基于气象卫星观测资料的雷电预报指标研究

张春龙，肖稳安，邓树民，王振会，陈红兵

（1.南京信息工程大学，江苏南京 210044；2.黑龙江省气象局，黑龙江哈尔滨 150001；3.江苏省气象局，江苏南京 210008）

基于气象卫星观测资料的雷电预报指标研究

张春龙1，肖稳安1，邓树民2，王振会1，陈红兵3

（1.南京信息工程大学，江苏南京 210044；2.黑龙江省气象局，黑龙江哈尔滨 150001；3.江苏省气象局，江苏南京 210008）

本文利用风云二号静止卫星获得的红外通道观测资料相当黑体温度TBB，对南京及其周边地区2009-2010年出现的16次雷暴天气过程进行了研究。结果表明：雷暴云中心冷云顶降温率达到10℃/h，并且冷云顶亮温TBB在-33℃以下时，雷暴云中会有闪电发生；雷暴云中心冷云顶到对流云区边界的温度梯度达到0.65℃/km是雷暴得以快速发展加强重要指标；各种参数指标相互配合可以为雷电预报提供有力的理论依据。

气象卫星；雷电预报；TBB

1 引言

雷电是发生在大气中的剧烈天气现象，雷电寓于龙卷、冰雹、强风、暴雨等灾害性天气现象之中，是一种典型的中小尺度天气系统[1]。雷暴天气系统空间尺度小，时间尺度短，用常规资料很难观测到，但可以通过高时空分辨率的卫星图像反映其在大气中进行的动力和热力过程的综合效应而生成的不同云外形和种类的序列照片，捕捉大气中的雷电及活动过程。因此，开展气象卫星观测资料在雷电监测和预警中的应用研究，在灾害性雷电天气的监测和预报预警业务中有实际应用意义。

关于使用卫星资料来做雷电预报，国内外都已做过大量研究，肖稳安[2]（1981）利用3 h一次的GMS云图资料,分析了6-8月份我国大陆上的六类雷暴天气，阐述了强雷暴活动的云图特征。MacGorman[3]（1994）研究了中尺度对流复合系统（MCC）中的闪电活动，指出闪电频率是多单体对流元的厚度和数目的函数。Smith[4]（1996）利用红外云图云顶冷却率研究雷电的发生时发现，第一次云地闪经常发生在红外云图中最初云顶冷却率超过0.50℃/min之后30 min或更长的时间。总之，有不少科学工作者用卫星观测的云图资料分析雷电，得到了一些有益的结果。本文在前人研究基础上，收集南京及其周边地区16次强雷暴天气的卫星云图观测资料、常规观测资料、闪电定位资料和大气电场仪资料，通过对资料处理和雷暴天气过程的综合分析，提取用卫星资料进行监测和预警雷电的预报因子，可以做出雷暴的潜势预报，也可以为闪电的临近预报提供有力的依据。

2 资料与方法

2.1 资料

本文研究选取了2009-2010年公益性行业科研专项“基于遥感的雷暴云大气电场强度分布预测研究”实验期多次天气过程的气象卫星、闪电定位仪、大气电场仪资料以及08时和20时的探空资料。卫星资料使用的是黑体温度，通常将气象卫星红外通道的观测值以相当黑体温度（TBB）表示，也称之为“亮度温度”或者“亮温”[5]。TBB资料可以揭示云在演变过程中的一些显著特征，本文根据TBB资料来推断雷暴天气系统的强度、发展以及闪电发生的条件。

2.2 分析方法

首先根据历史观测资料选出16次雷暴天气过程作为研究对象，然后根据大气电场仪和闪电定位仪资料确定雷电发生的时间，以这个时刻为标准，根据天气系统的持续时间来向前推算，找出雷电发生之前的卫星观测资料TBB所具有的共同特征。

2.2.1 数据处理

将从国家卫星气象中心获得的FY-2C TBB资料用GrADS软件进行处理和分析，得到雷电发生之前的TBB分布图，研究区域范围为116～122°E，30～35°N，水平分辨率设为0.5°×0.5°，卫星资料的时间分辨率为1 h一次，初步选取TBB≤-32℃作为雷暴云团的所在区域。

根据大气电场仪数据和闪电定位仪得到当日的地面大气电场值和闪电观测结果。

2.2.2 雷暴云亮温梯度的计算

雷暴云中心冷云顶到对流云边界的温度梯度是指水平方向上温度的最大变化率，能表示对流的发展强度，梯度越大，表示对流发展越旺盛。云顶亮温梯度的计算分为以下几个步骤：

第一步：根据雷暴云在卫星云图上的特征及云团出现的位置来看，雷暴云系在发展到成熟的过程中，可认为其冷温中心即为雷暴云团的中心位置，在TBB分布图上读取雷电发生之前临近时刻的冷温中心的亮温值T1，然后根据亮温的分布读取同一时刻密集边界的亮度温度值T2。

第二步：将冷温中心坐标记为M1[I1,J1]，密集边界坐标记为M2[I2,J2]，I和J分别代表各点的经度和纬度，M1和M2之间的距离：L=r×arccos（sinJ1×sinJ2+cosJ1×cosJ2×cos（I1-I2）），其中,r为地球半径。

3 雷电天气的卫星观测资料特征分析

对16次雷电天气过程发生1 h前卫星观测的数值进行了统计和分析（表1）。

3.1 强对流云团中心冷云顶的降温率

表1 雷电天气发生1 h前的TBB分布特征

云顶温度随时间的降温率是云顶变冷、云顶高度抬高、空气垂直上升运动加强的间接表示，可用于表征雷暴加强的程度。本文研究的16次雷暴天气过程，强对流云团中心冷云顶的降温率有13次大于等于10℃/h，云顶温度有12次小于-33℃（图1），有4次个例的云顶温度高于-33℃，其中雷电的发生同时满足大于等于10℃/h和云顶温度小于-33℃的有11次。有人提出雷暴云中心冷云顶温度下降至-52℃，该雷暴云中一定有雷电发生。本文研究发现：当雷暴云中心冷云顶温度下降率达到10℃/h，同时冷云顶温度下降到-33℃以下，雷暴云中即有雷电发生。

图1 雷电天气发生散点图

以2009年7月2日为例，南京及周边地区受冷锋影响自西向东出现了一次雷暴天气过程。2009年7月初，东亚大气环流呈现出典型的两槽一脊的径向环流型，在2009年7月2日08时500 hPa高空图上（图2a），从贝加尔湖向南一直到我国黄河中游持续着一个强度大范围广的大高压，其东部在我国东北和俄罗斯远东交界处有一大低压，一深槽一直从低压中心向南南西到达朝鲜半岛后转向西南延伸到长江中下游。南京地区正好处在槽前脊后，由温压场的配置可看出，南京地区直接受脊前偏北气流的影响，有明显的冷平流。在南京以南，是西太平洋大高压西端的偏南的暖湿气流，南京所在纬度是一条很显著的南北冷暖气流的交汇带，在850 hPa图上（图2b）南京处在从海上向西伸展的切变线上，利于对流的发生和发展。从天气背景来看，环流条件十分有利于雷暴的发生。

图2 2009年7月2日08时环流形势配置

在14时15分，苏皖两省交界处存在一对流云团，南京地区处于TBB的低值中心的边缘，其云顶最低温度为-42℃，从南京小校场站的大气电场仪观测记录可看出，南京地区的大气电场强度没有变化，且电场强度数值为0,说明南京地区尚未有闪电发生。在15时15分，同1 h前比较，南京上空对流云区冷云顶的TBB值从-42℃降为-62℃，1 h内云顶的温度下降了20℃，在15时之前大气电场强度一直稳定在0，在15时到16时，大气电场强度发生剧烈的抖动，其最大电场值达到30 kv/m，最小值为-25 kv/m，此时南京地区上空对流云电荷结构发生变化，云内发生放电，南京地区有雷电发生。在16时15分，此对流云团自西向东发展，冷云中心面积大幅度减少，此时扬州仪征地区开始受到冷云影响，仪征上空的对流云云顶温度由1 h前的-42℃降为-52℃，1 h内温度下降了10℃，从仪征站大气电场仪观测结果可看出，从0时到16时仪征地区的大气电场强度一直保持为0，即16时之前仪征地区尚未有雷电发生，到了16时以后，大气电场强度发生剧烈变化，幅值达到20 kv/m左右，说明仪征地区上空的对流云内有闪电发生。由此可知，当对流云团向东发展的过程当中，南京地区和仪征地区的云顶温度分别下降，并且当地的大气电场强度发生相应的变化，电场强度的变化与云图的变化具有很好的对应关系，对流云顶温度降温率大于等于10℃/ h，并且TBB数值降低到一定程度时，南京地区和仪征地区陆续有雷电发生，这与Smith提出的第一次云地闪经常发生在红外云图中最初云顶冷却率超过0.5℃/min之后30 min或更长的时间有些差异。但该雷暴天气的实际情况还是很清楚地表明在南京及其周边地区，雷暴发生区达到10℃/h的云顶降温率，预示着雷电的发生，这也与前面的统计结果保持很好的一致性。

3.2 雷暴云中心冷云顶到对流云区边界的温度梯度

雷暴云中心冷云顶到对流云边界的温度梯度亦能表示对流的发展强度，梯度越大，表示对流发展越旺盛，对流云顶上升高度越高，雷暴天气越强。本文研究的16次雷暴天气过程，中心冷云顶到对流云边界的温度梯度如表1所示，从中可看出在雷电发生前1 h内，每次的TBB数值大不相同，甚至相差30 K左右，这与雷暴的强弱有关，如果是强雷暴天气对流比较强烈，雷暴云上升的高度也较高，如果是弱雷暴天气，对流相对较弱，雷暴云上升的高度自然较低，所以才会出现这样的现象，但是可以发现每次过程的温度梯度是比较集中的，平均云顶温度梯度为0.66℃/km。雷暴云中心冷云顶到对流云区边界的温度梯度达到0.65℃/km是雷暴得以快速发展加强的重要指标。

以2009年6月5日天气过程为例，这次江苏地区自北向南的强对流天气是一次比较典型的东北冷涡大背景下诱发的中尺度对流过程，在08时的500 hPa天气形势上（图3a），我国东部大陆沿海高空槽南北错位，南支已东移出海，北支一直稳定在东北冷涡中心经大连至山东半岛一线，槽后不断有西北冷平流从华北直接进入江苏，苏北及以南地面受弱的高气压影响，近地层辐射增温较快，地面升温，随着系统的南压，在入海高压后部的回流东南气流与低压前部西南气流之间存在一辐合线（图3b），在辐合线的触发下，大气层结变得很不稳定，江苏中部、南部地区产生了多个对流单体，并迅速发展增强，生成了该日的强雷暴天气。

图3 2009年6月5日08时的500 hPa高空图和11时的地面流线图

这次雷暴过程从开始到成熟的TBB演变可看出，11时在江苏的中北部地区存在一初生对流云团，记为X云团，冷云中心亮度温度为-33℃，冷云区边界的亮度温度为7℃，等温线分布十分密集，冷云中心到冷云边界的温度梯度达到0.9℃/km，从闪电定位仪（位于南京市区118.48°E，32°N）监测获取地闪频数分布上可看出（图4），在11时已经有地闪发生，地闪数目还比较少；到了12时，冷云中心温度降为-43℃，冷云面积有所增加，冷云中心到冷云边界的温度梯度为0.6℃/km，雷暴得到进一步发展，以后地闪频数持续增加，最大峰值为115次/10 min；到14时，X云团的面积是12时的六倍左右，即冷云面积增加了80%，覆盖了整个江苏的中部地区，闪电频数达到80次/10 min；16时30分以后的消散阶段，地闪频数不到10次/10 min。由此可看出当温度梯度达到最大值0.9℃/km以后，冷云的面积得到迅速增长，由苏北地区扩张到苏中区，云团内部的闪电频次逐渐增多，雷暴得到发展加强。

图4 2009年6月5日11-17时X云团每10 min的地闪频数的时间分布

4 结论与讨论

本文通过对发生在南京及其周边地区的16次雷电天气过程进行统计分析，并对其中两次典型天气过程进行了重点分析，结果发现：卫星观测资料的特征参数与雷电的发生具有很好的对应关系，中心冷云顶温度下降率达到10℃/h，冷云顶温度在-33℃以下的雷暴云中有雷电发生，对于中小尺度的雷电天气过程，结合常规天气资料，通过判断云顶降温率和冷云顶温度两个指标的数值，可以在一定程度上预测未来1 h内对流云中是否有闪电发生；另外，还发现冷云顶到对流云区边界的温度梯度达到0.65℃/km时，雷暴得以快速发展加强，这对判断雷暴发展的强度和趋势具有很好的指示作用，可以为雷电预警和短时强对流天气预报提供一定的参考依据。

[1]K.A.Browning.Nowcasting，ACADEMIC PRESS[M]1982，112-180.

[2]肖稳安.用地球静止气象卫星云图分析我国几类强雷暴天气[J].大气科学,1981，5（4）：398-405.

[3]MacGorman D R,Burgess D W.1994.Positive cloud-toground lighting in tornadicstorms and hailstorm[J].Wea.Rev, 122:1671-1697.

[4]Smith S B.1996.How soon can a thunderstorm be identified？a comparison of satellite-observed cloud-top cooling and the onset of cloud-to-ground lighting.Preprints.18th Conf. on Severe Lolal Storm[J],479-481.

[5]胡中明，张智勇，王晓明，等.吉林省一次区域性暴雨天气过程的TBB图像特征分析[J].暴雨灾害，2007，26（2）：130-133.

P457.9

A

1002－252X（2012）01－0021－04

2011－12－6

张春龙（1986-），男，黑龙江省齐齐哈尔市人，南京信息工程大学，硕士生.