基于LMI 數(shù)據(jù)的黑龍江省一次閃電活動過程特征分析

謝連妮 ，曹 蕾，徐 嘉

（1.黑龍江省生態(tài)氣象中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

閃電是大氣中的一種脈沖式放電現(xiàn)象， 閃電發(fā)生過程中會釋放強大的電流， 經(jīng)常會對地面一些設施建筑造成損害，甚至嚴重的會造成人員傷亡，據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，平均全世界發(fā)生雷暴高達2000 次每分鐘， 每年全球由雷擊所引發(fā)的傷亡人次超過10000 次，雷電造成的直接經(jīng)濟損失超過10 億美元[1-2]，雷電災害已經(jīng)被列為十大自然災害之一，因此，對閃電活動的監(jiān)測就備受人們的關注。 隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展， 雷電學已經(jīng)成為大氣科學的重要研究對象， 對雷電活動的實時準確監(jiān)測和分析對于強對流天氣監(jiān)測預警具有重要意義。

近些年以來，我國地面閃電探測系統(tǒng)逐步完善，已經(jīng)發(fā)展成國家級雷電觀測網(wǎng)絡， 地面閃電探測系統(tǒng)可以及時探測閃電發(fā)生的位置、強度等信息，但由于其站點布置少、站點不連續(xù)等局限性，導致無法有效實現(xiàn)對全國范圍的探測， 比如海洋等地方的閃電探測與預報。 而衛(wèi)星觀測則彌補了這方面的不足[3]。美國于 1994年和 1997年發(fā)射了 OTD（(Optical Transient Detector)和 LIS （Lightning Imaging Sensor）兩代星載閃電儀，提供了無海洋-陸地偏差的閃電探測和定位。 但受極軌衛(wèi)星觀測平臺的限制，OTD和LIS 不能對某一地區(qū)的閃電進行連續(xù)的探測，因此美國航空航天局（NASA）于1980年代就提出了發(fā)展地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀的設想， 靜止衛(wèi)星發(fā)展成為了目前最有效的閃電監(jiān)測平臺， 并受到了各界研究學者的廣泛關注。 目前在業(yè)務應用方面的靜止衛(wèi)星成像儀主要有3 種：美國靜止衛(wèi)星（GOES-R）閃電成像儀 GLM （Geostationary Lightning Mapper）、歐洲第三代靜止衛(wèi)星 （MTG） 閃電成像儀LI（Lightning Imager）以及中國新一代靜止衛(wèi)星風云四號（FY-4）閃電成像儀LMI[3-4]。

閃電成像儀（LMI）是我國首次研制的靜止氣象衛(wèi)星閃電探測儀器， 它采用CCD 面陣和光學成像技術獲取閃電與背景圖像， 并進行逐像素多幀實時背景評估和濾除， 從而實現(xiàn)閃電信號的增強和探測定位[5]。 LMI 的探測范圍廣，每年春分到秋分期間可探測中國及周邊地區(qū)的閃電， 采樣速率為頻率500 幀/秒，可以實現(xiàn)閃電活動全天候連續(xù)觀測[6]。 LMI 探測的總閃電（包括云間閃、云地閃和云內閃）數(shù)據(jù)對于分析我國閃電分布特征以及強對流天氣預警、 預報和跟蹤等有重要意義。

本文主要利用閃電成像儀（LMI）數(shù)據(jù)分析了黑龍江省2021年7月21日一次閃電活動過程中的閃電特征，分別從閃電事件發(fā)生的空間分布、輻射值相對強度分布和時間分布情況等角度進行分析， 為區(qū)域閃電監(jiān)測評估提供了必要的基礎。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)說明

FY-4A/LMI 閃電數(shù)據(jù)來自于中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心， 閃電數(shù)據(jù)L2級產(chǎn)品主要包括事件Event、組 Group和閃電 Flash 三種，本文使用 Event產(chǎn)品[7]，產(chǎn)品命名格式如下：

2.2 數(shù)據(jù)處理

Event 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)格式是NC 文件， 本文主要使用Matlab 軟件對數(shù)據(jù)進行提取、處理和分析，首先批量讀取Event 產(chǎn)品NC 文件的信息，主要包括如下幾個數(shù)據(jù)要素： 閃電事件發(fā)生的時間 （EOT）、 經(jīng)度（LON）、緯度（LAT）和輻射值相對強度（ER）；然后再結合黑龍江省矢量邊界信息， 剔除黑龍江省外的閃電事件信息，僅保留省內的閃電事件信息；最后根據(jù)提取的省內閃電事件信息分析閃電活動特征。

3 閃電分布特征

3.1 空間分布

閃電事件發(fā)生位置分布圖如圖1 所示， 具體各地區(qū)閃電發(fā)生次數(shù)見圖2，結果顯示，7月21日黑龍江省共發(fā)生閃電事件1480 次，主要發(fā)生在黑龍江省東部和中部地區(qū)，其中雞西市、哈爾濱市、七臺河市、雙鴨山市、佳木斯市、鶴崗市、牡丹江市、伊春市、齊齊哈爾市和黑河市閃電發(fā)生次數(shù)依次為332、296、158、156、100、279、45、13、55和 46 次，各地區(qū)閃電次數(shù)差異較大，雞西市發(fā)生閃電事件次數(shù)最多，為332次，其次是哈爾濱市和鶴崗市，伊春市監(jiān)測到的閃電事件較少，為13 次。

圖1 2021年7月21日閃電事件位置分布圖

圖2 2021年7月21日各地區(qū)閃電事件發(fā)生次數(shù)分布圖

3.2 輻射值相對強度分布

對閃電事件輻射值相對強度情況進行分析，結果顯示，7月21日黑龍江省閃電事件輻射值相對強度最高為318.69 uJ/m2/ster，位于雙鴨山市，經(jīng)緯度為（132°28′ W，46°9′ N）； 閃電事件輻射值相對強度最低為 3.76 uJ/m2/ster，位于（126°45′ W，47°43′ N）；從輻射值相對強度范圍分布來看， 大部分閃電事件輻射值相對強度低于300 uJ/m2/ster， 輻射值相對強度位于 0-100 uJ/m2/ster 范圍的為 762 次，占比 51.5%，輻射值相對強度位于100-200 uJ/m2/ster 范圍的為445 次，占比約30%，位于200-300 uJ/m2/ster 范圍的為 271 次， 占比 18.3%，300-400 uJ/m2/ster 范圍的僅有 2 次。

3.3時間分布

閃電成像儀（LMI）的探測時間分辨率為2 ms，可以實現(xiàn)對閃電事件的連續(xù)不間斷觀測， 從而實現(xiàn)閃電活動的日變化特征分析。 圖3 是7月21日閃電事件發(fā)生次數(shù)和平均輻射值相對強度的時間分布圖，結果顯示：從閃電發(fā)生次數(shù)看，7月21日閃電事件主要發(fā)生在 19時-02時，共發(fā)生 1130 次，占比 76.3%，峰值時段出現(xiàn)在 00-01時，1 h 閃電 Event個數(shù)達275。從閃電平均輻射值相對強度看，19-22時閃電輻射值相對強度較高，均為200 uJ/m2/ster 以上，日間時段輻射值相對強度明顯低于夜間時段， 具體數(shù)值見表2。 對閃電活動的逐小時變化特征分析，可以為強對流性天氣跟蹤、 預報和預警等提供重要的參考依據(jù)。

圖3 (a)閃電事件發(fā)生次數(shù)和(b)平均輻射值相對強度時間分布

表2 閃電事件發(fā)生次數(shù)和平均輻射值相對強度

4 小結

本文使用 2021年7月21日閃電成像儀（LMI）觀測數(shù)據(jù)對黑龍江省一次閃電活動過程的閃電特征進行分析，分別從閃電發(fā)生次數(shù)和輻射值相對強度的空間分布以及時間分布進行分析， 揭示了區(qū)域雷電活動特征，主要結論如下：

（1）從閃電事件發(fā)生次數(shù)空間分布看，黑龍江省2021年7月21日共發(fā)生閃電事件1480 次， 主要分布在黑龍江省東部和中部地區(qū)， 其中雞西市發(fā)生閃電事件次數(shù)最多，為332 次，其次是哈爾濱市和鶴崗市，伊春市閃電次數(shù)最少，為13 次。

（2）從閃電輻射值相對強度分布看，閃電事件輻射值相對強度分布范圍為 3.76-318.69 uJ/m2/ster，其中最高輻射值相對強度發(fā)生在雙鴨山市； 大部分閃電事件強度低于300 uJ/m2/ster，其中輻射值相對強度位 于 0-200 uJ/m2/ster 范 圍 的 為 1207 次 ， 占 比81.5%。

（3）從閃電事件日變化分析看，閃電事件主要發(fā)生在19-02時，共發(fā)生1130 次，峰值時段出現(xiàn)在00-01時，1 h 閃電 Event個數(shù)達 275；閃電輻射值相對強度較高時段在19-22時，均為200 uJ/m2/ster 以上，且日間時段輻射值相對強度明顯低于夜間時段。

對閃電活動的監(jiān)測可以了解閃電的特性， 為系統(tǒng)地研究對流中閃電的特征及全球閃電特征奠定基礎，在后續(xù)研究中，可以對更長時間尺度的閃電活動特征進行深入研究以及探索星地閃電探測數(shù)據(jù)的差異。