基于风云四号闪电成像仪的高原闪电探测分析

文刚，周仿荣，方明，钱国超，黄然，马御棠，潘浩，姚年鹏，蒋尧，邹斌

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司，昆明 650011；3.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，南京 210044）

0 前言

云南气候特征呈现复杂多样[1]。除此之外，云南地势波澜起伏，并且境内矿产丰富，使得省内雷电活跃程度明显高于全国水平，据不完全数据统计，云南境内大部分地区平均雷暴日在80 天左右，是全国范围内遭受雷击灾害最严重的省份之一[2]。据历年跳闸数据：云南电网2013-2019 年雷击跳闸次数每年因雷击引起的跳闸数量均大于250 条·次，雷击灾害对云南电网的影响颇为恶劣。快速指导运维人员查明落雷点尤为重要。当前针对闪电探测装置主要采用南瑞生产的地基闪电探测站，即利用多个地基探测站同时探测空中的电磁波强度，从而确定闪电发生的位置[3]。云南电网现共有47 个地基闪电探测站，但每个地基闪电探测站覆盖范围有限，而且这些地基闪电探测站需要投入大量的人力、物力进行维护，每年投入的维护成本都在百万元以上，并且每个地基闪电探测站的使用寿命有限，因此，选用一种具有广域监测并且维护成本低的途径具有重要意义。

风云四号闪电成像仪（LMI）首次实现了对我国及周边区域静止轨道闪电的持续观测[4]，并且利用基于LMI 数据可以进行远距离、大范围闪电监测[5]。因此，本文提出了利用LMI 对云南高原地区进行闪电监测性能研究工作。

1 基于LMI闪电探测工作原理

风云四号卫星是三轴稳定气象卫星，搭载的主要仪器还有多通道扫描成像辐射计、高光谱垂直探测仪、空间环境监视仪器包等，可以实现15 min 地球全圆盘扫描。其中多通道扫描成像辐射计各通道的参数信息及主要用途如下表所示：参考文献[6-8]，将红外云顶亮温（TBB）≤-52℃（221K）作为深对流的发生时间，以此为阈值，获取二值图像，即TBB ≤221K 为有深对流，取值1，TBB ＞221K 的像元取值0，对二值图使用Canny 算子进行边缘检测，梯度阈值选用0.5，计算公式如下：

表1 多通道扫描成像辐射计各通道参数及主要用途

其中：▽2f(x,y) 为整理后像素(x,y) 处的灰度值，f(x,y)为具有整数像素坐标的输入图像。提取云团轮廓及云团中心，以15 min 为时间步长，可得云团的移动轨迹。

一般情况下，在短时间内区域的移动可视为直线移动，所以采用Holt 双参数线性平滑指数平滑算法，对区域未来的位置进行预测：

其中s为平滑值，R为实测值，F为预测值，b体现的是变化趋势，α、β为权重系数，初始值 为S0=R0，b0=0，S1=R1，b1=（S1-S0）/Δt1.0。预测结果中较新的实测值比时间更早的实测值拥有更大的权重，随着时间的迁移，权重按指数递减。改变预测的时间长度ΔtF即可得到不同的预测结果。

2 实验分析

本文主要选取了2020 年8 月29 日至30 日云南省境内发生了持续性的强烈闪电过程，通过云南电网雷电定位系统可知，这次闪电过程持续时间近22 小时。选取该时间段进行LMI在云南高原地区闪电监测性能的评估是相当有必要的。

因风云四号的时间分辨率为15 min，考虑到闪电持续时间太长，无法对比每个时刻的闪电监测结果，为了进一步简化分析过程，本文以半个小时绘制一张卫星影像图，并给出在这段时间内监测到的闪电数据。图1 所示为云南电网雷电定位系统在2020 年8 月29 日0 时至4 时监测到的闪电数据。通过图1 可以看出，在此期间，在云南省境内闪电主要发生在图1 所示的A、B、C、D 区域，其中A、B、C、D 区域内发生的地闪数量分别为1439、576、261、353 次。

图1 2020年8月29日0时-4时雷电定位系统监测的山火数据

图2 所示为风云四号14 通道的TBB 图以及LMI 监测的闪电分布情况，将TBB 的温度设定区间为200 K-290 K，则对应的摄氏温度为-73℃至17℃。从图中不难看出，在较低温度的云层区域处均出现了闪电，并且该区域内的TBB 值均小于220K，通过文献[9-10] 可知TBB 数值越小，意味着对流深度越大，云层越厚，按照TBB 为220K 左右，则对应的摄氏温度为-53℃。所以每公里下降5℃来计算，该地区的云顶高度可能达到10 公里左右。

图2 风云四号闪电监测数据

对比图1 和图2 可以看出，LMI 监测到的闪电位置与云南电网雷电定位系统监测闪电位置基本吻合，但是基于雷电定位系统监测的闪电（地闪）总数为2599 个，而基于LMI 监测到的闪电（地闪+ 云间闪）总数为775 个，在不区分地闪跟云间闪的情况下，LMI 仅是雷电定位系统探测效率的30%。

3 结束语

本文采用了我国新一代地球静止轨道LMI对云南高原地区闪电监测效果进行评估，得出以下结论：闪电发生区域与TBB 存在相关性，TBB 数值越小，对流深度较大，云层较厚，该区域易发生闪电；LMI 仅有地基闪电探测站监测到的闪电数量的1/3；整体上来看。风云四号的闪电成像仪探测效率较低，需进一步提高风云四号的闪电探测效能。