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世界热带和温带地区闪电和雷暴活动的季节预报
Andrew J. Dowdy
雷暴是以闪电的发生为特征的对流系统。近年来，人们越来越多地研究了闪电和雷暴活动与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）以及其他各种大尺度大气和海洋天气模式的关系。大尺度天气数值模式系统有时可以提前几个月预测，这意味着有可能对世界各地的闪电和雷暴活动进行季节性预测。为了研究这一可能性，本文研究了世界热带和温带地区的季节性闪电活动与许多不同的大尺度模式的关系。在所研究的七种模式中，厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与每个季节的闪电活动关系最强，与其他模式的关系相对较小。在一年中的一个或多个季节，厄尔尼诺变异性（NINO3.4指数）的测量与53%的地点的局部闪电活动关系显著。大气参数的变化通常与雷暴活动有关，这为与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）有关的闪电活动的变化提供了一个合理的物理解释。结果表明，在世界各地，提前几个月准确预测闪电和雷暴活动是有可能的。
雷暴会对自然环境和建筑环境产生广泛的影响。与雷暴有关的闪电可直接导致人员伤亡和基础设施的损坏，并导致危险的发生，如火灾。闪电还可以通过产生活性氮（对流层羟基和臭氧的重要前体）来影响大气化学，以及瞬间发光事件（如红色精灵，光环和电喷射）的发生。雷暴有时与极端降雨、大风、冰雹和龙卷风等灾害有关。雷暴也是全球大气水分布的主要驱动力，从而影响长波和短波辐射，对流层上层冰的全球分布与雷暴行为大体一致。考虑到与雷暴相关的各种影响，对雷暴活动的季节性预测可能对工业、政府、保险和应急服务等团体有很多益处。
尽管天气是多变的，但大尺度大气和海洋模式（如厄尔尼诺）的非平稳性，在某些情况下可能会导致未来对季节条件的预测。例如，最近研究了与对流系统相关的一些恶劣天气现象，这些现象与基于厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的季节预报应用有关，包括美国的冰雹和龙卷风的发生。有许多研究实例研究了异常闪电和雷暴活动与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和其他大尺度天气模式的关系，如北大西洋振荡（NAO）、准两年振荡（QBO）和印度洋偶极子（DMI）。然而，文献中没有专门研究闪电和雷暴活动的季节性预报，这一点在全球热带和温带地区（研究区域从35°N到35°S）都有研究。
本文研究了1996年至2013年，18年期间不同大尺度天气模式下的季节性闪电活动。闪电数据来自两个美国宇航局卫星传感器。
表1：季节性闪电密度与七种不同的大尺度天气模式在95%置信区间上具有相关性的研究区域百分比。代表大尺度天气模式的指数为厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）、北极振荡（NAM）、南部环流模式（SAM）、大西洋振荡（NAO）、太平洋北美模式（PNA）、印度洋偶极子（DMI）和准两年振荡（QBO）。根据1996年至2013年的时间段，显示了四个季节的结果。研究区域在全球范围内为35°N至35°S。括号中的值代表研究区域的百分比，对于给定的指数，相关性是显著的，但对于NiNO3.4指数，相关性并不显著。
闪电成像传感器（LIS）和光学瞬态探测器（OTD）。根据七种不同的天气模式对闪电数据进行了分析：厄尔尼诺-南方涛动（ENSO，由Nino3.4指数表示），一种海洋-大气耦合模式，沃克环流与太平洋之间具有强相互作用；北极振荡（NAM）和南部环流模式（SAM），这两种模式的特点是极地和中纬度之间大气质量的南北移动；北大西洋振荡（NAO），以北大西洋区域异常大气压力为特征；太平洋北美模式（PNA），以东亚急流的强度和位置为特征；印度洋偶极子（IOD，以偶极模式指数，DMI为代表），位于热带印度洋的耦合海洋 - 大气现象;准双周振荡（QBO），是热带地区平流层纬向风的准周期变化。
根据ERA-Interim再分析，还研究了通常与雷暴活动有关的许多不同大气参数的季节变化。通过使用国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的再预测厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）值，对闪电和雷暴活动的季节性预测可能性的结果进行了检验。
结论：
与各种大尺度天气模式的关系。在这两个卫星传感器的视野内，对研究区域35°N至35°S范围内的闪电密度（闪电km-2）进行了分析检测。表1显示了闪电密度与代表不同大尺度天气模式的七个指数之间具有显著相关性（95%置信区间）的研究区域百分比：厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）、北极振荡（NAM）、南部环流模式（SAM）、大西洋振荡（NAO）、太平洋北美模式（PNA）、印度洋偶极子（DMI）和准两年振荡（QBO），对于研究区域的每个不同的天气模式和每个网格点，分别计算相关性。相关性以整个研究期间（1996年至2013年）的季节值为基础，分别计算一年中的四个季节：12月、1月和2月（冬季）、3月、4月和5月（春季）、6月、7月和8月（夏季）以及9月、10月和11月（秋季）。
在一年四季中的每一个季节，厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）与闪电密度的关系比其他六个指数（表1）更为显著。厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）的显著相关性出现在整个研究区域的15-24%，取决于季节，最大值出现在秋季（24%）。对于印度洋偶极子（DMI），显著相关性发生在研究区域的5-19％，其中最大值出现在秋季（19%）。其他例子包括太平洋北美模式（PNA）在冬季研究区域的12%和在秋季研究区域的11%之间存在显著相关性。尽管有些地区的北极振荡（NAM）、大西洋振荡（NAO）和准两年振荡（QBO）与闪电密度显著相关，相关性为研究区域的3-8%，但值得注意的是，这些数值相对较小，因为平均5%的研究区域在95%的置信水平上可能具有显著的随机相关性。
闪电密度与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）没有显著关系，但与其他指标中有显著关系的位置相对较少，在表1所示的所有情况下，这种情况只发生在在研究区域的9%或更少。以印度洋偶极子（DMI）指数为例，19%的研究区域具有显著相关性，但只有5%的研究区域在不同于厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）的位置具有显著相关性。由于印度洋偶极子（DMI）和厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）在秋季（r=0.68）之间有很强的关系，这在一定程度上是可以预测的，如补充表1中列出的七种不同天气模式之间的季节相关性所示。许多其他指标显示出了相当高的相关性：极振荡（NAM）和大西洋振荡（NAO）是关系最密切的一对指标，每个季节的rge;0.65，注意到之前的研究也显示了这两种模式之间的强相似性。
空间和季节变化的关系。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与本文所研究的七种大尺度天气模式的闪电活动有着最明显的关系，因此本研究的重点主要集中在这一关系上。厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）指数的大幅度正异常通常与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的暖相厄尔尼诺有关，其特征是东太平洋的海面温度高于平均值，西太平洋的气压高于东太平洋。厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）指数的大幅度负异常通常与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的冷相拉尼娜有关，其特征是东太平洋的海平面温度低于平均值，东太平洋的气压高于西太平洋。
图1。1996年至2013年期间季节性闪电密度与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）之间的相关性。在95%的置信水平下，相关系数显示了每个季节的显著相关性的位置：冬季（a）、春季（b）、夏季（c）和秋季（d）。海岸线基于ERA-Interim再分析的陆地海图显示，数据可视化使用IDL 8.3生成（科罗拉多州博尔德市Exelis视觉信息解决方案）。
厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）与整个研究区域的闪电密度之间的相关性的空间图分别针对图1中的每个季节显示。显示了在95％置信水平下关系显著的地理位置。
一年中，厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与季节性闪电活动之间的关系发生了很大的变化。厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）指数在全年的一个或多个季节与53％网点位置的闪电活动显著相关，并指出平均约19%的研究区域在95%的置信水平（基于随机概率）下至少一个或多个季节具有显著相关性。50%的陆地位置和54%的海洋位置在一个或多个季节的闪电活动和厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）之间具有显著相关性，并指出约三分之二的研究区域是海洋的。对于陆地区域，一个或多个季节35%的位置出现显著的正相关，18%的位置出现显著的负相关。同样，对于海洋区域，37%的位置的一个或多个季节出现显著的正相关，23%的位置出现显著的负相关。
与图1相似的地图，但对于厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）以外的6个指数（即北极振荡（NAM）、南部环流模式（SAM）、大西洋振荡（NAO）、太平洋北美模式（PNA）、印度洋偶极子（DMI）和准两年振荡（QBO）），如补充图1-6所示。这些地图显示了相对较少的位置，在与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）不同的位置出现显著相关性。尽管存在一些区域例外情况，例如秋季的赤道印度洋的印度洋偶极子（DMI）（补充图5），但发生这种情况的研究区域的百分比与仅根据随机机会预计的百分比相似（如表1前面所述）。
诸如北极振荡（NAM）和南部环流模式（SAM）之类的可变性模式的特征在于极地和中纬度地区之间的大气质量的变化，使得相关的远距离连接可能需要一些时间才能在远离其原始地区的位置变得明显，并指出大多数闪电活动发生在热带。 然而，根据提前一个季节（即3个月后）的闪电活动，与北极振荡（NAM）或南部环流模式（SAM）的滞后相关性表明，存在显著关系的区域很少（补充图7和8），大西洋振荡（NAO）、太平洋北美模式（PNA）、印度洋偶极子（DMI）、准两年振荡（QBO）也是如此（补充图9-12）。 相比之下，基于闪电活动的滞后相关性在厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）指数之前的一个季节（补充图13）与未列出的相关性（图1）大致相似，但夏季除外，其中相对较少的位置具有显着相关性（与一年中此时的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）条件缺乏持久性一致）
图2. 厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对1996年至2013年期间四个不同地区和季节的雷电和雷暴特征的影响。这四个地区为地图中显示的红色框为界（上图）。菲律宾为冬季（a），中国为春季（b），印度尼西亚为夏季（c），巴西为秋季（d）。显示了每日闪电密度与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）的对比（左图），闪电密度（水平虚线）的中值和厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）的中值（垂直虚线）。对于厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）与雷暴发生相关的三个大气参数（基于再分析）之间的关系，显示了相关系数（右图，x符号）：比湿度（SH），温度失效（TL）和对流有效势能（CP）。还显示了闪电密度与三个大气参数之间关系的相关系数（右图，□符号）。 厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）区域以蓝色显示（上图：纬度为5°N至5°S，经度为120°W至170°W）。
四个例子的分析。图2调查了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对1996年至2013年期间四个地区和季节的影响。这四个例子的选择是由于闪电活动与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）之间有很强的关系，四个例子分别为菲律宾为冬季，中国为春季，印度尼西亚为夏季，巴西为秋季。这些区域基于闪电数据的各个网格点，并指出每个网格点代表纬度和经度上跨越7.5度的区域的平均值（如图2中的红色方块，上图所示）。
闪电密度与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）异常的关系如图2所示（左图）。图2（右图）中还显示了厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）和闪电密度与三个不同大气参数的关系，这些参数与雷暴发生环境有显著相关性：925 hPa的比湿度（SH），850的温度失效（TL）， - 500 hPa和基于表面的对流有效势能（CAPE：CP）。这些参数基于ERA-Interim再分析，并被选择用于代表大气中常用的水分，热量和动量测量。预计这三个参数不能完全解释全世界闪电活动变化的确切物理原因，因为有大量不同因素可能影响对流风暴的发展。在大部分情况下，大气参数与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）以及闪电密度密切相关。对于图2所示的四个位置的特定湿度和对流有效势能（CAPE），以及菲律宾和中国的温度失效示例都是如此。这些相关性的符号与这些参数中与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）相关的变化影响闪电活动的预期一致，从而为厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与闪电活动之间的关系提供一定程度的物理合理性。例如，菲律宾冬季的结果（图2a）显示，在厄尔尼诺现象期间闪电活动和比湿度通常都低于平均水平（即与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）呈负相关），比湿度和闪电活动之间呈正相关。对于菲律宾和中国的情况，温度失效与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和闪电密度的关系比印度尼西亚和巴西的情况要强一些，这与对流有效势能（CAPE）的情况相似（鉴于CAPE可能受到影响，预期可能在某种程度上通过影响温度下降率和大气含水量）。
与以往的研究比较。许多先前的研究已经研究了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与闪电关系，特别是1997 - 1998年厄尔尼诺现象及其对海洋大陆地区闪电活动的影响。例如，一项研究指出，1998年3月（厄尔尼诺现象）比印度尼西亚的闪电活动高于1999年3月（拉尼娜现象）。在该研究中检查的区域包括图2c中所检查的区域（以印度尼西亚爪哇岛为中心）。这是一个与厄尔尼诺变异性（NiNO3.4）显著相关的例子，在一年中的不同时间出现相反的符号：相关的符号在上半年（冬季和春季）为正，在下半年（夏季和秋季）为负，如图1所示。为了更详细地研究这个例子并允许与以前的研究进行更大的比较，补充图14详述了该区域闪电与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）关系的季节变化。 根据该地区18年期间可用的观测，1998年厄尔尼诺现象期间的闪电密度是春季（以及前一季，冬季）的最高纪录。因此，此区域显示的结果与1998年厄尔尼诺现象中闪电活动增加与先前研究提出的结论类似，同时注意到之前的研究仅关注两个月的数据（1998年3月和1999年3月）与此处使用的18年春季季节性值相反。
之前的另一项研究还报告了印度尼西亚地区厄尔尼诺现象的闪电活动增加，基于两个不同时期的平均值（1998年1月至8月期间以及200
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