基于LMI 数据的黑龙江省一次闪电活动过程特征分析

谢连妮 ，曹 蕾，徐 嘉

（1.黑龙江省生态气象中心，黑龙江 哈尔滨 150030；2.哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

闪电是大气中的一种脉冲式放电现象， 闪电发生过程中会释放强大的电流， 经常会对地面一些设施建筑造成损害，甚至严重的会造成人员伤亡，据相关统计数据显示，平均全世界发生雷暴高达2000 次每分钟， 每年全球由雷击所引发的伤亡人次超过10000 次，雷电造成的直接经济损失超过10 亿美元[1-2]，雷电灾害已经被列为十大自然灾害之一，因此，对闪电活动的监测就备受人们的关注。 随着现代科技的快速发展， 雷电学已经成为大气科学的重要研究对象， 对雷电活动的实时准确监测和分析对于强对流天气监测预警具有重要意义。

近些年以来，我国地面闪电探测系统逐步完善，已经发展成国家级雷电观测网络， 地面闪电探测系统可以及时探测闪电发生的位置、强度等信息，但由于其站点布置少、站点不连续等局限性，导致无法有效实现对全国范围的探测， 比如海洋等地方的闪电探测与预报。 而卫星观测则弥补了这方面的不足[3]。美国于 1994年和 1997年发射了 OTD（(Optical Transient Detector)和 LIS （Lightning Imaging Sensor）两代星载闪电仪，提供了无海洋-陆地偏差的闪电探测和定位。 但受极轨卫星观测平台的限制，OTD和LIS 不能对某一地区的闪电进行连续的探测，因此美国航空航天局（NASA）于1980年代就提出了发展地球静止轨道卫星闪电成像仪的设想， 静止卫星发展成为了目前最有效的闪电监测平台， 并受到了各界研究学者的广泛关注。 目前在业务应用方面的静止卫星成像仪主要有3 种：美国静止卫星（GOES-R）闪电成像仪 GLM （Geostationary Lightning Mapper）、欧洲第三代静止卫星 （MTG） 闪电成像仪LI（Lightning Imager）以及中国新一代静止卫星风云四号（FY-4）闪电成像仪LMI[3-4]。

闪电成像仪（LMI）是我国首次研制的静止气象卫星闪电探测仪器， 它采用CCD 面阵和光学成像技术获取闪电与背景图像， 并进行逐像素多帧实时背景评估和滤除， 从而实现闪电信号的增强和探测定位[5]。 LMI 的探测范围广，每年春分到秋分期间可探测中国及周边地区的闪电， 采样速率为频率500 帧/秒，可以实现闪电活动全天候连续观测[6]。 LMI 探测的总闪电（包括云间闪、云地闪和云内闪）数据对于分析我国闪电分布特征以及强对流天气预警、 预报和跟踪等有重要意义。

本文主要利用闪电成像仪（LMI）数据分析了黑龙江省2021年7月21日一次闪电活动过程中的闪电特征，分别从闪电事件发生的空间分布、辐射值相对强度分布和时间分布情况等角度进行分析， 为区域闪电监测评估提供了必要的基础。

2 资料与方法

2.1 数据说明

FY-4A/LMI 闪电数据来自于中国气象局国家卫星气象中心， 闪电数据L2级产品主要包括事件Event、组 Group和闪电 Flash 三种，本文使用 Event产品[7]，产品命名格式如下：

2.2 数据处理

Event 产品的数据格式是NC 文件， 本文主要使用Matlab 软件对数据进行提取、处理和分析，首先批量读取Event 产品NC 文件的信息，主要包括如下几个数据要素： 闪电事件发生的时间 （EOT）、 经度（LON）、纬度（LAT）和辐射值相对强度（ER）；然后再结合黑龙江省矢量边界信息， 剔除黑龙江省外的闪电事件信息，仅保留省内的闪电事件信息；最后根据提取的省内闪电事件信息分析闪电活动特征。

3 闪电分布特征

3.1 空间分布

闪电事件发生位置分布图如图1 所示， 具体各地区闪电发生次数见图2，结果显示，7月21日黑龙江省共发生闪电事件1480 次，主要发生在黑龙江省东部和中部地区，其中鸡西市、哈尔滨市、七台河市、双鸭山市、佳木斯市、鹤岗市、牡丹江市、伊春市、齐齐哈尔市和黑河市闪电发生次数依次为332、296、158、156、100、279、45、13、55和 46 次，各地区闪电次数差异较大，鸡西市发生闪电事件次数最多，为332次，其次是哈尔滨市和鹤岗市，伊春市监测到的闪电事件较少，为13 次。

图1 2021年7月21日闪电事件位置分布图

图2 2021年7月21日各地区闪电事件发生次数分布图

3.2 辐射值相对强度分布

对闪电事件辐射值相对强度情况进行分析，结果显示，7月21日黑龙江省闪电事件辐射值相对强度最高为318.69 uJ/m2/ster，位于双鸭山市，经纬度为（132°28′ W，46°9′ N）； 闪电事件辐射值相对强度最低为 3.76 uJ/m2/ster，位于（126°45′ W，47°43′ N）；从辐射值相对强度范围分布来看， 大部分闪电事件辐射值相对强度低于300 uJ/m2/ster， 辐射值相对强度位于 0-100 uJ/m2/ster 范围的为 762 次，占比 51.5%，辐射值相对强度位于100-200 uJ/m2/ster 范围的为445 次，占比约30%，位于200-300 uJ/m2/ster 范围的为 271 次， 占比 18.3%，300-400 uJ/m2/ster 范围的仅有 2 次。

3.3时间分布

闪电成像仪（LMI）的探测时间分辨率为2 ms，可以实现对闪电事件的连续不间断观测， 从而实现闪电活动的日变化特征分析。 图3 是7月21日闪电事件发生次数和平均辐射值相对强度的时间分布图，结果显示：从闪电发生次数看，7月21日闪电事件主要发生在 19时-02时，共发生 1130 次，占比 76.3%，峰值时段出现在 00-01时，1 h 闪电 Event个数达275。从闪电平均辐射值相对强度看，19-22时闪电辐射值相对强度较高，均为200 uJ/m2/ster 以上，日间时段辐射值相对强度明显低于夜间时段， 具体数值见表2。 对闪电活动的逐小时变化特征分析，可以为强对流性天气跟踪、 预报和预警等提供重要的参考依据。

图3 (a)闪电事件发生次数和(b)平均辐射值相对强度时间分布

表2 闪电事件发生次数和平均辐射值相对强度

4 小结

本文使用 2021年7月21日闪电成像仪（LMI）观测数据对黑龙江省一次闪电活动过程的闪电特征进行分析，分别从闪电发生次数和辐射值相对强度的空间分布以及时间分布进行分析， 揭示了区域雷电活动特征，主要结论如下：

（1）从闪电事件发生次数空间分布看，黑龙江省2021年7月21日共发生闪电事件1480 次， 主要分布在黑龙江省东部和中部地区， 其中鸡西市发生闪电事件次数最多，为332 次，其次是哈尔滨市和鹤岗市，伊春市闪电次数最少，为13 次。

（2）从闪电辐射值相对强度分布看，闪电事件辐射值相对强度分布范围为 3.76-318.69 uJ/m2/ster，其中最高辐射值相对强度发生在双鸭山市； 大部分闪电事件强度低于300 uJ/m2/ster，其中辐射值相对强度位 于 0-200 uJ/m2/ster 范 围 的 为 1207 次 ， 占 比81.5%。

（3）从闪电事件日变化分析看，闪电事件主要发生在19-02时，共发生1130 次，峰值时段出现在00-01时，1 h 闪电 Event个数达 275；闪电辐射值相对强度较高时段在19-22时，均为200 uJ/m2/ster 以上，且日间时段辐射值相对强度明显低于夜间时段。

对闪电活动的监测可以了解闪电的特性， 为系统地研究对流中闪电的特征及全球闪电特征奠定基础，在后续研究中，可以对更长时间尺度的闪电活动特征进行深入研究以及探索星地闪电探测数据的差异。