1 Citation: Zhang, W. J., W. Hui, W. T. Lyu, et al., 2020: FY-4A LMI observed lightning

2 activity in Super Mangkhut (2018) in comparison with WWLLN data. J. Meteor.

3 Res., 34(2), 336–352, doi: 10.1007/s13351-020-9500-4

4

5 FY-4A LMI 对超强台风山竹（2018）闪电活动的观测及其与

* 6 WWLLN 的对比

7 张文娟 1,2 惠雯 2 吕伟涛 1 曹冬杰 2 李鹏飞 3 郑栋 1 方翔 2 张义军 4

8 ZHANG Wenjuan1,2 HUI Wen2 LYU Weitao1 CAO Dongjie2 LI Pengfei3

9 ZHENG Dong1 FANG Xiang2 ZHANG Yijun4

10 1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京，100081

11 2. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，国家卫星气象中心，北京, 100081

12 3. 黑龙江省生态气象中心，哈尔滨，150030

13 4. 复旦大学大气科学学院，上海，200438

14 1. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing, 100081, China

15 2. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites，National Satellite

16 Meteorological Center, Beijing, 100081, China

17 3. Ecological and meteorological center of Heilongjiang, Harbin, 150030, China

18 4. Institute of Atmospheric Science, Fudan University, Shanghai, 200438, China

19

20 Abstract Using lightning observations from the Fengyun-4A Lightning Mapping Imager (FY-4A LMI),

* 资助项目：国家重点研发计划（2017YFC1501502）、中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放 实验室开放课题《基于 FY-4 LMI 的台风闪电活动特征研究》、国家自然科学基金项目（41405004、41875001）。 通讯作者：张文娟，主要从事雷暴电学研究。E-mail: [email protected] 1

21 best-track data from China Meteorological Administration, bright temperature (TBB) data from Himawari-8

22 satellite and composite reflectivity (CR) data from the South China radar network, this study investigates the

23 temporal and spatial distribution of lightning activity and convective evolution during the landfall of Super

24 , the strongest landing typhoon in China in 2018. Three stages of active total lightning are

25 observed and different lightning characteristics between the inner core and the outer rainbands are present. The

26 onset of inner-core lightning outbreak is about 4 h ahead of the maximum intensity of the storm, providing

27 indicative information on typhoon intensity change. Lightning rates in the outer rainbands increase rapidly 12 h

28 before the landfall and lightning activity is mainly confined in the outer rainbands after the landfall. A good

29 correlation in hourly variation is shown between lightning rates from the LMI and TBBs from the satellite. The

30 averaged TBB within the inner core reaches its minimum (-80℃) when the inner-core lightning outbreak occurs,

31 indicating the occurrence and enhancement of deep convection there. Lightning locations observed by the LMI has

32 a good spatial correspondence with regions of low TBBs and high CRs, revealing the monitoring capability of the

33 LMI to lightning activity and deep convection in landing . Comparisons between the World Wide

34 Lightning Location Network and the LMI reveal that the spatial distribution, temporal evolution, and radial pattern

35 of lightning activity in Mangkhut observed by the two systems are consistent. Furthermore, due to the detection

36 capability of total lightning, the LMI has advantages in revealing the higher ratio of intra-cloud lightning within

37 the inner core in typhoon. The continuous and real-time observation of FY-4A LMI provides an unprecedented

38 platform for monitoring total lightning and deep convection in landing typhoons in China, which will promote the

39 generation of new research and applications in the future.

40 Key words FY-4A, LMI, Landfall typhoon, WWLLN, Mangkhut

41

2

42 摘 要 基于风云四号 A 星闪电成像仪（FY-4A LMI）对 2018 年超强台风山竹登陆过程闪电活动的观测，结

43 合中国气象局台风最佳路径资料、Himawari-8 卫星高分辨率亮温资料和华南区域组网雷达组合反射率资料，

44 详细分析了台风全闪电活动的时空分布特征及其与台风对流演变的关系。结果表明：台风登陆期间闪电活

45 动呈现三个活跃期，且内核和外雨带闪电活动特征存在差异。内核闪电爆发的开始时刻提前台风最大强度

46 约 4 h，表明了内核闪电对台风强度变化的指示作用。外雨带闪电在登陆前 12 h 迅速增强，登陆后闪电活

47 动主要集中在外雨带。台风闪电频次与卫星观测的云顶亮温在时序演变上存在较好的相关性。内核闪电爆

48 发时亮温达到最低值（-80℃），表明内核区域对流的增强和深对流的发生。LMI 观测的闪电与卫星观测的

49 云顶亮温低值区以及雷达观测的组合反射率强回波区具有较好的空间对应关系，验证了 LMI 对台风闪电以

50 及强对流活动具有较好的监测能力。此外，结合全球闪电定位网（WWLLN）比较了两种探测系统对山竹

51 闪电活动观测的异同，发现 LMI 和 WWLLN 观测的台风闪电活动空间分布特征和时序演变特征较为一致，

52 闪电频次之间存在较好的相关性。由于卫星的全闪电观测能力，LMI 在揭示台风内核较高比例的云闪活动

53 方面具有优势。FY-4A LMI 为我国登陆台风的全闪电和对流活动提供了实时和连续的监测，在未来将有大

54 量新的研究和应用。

55 关键词 风云四号，闪电成像仪，登陆台风，全球闪电定位网，山竹

56 1 引 言

57 随着探测技术的进步和对台风机理的深入理解，台风路径预报已取得较大进展，但强度

58 预报的准确性仍有待进一步提高（Marks, et al, 1998; DeMaria, et al, 2014）。台风强度的变化

59 不仅与大尺度的环流背景和动力过程有关，还受到其内部中小尺度强对流的影响（Guimond,

60 et al, 2010; Wadler, et al, 2018）。然而目前大多数观测平台（如地基观测、飞机观测、极轨

61 卫星）并不能对台风中的小尺度单体的爆发和增强进行持续观测（特别是海上），因此限制

62 了这种小尺度物理过程所导致的台风快速增强的预报（Fierro, et al, 2011）。

63 闪电活动与雷暴动力、微物理过程以及降水结构紧密相联（Petersen, et al, 1999）。云 3

64 内粒子特别是混合相态区的冰相粒子是电荷的主要载体，在一定的动力、微物理过程作用下，

65 产生电荷分离从而形成闪电（Williams, 1988）。闪电位置能够准确指示台风中小尺度对流

66 运动和强上升气流的位置（Molinari, et al, 1994）。闪电活动的增强能够预示台风中霰或冰

67 雹粒子体积的增加，进而表征对流的发展（Fierro, et al, 2007）。因此，对台风闪电活动的

68 探测为台风对流结构的认识提供了一种新的观测资料和方法。闪电探测与雷达、卫星等观测

69 手段的结合，有助于台风对流结构和强度变化的更加全面认识。

70 以往有关热带气旋闪电活动的观测主要利用地基长基线全球闪电定位网，如 WWLLN

71 （Rodger, et al, 2004）和 GLD360（Holle, et al, 2016）。这些观测增进了对台风闪电时空分

72 布特征及其与气旋强度变化关系的理解（Price, et al, 2009；潘伦湘等，2010；Abarca，et al，

73 2011；DeMaria，et al，2012；Zhang, et al, 2015；王芳等，2017），并发现内核闪电活动的

74 增强与台风强度变化具有正相关（Squires and Businger, 2008; Stevenson, et al, 2014;

75 Susca-Lopata, et al, 2015; Zhang, et al, 2015)。但是，地基全球闪电定位网工作在甚低频段，

76 以地闪探测为主且探测效率较低，而大量观测发现云闪占全闪（云闪和地闪）的比例更高，

77 因此限制了对台风闪电活动的全面深入理解。

78 卫星闪电成像观测开启了全球（陆地和海洋）热带气旋全闪电活动监测的新时代。由于

79 全闪与雷暴对流属性（如霰和冰雹数量、上升气流体积、最大垂直速度等）关系更加密切

80 （Carey and Rutledge, 1996; Lang and Rutledge, 2002），因此卫星被认为是监测全球热带气

81 旋闪电活动的最佳平台（陈洪滨和吕达仁, 2001; Albrecht, et al, 2016）。利用热带测雨卫星

82 （TRMM）搭载的低轨闪电成像仪（Lightning Imaging Sensor，LIS）数据，一些学者从另

83 一角度指出台风增强与内核闪电呈负相关，而外雨带闪电与气旋增强关系更密切（DeMaria,

84 et al, 2012; Stevenson, et al, 2016; Xu, et al, 2017）。这种结论不一致的原因可能与观测系统的

85 闪电探测类型和探测效率差异有关。最近研究表明，热带气旋内核和外雨带存在不同的闪电

4

86 类型，外雨带以地闪活动为主（Griffin, et al, 2014），而内核可能具有更大的云闪比例（Fierro,

87 et al, 2018）。目前为止，闪电活动特别是内核闪电与台风强度变化、对流演变之间尚未建

88 立起一个明确的、系统的关系。只有地基和空基闪电探测相结合的综合观测，才能建立具有

89 代表性的闪电活动-气旋强度-结构变化的关系模型，进而加深对闪电和台风的全面认识。

90 风云四号 A 星（Fengyun-4A，FY-4A）闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI；

91 Yang, et al, 2017）为我国登陆台风的全闪和对流活动提供了前所未有的实时性、连续性观测

92 资料。那么，台风登陆过程中，LMI 观测的全闪活动具有怎样的时空分布特征？与以往基

93 于地闪观测的结果存在哪些异同？闪电活动与台风登陆过程的对流演变具有怎样的关系？

94 针对以上问题，本文以 2018 年最强登陆台风山竹为例，对 LMI 观测的台风闪电时空分布特

95 征及其与对流演变的关系进行了详细研究，并结合 WWLLN 闪电定位资料进一步开展比较，

96 以检验 LMI 对我国登陆台风闪电活动的监测以及对台风强对流的追踪和指示能力。

97 2 FY-4A LMI 简介

98 静止卫星闪电成像仪被认为是闪电探测最有效的技术手段,能够实现对雷暴活动的连续、

99 实时监测。截至目前，全球发射升空的静止卫星闪电成像仪有两个：美国新一代静止卫星

100 GOES-R 闪电成像仪（Geostationary Lightning Mapper，GLM）和中国新一代静止卫星 FY-4

101 闪电成像仪（LMI）。GLM 于 2016 年 11 月发射升空，其任务目标是监测、指示和跟踪西

102 半球大部分区域的闪电活动、灾害性天气以及风暴强度，并提高龙卷的早期预警时间

103 （Goodman, et al, 2013）。由于闪电已被指定为全球气候观测系统基本气候参量（Aich et al,

104 2018），GLM 更加注重对闪电气候特征及其变化的观测，以建立一个长期的、连续的全球

105 光学闪电数据集（Rudlosky, et al, 2019）。

106 我国新一代静止气象卫星风云四号 A 星于 2016 年 12 月成功发射，经过近一年的在轨

107 测试和评估，于 2017 年 9 月正式投入业务运行。FY-4A LMI 是我国首次研制和星载的卫星 5

108 闪电成像仪（黄富祥，2007），实现了对亚洲、大洋洲区域的静止轨道闪电持续观测（Yang,

109 et al, 2017）。LMI 选取 777.4 nm 作为探测波长，采用 1 nm 带宽超窄带滤光片，通过双镜

110 头拼接实现大视场覆盖；采用 400×600 像素 CCD 面阵探测器，成像速率设为 500 帧/秒，

111 以最大程度地减少闪电脉冲分裂；针对典型雷暴单体对应的云顶照明区域范围，星下点空间

112 分辨率设为 7.8 km；星上实时事件处理器可在 2 ms 内按像元完成焦面数据的多帧背景去除

113 和闪电事件提取，每帧输出闪电事件的上限为 120 个（梁华等，2017）。LMI 设计的闪电

114 事件探测效率大于 90%，虚警率小于 10%，定位精度优于 1 个像元（黄富祥，2007）。LMI

115 通过实时背景评估（惠雯等，2016）、虚假信号滤除（惠雯等，2015）和聚类分析算法（曹

116 冬杰，2016），生成包含“事件（event）”，“组（group）”和“闪电（flash）”的发生时间、

117 位置和强度（能量密度）等信息的闪电探测产品。LMI 观测视场覆盖中国及其邻近海域（图

118 1），能够对观测区域内包括云闪、云间闪、云地闪在内的全闪电进行探测，实现对雷暴系

119 统发生、发展的连续、长时间和大范围实时监测，将对中国及其沿海地区强对流天气的监测

120 和预警提供重要信息。

121

6

122 图 1 FY-4A LMI 观测范围示意图 （黄富祥和惠雯，2014） 123 Fig. 1 Schematic diagram of observation range of FY-4A LMI (Huang and Hui, 2014)

124 3 数据和方法

125 3.1 闪电数据

126 本文使用的闪电数据包括 FY-4A LMI 观测的全闪数据和 WWLLN 观测的回击数据。

127 FY-4A LMI 闪电数据使用 L2 级一分钟闪电产品，包括事件（event）、组（group）和闪电

128 （flash）的发生时间、持续时间、辐射中心位置、辐射强度、面积等参数，以及卫星姿态等

129 信息。Event 是 LMI 获得的基本闪电探测单元，实时事件处理器通过将背景减光后的辐射与

130 阈值进行对比，提取超过阈值的像元判定为 event。Event 经过聚类-滤除算法将发光事件聚

131 类为 group 和 flash 产品。

132 全球闪电定位网（World Wide Lightning Location Network, WWLLN, http://wwlln.net/）于

133 2004 年由美国华盛顿大学建立，到目前为止该站网全球有超过 70 个站点（Hutchins，et al，

134 2013）对闪电活动进行实时、连续监测。站网探测闪电产生的甚低频（VLF，3-30 kHz）电

135 磁辐射信号，并采用组合时间到达法（TOGA）确定闪电发生的位置。通过 GPS 获得 VLF

136 信号到达各测站的精确时间，每个测站对所测波形进行分析处理，并将到达时间实时发送至

137 中心站。当至少有 5 个站探测到同一个 VLF 信号时，中心站对闪电进行定位，并给出闪电

138 发生的时间、经度和纬度信息（Rodger，et al，2004）。WWLLN 可以同时探测峰值电流超

139 过 30 kA 的地闪和云闪（Jacobson，et al，2006），但由于地闪峰值电流通常比云闪大，因

140 此对地闪的探测效率高于云闪（Abarca，et al，2010）。近些年随着站点数量的增加以及定

141 位算法的升级，WWLLN 探测性能不断提高，其站网平均定位误差约 5 km，探测效率约 11%

142 （Hutchins，et al，2013；Virts，et al，2013）。本文使用 WWLLN 探测的回击（stroke）数

143 据时对其进行归闪（flash），选用的时间和空间阈值为 0.5 s 和 30 km（Fan，et al，2018）。

144 对台风不同区域闪电进行界定时，依据美国联合预警中心（JTWC）的风圈半径资料。 7

145 结合卫星云图和雷达回波的分析发现，山竹台风的尺寸大致与七级风圈相当，内核大致与其

146 十二级风圈相当，外雨带大致位于其十级风圈至七级风圈之间的区域。根据以上区域划分原

147 则，确定了随时间变化的台风、内核和外雨带的实际半径范围及其闪电活动。台风山竹登陆

148 期间，其半径变化范围为 426.2~556.0 km，该径向范围与前人研究相一致（Corbosiero and

149 Molinari, 2002, 2003; Abarca，et al，2011; DeMaria，et al，2012; Zhang，et al，2015; Xu，et al，

150 2017; Fierro，et al，2018）。

151 3.2 台风数据

152 超强台风山竹（Mangkhut，第 1822 号）于 2018 年 9 月 7 日 12 时（世界时，下同）在

153 西北太平洋生成，11 日 00 时增强为超强台风，15 日凌晨穿过菲律宾吕宋岛后进入南海并向

154 西北向移动，于 16 日 09 时在广东省江门市登陆（中心最低气压 960 hPa，最大维持风速 42

155 m s-1），登陆后强度逐渐减弱，17 日 12 时在广西境内停止编号。山竹是 2018 年登陆我国

156 最强的台风，造成广东、广西、海南等地大范围强降雨。

157 台风位置和强度信息来源于中国气象局上海台风所的最佳路径资料集

158 （http://tcdata.typhoon.org.cn/）。该资料集提供了每 6 h（或 3h）间隔的台风中心位置、时

159 间（年/月/日/时）、中心最低气压（hPa）和近中心最大风速（m s-1）。利用三次样条插值

160 法得到每小时的台风强度和位置信息。研究时段为台风进入 LMI 观测视场至台风停编，即

161 2018 年 9 月 14 日 00 时至 9 月 17 日 12 时，整个登陆过程共 85 h。研究时段的台风最佳路

162 径和强度以及 LMI 观测视场范围如图 2。

8

163 164 图 2 超强台风山竹（2018）研究时段内的最佳路径和强度以及 LMI 观测视场范围 165 （研究时段为 2018 年 9 月 14 日 00 时至 9 月 17 日 12 时，彩色线表示台风不同强度等级，粗黑线表示 LMI 166 观测视场范围） 167 Fig.2 Best tracks and intensities of Super Typhoon Mangkhut (2018) during the period of analysis and the 168 observational range of LMI 169 (The period of analysis in this study is from 0000 UTC 14 Sep to 1200 UTC 17 Sep 2018. Storm intensities are 170 highlighted by color lines. The bold black line indicates the observational range of LMI)

171 3.3 卫星亮温数据

172 云顶亮温（TBB）数据由日本新一代地球同步静止气象卫星 Himawari-8 提供。Himawari-8

173 共有 16 个观测通道，包括 3 个可见光、3 个近红外和 10 个红外通道，具有较高的时间和空

174 间分辨率，对小尺度对流天气系统的高频次探测具有优势。卫星观测经纬度范围为 70ºN–20ºS

175 和 70ºE–160ºE，能够覆盖东亚和西太平洋地区。本文使用了该卫星近红外通道反演的空间

176 分辨率为 0.05° × 0.05°、时间分辨率为 1 h 的 TBB 资料。

177 3.4 雷达组合反射率数据

178 雷达组合反射率（CR）数据由华南区域新一代多普勒天气雷达组网产品提供，包括 20

179 部 CINRAD-SA 雷达，即厦门、赣州、永州、广州、韶关、阳江、梅州、湛江、深圳、南宁、

180 柳州、柏色、桂林、汕尾、河源、梧州、海口、龙岩、汕头和福州。雷达回波反射率体扫时

9

181 间为 6 min，有效探测距离 460 km，数据空间分辨率为 0.01° × 0.01°。

182 4 FY-4A LMI 观测的台风闪电活动特征

183 4.1 台风闪电活动的空间分布

184 FY-4A LMI 对山竹登陆过程（85 h）的闪电活动进行了有效观测。图 3 给出了台风闪电

185 （event、group、flash）的空间密度分布以及 Himawari-8 观测的台风云顶亮温中值空间分布。

186 从整体上看，LMI 观测的 event（图 3a）、group（图 3b）和 flash（图 3c）闪电密度空间分

187 布特征相一致。台风登陆菲律宾前，闪电活动较弱且主要发生在外雨带区域。台风进入南海

188 后闪电活动开始增强，闪电密度最大值分布在海南岛以东洋面，其次是海南南部和广东东南

189 部的近海区域。台风闪电密度高值区与卫星观测的云顶亮温低值区较为吻合，闪电主要发生

190 在台风 TBB 中值低于-60℃的区域（图 3d）。台风登陆后云顶亮温增大，闪电密度迅速减小。

191 图 3 超强台风山竹（2018）登陆期间，LMI 观测的闪电密度空间分布（a）event（b）group（c）flash

10

192 和（d）Himawari-8 卫星观测的台风云顶亮温中值的空间分布 193 Fig. 3 Distribution of lightning densities from the LMI (a) event, (b) group, (c) flash, and (d) median TBBs of the 194 storm from Himawari-8 during the landfall period of Super Typhoon Mangkhut (2018)

195 4.2 台风闪电活动的时间演变

196 图 4 给出了台风登陆期间，LMI 观测的内核和外雨带闪电频次随台风强度的时序演变，

197 并相应标出了台风强度等级和登陆时间。闪电活动主要集中在三个阶段：① 9 月 14 日 10

198 时至 18 时，山竹处于超强台风等级，且强度逐渐增强，此时闪电活动（event、group 和 flash）

199 明显增多。前人观测发现，台风处于超强阶段时，云墙内的对流热塔最大回波强度可达 57

200 dBZ，回波顶高达到 17 km（赵震，2019）。热塔内强烈的对流运动使闪电活动迅速增多。

201 当山竹达到最大强度时，内核闪电爆发，内核闪电的突然增多提前台风最大强度（9 月 14

202 日 14 时，908 hPa）约 4 h。内核闪电爆发对台风增强的指示作用与前人的研究结果相一致。

203 对大西洋的观测表明，内核（或眼壁）闪电爆发与飓风增强之间存在一定正相关（Squires and

204 Businger, 2008; Fierro, et al, 2011；Stevenson, et al, 2018），处于稳定或增强状态的飓风，眼

205 壁闪电爆发意味着飓风即将达到最强并转而减弱（Molinari, et al, 1999）。西北太平洋台风

206 也观测到同样现象，处于增强阶段的台风其内核闪电密度明显增加，内核闪电爆发提前台风

207 强度峰值数小时（潘伦湘等, 2010; 潘伦湘和郄秀书, 2010; Zhang, et al, 2012; Zhang, et al,

208 2015）。

209 ② 9 月 15 日 18 时至 16 日 00 时，台风越过菲律宾进入南海，强度减弱为强台风并处

210 于稳定维持状态。台风中心虽未登陆，但外雨带已与陆地接触。LMI 观测到的全闪活动再

211 次活跃，但主要集中在外雨带，这是由于登陆雨带与陆地的相互作用而产生。③ 9 月 16 日

212 06 时至 17 日 00 时，台风闪电活动迅速增强并达到最大频次，闪电活动仍集中于外雨带，

213 内核闪电较少。此阶段山竹以强台风等级登陆广东，台风登陆过程中螺旋雨带与陆地的摩擦

214 以及环境气流的影响使雨带对流增强，从而闪电活动增加。登陆台风的外雨带具有较强的对

11

215 流降水特性，其较强的上升气流、较大的降水粒子浓度、混合相态区较高的冰相粒子浓度，

216 使该区域具有比内核和内雨带更强烈的闪电活动（Zhang, et al, 2013; 徐良韬等，2016）。此

217 后山竹强度减弱为热带低压，闪电活动迅速减弱。整个登陆过程中，LMI 观测的 event、group

218 和 flash 闪电活动随台风强度变化的时间演变特征较一致，仅闪电频次数量有所差别（图 4）。

219 220 图 4 超强台风山竹（2018）登陆期间，LMI 观测的内核和外雨带闪电频次随台风强度的时序演变（a）event 221 （b）group（c）flash 222 Fig.4 Hourly rates for the LMI (a) event, (b) group, and (c) flash within the inner core and outer rainbands during 223 the landfall period of Super Typhoon Mangkhut (2018) overlaid with storm intensity 224

225 图 5 给出了 LMI 观测的闪电（flash）密度在径向距离上随台风强度的演变。以台风中

226 心为原点，以 50 km 为步长，每个径向圆环的平均闪电密度作为该径向范围的闪电密度值。

227 可以看出，台风处于超强阶段时，内核闪电活动频繁，外雨带闪电密度远远小于内核。当台 12

228 风达到最大强度时，闪电活动出现第一个活跃期（9 月 14 日 12 时―18 时，图 4a），闪电

229 密度最大值发生在内核的眼壁区域（约 50 km 径向处）。该特性与超强台风海燕（2013）达

230 到最大强度时闪电活动的径向分布特征相一致（Zhang, et al, 2019）。山竹将要登陆时处于

231 稳定维持状态，对应第二个闪电活跃期（9 月 15 日 18 时―16 日 00 时）。此时内核闪电活

232 动停止，外雨带闪电密度逐渐增大且最大值分布在约 350 km 径向范围处（图 5）。台风登

233 陆后闪电活动逐渐增强，出现第三个闪电活跃期（9 月 16 日 06 时―17 日 00 时）。台风闪

234 电密度于登陆后 6 h 在 400―500 km 径向范围处达到最大值。王芳等（2017）对西北太平洋

235 台风闪电的气候学特征研究也表明，台风闪电密度呈不对称分布，外雨带闪电密度最大值出

236 现在台风南侧 500―600 km 径向范围处。

237 238 图 5 超强台风山竹（2018）登陆期间，LMI 观测的闪电密度随台风强度和径向距离的变化 239 Fig. 5 Lightning density for the LMI flashes as a function of storm intensity and distance from the storm center 240 during the landfall period of Super Typhoon Mangkhut (2018)

241

242 从径向整体分布来看，山竹登陆期间的闪电活动呈现明显的三圈分布特性：眼壁存在一

243 定的闪电活动，但闪电密度较低；内雨带闪电活动很少；外雨带具有最高的闪电密度，且登

244 陆阶段大部分闪电发生在外雨带。这与以往利用地基闪电资料（Molinari, et al, 1994; 1999; 潘

245 伦湘等，2010；Zhang, et al, 2012；王芳等，2017）和卫星闪电资料（Cecil and Zipser, 1999; 13

246 Cecil, et al, 2002; 雷小途等，2009；王艳等，2011）的研究结果相一致。内核、内雨带和外

247 雨带闪电活动特征的差异，体现了台风不同区域对流特征以及动力和微物理过程的差异。台

248 风内核结构类似于弱起电的海洋季风深对流，闪电活动频次一般较低，只有在对流发展较强

249 时才会产生闪电爆发（Molinari, et al, 1994）。内雨带由眼壁向外排出的冰粒子的沉降作用

250 形成，这种沉降过程减少了过冷水含量，融化和蒸发造成的冷却作用抑制了上升气流，因此

251 对流活动较弱，很少产生闪电（Molinari, et al, 1994）。外雨带由于受到环境气流的影响其

252 结构类似于亚热带季风间歇期的大陆深对流，具有较强的上升和下沉气流，0℃层以上液态

253 水、霰和冰粒子同时存在，因此容易产生电荷分离和较强的闪电活动（Molinari, et al, 1999）。

254 4.3 台风闪电活动与对流演变的关系

255 以上关于闪电时空分布的研究表明，山竹登陆过程中存在三次闪电活跃期，本节利用卫

256 星观测的云顶亮温和雷达观测的组合反射率来揭示台风的对流演变，并分析闪电活动与对流

257 演变的关系。图 6 给出了 LMI 观测的闪电频次随云顶亮温中值和台风中心最大风速的时序

258 演变，并标出了三次闪电活跃期。可以看出，前两次闪电活跃期均对应台风 TBB 的明显下

259 降，表明台风在这段期间整体对流性的增强。特别是内核闪电爆发时，内核 TBB 中值达到

260 最低（-80℃），指示了内核中深对流的发生。内核闪电活动的突然增强表明该区域冰粒子

261 含量的增加，大量冰粒子的出现增强了台风的内部潜热，从而有助于台风的进一步增强

262 （Guimond, et al, 2010; Rogers, et al, 2015）。当台风强度减弱并登陆时，内核和外雨带 TBB

263 中值迅速增加（从-55℃上升到-30℃）。尽管如此，外雨带仍产生了较强的闪电活动并进入

264 第三次闪电活跃期。登陆后陆地的摩擦作用使台风整体对流活动减弱（图 3d），但外雨带

265 中强对流单体的发生和发展仍会产生较强的闪电活动（图 7d）。

14

266 267 图 6 台风内核和外雨带区域，LMI 观测的闪电频次和 Himawari-8 卫星观测的 TBB 中值随台风中心最大风 268 速的时序演变 269 （灰色显示三次闪电活跃期） 270 Fig. 6 Time variation of LMI flash rates in the inner core and outer rainbands, superimposed on median TBBs from 271 Himawari-8 and the maximum sustained wind speed 272 (The gray shadings indicate three stages of active lightning)

273 图 7 给出了三次闪电活跃期中，LMI 和 WWLLN 观测的闪电与 Himawari-8 卫星观测的

274 TBB 亮温的叠加，闪电叠加时间为卫星观测时刻前后 30 min。图 7a 为 9 月 14 日 15 时第一

275 个闪电活跃期，此时台风处于超强等级并达到最大强度。台风三圈结构明显：眼部清晰可见，

276 云顶亮温相对较低；眼区四周呈现白亮的圆形密蔽云区；外围有大范围紧密厚实螺旋云带围

277 绕。此时观测到台风内核和外雨带均有闪电活动，内核闪电发生在台风眼南侧亮温低于-80℃

278 的深对流云中。外雨带闪电发生在台风前进方向的右前侧雨带中，且集中发生在亮温较低的

279 雨带对流区。图 7b 为 9 月 15 日 23 时第二个闪电活跃期，此时台风处于减弱阶段，眼区开

280 始填塞消失。内核闪电活动停止但外雨带闪电活动仍成簇发生，闪电主要发生在台风西南侧

281 螺旋雨带的深对流中（云顶亮温低至-85℃）。图 7c（9 月 16 日 16 时）和图 7d（9 月 16 日

282 22 时）为第三个闪电活跃期，此时台风已登陆且强度逐渐减弱，台风眼消失，台风外围云

283 系呈现出明显的多条雨带结构。陆地的摩擦和干冷空气使得台风内核对流强度大大减弱（潘

15

284 伦湘等，2010），内核无闪电活动发生。而台风南侧外围螺旋雨带仍处于洋面，水汽输送使

285 对流仍较为活跃，闪电活动主要发生在外雨带这些区域的亮温低值区。此外图中可以看出，

286 LMI 闪电与 WWLLN 闪电在空间位置上具有较好的对应关系。

287 图 7 Himawari-8 卫星观测的云顶亮温（℃）叠加 LMI 和 WWLLN 闪电 288 （闪电叠加时段为卫星观测时刻±30 min，红色表示 LMI flash，蓝色表示 WWLLN flash；◇表示台风中心 289 位置） 290 Fig. 7 Himawari-8 TBB imagery (℃) overlaid with LMI and WWLLN flashes 291 (Flashes within ±30 min of the satellite observation time were overlaid, red presents LMI flash and blue presents 292 WWLLN flash. ◇ indicates the typhoon center) 293

294 为了更细致地说明登陆过程中闪电活动与对流区域的关系，图 8 给出了登陆前、登陆时 16

295 以及登陆后，华南区域组网雷达组合反射率因子以及 LMI 和 WWLLN 观测闪电的叠加，闪

296 电叠加时段为雷达观测时刻前后 5 min。从图中可以看出，登陆前 5 h（图 8a）台风整体结

297 构较为紧密，但眼区回波较弱，且无闪电活动发生。尽管台风北侧的外围螺旋雨带此时已与

298 陆地接触，并观测到较强的雷达组合反射率回波，但并无闪电活动。温颖等（2015）对台风

299 莫拉克（2015）的雷达观测也发现，台风登陆期间中心西北部螺旋雨带虽然回波较大，但并

300 无闪电发生，可能由于强对流发展高度较低，未能达到混合相态区高度。台风登陆时（图

301 8b）眼区回波明显增强，这与雷达观测的台风桑美（2006）、韦帕（2007）、罗莎（2007）

302 登陆期间眼墙回波明显增强相一致（赵放等，2012）。尽管眼区回波增强但并未观测到闪电，

303 闪电活动仅零星发生在距离台风中心较远的东南侧外围螺旋雨带中。台风登陆后（图 8c、

304 图 8d）回波整体结构变得松散，眼区和外雨带回波迅速减弱。仅在外雨带南侧和东南侧较

305 窄的螺旋雨带中有强回波出现，闪电活动发生在该区域中组合反射率>40 dBZ 的强对流区域，

306 且 LMI 观测到的闪电与雷达强回波具有较好的空间对应关系。

307 以上回波结构的变化说明，山竹台风登陆后，随着结构的破碎和强度的减弱，眼区和外

308 雨带回波明显减弱，但在台风南侧有较强回波和强对流出现，闪电活动主要发生在雨带外侧

309 和后侧的反射率大值区。研究表明，台风登陆过程中，外雨带中小尺度对流系统的生消是产

310 生强降雨的主要原因（陈联寿等，2017）。趋于减弱的台风环流在其外围螺旋雨带仍有旺盛

311 的对流云团发生和发展，进而带来明显的降水增幅（董美莹等，2009）。由于螺旋雨带冰相

312 物粒子是登陆台风降水的重要影响因子（Franklin, et al, 2005），而闪电的发生与云中软雹、

313 霰、冰晶等冰相物粒子紧密相关（Williams，1988），因此可以利用闪电活动来指示台风中

314 霰或冰雹粒子体积的增加、上升气流的加强以及对流的发展，并结合雷达观测来监测和预警

315 登陆台风的强对流和强降水过程。

17

316 图 8 超强台风山竹（2018）登陆期间，华南区域组网雷达组合反射率（dBZ）叠加 LMI 和 WWLLN 闪电， 317 （a）9 月 16 日 16 时，（b）9 月 16 日 22 时 318 （闪电叠加时段为雷达观测时间±5 min，黑色+为 LMI flash，蓝色+为 WWLLN flash；◇表示台风中心位置； 319 •表示组网雷达站） 320 Fig. 8 Composite reflectivity (dBZ) from South China regional radar system overlaid with LMI and WWLLN 321 flashes during the landfall period of Super Typhoon Mangkhut (2018). (a) 1600 UTC and (b) 2200 UTC 16 Sept. 322 (Flashes within ±5 min of the radar observation time were overlaid. Red + indicates LMI flash and blue + indicates 323 WWLLN flash. ◇ indicates the typhoon center. • indicate radar stations)

324 5 FY-4A LMI 与 WWLLN 的对比

325 WWLLN 是目前具有最长连续观测时间的地基全球闪电监测网，为热带气旋闪电活动

326 的研究提供了有效手段。虽然 WWLLN 主要探测地闪且探测效率有待提高，但许多研究表 18

327 明其能够揭示热带气旋闪电活动的时空分布特征（潘伦湘等，2010；Abarca，et al，2011；

328 Bovalo，et al，2014；Ranalkar，et al，2016；Zhang，et al，2018），特别是其长距离探测

329 的优势，能够监测包括海上的整个生命史闪电活动，有助于区分气旋强度的变化（Price，et

330 al，2009；Thomas，et al，2010；DeMaria，et al，2012；Pan，et al，2014）并定量指示气

331 旋中强对流的分布（Stevenson，et al，2014；Susca-lopata，et al，2015；Solorzano，et al，

332 2016）。本节以台风山竹为例，对 FY-4A LMI 观测的 event、group 和 flash 与 WWLLN 观测

333 的 stroke 和 flash 进行了比较，以分析两种数据集在揭示台风闪电时空分布特性方面的异同，

334 并检验 LMI 对我国登陆台风闪电活动的监测能力。

335 图 9 给出了 LMI 和 WWLLN 闪电密度随台风的径向分布。两种系统均观测到了台风闪

336 电活动明显的三圈分布特性。值得注意的是，LMI 所观测的内核和外雨带的闪电密度之比

337 大于 WWLLN 的观测结果。即当 LMI 和 WWLLN 观测到外雨带具有相同的闪电密度时，

338 LMI 能观测到更多的内核闪电活动发生，这可能说明台风内核的云闪比例高于外雨带。近

339 期研究也发现，热带气旋内核和外雨带的云闪和地闪比例存在差异。Griffin 等（2014）揭示

340 热带风暴 Erin（2007）内核的云闪比例高于外雨带。Fierro 等（ 2018）通过 GLM 对飓风 Maria

341 （2017）的观测进一步指出，飓风内核和外雨带的闪电类型存在差异，内核可能具有更大的

342 云闪∶地闪比例。台风登陆时期，LMI 和 WWLLN 观测的闪电与雷达组合反射率的叠加显

343 示（图 8c、8d），LMI 和 WWLLN 所探测的台风闪电在空间分布上相一致。两种探测系统

344 都能够有效探测到山竹登陆过程中的闪电活动，并追踪台风登陆过程中强对流活动的演变。

19

345 346 图 9 LMI 和 WWLLN 观测的超强台风山竹登陆期间，闪电密度随径向距离的变化 347 Fig. 9 Radial distribution of lightning densities detected by LMI and WWLLN during the landfall of Super 348 Typhoon Mangkhut (2018)

349 图 10 给出了 WWLLN 探测的回击和闪电频次随台风强度的时序演变。对比图 4 中 LMI

350 的观测结果可以看出，两种探测系统所观测的台风闪电频次时序演变特征基本一致。LMI

351 观测到的三次闪电活跃期以及台风登陆后的闪电频次峰值，WWLLN 也同样进行了有效观

352 测。特别是台风最大强度时的内核闪电爆发，两种系统观测结果一致。尽管如此也注意到两

353 点差异，（1）9 月 14 日 00 时至 12 时，WWLLN 观测到台风有闪电活动，但 LMI 闪电活

354 动频次很低。这可能与台风刚进入 LMI 观测视场，大部分区域处于视场范围之外有关。（2）

355 9 月 15 日 00 时至 06 时，WWLLN 观测到台风内核闪电频次出现次峰值，而 LMI 并未观测

356 到此特征，这可能与两种系统探测的闪电类型差异有关。WWLLN 观测到的活跃的内核地

357 闪活动（注意图 10 中内核闪电频次扩大了 10 倍）在总闪活动中所占比例较低，因此在 LMI

358 时序变化图（图 4）中未能体现。尽管两种系统观测的闪电频次数量存在差异，但闪电频次

359 之间存在较好相关性。LMI group 和 WWLLN stroke 的 Pearson 相关系数为 0.75，LMI flash

360 和 WWLLN flash 的相关系数为 0.78（图 11）。

20

361 图 10 同图 4，但为 WWLLN 闪电频次（a）stroke（b）flash 362 Fig. 10 As in Fig. 4, but for WWLLN lightning rates (a) stroke and (b) flash

363 图 11 LMI 和 WWLLN 观测的台风闪电频次相关性的归一化散点图（a）LMI group 和 WWLLN stroke（b） 364 LMI flash 和 WWLLN flash 365 (图中直线为 1:1 线并给出了 Pearson 相关系数) 366 Fig. 11 Normalized scatterplots of the hourly lightning rates of the typhoon recorded by LMI and WWLLN. (a) 367 LMI group and WWLLN stroke, (b) LMI flash and WWLLN flash 368 (The black line shows a 1:1 relationship, and the Pearson correlation coefficients are displayed) 369

370 超强台风山竹登陆过程中（85 h），LMI 共观测到 81345 个 event，23818 个 group 和

371 5571 个 flash；WWLLN 观测到 30918 个 stroke 和 17777 个 flash（表 1）。LMI 观测的整个

372 台风 flash 数量少于 WWLLN 观测的 flash。LMI 观测的三种闪电数目比为 event : group :

373 flash=14:4:1。与 LMI 不同，GLM 对飓风 Maria（2017）观测的比例为 34:11:1（Fierro, et al,

374 2018），对运行最初 9 个月（2017 年 12 月―2018 年 8 月）观测的比例为 42:16:1（Rudlosky, 21

375 et al, 2019）。此外发现，就整个台风和外雨带而言，LMI event 是 WWLLN stroke 数量的大

376 约 3 倍，LMI group 与 WWLLN stroke 数量接近。但内核的 LMI event 是 WWLLN stroke 数

377 量的 6 倍，LMI group 是其数量的 2 倍。内核区域 LMI:WWLLN 的比例高于外雨带和整个

378 台风区域，再次说明卫星观测到台风内核可能具有更多的云闪活动，这与图 9 的分析结果相

379 一致。

380 表 1 超强台风山竹（2018）登陆过程中，LMI 与 WWLLN 探测的闪电数目 381 (登陆过程为 2018 年 9 月 14 日 0000 UTC 至 9 月 17 日 1200 UTC，两种数据选用相同的台风范围) 382 Table 1 Lightning numbers detected by LMI and WWLLN during the landfall period of Super Typhoon Mangkhut 383 (2018) 384 (The landfall period was from 0000 UTC 14 to 1200 UTC 17 Sept 2018. The two datasets were selected within the 385 same definition of storm range) 区域 平均范围 WWLLN LMI （km） Strokes Flashes Events Groups Flashes 内核 0~100.0 146 110 879 301 73 外雨带 260.7~490.0 30339 17368 79626 23207 5405 台风 0~490.0 30918 17777 81345 23818 5571

386 6 总结

387 基于 FY-4A LMI 对 2018 年超强台风山竹登陆过程的观测，结合中国气象局台风最佳路

388 径资料、Himawari-8 卫星高分辨率亮温资料和华南区域组网雷达组合反射率资料，详细分

389 析了台风全闪活动的时空分布特征，以及闪电活动与台风对流之间的演变关系。此外，利用

390 WWLLN 闪电定位资料比较了两种系统所揭示的台风闪电时空分布特征差异，并检验了 LMI

391 对我国登陆台风闪电和对流活动的监测能力。研究结果表明：

392 （1）LMI 对山竹登陆过程（85 h）的闪电活动进行了有效观测，台风进入南海后闪电活

393 动开始增强，闪电密度最大值出现在海南岛以东洋面以及海南南部和广东东南部的近海区域，

394 台风登陆后闪电密度迅速减小。LMI 观测的 event、group、flash 闪电密度空间分布特征一致，

395 闪电密度高值区与卫星观测的云顶亮温低值区较为吻合。

396 （2）台风登陆期间闪电活动呈现三个活跃期，且内核和外雨带闪电活动特征存在差异。

22

397 内核闪电具有阶段性变化，台风增强阶段内核闪电活动迅速增强且主要发生在眼壁；台风达

398 到最大强度时内核闪电爆发，爆发开始时刻提前台风最大强度约 4 h，表明了内核闪电活动

399 对台风强度变化的指示作用；台风登陆后内核闪电活动迅速较弱。外雨带闪电频次和闪电密

400 度在登陆前 12 h 迅速增强，并在登陆后达到峰值，登陆减弱阶段的外雨带闪电密度远远超

401 过登陆之前的最大强度阶段。登陆期间闪电活动的三圈分布特性与前人研究结果相一致，体

402 现了台风不同区域对流特征以及动力和微物理过程的差异。

403 （3）LMI 观测的台风闪电频次与云顶亮温存在较好的相关性。登陆之前的两次闪电活跃

404 期均对应 TBB 的明显下降。特别是内核闪电爆发时 TBB 中值达到最低值（-80℃），表明

405 台风内核对流的增强以及深对流的发生。台风登陆后亮温迅速升高，表明整体对流的减弱，

406 闪电主要发生在外雨带亮温较低的强对流单体中。雷达观测显示，台风登陆后眼区和外雨带

407 回波逐渐减弱，闪电活动主要发生在雨带外侧和后侧的反射率大值区。LMI 观测到的闪电

408 发生位置与 Himawari-8 卫星观测的云顶亮温低值区、雷达观测的组合反射率强回波区具有

409 较好的空间对应关系，验证了 LMI 对台风闪电和强对流的较好监测能力。

410 （4）与 WWLLN 资料的对比显示，台风山竹登陆期间，LMI 和 WWLLN 观测的台风闪

411 电活动的空间分布和时序演变特征基本一致，闪电频次之间存在较好相关性（相关系数为

412 0.7），两种系统都能够反映出我国登陆台风闪电活动和强对流活动的变化特征。由于卫星

413 的全闪电观测能力，LMI 在揭示台风内核较高比例的云闪活动方面具有优势。

414 FY-4A LMI 能够对观测区域内的全闪电进行有效探测，实现对雷暴系统发生、发展的连

415 续、长时间和大范围实时监测，这将对中国及其沿海地区强对流天气的监测和预警提供重要

416 信息。LMI 闪电资料与其他卫星气象观测资料（雷达、可见光、红外和微波）的结合，将

417 使现有预报工具更加完善，必将在未来产生大量新的研究和应用。

23

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