黄渤海地区FY-4A闪电成像仪(LMI)探测效果评估

邹耀仁，王 赟，王淑一，张源源，孟繁辉

(1.辽宁省大连市防雷减灾中心，辽宁 大连 116001；2.山东省青岛市气象灾害防御技术中心，山东 青岛 266000)

引 言

雷电作为一种伴随在台风、冰雹等强对流天气系统的大气现象，是相关灾害性天气的重要指示，对区域及全球气候特征有重要影响[1-2]。此外，雷电放电过程具有大电流、强电磁辐射、热效应等特性，加之其随机、快速致灾性等特点，对建筑物、电力线路杆塔、电子通信设备造成直接或间接破坏[3-5]。认清雷电的物理本质、掌握雷电的发生发展过程和揭示其与其他大气现象间的耦合制约关系，具有重大科学价值。另外研究雷电可更好地认识雷电、更准确地掌握其发展趋势、更精细地提出雷电防护方案，以减少雷电引起的各类灾害破坏效应，保障人类生命财产安全。

20世纪80年代开始，NASA在U2飞机上搭载光学脉冲探测器(OPS)发现雷电光谱在近红外777.4 nm(中性氧OI线)和868.3 nm(中性氮NI线)处辐射最强；90%的雷电光辐射能量密度峰值超过4.7 μJ·m-2·s-1[6]。这些研究成果已经用于低轨道卫星雷电探测，包括光学瞬变探测器[7-8](optical transient detector, OTD)和闪电成像仪[9](lightning imaging sensor, LIS)。搭载在微实验室(microlab)太阳同步轨道卫星上的OTD具有对不同类型雷电(云闪、地闪)的全天候探测能力，对地闪的探测效率为46%～69%，星下点空间分辨率为10 km，时间分辨率为2 ms，雷电定位精度20～40 km[10]。作为OTD的升级版，搭载在热带降水测量任务(tropical rainfall measuring mission, TRMM)卫星上的LIS探测38°S—38°N热带区域的雷电活动，结合该卫星上的其他载荷数据资料，如降水雷达(precipitation radar, PR)、TRMM微波成像仪(TRMM microwave imager, TMI)、可见光和近红外扫描仪(visible and infrared scanner, VIRS)等，LIS在研究雷暴云、降水与雷电间关系方面具有优势[11]。LIS探测效率比OTD有显著提高，LIS对正午雷电的探测效率为73%±11%，对夜间雷电的探测效率高达93%±4%，较低的轨道高度使LIS具有更高的空间分辨率(约4 km)，但也使其对同一区域的连续观测时间较少(约80 s)，而OTD能连续180 s对同一区域进行观测。OTD和LIS在极轨轨道上进行雷电探测的方式，使其在研究具体雷暴或雷暴系统时所需时间受到限制。这些限制使得OTD和LIS探测资料一直侧重于全球雷电分布的研究，而不针对具体雷暴中雷电活动的生成演变过程。

2016年11月19日美国在其静止轨道气象卫星GOES-R上首次携带闪电成像仪(geostationary lightning mapper, GLM)，GLM是单波段、近红外的光学瞬时事件探测仪，用于探测、定位各类型闪电以及计算总闪电数[12]，可对西半球可见圆盘范围内进行连续不间断观测，为雷暴灾害性天气提供预报预警，并建立长时间尺度的雷电数据库。欧洲计划在其下一代静止卫星(meteosat third generation, MTG)搭载闪电成像仪[13](lightning imager, LI)，电荷耦合器件探测阵列(charge-coupled device, CCD)大小为1372×1300，4个镜头将实现整个地球可见圆盘的连续观测，空间分辨率在星下点为4 km，雷电探测率为70%。

2016年12月11日，我国新一代地球静止轨道气象卫星FY-4A顺利发射升空，其上携带有我国第一次自主研制的星载闪电成像仪(lightning mapping imager, LMI)，使我国成为继美国之后第一批拥有静止卫星雷电探测技术的国家，该闪电成像仪实现了中国及周边范围的持续雷电监测[14-15]。

但是，由于我国不同地区的雷暴形态(大小、云层的厚度、云内水成物粒子含量)[16-17]、雷电强度、雷电在云内的始发位置，以及FY-4A LMI在不同地区的空间分辨率差异等，FY-4A LMI在中国不同地区的探测效率存在很大差异。因此，很有必要对中国不同区域FY-4A LMI的探测效率进行评估，这样才便于大范围应用FY-4A LMI雷电数据。黄渤海地区港口、海上航运的生产活动频繁，容易受到强对流天气的影响和制约，为进一步提升海洋气象服务能力，本文选取位于黄渤海地区的大连和青岛两个地区，利用地基三维雷电探测网资料，对FY-4A LMI的探测效率进行评估和分析。

1 资料和方法

FY-4A LMI资料来源于中国气象卫星网；雷电资料来源于大连和青岛地区地基三维雷电探测网；雷达资料来源于大连单站SA雷达，其高度209 m，探测半径230 km。

文中附图所涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)3320的标准地图制作，底图无修改。

2019年大连市和青岛市气象局均建立了地基三维雷电探测网，分别由6个测站[图1(a)]和7个测站[图1(b)]组成，每个探测网测站两两之间距离大多小于100 km，另外，两地地基三维雷电探测技术一致，均通过实时采集多站同步磁场波形，利用互相关技术进行时差定位。

图1 大连(a)和青岛(b)地区地基三维雷电探测网测站分布(红色圆点为一次地闪回击点位置)

地基三维雷电探测网单站系统主要由两个正交低频磁天线、高速数据采集系统及高精度GPS时钟构成。每个测站设有东西和南北两路磁场传感器，磁天线的频响曲线如图2所示，所有磁天线的带宽为1～700 kHz，在低于10 kHz的低频段，输出电压U正比于输入的磁场变化率dB/dt，而在10～700 kHz频率范围内，电压U与磁感应强度B成正比。频响特性反映了磁天线对不同频率信号处理能力的差异。东西和南北两路磁场传感器，使得探测到的磁场脉冲信号更多，实现了对快速变化的雷电脉冲信号的探测，有利于雷电三维定位。系统采用触发采集的方式，在兼顾环境电磁噪音、采集系统性能的前提下，连续同步采集、记录、存储并传输真实雷电脉冲信号，其中信号采样率为1 MHz，信号动态范围为±10 V，预触发时间为300 μs。不同测站之间通过授时精度为50 ns的高精度GPS时钟实现时间同步。

图2 频响曲线

2019年8月16日青岛7测站同步观测到的一次典型地闪波形(选取磁场传感器中较强的一路信号)(图3)中的每个双极性脉冲对应一次雷电放电过程的一个辐射源，一次雷电放电持续时间1 s左右，整个放电过程是一步步发展的，每一步发展就激发一个电磁脉冲。在定位前，首先，采用波形互相关(cross-correlation)技术实现脉冲辐射源的匹配，并获取雷电电磁脉冲辐射源到达不同测站的时间差。其次，采用非线性最小二乘拟合算法，实时反演出每个雷电脉冲所对应的时空位置(x,y,z,t)，从而最终实现雷电的三维定位。从定位结果看，这次地闪回击点的雷电发生位置如图1(b)所示。

图3 2019年8月16日青岛地区7测站同步观测到的一次典型地闪波形(左为整体波形，右为红色框波形的局部放大)

2 结果分析

FY-4A LMI可捕获到雷电脉冲(包括回击或M分量)[3]放电过程中激发的红外辐射。从现有的观测和模拟结果看，云层越薄，云内的水成物粒子对雷电脉冲激发的红外光子的吸收和散射越弱，从而被FY-4A LMI识别的可能性更高[18]。当闪电脉冲激发的氧原子红外辐射光子被FY-4A LMI的CCD捕获后，形成一个个组(group)，即CCD阵列上相邻好几个像素点(event)被照亮(超过了设定的亮度阈值)。

由于地基三维雷电探测数据和FY-4A LMI数据时间和空间分辨率不一致，为了对二者进行对比，做了如下定义：在黄渤海地区12 km范围内， 2 ms时间尺度内定出的所有地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲点等效为一个脉冲。由于FY-4A LMI空间分辨率为12 km、时间分辨率为2 ms，地基三维雷电定出的微秒级别的脉冲点数很多，但其实这些脉冲点都对应同一个FY-4A LMI探测的group。基于此，下面探讨FY-4A LMI在青岛和大连地区的探测效率。

2.1 大连地区地基三维雷电探测网与FY-4A LMI观测结果对比

图4为2019年8月27日04:30—05:00(北京时，下同)大连地区地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲位置分别与雷达组合反射率和FY-2卫星TBB的叠加。可以看出，绝大多数地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲位于强回波区，回波强度大约是30 dBZ，进一步分析发现，强回波区域的云顶高度通常超过9 km，这意味着该区域是强对流中心。强对流和足够的水汽含量，使得云内存在足够的固态水成物粒子，这是雷暴云内出现电荷转移并出现雷电的必要条件。地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲绝大多数位于TBB<240 K的冷云区域。详细对比雷达组合反射率因子和TBB发现，可能是探测半径和地物遮挡等原因，从TBB资料看有的区域有很强的对流云团和闪电，但从雷达回波看，似乎没有对流云。综合雷达回波和TBB的佐证结果来看，大连地区的地基三维雷电探测网精度基本可行。

图4 2019年8月27日04:30—05:00大连地区地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲位置(黑色加号“+”)分别与雷达组合反射率(阴影，单位：dBZ)(a)和FY-2卫星TBB(阴影，单位：K)(b)的叠加(菱形为大连地区地基三维雷电探测网测站)

2019年8月26日，大连地区发生了一次强对流天气雷电过程，此次雷电持续时间比较短，仅半小时左右。FY-4A LMI的探测效率不是很理想，半小时中，仅有两个时次FY-4A LMI探测有group数据，具体如图5所示。可以看出，地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲位置和FY-4A LMI探测的group的位置存在明显的差异，可能是二者探测到的是不同的闪电。另外，通过对比大连地区其他3次典型个例地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量和FY-4A LMI探测的group数量(表1)，发现后者与前者之比为1/5左右。

图5 2019年8月26日大连地区一次强对流天气过程18:34:17—18:38:33(a、b)、18:53:34—18:57:50(c、d)地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲位置(黑色加号“+”)(a、c)和 FY-4A LMI探测的group位置(红色星号“★”)(b、d)分别与FY-4 CTT (cloud top temperature)(阴影，单位：K)的叠加(菱形为大连地区地基三维雷电探测网测站)

表1 大连地区地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量(Np)和FY-4A LMI探测的group数量(Ng)对比

2.2 青岛地区地基三维雷电探测网与FY-4A LMI观测结果对比

2019年8月2日，青岛地区发生了一次非常强烈的雷电过程，此次雷电过程持续时间太长，无法对比每个时刻地基三维雷电探测网与FY-4A LMI观测结果，图6仅给出了其中3个时次的对比结果。可以看出，地基三维雷电探测网和FY-4A LMI探测到的雷电活动的空间位置比较一致，基本都处于强对流核心区域。表2列出青岛地区地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量和FY-4A LMI探测的group数量。可以看出，两者探测的数量差距比较大，整体来看，FY-4A LMI探测的group数量是地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量的1/3左右。

表2 青岛地区地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量(Np)和FY-4A LMI探测的group数量(Ng)对比

图6 2019年8月2日青岛地区一次强对流天气过程05:30:00—05:34:16(a、b)、05:38:34—05:42:50(c、d)、05:49:17—05:53:33(e、f)的地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲位置(黑色加号“+”)(a、c、e)和 FY-4A LMI探测的group位置(红色星号“★”)(b、d、f)分别与FY-4 CTT(阴影，单位：K)的叠加(菱形为青岛地区地基三维雷电探测网测站)

综上所述， FY-4A LMI在青岛地区的探测效率要高于大连地区。

3 结论与讨论

选取位于黄渤海地区的大连和青岛两个地区进行FY-4A LMI探测效率评估，从评估结果看，FY-4A LMI在黄渤海地区的探测效率比较低下。如青岛地区，针对2019年的5次强对流过程，FY-4A LMI探测的group数量与地基三维雷电探测网脉冲数量比平均值仅为0.34；大连地区，针对2019年的4次强对流天气过程，FY-4A LMI与地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量比平均值为0.2。

FY-4A LMI可以实时监测全国范围的雷电活动情况，但由于中国不同地区的雷暴形态不同，同时由于雷电强度、雷电在云内的始发位置不同，以及FY-4A LMI在不同地区的空间分辨率不同(在星下点的分辨率为7.8 km，在探测区域边缘位置的空间分辨率超过20 km)等方面的原因，其在中国不同地区的探测效率存在很大区别。因此，很有必要对中国不同区域的FY-4A LMI的探测效率进行评估，这样便于大范围应用FY-4A LMI雷电探测数据。