基于風云四號閃電成像儀的高原閃電探測分析

文剛，周仿榮，方明，錢國超，黃然，馬御棠，潘浩，姚年鵬，蔣堯，鄒斌

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司，昆明 650011；3.南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室，南京 210044）

0 前言

云南氣候特征呈現復雜多樣[1]。除此之外，云南地勢波瀾起伏，并且境內礦產豐富，使得省內雷電活躍程度明顯高于全國水平，據不完全數據統計，云南境內大部分地區平均雷暴日在80 天左右，是全國范圍內遭受雷擊災害最嚴重的省份之一[2]。據歷年跳閘數據：云南電網2013-2019 年雷擊跳閘次數每年因雷擊引起的跳閘數量均大于250 條·次，雷擊災害對云南電網的影響頗為惡劣。快速指導運維人員查明落雷點尤為重要。當前針對閃電探測裝置主要采用南瑞生產的地基閃電探測站，即利用多個地基探測站同時探測空中的電磁波強度，從而確定閃電發生的位置[3]。云南電網現共有47 個地基閃電探測站，但每個地基閃電探測站覆蓋范圍有限，而且這些地基閃電探測站需要投入大量的人力、物力進行維護，每年投入的維護成本都在百萬元以上，并且每個地基閃電探測站的使用壽命有限，因此，選用一種具有廣域監測并且維護成本低的途徑具有重要意義。

風云四號閃電成像儀（LMI）首次實現了對我國及周邊區域靜止軌道閃電的持續觀測[4]，并且利用基于LMI 數據可以進行遠距離、大范圍閃電監測[5]。因此，本文提出了利用LMI 對云南高原地區進行閃電監測性能研究工作。

1 基于LMI閃電探測工作原理

風云四號衛星是三軸穩定氣象衛星，搭載的主要儀器還有多通道掃描成像輻射計、高光譜垂直探測儀、空間環境監視儀器包等，可以實現15 min 地球全圓盤掃描。其中多通道掃描成像輻射計各通道的參數信息及主要用途如下表所示：參考文獻[6-8]，將紅外云頂亮溫（TBB）≤-52℃（221K）作為深對流的發生時間，以此為閾值，獲取二值圖像，即TBB ≤221K 為有深對流，取值1，TBB ＞221K 的像元取值0，對二值圖使用Canny 算子進行邊緣檢測，梯度閾值選用0.5，計算公式如下：

表1 多通道掃描成像輻射計各通道參數及主要用途

其中：▽2f(x,y) 為整理后像素(x,y) 處的灰度值，f(x,y)為具有整數像素坐標的輸入圖像。提取云團輪廓及云團中心，以15 min 為時間步長，可得云團的移動軌跡。

一般情況下，在短時間內區域的移動可視為直線移動，所以采用Holt 雙參數線性平滑指數平滑算法，對區域未來的位置進行預測：

其中s為平滑值，R為實測值，F為預測值，b體現的是變化趨勢，α、β為權重系數，初始值 為S0=R0，b0=0，S1=R1，b1=（S1-S0）/Δt1.0。預測結果中較新的實測值比時間更早的實測值擁有更大的權重，隨著時間的遷移，權重按指數遞減。改變預測的時間長度ΔtF即可得到不同的預測結果。

2 實驗分析

本文主要選取了2020 年8 月29 日至30 日云南省境內發生了持續性的強烈閃電過程，通過云南電網雷電定位系統可知，這次閃電過程持續時間近22 小時。選取該時間段進行LMI在云南高原地區閃電監測性能的評估是相當有必要的。

因風云四號的時間分辨率為15 min，考慮到閃電持續時間太長，無法對比每個時刻的閃電監測結果，為了進一步簡化分析過程，本文以半個小時繪制一張衛星影像圖，并給出在這段時間內監測到的閃電數據。圖1 所示為云南電網雷電定位系統在2020 年8 月29 日0 時至4 時監測到的閃電數據。通過圖1 可以看出，在此期間，在云南省境內閃電主要發生在圖1 所示的A、B、C、D 區域，其中A、B、C、D 區域內發生的地閃數量分別為1439、576、261、353 次。

圖1 2020年8月29日0時-4時雷電定位系統監測的山火數據

圖2 所示為風云四號14 通道的TBB 圖以及LMI 監測的閃電分布情況，將TBB 的溫度設定區間為200 K-290 K，則對應的攝氏溫度為-73℃至17℃。從圖中不難看出，在較低溫度的云層區域處均出現了閃電，并且該區域內的TBB 值均小于220K，通過文獻[9-10] 可知TBB 數值越小，意味著對流深度越大，云層越厚，按照TBB 為220K 左右，則對應的攝氏溫度為-53℃。所以每公里下降5℃來計算，該地區的云頂高度可能達到10 公里左右。

圖2 風云四號閃電監測數據

對比圖1 和圖2 可以看出，LMI 監測到的閃電位置與云南電網雷電定位系統監測閃電位置基本吻合，但是基于雷電定位系統監測的閃電（地閃）總數為2599 個，而基于LMI 監測到的閃電（地閃+ 云間閃）總數為775 個，在不區分地閃跟云間閃的情況下，LMI 僅是雷電定位系統探測效率的30%。

3 結束語

本文采用了我國新一代地球靜止軌道LMI對云南高原地區閃電監測效果進行評估，得出以下結論：閃電發生區域與TBB 存在相關性，TBB 數值越小，對流深度較大，云層較厚，該區域易發生閃電；LMI 僅有地基閃電探測站監測到的閃電數量的1/3；整體上來看。風云四號的閃電成像儀探測效率較低，需進一步提高風云四號的閃電探測效能。