FY-4A卫星闪电资料与ADTD闪电资料在四川省冕宁暴雨中的对比分析及数值模拟.pdf

from FY-4A Satellite and ADTD for Rainstorm in Mianning,Sichuan Province JJ.Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),47(3):769-785.ZHAO Chuo,XHUANGSou,et al.2023.Comparative Analysis and Numerical Simulation of Lightning Detection DataJuoqiang赵媒，徐国强，黄守友，等.2 0 2 3.FY-4A卫星闪电资料与ADTD闪电资料在四川省冕宁暴雨中的对比分析及数值模拟 .大气科学，47(3)：May 2023Chineciences2023年5月Vol.47 No.3第47 卷第3期学科769-785.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21110FY-4A卫星闪电资料与ADTD闪电资料在四川省冕宁暴雨中的对比分析及数值模拟赵婷1徐国强黄守友3程佳佳11中国气象科学研究院，北京10 0 0 8 12中国气象局地球系统数值预报中心，北京10 0 0 8 13中国科学院软件研究所，北京10 0 19 0摘要FY-4A卫星闪电资料与地基ADTD（A d v a n c e d D i r e c t i o n a n d T i m e o f a r r i v a l D e t e c t i n g s y s t e m）闪电资料对于研究暴雨等强对流天气具有一定的指示意义，通过对四川省冕宁暴雨个例的研究，对比分析了这两种闪电资料的差别，设计了将两种闪电资料引入数值预报模式的多组数值试验。结果表明：（1）两种闪电资料在不同地区有不同的探测效果，ADTD闪电资料范围更广且分散，FY-4A卫星监测到的闪电数量更密集、分布更集中；两种闪电资料在进入模式之后所转化成的代理雷达回波具有很好的一致性；对于低频次的闪电来说，ADTD闪电定位仪可能比FY-4A闪电成像仪探测效率更高。（2）引入任何一种闪电资料都对降水预报具有正效果，其中ADTD闪电资料的应用对于短时降水预报准确率的提高更为有效。（3）两种闪电资料对于云微物理量的调整作用，在不同的区域有不同效果，说明这两种闪电资料的分布不完全一致，揭示出这两种闪电资料具有一定的互补性。关键词闪电资料对比分析云分析数值试验文章编号10 0 6-9 8 9 5(2 0 2 3)0 3-0 7 6 9-17中图分类号号P456文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21110Comparative Analysis and Numerical Simulation of Lightning DetectionData from FY-4A Satellite and ADTD for Rainstormin Mianning,Sichuan ProvinceZHAO Chuo,XU Guoqiang,HUANG Shouyou,and CHENG Jiajia1Chinese Academyof Meteorological Sciences,Beijing1000812 Center for Earth System Modeling and Prediction of China Meteorological Administration,Beijing 1000813 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190AbstractLightning data obtained from the FY-4A satellite and ADTD(Advanced Direction and Time of arrivalDetecting system)are significant for studying rainstorms and severe convection weather.This paper compares andanalyzes the differences between the two lightning data through a case study of a rainstorm in Mianning,Sichuan收稿日期2021-06-28：网络预出版日期2022-03-02作者简介赵媒，女，19 9 8 年出生，硕士研究生，主要从事数值模式的物理过程研究。E-mail:zhao_通讯作者徐国强，E-mail:资助项目国家重点研发计划项目2 0 18 YFC1506603，风云卫星应用先行计划FY-APP-ZX-2022.01，国家自然科学基金项目42 17 516 7Fundedbyy National Key Research and Development Program of China(Grant 2018YFC1506603),Fengyun Application Pioneering Project(GrantFY-APP-ZX-2022.01),National Natural Science Foundation of China(Grant 42175167)770Vol.47ChinesernallericSciences大47卷学科Province.A series of numerical experiments are designed to introduce the two kinds of lightning data into a numericalprediction model.The main conclusions are:(1)Two kinds of lightning data have different detection effects in differentareas.The ADTD lightning data are more extensive and scattered,whereas the number and distribution of lightningdetected by the FY-4A satellite are more intensive.However,there is a good consistency between the two kinds ofsurrogate radar echo transformed by the two lightning data kinds.For low-frequency lightning,the ADTD lightninglocalizer may be more efficient than FY-4A LMI(Lightning Mapping Imager).(2)The introduction of these two types oflightning data has positive effects on precipitation forecast,and the application of ADTD lightning data is more effectivefor improving the accuracy of short-time precipitation forecast.(3)The two types of lightning data have different effectson the cloud microphysical quantities adjustment in different regions.This shows that the distribution of the two types oflightning data is not entirely consistent,but they are complementary to each other.KeywordsLightning data,Comparative analysis,Cloud analysis,Numerical experimentation1引言我国地处东亚地区，地形复杂，每年暖季受夏季风及大尺度环流背景影响，强对流天气频发（陶诗言等，19 7 9）。强对流天气包含复杂的降水过程，涉及到各种动力学以及云微物理学及其间的相互作用（丁一汇，19 9 4），因此，强对流天气系统的预报一直是数值预报的难点和重点。中尺度数值模式被广泛应用于强对流天气系统的研究和预报中，但其所面临的一个重要问题是，传统模式初始场中没有云存在，一般将云水、云冰等云微物理量都设置为零，所以模式在积分一段时间后才会产生云块，导致数值积分的开始几个小时难以做出合适的降水预报，即spin-up问题（Kristjansson，19 9 2）。为了缩短模式这种降水滞后的时间，国内外的研究人员开始对云内初始化进行研究，比如非绝热初始化（W o l c o t t a n d W a r n e r，19 8 1）、物理初始化（K r i s h n a mu r t i e t a l.，19 8 4）等方法，不断修改模式变量，完善环境场的湿度场信息。初始化云水、雨水等云微物理量取得了显著的成果，但这种方法不能提供完整的云内三维信息，这就需要三维云内信息初始化，即在模式内建立云分析模块，比如NOAA（美国国家海洋和大气管理局）的局地分析预报系统 LAPS（T h e Lo c a l A n a l y s i s a n d Pr e d i c t i o nSystem）中的云分析系统（Albers et al.,1996;Jianetal.，2 0 0 3）、在LAPS基础上开发的ARPS（A d v a n c e d R e g i o n a l Pr e d i c t i o n Sy s t e m）模式 ADAS（A R PSD a t a A n a l y s i s Sy s t e m）云分析模块（Xueetal.,2000）、美国的环境预报中心NCEP（Na t i o n a lCenters Environmental Prediction）的业务系统RUC（R a p i d U p d a t e Cy c l i n g）中的云分析（Weygandt etal.,2006)。云分析系统的引入，以及多种卫星和雷达资料的同化应用，可以实现对云内物理信息的同化应用（朱立娟等，2 0 12,2 0 17），并在一定程度上合理调整模式中的水凝物含量（任绪伟等，2 0 2 1），优化 GRAPES-Meso（M e s o s c a l e o f t h e G l o b a l a n dRegional Assimilation and Prediction System）区 域中尺度数值预报模式中的云初始场方案。云分析模块可以获得更为完整的云三维立体结构，从而改善模式初始场和短时预报。强对流天气系统发生时常伴随着闪电的发生（徐燕等，2 0 18），且闪电与天气系统的动力以及微物理过程的发展关系十分密切（秀书等，2 0 14;孙凌等，2 0 19)，研究表明，闪电在一定程度上可以用来指示强对流系统的发生与发展（Petersen andRutledge,1998;Rudlosky and Fuelberg,2013)。秀书等（2 0 2 1）通过研究北京地区不同种类闪电灾害天气，探索和总结了闪电资料在数值预报模式中的同化方法，研究结果表明闪电频数可以作为短时强降水、冰電等强对流性灾害天气的指示因子。但闪电不是模式内可以直接使用的常规变量