FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比_宋琳.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid MeteorologyFY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比宋琳1，2，张国平3，王曙东3，万夫敬2，孙豪4（1.青岛市气象灾害防御技术中心，山东 青岛 266003；2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；3.中国气象局公共气象服务中心，北京 100081；4.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，气候与环境变化国际合作联合实验室，气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044）摘要：为加强多源闪电数据在干旱区的融合应用，利用新疆民航三维地基闪电探测系统（3-Dimension Lightning Location System，3-DLLS）、全球闪电定位网（World-Wide Lightning Location Network，WWLLN）和气象部门ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction System）、FY-4A闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI）等多源闪电资料，针对新疆地区 2019年 11次典型雷暴过程，开展 FY-4A LMI探测性能的初步评估，并结合FY-4A云顶温度（Cloud Top Temperature，CTT）资料，详细分析2019年7月21日强雷暴过程的闪电特征，探寻CTT与闪电活动的相关关系。结论如下：（1）FY-4A LMI闪电“组”（LMI Group，LMIG）数量约为3-DLLS的1/5、WWLLN的1.02倍、ADTD的1/3。白天，在太阳背景光影响下FY-4A LMI的探测效率有所下降，即使日出后雷暴系统有所加强，但LMIG数量并无增加趋势。（2）在2019年7月21日强雷暴过程中，3-DLLS探测的闪电时空分布与ADTD重合度较高，而WWLLN的闪电定位与前两者在时空上存在一定偏差，这主要是各系统的探测原理（WWLLN主要探测的是强地闪，ADTD主要监测地闪回击，而3-DLLS探测的是全闪）及测站布局和数量不同所致。（3）在强雷暴过程不同发展阶段，闪电发生区域的FY-4A CTT值差异较大，初始阶段、旺盛阶段和消散阶段闪电区域对应的CTT值分别为260280 K、230240 K和240260 K。关键词：闪电定位；FY-4A LMI；探测效率；个例对比文章编号：1006-7639（2023）01-0025-09 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0025中图分类号：P427.32+1 文献标志码：A引 言联合国公布：雷电灾害是全球最严重的十种自然灾害之一，它直接关系到生命安全与生产发展，开展雷电监测预警、强化雷电灾害防御对于经济运行和社会稳定意义重大（孔锋等，2018）。随着气象探测技术发展，地基闪电定位系统、气象卫星、天气雷达等探测资料广泛应用于雷电监测预警研究和业务（Karunarathna et al.，2017；Rudlosky，2014；任素玲等，2020；张华明等，2020），为综合开展雷暴多尺度特征分析、增强闪电过程机理及其与气象条件相关性认识、提升雷电预报预警水平等提供重要支撑，多源异构数据的融合应用势必对雷电防灾减灾更具有重要意义，而不同闪电定位系统探测效率评估是开展多源数据融合应用的重要前提。地基闪电定位系统可以完整、连续追踪闪电活动，以获取地闪、云闪、全闪等资料，由于测站数量、布局、基线距离及算法、地形误差等不同，探测精度和效率存在差异。卫星探测范围大、观测点位高，获取的闪电位置、云顶温度、云顶高度等参量可以有效用于雷暴监测预警，但存在时空分辨率低、昼夜影响大、虚假信号多等缺陷。雷达探测时空精度高，获取的回波强度、回波顶高等参数可用于雷暴的识别与追踪，但存在探测盲区、大范围拼图效果宋 琳，张国平，王曙东，等.FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比 J.干旱气象，2023，41（1）：25-33，SONG Lin，ZHANG Guoping，WANG Shudong，et al.Evaluation of FY-4A lightning mapping imager applied in arid region and its comparison with multi-source data J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：25-33，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0025收稿日期：2022-03-27；改回日期：2022-06-29基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB1600103）和中国气象局公共气象服务中心创新基金项目（M2021017）共同资助作者简介：宋琳（1983），女，天津市人，高级工程师，主要从事闪电预警技术研究。E-mail:。通信作者：张国平(1974)，男，宁夏永宁人，正高级工程师，主要从事基于深度学习算法的强对流天气预警技术研究。E-mail:。41 卷干旱气象差等不足。研究表明，地基闪电定位资料结合天气雷达回波反射率、垂直液态水含量、回波顶高等参数可以确定雷电临近预警指标（Lund et al.，2009；Biggerstaff et al.，2017；方标等，2017；杨美荣，2020），卫星云顶温度（Cloud Top Temperature，CTT）和雷达回波反射率相结合有助于雷暴天气分析和预警（Maddox，1980；Mathon et al.，2002；Vila et al.，2008），而卫星闪电资料与地基闪电定位资料的融合可以加强对闪电活动的追踪和预警（Thomas et al.，2000；Rudlosky et al.，2017）。基于上述观测手段开展的雷暴过程研究已取得一系列成果，但与雷电相关研究中多数仅使用少数两、三种资料，这在一定程度上影响了雷暴天气过程的诊断分析和雷电预警技术的发展。因此，利用多源数据的互补性开展融合应用研究对雷电监测预警十分重要：一方面，通过不同类型地基和天基闪电数据的融合，有助于获取更完整的闪电全局信息；另一方面，多源数据可以增强同一目标闪电信息的可信度。这些特点还利于评估卫星闪电探测系统的探测效率和性能（支树林等，2019；钱勇等，2021；邹耀仁等，2021）。新疆地域辽阔、地形复杂，雷暴主要集中在67 月，多发生在西天山到中天山一带（王旭和马德荣，2002）。目前新疆地区的雷暴过程分析与特征研究大多基于气象部门雷暴观测资料和地基闪电定位资料，数据源较为单一（胡建军等，2009；霍广勇等，2013；王延慧等，2019），缺乏卫星闪电探测系统在新疆地区探测性能的评估及融合应用研究。为此，本文利用 FY-4A 卫星闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI）和3种地基闪电探测系统定位资料，结合FY-4A CTT产品、雷达观测资料、探空资料等，对2019年新疆地区11次典型雷暴过程闪电数量进行统计对比，并针对7月21日的强雷暴天气过程进行详细诊断，提取闪电活动与CTT相关指标，重点评估FY-4A LMI在乌鲁木齐地区的探测效率，进一步探讨不同闪电探测系统数据差异的原因，以期为该区域多源闪电数据融合预警提供有益参考。1数据及处理方法1.1数 据使用了 FY-4A CTT产品、5部多普勒天气雷达（分别是阿克苏、喀什、库尔勒、伊宁、图木舒克雷达站）回波反射率和乌鲁木齐探空站观测资料以及FY-4A LMI、新疆民航三维闪电定位系统（3-Dimension Lightning Location System，3-DLLS）、全球闪电定位网（World-Wide Lightning Location Network，WWLLN）、气象部门ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction System）闪电探测资料，研究时段为2019年，时间为北京时。文中附图涉及的新疆维吾尔族自治区及市（州）行政边界是基于新疆自然资源厅服务网站下载的审图号为新S（2022）021号的标准地图制作，底图无修改。FY-4A CTT产品是通过成像辐射计2个红外窗口和1个CO2吸收通道获取对流云顶温度，其在新疆地区的空间分辨率约4 km。FY-4A LMI理论上可对全闪进行探测，其电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）探测阵列的积分时间为 2 ms，星下点像元分辨率为7.8 km（张晓黄，2019），通过卫星坐标系与地心坐标系转换，可计算出CCD阵列上每个像元的空间分辨率，得到LMI在新疆地区的空间分辨率约为13 km（陈亚芳，2019）。3-DLLS探测的是全闪，中心站布设在乌鲁木齐机场雷达站，其他4站分别位于阿什里、柴窝铺、呼图壁和阜康（图1），测站间距60110 km。WWLLN探测的大部分为强地闪、少部分为强云闪，其探测频段位于甚低频（330 kHz），该频段在长距离传播过程中衰减非常小，可以捕捉上千公里之外的超远距离闪电（Rodger et al.，2005）。ADTD主要探测地闪回击，时间精度为0.1 s，探测站网基本覆盖全疆。1.23-DLLS闪电定位算法与FY-4A LMI数据处理以 2019 年 7 月 21 日雷暴过程为例，对 3-DLLS 5 个测站同步观测的雷暴过程中一次闪电磁场脉冲波形进行分析。从图 2（a）看出，闪电的每一步发展都会激发出一个电磁脉冲，每个双极性脉冲对应闪电一个辐射源，反映了闪电逐步发展的放电过程。因此，基于多站同步磁场变化波形，采用波形图1新疆ADTD和3-DLLS测站分布Fig.1Distribution of detection stations of ADTD and 3-DLLS in Xinjiang26第 1 期宋琳等：FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比互 相 关 技 术 实 现 脉 冲 辐 射 源 匹 配（Lyu et al.，2014），获得电磁信号到达多站之间的时间差，从而反演每个脉冲对应的时空位置（x，y，z，t），即实现闪电三维定位。图 2（b）是 5个测站采集到的一次典型放电过程 图2（a）中虚线框部分 的同步磁场变化波形。FY-4A LMI“组”（LMI Group，LMIG）是由同一帧相邻CCD阵列像元“事件”经聚类分析得到，反映了一次闪击的光脉冲，由于“组”聚类时间参数为2 ms、空间参数为 CCD 像元相邻格点（陈亚芳，2019），意味着 LMI对新疆地区闪电探测在 2 ms时间尺度、13 km范围内仅能识别一个光脉冲，而不同探测频段的地基闪电定位系统则在同一时空尺度内可以定位到很多个脉冲辐射源，即这些辐射源点对应同一个LMIG（曹冬杰，2016）。为了更合理地对比分析地基闪电资料与卫星闪电资料，本文在前人研究（曹冬杰，2016；陈亚芳，2019）基础上做如下定义：对于不同类型的地基闪电定位资料，同时满足时间间隔小于等于2 ms和空间尺度小于等于13 km的所有闪电辐射源点等效为一个闪电脉冲。2FY-4A LMI探测效率评估选取新疆地区 2019年 11次典型雷暴过程，借助多源地基闪电定位资料，开展FY-4A LMI在新疆地区探测效率评估，并重点分析7月21日强雷暴过程不同探测系统观测到的闪电活动情况。表1是2019年新疆地区11次典型雷暴过程期间不同探测系统闪电活动统计结果。可以看出，FY-4A LMIG数量约为3-DLLS的1/5（不同雷暴过程有最大 18%的偏差）、WWLLN 的 1.02 倍、ADTD 的1/3。造成数据差异的原因主要是不同地基探测网的设备性能、测站数量和布局、基线距离以及定位图22019年7月21日雷暴过程期间3-DLLS 5个测