风云四号卫星闪电探测产品在强对流天气监测中的应用

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一、引言

闪电放电过程会产生很强的光辐射，星载闪电成像仪利用闪电光辐射在777.4 nm中性氧原子近红外吸收谱线最强这一特征，实现对闪电的光学探测，确定闪电发生的准确位置[1-2]。目前已投入观测的主要是低轨道星载闪电成像仪，包括装载于Microlab-1卫星上的闪电光学瞬变探测器（OTD）[3-5]和装载于热带降水测量计划任务卫星（TRMM）上的闪电成像仪（Lightning Imaging Sensor，LIS）[5-6]。发展静止卫星闪电成像仪，实现对闪电的连续、实时观测，从而实现雷电的追踪和预警，成为了国际上雷电空间探测的主要发展方向。2016年11月19日发射的美国静止环境观测卫星（GOES-R）携带的闪电成像仪[7]（Geostationary Lightning Mapper，GLM）CCD面阵大小为1372×1300，空间分辨率为8—14 km，闪电探测率为70%，虚警率为5%。2016年12月11日发射的我国新一代静止卫星风云四号（FY-4A）携带的闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI）[8-9]星下点定位于104.7oE，CCD面阵大小为400×600，星下点空间分辨率为7.8 km。LMI是我国第一次自主研制的星载闪电成像仪，在仪器研制和产品生成算法等方面都位于国际前沿领域。此外，欧洲第三代静止卫星（MTG）闪电成像仪（Lightning Imager，LI）[10]计划2020年发射。星载闪电成像仪观测产品在气象和气候学方面具有重要的应用价值[11-14]，未来，美国、中国和欧洲的静止轨道卫星闪电成像仪将构成近乎全球覆盖的空基闪电观测网，对全球闪电探测、大气电学研究等相关领域产生重要影响。

本文首先介绍风云四号静止轨道气象卫星闪电成像仪的基本探测原理；其次，选择两次强对流天气个例，介绍LMI闪电探测产品在强对流天气监测中的应用。

二、风云四号卫星闪电成像仪探测原理

LMI根据闪电的光学瞬变特性，利用电荷耦合器件CCD成像技术，通过设计合理的仪器观测参数实现闪电探测。LMI的核心传感器为CCD面阵，包括400×600个微小像元，探测中心波长为777.4 nm，带宽为±1 nm，保证了LMI探测系统具有较高的信噪比；1min能够连续观测30000帧图像，单帧图像积分时间约为1.875ms，远大于一次闪电放电过程约400 μs的持续时间；星下点空间分辨率为7.8 km，大于云顶闪电放电过程约5—10 km的空间尺度。较高的时间分辨率和较高的空间分辨率，保证了完整捕捉一次闪电放电过程。利用多帧平均背景估值方法，将每秒开始的7帧原始数据做平均，给出背景估值，进而将缓慢变化的背景光从输出的原始数据中滤除，提取瞬态变化的闪电“事件”，同时，采用根据背景强度自适用调整探测阈值的方法，实现瞬态点源弱小目标探测效率最大化，减小背景光的影响。

LMI探测系统由星上数据预处理系统和地面数据处理系统两部分构成。星上数据预处理系统的主要部分是星上实时事件处理器（RTEP）。RTEP接收CCD面阵并行输出的原始观测数据，经信号接收与限幅、多帧平均背景估值、背景信号去除、逐元阈值自适用设置、闪电信号探测、闪电信号编码，实现对闪电信号的捕捉，并将闪电“事件”与背景数据一并输出给信息编码电路并传至地面接收测站[9][15]。

由于每年春分和秋分FY-4A静止卫星平台调头，因此每年春分到秋分，LMI的观测视场为中国地区及其邻近海域，从秋分开始到下一年春分，LMI的观测视场为澳大利亚地区西部和印度洋海域。因此，LMI可对中国地区春季和夏季对流天气较为活跃时期的闪电活动进行监测。

三、LMI闪电探测产品

星上预处理系统输出的经定标定位处理后的原始探测数据，进行虚假信号滤除和聚类分析[16-17]处理，输出包含闪电“事件”（event）、“组”（group）和“闪电”的发生时间、位置和强度等信息以及基于结构树的闪电“事件”、“组”和“闪电”之间的从属关系的闪电探测产品。当闪电成像仪CCD面阵单个像元探测到的闪电光辐射的辐亮度高于背景阈值时，定义为一次闪电“事件”，即像元观测区域云中闪电光辐射透过云层的发光现象，对应的CCD面阵该像元中心位置即为这次闪电“事件”的位置。同一帧CCD图像上的多个相邻微小像元探测到的闪电“事件”组成一个“组”，对应于地闪的一次回击或云闪的一次K变化，满足一定阈值条件的多个“组”定义为一次真实的“闪电”过程。

如图1所示为LMI的L2级闪电探测产品“事件”、“组”和“闪电”，以及中国气象局地基闪电探测网“地闪”探测产品。可以看出，LMI闪电探测产品和地基闪电探测产品反映的闪电密度高值区基本一致。由于LMI能够实现总闪（“云闪”和“地闪”）探测，因此相对于地基闪电探测网探测的闪电更多。

图1 FY- 4A/LMI闪电探测产品和地基闪电探测产品对比图

四、对流天气监测分析

1. 华南和江南地区一次强对流天气过程

这里选择2017年6月5日中国华南和江南地区的一次强对流天气过程，结合静止卫星可见光通道观测图像产品和地基天气雷达产品，研究将LMI闪电探测产品应用于强对流天气监测和预警的方法。

2017年6月5日，受东移南亚的切变线云系影响，广东、广西和湖南等地发生强降雨天气，同时伴随有雷暴和大风。如图2所示为FY-4A搭载的多通道扫描辐射计（AGRI）可见光通道图像[18]。由图2（a）和（b）可以看出，500m分辨率的AGRI可见光图像对于对流云团的结构和纹理特征的显示效果较为清晰，2018年6月5日15时，广西东部和北部对流云团发展至旺盛阶段，16时，广西东部和北部对流云团逐渐减弱。

图2 FY- 4A/AGRI可见光通道图像

如图3（a）和（b）所示分别为这次华南地区强对流天气过程LMI闪电探测产品和新一代天气雷达基本反射率产品[19]，其中，雷达产品对应时间为2017年6月5日15时12分，闪电探测产品对应时间为雷达观测前后约1h。可以看出，广西北部有局地对流云团出现，LMI也探测到该区域有闪电发生，其与FY-4A/AGRI可见光通道图像对应一致。此外，湖南东部对流系统旺盛，LMI探测到的闪电活动较为密集，对应的雷达基本反射率为35 dBz —45dBz，表明该区域有明显的对流云团。LMI不仅能够实现大尺度对流系统中的闪电监测，而且能够对局地小对流云团中的闪电活动进行监测，因此，LMI闪电探测产品对于对流初生判识和对流预警研究很有意义。

图3 2017年6月5日中国华南和江南地区一次强对流天气过程闪电探测产品、天气雷达基本反射率产品和可见光通道图像对比图

2. 江南地区一次强降雨天气过程

这里选择2017年6月28日中国江南地区的一次强降雨天气过程，结合地面水平分辨率为0.50×0.50的日值降水格点数据，研究将LMI闪电探测产品应用于强对流天气监测和预警的方法。

2017年6月28日，受低层切变线云系影响，江南地区出现强降雨天气。6月28日00:00（北京时），江南东部等地有明显上冲云顶出现，高层辐散明显，利于对流云团发展。如图4（a）所示为强降雨天气过程闪电日密度分布，如图4（b）所示为这次强降雨天气过程地面日降水量。可以看出，降雨较为集中的区域为湖南和江西等地，这些地区闪电分布较为密集，雨带南部闪电密度较高，因此，闪电与降水分布有一定的对应关系。

图4 2017年6月28日中国江南地区一次强降雨天气过程闪电探测产品和地面降水产品对比图

如图5所示为2017年6月28日这次强降雨天气过程地闪数和总闪数的对比图。可以看出，对流天气过程开始阶段，总闪提前于地闪出现，即云闪提前于地闪发生；对流天气过程发展旺盛阶段，地闪数首先达到峰值，约4h后总闪数达到峰值；对流天气过程消散阶段，闪电类型主要为云闪。由此可见，整个对流天气过程云闪持续发生，云闪频数的变化特征较好地反映了对流天气的强度演变过程。

图5 2017年6月28日中国江南地区强对流天气过程地闪频数与总闪频数

五、小结

FY-4A静止卫星闪电成像仪具有较好的闪电信号探测能力，L2级闪电探测产品能够反映中国地区及其临近海域的闪电分布特征。

通过对两次强对流天气过程中闪电活动特征的分析发现，LMI闪电探测产品与对流云团AGRI可见光通道图像对应一致，同时与地基天气雷达基本反射率大于35 dBz的强对流区对应一致，与强降水区域有一定的对应关系。云闪提前于地闪发生，对强对流天气具有指示作用。

由于闪电活动与对流天气系统密切相关，是强对流天气的重要指示因子，因此，LMI闪电探测产品可以为强对流实时监测、预警预报提供有益的观测信息，具有重要的应用前景。