1 引言

自Black et al.（1986）观测到飓风Diana中有闪电发生以来，学者们开始关注热带气旋（tropical cyclone，以下简称TC）中的闪电活动，以研究TC内部对流结构演变和强度变化（Black et al., 1994；Heymsfield et al., 2001）。TC闪电密度沿径向方向呈“高—低—高”的三圈空间分布，分别对应TC内核区、内雨带区和外雨带区（Cecil et al., 2002；Cecil and Zipser, 2002; 潘伦湘等, 2010; Zhang et al., 2012）。外雨带区闪电较活跃，但某些时期，眼壁附近闪电也会突然增加（Lyons and Keen, 1994），眼壁闪电的爆发不仅与TC强度变化和眼壁置换有关（Molinari et al., 1999; Squires and Businger, 2008; 潘伦湘等, 2010; Fierro et al., 2011），还与TC路径转向有关（Zhang et al., 2012）。

不少专家就TC闪电活动与TC强度的关系展开研究，指出TC闪电活动与TC强度具有较高的正相关（Price et al., 2009; Pan et al., 2014），并且闪电密度峰值超前于TC强度峰值出现（Price et al., 2009）。强度较弱的TC的闪电密度较高（Cecil and Zipser, 1999; Abarca et al., 2011；Zhang et al., 2015），而强TC中的过冷水被冰晶核化，不利于起电过程的发生（Rakov and Uman, 2003）。此外，闪电活动还与TC强度变化有关，TC增强和减弱的速度不同时，内核区对流强度参数分布特征不同（Jiang, 2012），大西洋飓风增强时内核区的闪电密度大于减弱时，而外雨带区闪电密度无明显变化（Abarca et al., 2011），TC快速增强和快速减弱前后，内核区闪电密度分布差异较大，相对于外雨带区而言，内核区闪电活动能更好的预报TC快速增强过程（Zhang et al., 2015）。也有学者得出外雨带区闪电活动与TC强度变化的关系比内核区明显，认为外雨带区闪电活动比内核区更能较好的预报TC的强度变化（DeMaria et al., 2012）。已有研究表明，闪电密度、TC强度以及TC强度变化之间具有一定的相关，但是不同学者得出的研究结论有差异（Thomas et al., 2010; Fierro et al., 2011; Pan et al., 2014; Zhang et al., 2015）。一个可能原因是大西洋和太平洋TC中的对流活动的物理过程有所不同，另外，因为学者从不同的角度来探讨闪电活动和TC强度的关系。

近年来，西北太平洋地区强台风频发，其猛烈风力及引起的大规模风暴潮给沿海国家和地区造成严重破坏。2013年，超强台风“Soulik”(1307)、“Utor”(1311)、“Usagi”（1319）、“Haiyan”（1330）登陆，其中“Haiyan”登陆菲律宾，造成数千人死亡，直接经济损失数千亿美元，是有气象记录以来登陆时强度最强的台风。2014年，南海北部出现了3个强台风等级以上的TC，“Rammasun”（1409）以绝对优势成为1973年以来登陆中国华南最强的台风。因此，研究该地区TC中的闪电活动特征，具有重要的科学意义，同时有助于提高TC路径和强度预报水平，增强防台减灾能力。本文利用2005~2014年10年时间序列的全球闪电定位网（WWLLN）资料、中国气象局上海台风研究所（CMA-STI）整编的“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”资料，分析西北太平洋地区TC闪电活动的时空分布特征，探讨TC闪电活动与气旋强度变化的关系。

2 资料和方法 2.1 闪电资料

本文所用的闪电定位资料来源于WWLLN，该网由美国华盛顿大学地球与空间科学中心负责建设。目前，已在全球建立68个探测站（Virts et al., 2013），通过探测闪电发生时甚低频（3~30 kHz）波段的脉冲信号，利用时间到达法对闪电进行定位。该网可对全球闪电进行实时监测，其空间探测精度为10 km，时间精度为30 ms。

随着探测站点的增加和定位算法的升级，WWLLN的探测效率逐年增加。利用2005~2014年LIS/OTD闪电资料，评估WWLLN对西北太平洋区域闪电活动的探测效率，发现WWLLN探测效率由2005年的4.3%提高至2014年的18.9%。本文在统计TC闪电时，利用LIS/OTD闪电资料对WWLLN资料进行逐年修正，修正因子为探测效率的倒数。

2.2 热带气旋资料

热带气旋资料来自中国气象局“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”，该数据集提供了TC每6 h中心位置、强度、中心最低气压和中心最大风速等信息。Corbosiero and Molinari（2002, 2003）将该6 h称为单独时间段（individual time period，以下简称ITP）。利用三次样条插值法将TC中心位置和强度信息插值为逐小时数据，并用TC定位时刻前后30 min内的WWLLN数据代表该小时内的闪电。TC半径取600 km，并沿径向分为三个区域：内核区0~100 km、内雨带区100~200 km和外雨带区200~600 km（Pan et al., 2014）。由于TC中心在洋面上和登陆后的对流活动的物理机制有所不同，本文只讨论TC在洋面上的闪电活动。

TC强度根据国家标准《热带气旋等级》（GB/ T19201-2006）分为热带低压（TD）、热带风暴（TS）、强热带风暴（STS）、台风（TY）、强台风（STY）及超强台风（SuperTY）六个等级。

3 闪电活动时空分布特征

2005~2014年，西北太平洋地区共生成228个强度热带低压以上的TC（包括54个TS、50个STS、34个TY、40个STY和50个SuperTY），所统计的TD、TS、STS、TY、STY和SuperTY强度等级的ITP样本数分别为1262、1190、765、775、525和291。在这228个TC中，WWLLN共监测到闪电3958732次，其中内核区、内雨带区及外雨带区发生的闪电数分别占11.2%、9.8%和79.0%。

图 1给出了2005~2014年TC闪电活动的年际变化。由图 1a可见，平均单位TC的闪电频数按年际震荡分布，2005年、2008年、2010年和2012年平均单位TC的闪电频数较高，2007年、2009年、2011年和2013年较低。从各年平均单位ITP的闪电频数分布来看，整体分布趋势与单位TC闪电频数的分布一致，其中2005年出现的最大值为2011年最低值的2.7倍。从TC各强度等级平均闪电频数年际变化来看（图 1b），TD和STY时的闪电活动年际分布较为一致，平均闪电频数峰值出现在2008年、2010年及2013年，谷值出现在2007年、2009年及2011年。除2005年外，TS时的闪电活动年际变化较平缓，谷值出现在2006年和2011年，最低为3782 fl (6 h)^-1（fl为flashes的简写，这里表示闪电次数）。STS和TY等级，闪电活动年际分布较为一致，2005年、2008年、2012年闪电频数较高，而2007年、2009年及2013年较低，不同的是，STS等级在2010年出现一个较高的闪电频数峰值。SuperTY等级，2005~2007年平均闪电频数相对较低，随后，闪电活动震荡分布，2008年、2011年及2014年较高，2009年及2013年较低。总体而言，各强度等级的TC均呈震荡分布，除TS外，2005~2009年各强度TC的闪电活动年际变化较为一致，2010~2014年各强度TC闪电分布差异明显。

从各月平均闪电频数分布来看（图 2），呈先增加后减少的变化趋势，1~4月，闪电频数缓慢增加，5~8月闪电活动快速增强，8月闪电频数最高，单月TC闪电频数为863906 fl m^-1。9~12月闪电活动逐渐减弱。从各月平均单位ITP的闪电频数变化来看，整体变化不如单位TC的闪电频数逐月变化明显。夏半年（4~9月）中除5月外，单位ITP的平均闪电频数相对接近，最高为11821 fl (6 h)^-1，是最低时（5月）的1.8倍。冬半年（10月至次年3月），除11月单位ITP的平均闪电频数较高外，其余均低于夏半年。总体而言，夏半年TC闪电活动较冬半年剧烈。

图 3为TC平均闪电频数日变化。从图中可以看出，闪电活动呈单峰分布，平均闪电频数峰值出现在12:00（地方时，下同），谷值出现在06:00。06:00~12:00闪电频数逐渐增加，达到峰值后，闪电活动略有减弱，14:00~18:00闪电活动强度保持稳定。夜间，闪电活动减弱，凌晨出现短暂的维持后继续减弱，至凌晨06:00平均闪电频数降至最低。总之，09:00~18:00闪电频数相对较高，00:00~07:00闪电频数相对较低。闪电频数峰值和谷值出现的时间与Pan et al.（2013）所统计的西北太平洋地区闪电活动日变化极值出现的时间基本一致，但是其得出的00:00有一闪电密度次峰值，在TC闪电活动中没有体现。

图 4为距TC中心600 km内平均闪电密度空间分布。由图 4a可见，闪电密度随径向距离的增加而单调下降（虚线），内核区闪电密度最高，峰值超过80 fl km² a^-1，距TC中心100 km外的闪电密度降至20 fl km² a^-1以下，此后，随着半径增加，闪电密度变化平缓。这种分布形式，与Molinari et al.（1999）得出的三圈分布结构不同，在所统计的228个TC中，单位TC的闪电总数最高为105694 fl，最低为64 fl。在20 km环形区内，单位ITP的闪电频数最高为7371 fl (6 h)^-1，最低为0 fl (6 h)^-1。为避免少数样本中的闪电密度极值影响总体的统计特征，使每个样本具有相同的统计权重，对闪电密度进行归一化处理。归一化方法参照Stevenson et al.（2016），具体步骤如下：

（1）将距TC中心600 km区域沿径向方向分为30等份，每份为半径20 km的环形区域，分别统计每个TC中各环形区的闪电密度M_ij，其中，i=1~228为TC样本，j=1~30为沿TC径向方向的环形区域；

（2）将每个样本下的30个环形区域内的闪电密度0~1归一化，${N_{ij}} = ({M_{ij}} - {M_{i{\rm{min}}}})/({M_{i\max }} - {M_{i{\rm{min}}}})$；

（3）分别求30个环形区内归一化后的闪电密度的和：${N_j} = \mathop \Sigma \limits_{i = 1}^{228} N{}_{ij}$；

（4）将N_j再一次0~1归一化。

从统计结果可以看出（图 4a，实线），TC闪电活动呈双峰分布，内核区闪电活动相对较强，峰值出现在距气旋中心20~40 km内；内雨带区闪电活动较弱，最低值出现在100~120 km内；外雨带区闪电活动也较强，且随径向距离的增加，闪电活动增强。

在228个TC样本中，177个（78%）TC的闪电密度呈三圈分布结构，而剩余的51个TC中，TC闪电密度无规则分布或内核区无闪电发生，其中最大强度在TY以下的有39个，最大强度为SuperTY的仅1个，说明TC闪电密度径向分布与其所能发展到的最大强度有关，强度较强的TC闪电密度更易出现三圈分布特征。

TC径向三圈分布结构在闪电活动的空间合成分布中也较明显（图 4b），在TC中心附近，存在一个弱的高值区；距中心200 km附近，闪电密度值最低；外雨带区，闪电密度极值高于TC内核区和内雨带区。此外，从图 4b中还可以看出，TC闪电密度呈不对称分布，南侧的闪电密度远高于北侧。外雨带区，径向距离增加，TC南侧的闪电密度值也增加，最大值出现在TC南侧500~600 km之间；TC北侧，闪电密度值较低，且随径向距离的变化不明显，整个外雨带的闪电密度低值区也出现在此处。

4 闪电活动与TC强度变化

图 5为TC增强（$\Delta {V_{{\rm{max}}6}}$＞0 m s^-1，1565个ITP）、减弱（$\Delta {V_{{\rm{max}}6}}$＜0 m s^-1，595个ITP）以及强度稳定（$\Delta {V_{{\rm{max}}6}}$=0 m s^-1，2648个ITP）时闪电密度分布，$\Delta {V_{{\rm{max}}6}}$表示6 h内TC中心最大风速变化。闪电密度的计算如下，逐个统计228个TC样本强度变化时，不同强度等级的闪电密度，分别将各样本的结果进行0~1归一化，再分别求TC各强度时的平均闪电密度，最后再将统计结果0~1归一化。由图可见，强度稳定阶段的ITP数最多，占55%，强度减弱阶段的ITP数最少，仅占12%，可能原因是TC在洋面上时大部分处于较为稳定的发展阶段（Zhang et al., 2015），而TC减弱可能在近海及TC登陆期间发生。TC增强时（图 5a、5b），内核区和外雨带区闪电密度随气旋强度的发展呈不同的变化趋势。内核区，闪电密度首先随TC的增强而降低，在STS等级，内核区闪电密度最低。随后，闪电密度快速增加，TY至STY强度时，内核区闪电活动强度总体变化并不明显，均强于TD等级。SuperTY等级，闪电密度进一步增加至最大。外雨带区，TC增强时的闪电密度整体弱于内核区，且随着TC强度的增强而逐渐降低，SuperTY时的闪电密度值最低。

TC减弱时（图 5c、5d），内核区的闪电活动较外雨带区弱。内核区，闪电活动随TC强度变化的分布与TC增强时一致，呈先减小后增加的变化趋势，且STS时，内核区闪电密度最低，而SuperTY时，闪电密度值最高。外雨带区，TC不同强度等级的闪电密度分布无规则，TD等级，闪电密度值最小，而TS等级则骤增至最大，STS至TY时，闪电密度又降低，随后闪电密度逐渐增强，STY至SuperTY时的闪电密度值仅低于TS等级。

TC强度稳定时（图 5e、5f），内核区闪电密度变化无规则，TD至STS等级，闪电密度逐渐减小，但是TY时闪电密度突然升高，超过了TD时的值，STY等级时的闪电密度陡降，其值与STS接近，而SuperTY时又骤增至最大。外雨带区，闪电密度变化呈先减小后增加的趋势，TD时的闪电密度相对最高，随后逐渐减小，至TY时降至最低，STY至SuperTY时，外雨带区闪电密度略有增大，但仍低于TD和TS强度等级。

参考Kaplan and DeMaria（2003）和Shu et al.（2012）对TC的分类标准，根据24 h内TC中心最大风速的变化，将TC强度变化分为三类：快速增强RI（Rapid Intensification, $\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$≥15 m s^-1）、一般变化AIC（Average Intensity Change, -20 m s^-1＜$\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$＜15 m s^-1）和快速减弱RW（Rapid Weakening, $\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$≤-20 m s^-1）。分别讨论三类不同强度变化时TC内核区和外雨带区的闪电密度变化。闪电密度归一化方法与图 5类似，使得所统计样本的权重相同。由图 6可见，不论TC处于何种强度变化阶段，内核区闪电密度高于外雨带区。在内核区，TC快速增强时的平均闪电密度最高；强度快速减弱时，内核区的闪电活动较弱，闪电密度远低于快速增强时；强度一般变化时，内核区闪电密度略低于快速增强时。与内核区不同，TC强度一般变化时外雨带区的闪电密度最大，TC快速增强时的闪电密度反而减小，强度快速减弱时的闪电密度远低于强度一般变化时。Zhang et al.（2015）指出$\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$介于15~25 m s^-1之间时，闪电密度最高，而$\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$≥25 m s^-1时，内核区和外雨带区的闪电密度均降低。对TC强度变化进一步细分发现，$\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$≥25 m s^-1时，内核区的闪电密度最高，而外雨带区闪电密度则快速减至最低（图略），这与Zhang et al.（2015）统计结果略有不同，主要是因为$\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$≥25 m s^-1样本数相对较少，而2013和2014年在4次SuperTY中$\Delta {V_{{\rm{max}}24}}$≥25 m s^-1时的内核区闪电活动非常剧烈，该阶段的闪电密度值远高于其他阶段，使得整个统计值升高。

从气旋强度变化时有闪电出现的ITP数统计来看（表 1），发生快速减弱的ITP数最低，均出现在TC较强时，TD至STS等级无快速减弱过程发生。TC强度一般变化的ITP样本数最多，占总样本的95%，主要发生在TD和TS等级，且随TC的增强，强度发生一般变化的ITP样本数下降，SuperTY时仅为TD时的21%。TC快速增强过程主要出现在TS至TY等级，SuperTY时发生快速增强过程的样本数最少，仅占快速增强样本数的1%。该统计结果与Jiang（2012）和Zhang et al.（2015）所得结论一致。

图 7给出了TC快速增强、快速减弱及一般变化前后，内核区、外雨带区和TC 600 km影响区域内闪电密度分布。闪电密度也进行了相似方法的归一化。从图中可以看出，内核区闪电活动较外雨带和整个TC影响区域剧烈，且无论在哪个区域，TC快速减弱前后的闪电活动远弱于相应的快速增强和一般变化过程。在TC内核区（图 7a），气旋快速增强前24 h，闪电活动减弱，随着气旋快速增强过程的到来，闪电活动开始加剧，并在快速增强过程结束12 h后，闪电密度达到最大。TC强度发生AIC前，内核区闪电活动也随着AIC的临近而减弱，当AIC发生时，内核区闪电活动增强，随后保持稳定，直至AIC结束24 h后，内核区闪电密度基本无变化。TC强度快速减弱前24 h，内核区闪电活动开始减弱，至TC快速减弱24 h后，内核区基本无闪电发生。

从外雨带闪电密度变化来看（图 7b），TC快速增强前，外雨带区闪电密度变化很小，闪电活动强度稳定；TC快速增强过程中，外雨带区闪电密度略有增加；至快速增强结束后12 h，闪电密度最大。从强度发生AIC前24 h内至AIC发生时，外雨带区的闪电活动逐渐减弱；随后24 h内，闪电密度无明显变化。快速减弱过程发生前24 h内，外雨带区闪电密度很小，闪电活动持续减弱；随着快速减弱过程的到来，外雨带区基本无闪电发生，直至快速减弱过程结束24 h后。距气旋中心600 km区域内（图 7c），TC快速减弱、快速增强及一般变化前后的闪电密度随时间的变化关系与外雨带区基本一致。

以上分析可见，TC快速增强及AIC前后，内核区闪电活动随时间的演变差异较明显，表明内核区闪电活动对TC强度变化具有一定的指示作用。内核区，TC快速增强过程结束后12 h，闪电密度最大，再一次表明TC强度增强过程中内核闪电密度的增加，可能预示着增强过程即将结束（DeMaria et al., 2012; Zhang et al., 2015）。

5 结论和讨论

利用2005~2014年的WWLLN闪电实时定位资料、中国气象局提供的TC资料，分析了西北太平洋地区近10年内228个TC的闪电活动时空分布特征及其与气旋强度变化的关系。研究结果表明：

（1）TC闪电活动按年际震荡变化，除TS外，2005~2009年不同强度等级TC的闪电活动年际变化较一致，而2010~2014年的差异较明显。夏半年闪电活动较冬半年强，闪电活动日变化呈单峰分布，上午06:00~12:00闪电频数逐渐增加，峰值出现在12:00。午后至夜间，TC中的闪电频数逐渐降低，并在早晨06:00降至最低。

（2）闪电密度呈明显的三圈分布结构，距TC中心0~100 km的内核区和距中心200~600 km的外雨带区闪电密度较高，距中心100~200 km内雨带区的闪电密度最低。TC闪电密度呈不对称分布，南侧闪电密度高于北侧，且径向距离越大，闪电密度越高，最大值出现在TC南侧500~600 km区域内。

（3）TC强度增强时，内核区闪电密度随气旋强度的增强逐渐降低，并在STS等级闪电密度最低，随后逐渐增加，SuperTY时闪电密度最高。外雨带区闪电密度随气旋强度的增强而单调减小。TC强度减弱时，内核区闪电密度随气旋强度的演变与增强时一致。外雨带区闪电密度变化无规则，TD强度等级时最低，而TS时最高。TC强度稳定时，内核区闪电密度变化无规则，TY和SuperTY时闪电密度较高，而STS和STY时较低。外雨带区闪电密度随气旋强度的增强逐渐减小，在TY等级降至最低，STY至SuperTY时闪电密度略增加。

（4）TC内核区闪电密度高于外雨带区。内核区，TC快速增强时的闪电密度最高，而快速减弱时最低；外雨带区，TC强度一般变化时的闪电密度最高，快速减弱时最低。快速减弱过程一般发生在强TC（TY、STY和SuperTY）中；强度发生一般变化的样本数随TC的增强而减小；快速增强过程主要出现在中等强度的TC中（TS、STS和TY）。

（5）TC强度变化前后，内核区闪电密度随时间的变化比外雨带区和TC整个影响区域明显。无论TC的哪个区域，强度快速减弱前后24 h内的闪电密度均低于快速增强和AIC过程。在外雨带区和TC整个影响区域，TC快速增强过程发生前24 h内和AIC开始发生至结束24 h后，闪电密度随时间的演变无明显变化。总体而言，内核区闪电活动与TC强度变化的关系最显著，尤其是快速增强过程，说明TC内核区闪电活动对TC强度的快速增强具有较好的指示意义。

TC闪电密度沿径向表现为典型的三圈分布结构，内核区和外雨带区闪电密度较高，而内雨带区闪电密度较低，再次验证了Molinari et al.（1999）的结论。DeMaria et al.（2012）得出大西洋和东太平洋飓风中的闪电活动沿径向距离的增加而单调降低，他认为这是因为不同飓风的水平尺度差异较大，在统计闪电密度时，尺度大的强飓风的内核区和尺度小的弱飓风的内雨带区重叠，使得所统计的内雨带闪电密度增加。另一个原因可能是不同TC个体中对流活动强度差异较大，这种差异不仅体现在TC闪电总数上，也体现在内核区和外雨带区的闪电分布上。如，“Katrina”（2005）、“Rita”（2005）和“Haiyan”（2013）等内核区闪电活动非常强，而外雨带区的闪电活动则较弱（Squires and Businger, 2008; Wang et al., 2016）。某些TC的外雨带区闪电活动强而内核区闪电活动弱，如，“Chanchu”（2006）、“Sinlaku”（2008）等（潘伦湘等，2010）。还有一些TC中的闪电分布是紊乱的。以上原因造成统计时高值区和低值区被平均了。此外，强TC闪电活动的三圈结构比弱TC明显，其内核区对流活动更强，内雨带区更弱，而一些闪电紊乱分布的TC，其能发展到的最大强度均较低（Abarca et al., 2011）。TC闪电密度在方位上的不对称分布，主要受850 hPa至200 hPa之间环境风垂直切变的影响（Wang et al., 2016）。Stevenson et al.（2016）指出，环境风垂直切变使得外雨带区闪电向顺切变的右侧集中。西北太平洋地区，平均环境风垂直切变方向指向偏东方向（Chen et al., 2006），使得外雨带区闪电在TC南侧高于北侧。此外，西北太平洋地区TC移动方向主要分布在正西至正北之间，TC移动前方的闪电密度反而较低，这与Corbosiero and Molinari（2003）得出的结论不同。

TC内核闪电活动与气旋强度变化的关系比外雨带区显著，这与Zhang et al.（2015）所得的结论一致。不同的是Zhang et al.（2015）指出，TC强度快速增强前，内核区闪电活动开始减弱，并且，这个减弱过程一直持续至TC快速增强结束。本文通过对10年的TC闪电活动的分析发现，TC快速增强前，内核区闪电活动确实有所减弱，但一旦快速增强发生，内核区的闪电活动则开始加剧，并一直持续至快速增强过程结束12 h后。可能与TC快速增强时眼壁闪电爆发有关。同时，TC快速增强过程发生前，外雨带区闪电活动保持稳定，说明TC闪电活动虽然对强度快速增强具有一定的响应，但不能为预报快速增强过程提供可靠的参考信息。

致谢: 感谢华盛顿大学地球与空间科学中心提供的WWLLN闪电资料以及中国气象局提供的热带气旋强度和位置资料。