地基雷电监测方面，国外一些国家建设雷电探测网较早，如美国等建立国家雷电监测网(NLDN：National Lightning Detection Network)，利用多种探测仪器相结合捕捉雷电信息，对雷电的监测取得了较好的成果[19-21]。中国的地基雷电观测网络经过多年的发展，逐步从省级网络发展为国家级网络，主要用来监测和分析中国境内发生的地闪，对电力、交通、民航等行业的运行保障工作做出了一定的贡献[22，23]。但是，其探测精度受观测站点位置布设不均、信号衰减等因素的制约，无法更高精度地提升对短临灾害性天气系统的业务化监测和预警预报能力。为解决山东半岛南部沿岸探测精度低及近海海域探测盲区的问题，2019年起，青岛布设高精度的三维雷电探测系统，该系统能够探测山东半岛南部沿岸及近海海域400 km范围内闪电，已成为该地区主要的业务闪电定位系统之一。文章基于天气雷达资料、FY-2A相当黑体温度TBB资料、FY-4A云顶亮温CTT资料等多源观测资料，对山东半岛南部地区三维雷电探测效率及精度进行分析评估。

1 探测系统及探测原理

青岛三维雷电探测系统由7个VLF/LF三维雷电实时定位站点构成。7个测站两两之间的距离大多小于100 km，分别为平度站、莱西站、田横站、即墨站、潮连岛站、铁山站和董家港站。系统通过实时采集多站同步磁场波形数据，利用互相关技术进行时差定位。

该系统通过7个测站联网观测，实现对一次闪电的N个脉冲进行准确定位，即实时描绘了整个闪电的发生发展轨迹。当采取的传感器探测频段不同时，得到的脉冲数量也不同。频段越高，点越多；点越多，描绘的雷电三维通道结构越精细。但频段越高，硬件传感器探测半径越小，同时受场地误差的影响也越大。因此，综合考虑，该系统采用目前相对成熟的VLF/LF三维雷电实时定位技术，能够刻画出精细的闪电通道结构，定位原理如图1所示。

图1 三维雷电实时定位系统定位原理

2 结果分析

2.1 三维雷电探测结果

经过2019-2020年的观测试验，三维雷电探测网工作稳定，数据传输正常。山东半岛南部沿岸及近海海域共观测到闪电31，530个，其中云闪(IC)25，520个，地闪(CG)6010个，正地闪(PCG)860个，负地闪5150个。2019-2020年6-9月，山东半岛南部沿岸及近海海域的雷暴活动频繁，其中8月份雷电发生次数最多。闪电类型主要以云闪(IC)为主，约占总闪电的81%，而地闪(CG)仅占19%，其中正地闪(PCG)仅占总地闪(CG)的14.3%。

2.2 与FY-4A-CTT资料的对比评估

FY-4A卫星采用三轴稳定控制方案，其连续、稳定运行将大幅提升中国静止轨道气象卫星探测水平。作为新一代静止轨道定量遥感气象卫星，FY-4A卫星的功能和性能实现了跨越式发展。卫星的辐射成像通道覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，接近欧美第3代静止轨道气象卫星的16个通道。星上辐射定标精度0.5 K、灵敏度0.2 K、可见光空间分辨力0.5 km。

云顶亮温CTT是利用成像仪的2个红外窗口和1个CO2吸收通道，结合数值预报资料，通过最优估计的迭代计算，反演出云顶温度产品。CTT资料可以全天空、实时监测地面的强对流天气过程，通过红外探测技术感知对流云顶的亮温CTT。CTT越低，意味着云对流越旺盛，是强烈的雷暴云。从闪电发生机理来看，闪电通常发生在强对流区域。因此，CTT资料能够很好地验证三维雷电定位的准确性。

从两种资料的对比看出闪电主要发生在CTT亮温范围为205～245 K的区域，对应的温度为-53～-38 ℃，对应的高度为11～18 km。此位置对应的是对流云，在强大的对流系统中，由于温差，地面上的水汽会随着气流上升，在空中遇到凝结核使得水汽凝结成固态的水成物粒子(如冰晶、霰粒子、软雹粒子等)，当不同粒子之间发生碰并时，通过感应或非感应起电机制使得云携带了大量电荷，当电压超过空气的击穿阈值时，就会击穿空气放电，从而可能发生闪电。三维雷电探测系统探测到的位于对流云区域内的闪电数量占比基本在95%以上，个别情况除外。因此，从CTT资料来看，山东半岛南部沿海的三维雷电探测效率在95%以上。

2.3 与FY-2G-TBB资料的对比评估

FY-2G上搭载的扫描辐射计包括1个可见光和4个红外通道，可以实现非汛期每小时，汛期每半小时获取覆盖地球表面约1/3的全圆盘图像。相当黑体温度TBB是利用辐射计红外窗口获取的信息，结合数值预报资料，反演出的相当黑体温度产品。TBB资料可以大范围监控强对流天气过程，缺点是空间分辨力和时间分辨力比较差。目前常用的FY-2A相当黑体温度TBB资料的空间分辨力为10 km，时间分辨力为30 min。

从两种资料的对比看出，闪电主要发生在TBB亮温范围为220～245 K的区域，对应的温度约为-43～-33 ℃，对应的高度为11～15 km，此位置对应的是对流云，为容易发生闪电的区域。三维雷电探测系统探测到的位于对流云区域内的闪电数量占总闪电探测数量的75%左右。因此，从TBB资料来看，山东半岛南部地区三维雷电探测效率为75%。

2.4 与雷达资料的对比评估

雷达回波强度是判断强天气的重要参数，特别是局地暴雨、雷雨大风和冰雹等强对流降水天气。一般来说，闪电发生时常伴有强对流的发生。大气的温度在对流层通常表现为随高度的升高而降低，所以软雹、冰晶粒子及过冷水需要到达冰点以下温度所对应的高度才会产生，即云中粒子被上升气流拖曳到一定的高度，闪电会在含有这样粒子的云中发生。对于不同云层形成的闪电，雷达回波会表现出相应的特征。

雷暴属于灾害性天气，是由强对流生成的，其水平尺度变化很大，可从几千米到几百千米，垂直厚度大多在10 km以上，因而大多数发展较旺盛的雷暴单体的回波强度都能够达到30 dBZ以上，这与非雷暴单体有着较明显的差异。所以，通过对雷暴过程的雷达回波强度的分析，可以得到闪电发生相对应的位置。

对2019-08-01，2019-08-02和2019-08-16雷电天气过程的雷达回波与闪电位置的叠加图进行分析(图2～图4)，可以发现闪电发生于强雷达回波区域，雷达回波强度在30 dBZ以上，对应的云顶高度超过10 km，意味着该区域是强对流中心。因为当大量水汽上升时，水汽凝结形成很多固态粒子，可能使得雷达回波很强。从雷电起电机制可知，雷暴云中要发生强起电过程使电荷发生分离，必须存在足够数量和大小的冰晶粒子以及足以使这些粒子上升到一定高度的上升气流。若云内具有足够的水汽含量，且对流足够强，则为闪电的发生提供了可能。因此，从雷达资料来看，发生在强回波区的闪电数量占系统总探测闪电数量的97%，即山东半岛南部地区的三维雷电探测效率为97%。

图2 2019-08-01闪电位置与雷达组合反射率的叠加

图3 2019-08-02闪电位置与雷达组合反射率的叠加

图4 2019-08-16闪电位置与雷达组合反射率的叠加

3 结束语

文章利用星地多源观测数据对2019-2020年山东半岛南部地区三维雷电探测数据进行了对比分析，结果表明，青岛三维雷电探测系统具备很好的可靠性、稳定性和易用性，山东半岛南部地区闪电定位结果精度较高，探测效率基本达到90%以上，能够为该地区的电力、交通和民航等部门提供重要的雷电专业服务和决策支持。