兰州大学吴学珂指导本科生在JGR发表研究成果！

兰州大学吴学珂指导本科生在JGR发表研究成果：为低轨星载雷达的“瞬间抓拍”赋予雷暴演化新维度

近日，兰州大学大气科学学院吴学珂副教授带领本科生创新创业团队，依托国家级大学生创新创业训练计划项目（负责人：吕亦航，2022级本科生）成果，在国际地球物理领域权威期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》上发表了题为“New Insights from TRMM Legacy: Stage-Dependent Relationships Between Lightning and Convective Structure in Thunderstorms Over Tropical Africa”的研究论文。该成果不仅体现了本科生团队在国际权威期刊上发表高水平论文的科研素养，更彰显了兰州大学在拔尖创新人才培养上的深厚底蕴。

研究团队引入机器学习聚类方法，对低轨星载雷达（TRMM-PR）“瞬间抓拍（snapshot）”式的观测数据进行深度挖掘，成功识别并区分出雷暴演化的不同生命阶段，并成功揭示了闪电活动与对流强度参量之间的相关性随生命阶段动态变化的特征。这一发现的关键突破在于：为同属低轨非太阳同步轨道卫星（包括美国的GPM及我国的FY-3G等）所获取的瞬时观测资料，提供了一种可行的对流系统生命阶段判识工具，彻底改变了以往快照数据难以追溯演化进程的局限，使大量历史存档数据焕发新价值。

卫星识别雷暴生命阶段的研究空缺

低轨卫星搭载的天气雷达（如TRMM，GPM，FY-3G等）为研究全球强对流活动提供了大量宝贵的高质量观测资料，但其非太阳同步轨道的观测模式，每天绕地球扫描16条轨道，对某一地点的观测只有约90s，这种“瞬间抓拍”的观测方式，限制了对快速演变的强对流活动不同生命阶段特征的研究，而雷暴活动的演变又伴随着截然不同的动力、微物理和起电放电过程。针对这一难题，本研究团队在吴学珂老师的指导下，依托国家级大学生创新创业训练计划，创新性地引入机器学习聚类方法（如图1），对TRMM星载雷达的海量快照观测资料进行深度挖掘。研究首次实现了从“瞬时抓拍”数据中反推并区分雷暴所处生命阶段的技术路径，揭示了闪电活动与对流强度参量之间的相关性随雷暴演化进程的动态变化规律。

图1 基于机器学习改进的K-means算法流程图

雷暴不同生命阶段的对流特征

聚类算法将雷暴生命阶段划分为成熟前期（Pre-Mature）、成熟中期（Mature）和成熟后期（Post-Mature）。三个阶段呈现出迥异的形态演化特征（如图2）：成熟前期雷暴垂直方向强烈发展而水平方向尚未充分扩展，呈现“瘦高”的形态特征；成熟中期雷暴对流强度达到峰值且水平范围得到一定延伸，呈现“强壮”的形态特征；成熟后期雷暴对流强度减弱但水平范围持续扩展，呈现“矮胖”的形态特征。统计表明，成熟中期雷暴的对流强度最大，闪电频数显著高于其他阶段；然而，本研究发现成熟前期雷暴的闪电产生效率（单位面积上所对应的闪电频数）最高，表明该阶段对流强度向闪电活动的转化效率更为突出。

图2 基于TRMM卫星数据的不同雷暴阶段平均三维结构特征（a）及闪电活动特征（b-d）。（b-d）中的颜色深浅代表数值大小。“百分比”表示按闪电频数（FlRate）和闪电密度（FD₄₀）排序后雷暴的累积百分比。

进一步分析表明，雷暴云内闪电活动与对流结构所表征的对流强度之间的关系具有显著的生命阶段依赖性。与不区分生命阶段的传统分析方法相比（如图3），尽管三个不同阶段雷暴中闪电频数与对流强度参量的相关系数数值相近，但其各自的拟合关系却呈现出截然不同的函数特征——成熟前期、中期和后期的回归曲线在斜率、截距上均表现出系统性差异。这表明，单纯依赖相关系数的高低并不足以揭示雷暴电过程的物理本质，而拟合关系的阶段性差异则清晰反映出：不同生命阶段内控制闪电活动的动力与微物理机制存在本质区别。若不区分生命阶段而将所有样本混为一体，则不同阶段相互补偿的效应将掩盖这一阶段性差异，导致对雷暴内部物理过程的理解趋于平均化甚至失真。因此，对雷暴生命阶段的精细划分，是准确认知闪电活动与其对流结构内在关联的必要前提。

图 3 雷暴强回波顶高（Maxht40）与闪电频数（FlRate）之间的关系， (a) 所有雷暴，(b) 成熟前期、(c) 成熟中期和 (d) 成熟后期的雷暴。等值线基于归一化为单位概率的高斯核密度估计，分别为 0.1%、1%、5%、10%、30%、50% 和 80%。图中 k、b 和 r 分别表示线性拟合的斜率、截距和相关系数。

该方法的建立，不仅为TRMM历史存档数据的再开发提供了新思路，更关键的是，它打破了快照资料仅能反映“瞬间”状态的固有局限，使得同为低轨非太阳同步轨道的GPM卫星和我国FY-3G系列卫星等获取的大量瞬时观测数据，同样具备了识别对流系统生命阶段的能力。这一范式转变有效拓宽了星载雷达资料的应用维度，为深入理解雷暴内部动力-微物理-电过程耦合机制、进一步改进数值模式中的闪电参数化方案，提供了新的研究视角和关键观测依据。

该论文的通讯作者和第一作者为大气科学学院吴学珂，第二作者为兰州大学大气科学学院2022级本科生吕亦航。该项目得到国家自然科学基金（42275068）和国家级大学生创新创业项目（20250030065）资助。

文章信息：

Wu, X., Lyu, Y., Hu, X., Zhang, Z., Hu, Y., Hu, G., & Lin, X. (2026). New insights from TRMM legacy: Stage-dependent relationships between lightning and convective structure in thunderstorms over tropical Africa. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 131, e2026JD046836. https://doi.org/10.1029/2026JD046836

图文来源|兰州大学大气科学学院

编辑|吕子杨

责编|李慧平

审核|史万峰

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