应用气象学报  2010, 21 (2): 157-163   PDF    
引用本文
王艳, 张义军, 马明. 卫星观测的我国近海海域闪电分布特征[J]. 应用气象学报, 2010, 21(2): 157-163.
Wang Yan, Zhang Yijun, Ma Ming. Lightning Activities in China Offing Sea Area Observed by Satellite based Lightning Imaging Sensor[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(2): 157-163  
卫星观测的我国近海海域闪电分布特征
王艳1,2, 张义军1, 马明1     
1. 中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室，北京 100081;
2. 武汉中心气象台，武汉 430074
2009-02-24 收到, 2010-01-18 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目“闪电活动与雷暴云宏、微观特征的相关性研究”（40705001)资助    
摘要: 利用星载闪电探测仪OTD（optical transient detecter）和LIS(lightning imaging sensor)所获取的1995年6月—2006年4月的卫星闪电资料，结合NOAA Optimum Interpolation SST 海温资料，分析我国近海海域的闪电分布时空特征以及闪电活动与该海域海温之间的相关性。结果表明：我国近海闪电密度平均值为3.39 fl·km-2·a-1，其中，南海和渤海的闪电活动相对频繁，随着与海岸线间距离以及纬度的增加，该海域闪电密度逐渐下降；在春季和冬季，黑潮主干海域的海温值相对较高，该处闪电活动也明显强于同纬度的东海近海和太平洋海域，表明黑潮海域是强闪电活动区；在季节变化上，我国近海海域闪电活动与同海域海温呈明显正相关，相关系数达0.797，闪电活动与海温变化体现出了一致的变化趋势；而在年际变化上，我国近海海域闪电活动与该海域海温的线性相关不显著，说明我国近海海域海温的年际变化并不是引起该海域闪电活动年际变化的主要原因。
关键词: OTD/LIS    闪电    海温    近海海域    
Lightning Activities in China Offing Sea Area Observed by Satellite based Lightning Imaging Sensor
Wang Yan1,2, Zhang Yijun1, Ma Ming1     
1. Laboratory of Lightning Physicsand Protection, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;
2. Wuhan Central Meteorological Observatory, Wuhan 430074
Abstract: Using observation data of the optical transient detector and the lightning imaging sensor on satellites from April 1995 to April 2006, the spatial and temporal distribution of lightning activities in China offing sea area (including the Bohai Sea, the Yellow Sea, the East China Sea, the South China Sea and some parts of the Pacific in China's terrestrial sea) are statistically examined. The relationship between the lightning activities and the sea temperature is also studied by combing those data with the reanalysis data from the NOAA optimum interpolation SST. The result indicates that the average flash densities in China offing sea area is 3.39 fl·km-2·a-1, which is about 5 times higher than the global ocean average value. The high flash density areas are mostly in the boundary of the land and the sea, especially in the sea areas around the islands, indicating the difference of lightning activity between the sea alongside land and the ocean. The lightning activities in the Bohai Sea and the South China Sea are more frequent than those in the Yellow Sea and the East China Sea. There is a clear tendency that the flash density in China offing sea area decreases gradually with the increasing of latitude and the distance off the coast. The flash densities in the sea around the Taiwan Island and the Bohai Sea are the highest. The lightning activity is most frequent in summer, then spring, and in winter it is rare. The sea temperature in the black tide area is higher in winter and spring, and the lightning activity is more frequent than the East China Sea and parallel ocean sea areas, indicating that the black tide area is a strong lightning activity area. The annual and diurnal change of lightning activities in China offing sea area take on a similar changing trend as that on the land of the same latitude. For the lightning activities of the Bohai Sea and the East China Sea, there's one single peak, while in the South China Sea and the Yellow Sea, lightening activities take on the similar double peak trends as those in the land of subtropical zone. The lightning activities' annual change is obviously positively correlated to the sea temperature in China offing sea area. But the flash activity is insensitive to the annual change of the sea temperature, indicating that the sea temperature's annual change isn't the main cause for lightning activities' annual change.
Key words: OTD/LIS     lightning activity     sea temperature     China offing sea area    
引言

雷电活动气候分布是一个地区基本气候特征之一[1]，我国幅员辽阔，地形地貌复杂多样，并且气候受到大尺度地形及海陆分布等地理环境的影响[2-4]，导致各地闪电活动差异较大[5]，同时我国的雷电灾害也比较严重，因此研究分析我国不同地区闪电活动气候特征有积极意义。20世纪90年代以来，新型卫星探测器光学瞬态探测器 (optical transient detector，简称OTD)[6-8]、闪电成像传感器 (light-ningimagingsensor，简称LIS) 可以日夜不间断监测闪电信号[9-10]，据此，马明等[11-12]分析了我国及周边地区的闪电密度气候分布，发现在1997—1998年我国不同地区的闪电活动对ElNi珘no事件有不同程度的响应；郄秀书等[13]分析了青藏高原中部地区的闪电活动特征，发现了青藏高原闪电活动的特殊性；戴建华等[14]分析了长江三角洲地区的闪电活动特征。Christian等[15]分析全球闪电活动特征，发现全球闪电活动的闪电密度气候分布差异；Christian等[16]发现全球海陆闪电密度相差一个数量级，而海洋和陆地上平均每个雷暴的闪电频数分别为1.9fl/min和3.8fl/min，只是2倍的关系，热带陆地雷暴各个单体间距与海洋上的差异显著，雷暴单体发生密度海陆比为1:6.23，两者乘积与海陆闪电密度比1：10较吻合；Hamid等[17]发现1998年3月ElNi珘no期间与1999年3月正常期相比，印度尼西亚陆地上表现为雷暴数减少和闪电次数增加，认为ElNi珘no期间出现更强的海陆风环流、雷暴云发展到更高的高度及更厚的冰相降水区域。值得注意的是，OTD/LIS是采样式观测，显然积累和分析更长时间的卫星闪电观测记录，将能更可靠地反映全球和区域的雷电气候分布与变化的真实情况。以往对我国闪电气候特征分析多用是5年或8年资料，而对我国近海海域的闪电特征及其与海温的关系分析相对较少，因此本文着重于利用更长时期内 (11年，一个完整的太阳活动周期) 的卫星闪电数据，分析我国近海海域闪电活动的空间分布、年变化和日变化的气候特征，进一步对比分析我国近海海域闪电活动与同时期该海域海温之间的关系。

1 资料

本文使用的闪电资料来自美国的全球水文资源中心 (简称GHRC)，由OTD和LIS观测获取，这两种仪器探测的是总闪，不区分云闪和云地闪。GH-RC提供了经过订正的卫星闪电观测资料集 (2.2版本)。该资料集包括了OTD观测的1995年4月—2000年3月全球80°S 80°N闪电资料和LIS观测的1997年12月—2006年4月全球37°S 37°N的闪电资料，闪电密度的定义为：每年每平方公里上发生的总闪电次数 (包括云闪和云地闪)，该值能较精确地反映全年雷电活动数量，单位是fl·km-2·a-1。该资料集有高分辨率 (0.5°×0.5°) 和低分辨率 (2.5°×2.5°) 两种：高分辨率年变化气候资料 (HRFC)，用来分析海域闪电密度的空间分布以及闪电密度随经纬度的变化；低分辨率年变化气候资料 (LRAC)，用来分析海域闪电密度的季节分布和年变化；低分辨率日变化气候资料 (LRDC)，用来分析海域闪电密度的日变化；低分辨率逐月气候资料 (LRMTS)，用来分析海域闪电密度的逐季变化。

NOAA Optimum Interpolation SST 1°×1°月平均海表温度格点资料由NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center (CDC) 提供。选择时段为1995年6月—2006年4月，资料分辨率为1°×1°，用来分析近海海域海温的季节变化和海温的逐季变化。在求海温与总闪密度相关时，由于海温资料分辨率是1°×1°，而闪电资料分辨率是2.5°×2.5°，因此在闪电密度与海温相关性分析中将海温的资料转化为2.5°×2.5°的分辨率范围，与总闪密度进行相关性分析。

本文的分析区域为我国近海海域，其中包括渤海 (37° 41°N，117° 120°E)、黄海 (31° 39°N，119° 126°E)、东海 (23° 33°N，117° 130°E)、南海 (10° 23°N，110° 120°E) 及部分位于我国领海内的太平洋海域 (位置大约在0° 23°N，120°130°E)，由于渤海纬度跨越37° 41°N，LIS观测不能涵盖上述范围，因此对渤海的相关分析资料只用到OTD提供的5年累积资料；海陆分界采用的是0.5°×0.5°精确的海陆区分，由于资料的格点划分，在海域与岛屿的交界处会有部分岛屿部分作为海域部分处理。

2 我国近海海域闪电密度空间分布特征 2.1 我国近海海域闪电密度空间分布

图 1给出1995年6月—2006年4月我国近海4个海域 (渤海、黄海、东海、南海)0.5°×0.5°的闪电密度空间分布。从图 1可知，我国近海的年闪电密度值大多在0.1 7fl·km-2·a-1之间，距离海岸线越远，大部分地区闪电密度值有所减小；闪电密度高值区 (4 7fl·km-2·a-1) 多分布在海洋与陆地的交界处，海岛周围海域中闪电密度较高，最高可达15fl·km-2·a-1。

为准确地了解各海域闪电活动特征，分别计算了近海4个海域和整个近海海域的闪电密度平均值。通过对比可知，我国近海海域的闪电密度平均值为3.39 fl· km-2 ·a-1，是全球海洋平均值0.68fl·km-2·a-1[11]的5倍，这是该海域闪电活动的一个显著特点，反映了陆缘海和大洋上闪电活动的明显差异。近海海域的闪电密度依次为南海 (4.22fl·km-2·a-1)、渤海 (4.21fl·km-2·a-1)、黄海 (2.52fl·km-2·a-1) 和东海 (2.28fl·km-2·a-1)。表明在我国的4个邻近海域中，以南海和渤海的闪电活动最为频繁，而黄海与东海相对较弱。渤海四周大部分被陆地所包围，陆地的影响占主要因素。

2.2 我国近海海域闪电密度随纬度和距海岸线距离的变化趋势

为进一步了解我国近海海域闪电密度在南北方向上的分布规律，统计了同期我国近海海域同一纬度上闪电密度平均值随纬度的变化 (图 2)，可见近海海域的闪电密度平均值随纬度的升高而振荡式降低，最大值和最小值分别为5.63fl·km-2 ·a-1(5.75°N处) 和1.25fl·km-2·a-1(30.25°N处)，两者相差4.5倍，在进入渤海区域时闪电密度有一个突然的升高，对应渤海区域较大的闪电密度。几个闪电密度峰值出现在16°N，39°N，11° 13°N，21.5° 23°N以及36°N处，分别对应我国台湾岛附近海域、渤海湾海域、南海海域、东海海域以及黄海海域，与近海海域的闪电密度空间分布 (图 1) 一致。

图 1. 我国近海4个海域闪电密度空间分布 (单位：fl·km-2·a-1) Fig 1. Spatial lightning distribution in China offing seaarea (unit:fl·km-2·a-1)

图 2. 闪电密度随纬度变化 Fig 2. Average flash densities change curve along with the latitude

同时，为进一步了解我国近海海域闪电密度随距海岸线距离 (东西方向) 分布的规律，以我国东南部海岸线为起点，将我国近海海域0.5°×0.5°的各格点距东南海岸线的最短距离称为各格点距海岸线的距离，按0.5°对距海岸线距离分档，对同档的各格点闪电密度进行平均，得出了近海海域闪电密度随距海岸线距离递增的变化曲线 (图 3)。图 3表明，我国近海海域的闪电密度随着与海岸线间距离的增加而逐渐降低，在500km以后闪电密度又有升高，并在720km后逐渐降低。在距海岸线400 450km海域，闪电密度平均值偏低，而到了距海岸线500900km的区域内却出现了一个高闪电密度区，密度值比临近海域高1 2倍。

图 3. 闪电密度随与海岸线间距离变化 Fig 3. Average flash densities change curve along with the distance off the coasting

3 我国近海海域闪电密度时间分布特征 3.1 我国近海海域闪电密度和海温季节分布特征

图 4给出了1995年4月—2006年4月我国近海海域0.5°×0.5°网格点的闪电密度季节分布。可以看出，我国近海海域的闪电活动在夏季达到最大，其次是春季和秋季，冬季最小；渤海的闪电活动表现出与我国大陆相近的明显的季节分布特征；南海的闪电密度在春、夏、秋季都较高，冬季有较大回落；黄海和东海的闪电活动季节变化相对渤海较为平缓，且闪电密度值较小。我国处在北半球且大部分地区位于东亚季风区，我国近海海域是受夏季风影响最强的地方，强劲的夏季风不但带来了丰沛的降水，同时也带来了大量的闪电活动，从而使海域中夏季的闪电占全年总闪电的绝大部分。春季的闪电活动明显强于秋季，但与夏季相比数量上约小1个量级。由图 4可以看到，在冬、春两季，我国台湾岛东侧至日本之间闪电活动相对同纬度海域明显偏高，此处为黑潮影响海域。黑潮发源于吕宋海峡东方的太平洋北赤道海流，在北端沿我国台湾岛东岸北上，到达日本列岛，具有高温、高盐等特征。利用月平均海表温度格点资料分析了1995年4月—2006年4月我国近海海域1°×1°网格点的海温季节分布 (图 5)，通过图 5发现：黑潮主干位置处的海温值相对较高，尤其在春季和冬季表现明显，同时黑潮区距海岸线500 900km，图 3也验证了该海域的强闪电活动。这表明：在黑潮主干海域其闪电活动要明显强于与其同纬度的东海近海和大洋海域，与文献[18]中报道的在冷空气入侵东亚海域时，沿岸冷海流上空出现弱对流云系，而在黑潮主干流域上空出现强对流云系一致，也进一步验证了马明等[12]提出的黑潮主干海域的闪电密度对ElNi珘no事件的响应以及黑潮暖流的高温、高盐特征对其流经海域强对流发展的显著影响。

图 4. 我国近海海域闪电密度季节分布 (单位：fl·km-2·a-1) Fig 4. Seasonal lightning distribution in China offing sea area (unit:fl·km-2·a-1)

图 5. 我国近海海域海温季节分布 (单位：℃) Fig 5. Seasonal distribution of sea temperature in China offing seaarea (unit:℃)

3.2 我国近海海域闪电密度年变化及日变化特征

表 1给出了近海4个海域 (渤海、黄海、东海、南海) 和整个海域中闪电密度最大值和最小值出现的月份及时刻。由表 1可以看出，我国近海海域的闪电活动在7月达到最大，低值分布在11，12，1，2月。对近海的闪电年变化特征来说，由于渤海、黄海、东海、南海都是近海，从近海海域闪电分布图也可以看出海岸线附近的海域中闪电密度较大，因此其年变化特征与其同纬度附近的陆地很相似，渤海和东海是与较高纬度陆地相似的单峰形式变化，闪电活动在6月和8月达到最大；而南海和黄海则是与副热带陆地相似的双峰变化形式，主峰分别出现在5月和7月。

表 1 我国近海海域闪电密度最大、最小值出现时间 Table 1 The month and moment of the maximal and minimum flash densities in China offing sea ares

在闪电密度日变化上，近海海域的闪电活动日变化相对比较平缓，峰值 (17：00，北京时，下同) 和谷值 (09：00) 比只有2.24，闪电活动在下午和凌晨相对较多。渤海的闪电峰值在17：00，谷值出现在03：00，表现出类似陆地的闪电活动日分布特征；南海的闪电主要与热带气旋有关，峰值出现在15：00，谷值出现在09：00;而黄海和东海闪电峰值出现在01：00和03：00，谷值出现在12：00和11：00，对这两个海域而言，海洋上大气层白天相对比较稳定，在正午出现闪电密度最小值，到了夜间，大气中水汽和云层辐射冷却，但海水热容量大，其温度降低很小，因此夜间大气层上冷下暖，对流比较易于发展，从而在凌晨形成闪电活动峰值。

4 我国近海海域闪电活动与海温相关分析

图 6是我国近海海域闪电密度和该海域海温逐季变化，结合图 4、图 5可以发现，在该海域季节变化的影响下，近海闪电密度与海温变化呈明显的正相关，相关系数为0.797。闪电密度与海温的峰值都出现在夏季，谷值都出现在冬季，闪电活动与海温变化体现出了一致的变化趋势。

图 6. 我国近海海域闪电密度和海温逐季变化 Fig 6. Seasonal change offlash densities and sea temperature in China offing sea areas

计算11年各季节海温距平与闪电密度距平，分析了两者年际变化关系，发现闪电密度距平变化与该海域海温距平变化没有明显的线性相关。

5 小结

1) 我国近海海域的闪电密度平均值是全球海洋平均值近5倍，闪电密度高值区多分布在海陆交界处，尤其是在海岛周围海域中，反映了陆缘海和大洋上闪电活动的明显差异。

2) 我国近海海域闪电密度均随纬度升高呈振荡式降低，随距海岸线距离的增加表现为递减-振荡递增-递减的趋势；闪电活动年变化和日变化表现出与其同纬度附近陆地相似的变化特征；黑潮主干位置处春季和冬季的海温值和闪电活动都明显强于同纬度的东海近海和大洋海域。

3) 我国近海海域闪电密度与该海域海温变化呈明显正相关，体现出一致的变化趋势；闪电密度距平变化与该海域的海温距平变化没有明显的线性相关。

我国海域面积广阔，深入考察这一区域的闪电活动特征对进一步了解我国闪电活动的气候特征有着重要的意义，本文分析的卫星闪电资料只覆盖了35°S 35°N范围，时段仅为1995年6月—2006年4月，因此有必要积累更长时间和更大空间范围的闪电卫星观测资料，结合更多的气象和闪电观测资料对全球和区域的闪电活动气候特征进行分析和理论探讨。

致谢 本文卫星闪电格点资料来自美国全球水文资源中心(GHRC)，由NASA LIS/OTD ScienceTeam 提供，NOAAOISST 资料由NOAA-CIRES Climate Dianostics Center提供，在此表示感谢。
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