風云四號衛(wèi)星閃電探測產(chǎn)品在強對流天氣監(jiān)測中的應用

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一、引言

閃電放電過程會產(chǎn)生很強的光輻射，星載閃電成像儀利用閃電光輻射在777.4 nm中性氧原子近紅外吸收譜線最強這一特征，實現(xiàn)對閃電的光學探測，確定閃電發(fā)生的準確位置[1-2]。目前已投入觀測的主要是低軌道星載閃電成像儀，包括裝載于Microlab-1衛(wèi)星上的閃電光學瞬變探測器（OTD）[3-5]和裝載于熱帶降水測量計劃任務衛(wèi)星（TRMM）上的閃電成像儀（Lightning Imaging Sensor，LIS）[5-6]。發(fā)展靜止衛(wèi)星閃電成像儀，實現(xiàn)對閃電的連續(xù)、實時觀測，從而實現(xiàn)雷電的追蹤和預警，成為了國際上雷電空間探測的主要發(fā)展方向。2016年11月19日發(fā)射的美國靜止環(huán)境觀測衛(wèi)星（GOES-R）攜帶的閃電成像儀[7]（Geostationary Lightning Mapper，GLM）CCD面陣大小為1372×1300，空間分辨率為8—14 km，閃電探測率為70%，虛警率為5%。2016年12月11日發(fā)射的我國新一代靜止衛(wèi)星風云四號（FY-4A）攜帶的閃電成像儀（Lightning Mapping Imager，LMI）[8-9]星下點定位于104.7oE，CCD面陣大小為400×600，星下點空間分辨率為7.8 km。LMI是我國第一次自主研制的星載閃電成像儀，在儀器研制和產(chǎn)品生成算法等方面都位于國際前沿領域。此外，歐洲第三代靜止衛(wèi)星（MTG）閃電成像儀（Lightning Imager，LI）[10]計劃2020年發(fā)射。星載閃電成像儀觀測產(chǎn)品在氣象和氣候?qū)W方面具有重要的應用價值[11-14]，未來，美國、中國和歐洲的靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀將構(gòu)成近乎全球覆蓋的空基閃電觀測網(wǎng)，對全球閃電探測、大氣電學研究等相關領域產(chǎn)生重要影響。

本文首先介紹風云四號靜止軌道氣象衛(wèi)星閃電成像儀的基本探測原理；其次，選擇兩次強對流天氣個例，介紹LMI閃電探測產(chǎn)品在強對流天氣監(jiān)測中的應用。

二、風云四號衛(wèi)星閃電成像儀探測原理

LMI根據(jù)閃電的光學瞬變特性，利用電荷耦合器件CCD成像技術，通過設計合理的儀器觀測參數(shù)實現(xiàn)閃電探測。LMI的核心傳感器為CCD面陣，包括400×600個微小像元，探測中心波長為777.4 nm，帶寬為±1 nm，保證了LMI探測系統(tǒng)具有較高的信噪比；1min能夠連續(xù)觀測30000幀圖像，單幀圖像積分時間約為1.875ms，遠大于一次閃電放電過程約400 μs的持續(xù)時間；星下點空間分辨率為7.8 km，大于云頂閃電放電過程約5—10 km的空間尺度。較高的時間分辨率和較高的空間分辨率，保證了完整捕捉一次閃電放電過程。利用多幀平均背景估值方法，將每秒開始的7幀原始數(shù)據(jù)做平均，給出背景估值，進而將緩慢變化的背景光從輸出的原始數(shù)據(jù)中濾除，提取瞬態(tài)變化的閃電“事件”，同時，采用根據(jù)背景強度自適用調(diào)整探測閾值的方法，實現(xiàn)瞬態(tài)點源弱小目標探測效率最大化，減小背景光的影響。

LMI探測系統(tǒng)由星上數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。星上數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)的主要部分是星上實時事件處理器（RTEP）。RTEP接收CCD面陣并行輸出的原始觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)信號接收與限幅、多幀平均背景估值、背景信號去除、逐元閾值自適用設置、閃電信號探測、閃電信號編碼，實現(xiàn)對閃電信號的捕捉，并將閃電“事件”與背景數(shù)據(jù)一并輸出給信息編碼電路并傳至地面接收測站[9][15]。

由于每年春分和秋分FY-4A靜止衛(wèi)星平臺調(diào)頭，因此每年春分到秋分，LMI的觀測視場為中國地區(qū)及其鄰近海域，從秋分開始到下一年春分，LMI的觀測視場為澳大利亞地區(qū)西部和印度洋海域。因此，LMI可對中國地區(qū)春季和夏季對流天氣較為活躍時期的閃電活動進行監(jiān)測。

三、LMI閃電探測產(chǎn)品

星上預處理系統(tǒng)輸出的經(jīng)定標定位處理后的原始探測數(shù)據(jù)，進行虛假信號濾除和聚類分析[16-17]處理，輸出包含閃電“事件”（event）、“組”（group）和“閃電”的發(fā)生時間、位置和強度等信息以及基于結(jié)構(gòu)樹的閃電“事件”、“組”和“閃電”之間的從屬關系的閃電探測產(chǎn)品。當閃電成像儀CCD面陣單個像元探測到的閃電光輻射的輻亮度高于背景閾值時，定義為一次閃電“事件”，即像元觀測區(qū)域云中閃電光輻射透過云層的發(fā)光現(xiàn)象，對應的CCD面陣該像元中心位置即為這次閃電“事件”的位置。同一幀CCD圖像上的多個相鄰微小像元探測到的閃電“事件”組成一個“組”，對應于地閃的一次回擊或云閃的一次K變化，滿足一定閾值條件的多個“組”定義為一次真實的“閃電”過程。

如圖1所示為LMI的L2級閃電探測產(chǎn)品“事件”、“組”和“閃電”，以及中國氣象局地基閃電探測網(wǎng)“地閃”探測產(chǎn)品。可以看出，LMI閃電探測產(chǎn)品和地基閃電探測產(chǎn)品反映的閃電密度高值區(qū)基本一致。由于LMI能夠?qū)崿F(xiàn)總閃（“云閃”和“地閃”）探測，因此相對于地基閃電探測網(wǎng)探測的閃電更多。

圖1 FY- 4A/LMI閃電探測產(chǎn)品和地基閃電探測產(chǎn)品對比圖

四、對流天氣監(jiān)測分析

1. 華南和江南地區(qū)一次強對流天氣過程

這里選擇2017年6月5日中國華南和江南地區(qū)的一次強對流天氣過程，結(jié)合靜止衛(wèi)星可見光通道觀測圖像產(chǎn)品和地基天氣雷達產(chǎn)品，研究將LMI閃電探測產(chǎn)品應用于強對流天氣監(jiān)測和預警的方法。

2017年6月5日，受東移南亞的切變線云系影響，廣東、廣西和湖南等地發(fā)生強降雨天氣，同時伴隨有雷暴和大風。如圖2所示為FY-4A搭載的多通道掃描輻射計（AGRI）可見光通道圖像[18]。由圖2（a）和（b）可以看出，500m分辨率的AGRI可見光圖像對于對流云團的結(jié)構(gòu)和紋理特征的顯示效果較為清晰，2018年6月5日15時，廣西東部和北部對流云團發(fā)展至旺盛階段，16時，廣西東部和北部對流云團逐漸減弱。

圖2 FY- 4A/AGRI可見光通道圖像

如圖3（a）和（b）所示分別為這次華南地區(qū)強對流天氣過程LMI閃電探測產(chǎn)品和新一代天氣雷達基本反射率產(chǎn)品[19]，其中，雷達產(chǎn)品對應時間為2017年6月5日15時12分，閃電探測產(chǎn)品對應時間為雷達觀測前后約1h。可以看出，廣西北部有局地對流云團出現(xiàn)，LMI也探測到該區(qū)域有閃電發(fā)生，其與FY-4A/AGRI可見光通道圖像對應一致。此外，湖南東部對流系統(tǒng)旺盛，LMI探測到的閃電活動較為密集，對應的雷達基本反射率為35 dBz —45dBz，表明該區(qū)域有明顯的對流云團。LMI不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度對流系統(tǒng)中的閃電監(jiān)測，而且能夠?qū)值匦α髟茍F中的閃電活動進行監(jiān)測，因此，LMI閃電探測產(chǎn)品對于對流初生判識和對流預警研究很有意義。

圖3 2017年6月5日中國華南和江南地區(qū)一次強對流天氣過程閃電探測產(chǎn)品、天氣雷達基本反射率產(chǎn)品和可見光通道圖像對比圖

2. 江南地區(qū)一次強降雨天氣過程

這里選擇2017年6月28日中國江南地區(qū)的一次強降雨天氣過程，結(jié)合地面水平分辨率為0.50×0.50的日值降水格點數(shù)據(jù)，研究將LMI閃電探測產(chǎn)品應用于強對流天氣監(jiān)測和預警的方法。

2017年6月28日，受低層切變線云系影響，江南地區(qū)出現(xiàn)強降雨天氣。6月28日00:00（北京時），江南東部等地有明顯上沖云頂出現(xiàn)，高層輻散明顯，利于對流云團發(fā)展。如圖4（a）所示為強降雨天氣過程閃電日密度分布，如圖4（b）所示為這次強降雨天氣過程地面日降水量。可以看出，降雨較為集中的區(qū)域為湖南和江西等地，這些地區(qū)閃電分布較為密集，雨帶南部閃電密度較高，因此，閃電與降水分布有一定的對應關系。

圖4 2017年6月28日中國江南地區(qū)一次強降雨天氣過程閃電探測產(chǎn)品和地面降水產(chǎn)品對比圖

如圖5所示為2017年6月28日這次強降雨天氣過程地閃數(shù)和總閃數(shù)的對比圖。可以看出，對流天氣過程開始階段，總閃提前于地閃出現(xiàn)，即云閃提前于地閃發(fā)生；對流天氣過程發(fā)展旺盛階段，地閃數(shù)首先達到峰值，約4h后總閃數(shù)達到峰值；對流天氣過程消散階段，閃電類型主要為云閃。由此可見，整個對流天氣過程云閃持續(xù)發(fā)生，云閃頻數(shù)的變化特征較好地反映了對流天氣的強度演變過程。

圖5 2017年6月28日中國江南地區(qū)強對流天氣過程地閃頻數(shù)與總閃頻數(shù)

五、小結(jié)

FY-4A靜止衛(wèi)星閃電成像儀具有較好的閃電信號探測能力，L2級閃電探測產(chǎn)品能夠反映中國地區(qū)及其臨近海域的閃電分布特征。

通過對兩次強對流天氣過程中閃電活動特征的分析發(fā)現(xiàn)，LMI閃電探測產(chǎn)品與對流云團AGRI可見光通道圖像對應一致，同時與地基天氣雷達基本反射率大于35 dBz的強對流區(qū)對應一致，與強降水區(qū)域有一定的對應關系。云閃提前于地閃發(fā)生，對強對流天氣具有指示作用。

由于閃電活動與對流天氣系統(tǒng)密切相關，是強對流天氣的重要指示因子，因此，LMI閃電探測產(chǎn)品可以為強對流實時監(jiān)測、預警預報提供有益的觀測信息，具有重要的應用前景。