黃渤海地區FY-4A閃電成像儀(LMI)探測效果評估

鄒耀仁，王 赟，王淑一，張源源，孟繁輝

(1.遼寧省大連市防雷減災中心，遼寧 大連 116001；2.山東省青島市氣象災害防御技術中心，山東 青島 266000)

引 言

雷電作為一種伴隨在臺風、冰雹等強對流天氣系統的大氣現象，是相關災害性天氣的重要指示，對區域及全球氣候特征有重要影響[1-2]。此外，雷電放電過程具有大電流、強電磁輻射、熱效應等特性，加之其隨機、快速致災性等特點，對建筑物、電力線路桿塔、電子通信設備造成直接或間接破壞[3-5]。認清雷電的物理本質、掌握雷電的發生發展過程和揭示其與其他大氣現象間的耦合制約關系，具有重大科學價值。另外研究雷電可更好地認識雷電、更準確地掌握其發展趨勢、更精細地提出雷電防護方案，以減少雷電引起的各類災害破壞效應，保障人類生命財產安全。

20世紀80年代開始，NASA在U2飛機上搭載光學脈沖探測器(OPS)發現雷電光譜在近紅外777.4 nm(中性氧OI線)和868.3 nm(中性氮NI線)處輻射最強；90%的雷電光輻射能量密度峰值超過4.7 μJ·m-2·s-1[6]。這些研究成果已經用于低軌道衛星雷電探測，包括光學瞬變探測器[7-8](optical transient detector, OTD)和閃電成像儀[9](lightning imaging sensor, LIS)。搭載在微實驗室(microlab)太陽同步軌道衛星上的OTD具有對不同類型雷電(云閃、地閃)的全天候探測能力，對地閃的探測效率為46%～69%，星下點空間分辨率為10 km，時間分辨率為2 ms，雷電定位精度20～40 km[10]。作為OTD的升級版，搭載在熱帶降水測量任務(tropical rainfall measuring mission, TRMM)衛星上的LIS探測38°S—38°N熱帶區域的雷電活動，結合該衛星上的其他載荷數據資料，如降水雷達(precipitation radar, PR)、TRMM微波成像儀(TRMM microwave imager, TMI)、可見光和近紅外掃描儀(visible and infrared scanner, VIRS)等，LIS在研究雷暴云、降水與雷電間關系方面具有優勢[11]。LIS探測效率比OTD有顯著提高，LIS對正午雷電的探測效率為73%±11%，對夜間雷電的探測效率高達93%±4%，較低的軌道高度使LIS具有更高的空間分辨率(約4 km)，但也使其對同一區域的連續觀測時間較少(約80 s)，而OTD能連續180 s對同一區域進行觀測。OTD和LIS在極軌軌道上進行雷電探測的方式，使其在研究具體雷暴或雷暴系統時所需時間受到限制。這些限制使得OTD和LIS探測資料一直側重于全球雷電分布的研究，而不針對具體雷暴中雷電活動的生成演變過程。

2016年11月19日美國在其靜止軌道氣象衛星GOES-R上首次攜帶閃電成像儀(geostationary lightning mapper, GLM)，GLM是單波段、近紅外的光學瞬時事件探測儀，用于探測、定位各類型閃電以及計算總閃電數[12]，可對西半球可見圓盤范圍內進行連續不間斷觀測，為雷暴災害性天氣提供預報預警，并建立長時間尺度的雷電數據庫。歐洲計劃在其下一代靜止衛星(meteosat third generation, MTG)搭載閃電成像儀[13](lightning imager, LI)，電荷耦合器件探測陣列(charge-coupled device, CCD)大小為1372×1300，4個鏡頭將實現整個地球可見圓盤的連續觀測，空間分辨率在星下點為4 km，雷電探測率為70%。

2016年12月11日，我國新一代地球靜止軌道氣象衛星FY-4A順利發射升空，其上攜帶有我國第一次自主研制的星載閃電成像儀(lightning mapping imager, LMI)，使我國成為繼美國之后第一批擁有靜止衛星雷電探測技術的國家，該閃電成像儀實現了中國及周邊范圍的持續雷電監測[14-15]。

但是，由于我國不同地區的雷暴形態(大小、云層的厚度、云內水成物粒子含量)[16-17]、雷電強度、雷電在云內的始發位置，以及FY-4A LMI在不同地區的空間分辨率差異等，FY-4A LMI在中國不同地區的探測效率存在很大差異。因此，很有必要對中國不同區域FY-4A LMI的探測效率進行評估，這樣才便于大范圍應用FY-4A LMI雷電數據。黃渤海地區港口、海上航運的生產活動頻繁，容易受到強對流天氣的影響和制約，為進一步提升海洋氣象服務能力，本文選取位于黃渤海地區的大連和青島兩個地區，利用地基三維雷電探測網資料，對FY-4A LMI的探測效率進行評估和分析。

1 資料和方法

FY-4A LMI資料來源于中國氣象衛星網；雷電資料來源于大連和青島地區地基三維雷電探測網；雷達資料來源于大連單站SA雷達，其高度209 m，探測半徑230 km。

文中附圖所涉及地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2017)3320的標準地圖制作，底圖無修改。

2019年大連市和青島市氣象局均建立了地基三維雷電探測網，分別由6個測站[圖1(a)]和7個測站[圖1(b)]組成，每個探測網測站兩兩之間距離大多小于100 km，另外，兩地地基三維雷電探測技術一致，均通過實時采集多站同步磁場波形，利用互相關技術進行時差定位。

圖1 大連(a)和青島(b)地區地基三維雷電探測網測站分布(紅色圓點為一次地閃回擊點位置)

地基三維雷電探測網單站系統主要由兩個正交低頻磁天線、高速數據采集系統及高精度GPS時鐘構成。每個測站設有東西和南北兩路磁場傳感器，磁天線的頻響曲線如圖2所示，所有磁天線的帶寬為1～700 kHz，在低于10 kHz的低頻段，輸出電壓U正比于輸入的磁場變化率dB/dt，而在10～700 kHz頻率范圍內，電壓U與磁感應強度B成正比。頻響特性反映了磁天線對不同頻率信號處理能力的差異。東西和南北兩路磁場傳感器，使得探測到的磁場脈沖信號更多，實現了對快速變化的雷電脈沖信號的探測，有利于雷電三維定位。系統采用觸發采集的方式，在兼顧環境電磁噪音、采集系統性能的前提下，連續同步采集、記錄、存儲并傳輸真實雷電脈沖信號，其中信號采樣率為1 MHz，信號動態范圍為±10 V，預觸發時間為300 μs。不同測站之間通過授時精度為50 ns的高精度GPS時鐘實現時間同步。

圖2 頻響曲線

2019年8月16日青島7測站同步觀測到的一次典型地閃波形(選取磁場傳感器中較強的一路信號)(圖3)中的每個雙極性脈沖對應一次雷電放電過程的一個輻射源，一次雷電放電持續時間1 s左右，整個放電過程是一步步發展的，每一步發展就激發一個電磁脈沖。在定位前，首先，采用波形互相關(cross-correlation)技術實現脈沖輻射源的匹配，并獲取雷電電磁脈沖輻射源到達不同測站的時間差。其次，采用非線性最小二乘擬合算法，實時反演出每個雷電脈沖所對應的時空位置(x,y,z,t)，從而最終實現雷電的三維定位。從定位結果看，這次地閃回擊點的雷電發生位置如圖1(b)所示。

圖3 2019年8月16日青島地區7測站同步觀測到的一次典型地閃波形(左為整體波形，右為紅色框波形的局部放大)

2 結果分析

FY-4A LMI可捕獲到雷電脈沖(包括回擊或M分量)[3]放電過程中激發的紅外輻射。從現有的觀測和模擬結果看，云層越薄，云內的水成物粒子對雷電脈沖激發的紅外光子的吸收和散射越弱，從而被FY-4A LMI識別的可能性更高[18]。當閃電脈沖激發的氧原子紅外輻射光子被FY-4A LMI的CCD捕獲后，形成一個個組(group)，即CCD陣列上相鄰好幾個像素點(event)被照亮(超過了設定的亮度閾值)。

由于地基三維雷電探測數據和FY-4A LMI數據時間和空間分辨率不一致，為了對二者進行對比，做了如下定義：在黃渤海地區12 km范圍內， 2 ms時間尺度內定出的所有地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖點等效為一個脈沖。由于FY-4A LMI空間分辨率為12 km、時間分辨率為2 ms，地基三維雷電定出的微秒級別的脈沖點數很多，但其實這些脈沖點都對應同一個FY-4A LMI探測的group。基于此，下面探討FY-4A LMI在青島和大連地區的探測效率。

2.1 大連地區地基三維雷電探測網與FY-4A LMI觀測結果對比

圖4為2019年8月27日04:30—05:00(北京時，下同)大連地區地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖位置分別與雷達組合反射率和FY-2衛星TBB的疊加。可以看出，絕大多數地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖位于強回波區，回波強度大約是30 dBZ，進一步分析發現，強回波區域的云頂高度通常超過9 km，這意味著該區域是強對流中心。強對流和足夠的水汽含量，使得云內存在足夠的固態水成物粒子，這是雷暴云內出現電荷轉移并出現雷電的必要條件。地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖絕大多數位于TBB<240 K的冷云區域。詳細對比雷達組合反射率因子和TBB發現，可能是探測半徑和地物遮擋等原因，從TBB資料看有的區域有很強的對流云團和閃電，但從雷達回波看，似乎沒有對流云。綜合雷達回波和TBB的佐證結果來看，大連地區的地基三維雷電探測網精度基本可行。

圖4 2019年8月27日04:30—05:00大連地區地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖位置(黑色加號“+”)分別與雷達組合反射率(陰影，單位：dBZ)(a)和FY-2衛星TBB(陰影，單位：K)(b)的疊加(菱形為大連地區地基三維雷電探測網測站)

2019年8月26日，大連地區發生了一次強對流天氣雷電過程，此次雷電持續時間比較短，僅半小時左右。FY-4A LMI的探測效率不是很理想，半小時中，僅有兩個時次FY-4A LMI探測有group數據，具體如圖5所示。可以看出，地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖位置和FY-4A LMI探測的group的位置存在明顯的差異，可能是二者探測到的是不同的閃電。另外，通過對比大連地區其他3次典型個例地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖數量和FY-4A LMI探測的group數量(表1)，發現后者與前者之比為1/5左右。

圖5 2019年8月26日大連地區一次強對流天氣過程18:34:17—18:38:33(a、b)、18:53:34—18:57:50(c、d)地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖位置(黑色加號“+”)(a、c)和 FY-4A LMI探測的group位置(紅色星號“★”)(b、d)分別與FY-4 CTT (cloud top temperature)(陰影，單位：K)的疊加(菱形為大連地區地基三維雷電探測網測站)

表1 大連地區地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖數量(Np)和FY-4A LMI探測的group數量(Ng)對比

2.2 青島地區地基三維雷電探測網與FY-4A LMI觀測結果對比

2019年8月2日，青島地區發生了一次非常強烈的雷電過程，此次雷電過程持續時間太長，無法對比每個時刻地基三維雷電探測網與FY-4A LMI觀測結果，圖6僅給出了其中3個時次的對比結果。可以看出，地基三維雷電探測網和FY-4A LMI探測到的雷電活動的空間位置比較一致，基本都處于強對流核心區域。表2列出青島地區地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖數量和FY-4A LMI探測的group數量。可以看出，兩者探測的數量差距比較大，整體來看，FY-4A LMI探測的group數量是地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖數量的1/3左右。

表2 青島地區地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖數量(Np)和FY-4A LMI探測的group數量(Ng)對比

圖6 2019年8月2日青島地區一次強對流天氣過程05:30:00—05:34:16(a、b)、05:38:34—05:42:50(c、d)、05:49:17—05:53:33(e、f)的地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖位置(黑色加號“+”)(a、c、e)和 FY-4A LMI探測的group位置(紅色星號“★”)(b、d、f)分別與FY-4 CTT(陰影，單位：K)的疊加(菱形為青島地區地基三維雷電探測網測站)

綜上所述， FY-4A LMI在青島地區的探測效率要高于大連地區。

3 結論與討論

選取位于黃渤海地區的大連和青島兩個地區進行FY-4A LMI探測效率評估，從評估結果看，FY-4A LMI在黃渤海地區的探測效率比較低下。如青島地區，針對2019年的5次強對流過程，FY-4A LMI探測的group數量與地基三維雷電探測網脈沖數量比平均值僅為0.34；大連地區，針對2019年的4次強對流天氣過程，FY-4A LMI與地基三維雷電探測網探測的雷電脈沖數量比平均值為0.2。

FY-4A LMI可以實時監測全國范圍的雷電活動情況，但由于中國不同地區的雷暴形態不同，同時由于雷電強度、雷電在云內的始發位置不同，以及FY-4A LMI在不同地區的空間分辨率不同(在星下點的分辨率為7.8 km，在探測區域邊緣位置的空間分辨率超過20 km)等方面的原因，其在中國不同地區的探測效率存在很大區別。因此，很有必要對中國不同區域的FY-4A LMI的探測效率進行評估，這樣便于大范圍應用FY-4A LMI雷電探測數據。