CanCPLD：支持北美未来雷暴预测的对流参数与闪电数据集

本研究针对气候模型难以直接模拟小尺度雷暴活动的挑战，开发了包含闪电观测和201种对流参数的北美多年代际数据集CanCPLD。基于ERA5再分析和HighResMIP高分辨率气候模型数据，该数据集通过统计建模构建了环境参数与雷暴活动的代理关系，为评估全球变暖背景下雷暴灾害（如冰雹、龙卷风、雷击火）的演变提供了关键数据支撑，对气候变化适应策略制定具有重要科学价值。

　　

雷暴是自然界最具破坏力的天气现象之一，常伴随冰雹、暴雨、直线风和龙卷风等灾害，其引发的闪电更是森林火灾的主要自然火源。随着全球气候变暖加剧，北极放大效应导致北美高纬度地区升温速率显著高于全球平均水平，这可能引起雷暴活动向北扩张。然而，由于雷暴活动具有空间尺度小（2-20公里）、物理过程复杂等特点，当前全球气候模型因分辨率不足难以直接模拟对流过程，亟需通过环境参数代理方法预测其长期变化趋势。

为突破这一瓶颈，加拿大环境与气候变化部的科研团队在《Scientific Data》发表了题为“CanCPLD: Convective Parameters and Lightning Data to Support Future Thunderstorm Projections in North America”的数据论文，构建了一套涵盖1998-2024年的多源融合数据集。该数据集整合了加拿大闪电探测网络（CLDN）的云地闪电（CG）和云内闪电（CC）观测数据，以及基于欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据（ERA5）计算的201种对流参数（如对流有效位能CAPE、对流抑制能CIN、抬升凝结高度LCL等）。同时，研究团队从HighResMIP高分辨率气候模型 intercomparison 计划中选取了水平分辨率达0.5°以上的全球模型，计算了工业化前+1°C（2001-2020）、+2°C、+3°C和+4°C增温情景下的对流参数，形成了时空尺度可比的未来情景数据集。

关键技术方法

研究主要基于三类数据源：加拿大闪电探测网络（CLDN）提供的1998-2024年3小时间隔闪电观测数据；ERA5再分析数据提取的17个气压层三维大气状态变量；HighResMIP气候模型输出的6小时间隔模拟数据。利用R语言thundeR包（v1.1.3）的sounding_compute例行程序计算201种对流参数，并通过泰勒图和偏差分析验证了数据可靠性。所有数据以netCDF格式发布，覆盖北美地区（15°N-90°N）。

数据质量验证

闪电数据可靠性

通过复现已发表的加拿大地区闪电气候特征（图2），验证了CG闪电数据的空间分布一致性。南部安大略省、草原省份和落基山脉东坡呈现高闪电密度，与历史研究高度吻合。2016年7月21日极端闪电日的空间分布（图2b）及年际变化（图2c）均证实了数据的观测准确性。

对流参数精度评估

为评估减少垂直层数（从37层至17层）对参数计算的影响，研究选取典型对流日（2016年7月21日）进行对比（图3）。结果显示，绝大多数参数空间相关性高于0.95，仅最不稳定层对流抑制能（MU_CIN）和自由对流高度温度（MU_LFC_TEMP）因对气块选择敏感而存在零星偏差。安大略省和落基山脉东侧网格点的时序对比（图4-5）进一步证实17层数据能有效保留对流环境信息。

HighResMIP模型性能

泰勒图（图6）显示，EC-Earth3P-HR模型在多数参数（如0-6公里整体风切变BS_06km、MU_CAPE）中与ERA5相关性最高，而螺旋度参数（SRH_1km、SRH_3km）因垂直层数不足偏差较大。不同模型的历史偏差特征（图7）表明，存档气压层较少的模型（如CMCC-CM2-VHR4）在层积分参数（如MU_CIN）中系统性误差更显著。

参数与闪电的关联验证

采用Etten-Bohm等开发的逻辑回归模型（EB21-LR），以标准化后的MU_CAPE、MU_LCL_HGT和分层相对湿度作为预测因子，对2004年闪电发生日频率进行预测（图9）。结果显示预测值与观测值空间相关性达0.86，验证了对流参数在雷暴统计模型中的实用性。

未来情景分析

增温情景下（图8），所有HighResMIP模型一致显示北美大陆夏季不稳定能量（MU_CAPE）增强，同时抑制对流的盖帽强度（MU_CIN）增大。在较高增温水平（+3°C、+4°C）下，5公里高度相对湿度（RH_05km）显著增加，LCL高度降低，而深层风切变（BS_06km）和螺旋度（SRH_3km）减弱，这与粗分辨率CMIP6模型的投影趋势一致，但高分辨率模型提供了更精细的空间细节。

结论与展望

CanCPLD数据集通过整合多年代际闪电观测、再分析数据和高分辨率气候模拟，为理解北美地区雷暴活动对气候变化的响应提供了关键数据基础。研究表明，尽管HighResMIP模型存在参数特异性偏差，但其对未来对流环境变化的投影信号稳健，可通过标准化处理应用于统计模型。该数据集将按年更新闪电和ERA5数据，并持续纳入新的高分辨率模拟，以增强对未来雷暴灾害风险评估的预测能力。作为开放科学资源，CanCPLD显著降低了雷暴气候学研究的计算门槛，为气候变化适应策略制定提供了科学依据。