基于LMI 數(shù)據(jù)的黑龍江省一次閃電活動(dòng)過程特征分析

謝連妮 ，曹 蕾，徐 嘉

（1.黑龍江省生態(tài)氣象中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

閃電是大氣中的一種脈沖式放電現(xiàn)象， 閃電發(fā)生過程中會(huì)釋放強(qiáng)大的電流， 經(jīng)常會(huì)對(duì)地面一些設(shè)施建筑造成損害，甚至嚴(yán)重的會(huì)造成人員傷亡，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，平均全世界發(fā)生雷暴高達(dá)2000 次每分鐘， 每年全球由雷擊所引發(fā)的傷亡人次超過10000 次，雷電造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過10 億美元[1-2]，雷電災(zāi)害已經(jīng)被列為十大自然災(zāi)害之一，因此，對(duì)閃電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)就備受人們的關(guān)注。 隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展， 雷電學(xué)已經(jīng)成為大氣科學(xué)的重要研究對(duì)象， 對(duì)雷電活動(dòng)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和分析對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義。

近些年以來，我國(guó)地面閃電探測(cè)系統(tǒng)逐步完善，已經(jīng)發(fā)展成國(guó)家級(jí)雷電觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)， 地面閃電探測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)探測(cè)閃電發(fā)生的位置、強(qiáng)度等信息，但由于其站點(diǎn)布置少、站點(diǎn)不連續(xù)等局限性，導(dǎo)致無法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)范圍的探測(cè)， 比如海洋等地方的閃電探測(cè)與預(yù)報(bào)。 而衛(wèi)星觀測(cè)則彌補(bǔ)了這方面的不足[3]。美國(guó)于 1994年和 1997年發(fā)射了 OTD（(Optical Transient Detector)和 LIS （Lightning Imaging Sensor）兩代星載閃電儀，提供了無海洋-陸地偏差的閃電探測(cè)和定位。 但受極軌衛(wèi)星觀測(cè)平臺(tái)的限制，OTD和LIS 不能對(duì)某一地區(qū)的閃電進(jìn)行連續(xù)的探測(cè)，因此美國(guó)航空航天局（NASA）于1980年代就提出了發(fā)展地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀的設(shè)想， 靜止衛(wèi)星發(fā)展成為了目前最有效的閃電監(jiān)測(cè)平臺(tái)， 并受到了各界研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。 目前在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的靜止衛(wèi)星成像儀主要有3 種：美國(guó)靜止衛(wèi)星（GOES-R）閃電成像儀 GLM （Geostationary Lightning Mapper）、歐洲第三代靜止衛(wèi)星 （MTG） 閃電成像儀LI（Lightning Imager）以及中國(guó)新一代靜止衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)（FY-4）閃電成像儀LMI[3-4]。

閃電成像儀（LMI）是我國(guó)首次研制的靜止氣象衛(wèi)星閃電探測(cè)儀器， 它采用CCD 面陣和光學(xué)成像技術(shù)獲取閃電與背景圖像， 并進(jìn)行逐像素多幀實(shí)時(shí)背景評(píng)估和濾除， 從而實(shí)現(xiàn)閃電信號(hào)的增強(qiáng)和探測(cè)定位[5]。 LMI 的探測(cè)范圍廣，每年春分到秋分期間可探測(cè)中國(guó)及周邊地區(qū)的閃電， 采樣速率為頻率500 幀/秒，可以實(shí)現(xiàn)閃電活動(dòng)全天候連續(xù)觀測(cè)[6]。 LMI 探測(cè)的總閃電（包括云間閃、云地閃和云內(nèi)閃）數(shù)據(jù)對(duì)于分析我國(guó)閃電分布特征以及強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警、 預(yù)報(bào)和跟蹤等有重要意義。

本文主要利用閃電成像儀（LMI）數(shù)據(jù)分析了黑龍江省2021年7月21日一次閃電活動(dòng)過程中的閃電特征，分別從閃電事件發(fā)生的空間分布、輻射值相對(duì)強(qiáng)度分布和時(shí)間分布情況等角度進(jìn)行分析， 為區(qū)域閃電監(jiān)測(cè)評(píng)估提供了必要的基礎(chǔ)。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)說明

FY-4A/LMI 閃電數(shù)據(jù)來自于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心， 閃電數(shù)據(jù)L2級(jí)產(chǎn)品主要包括事件Event、組 Group和閃電 Flash 三種，本文使用 Event產(chǎn)品[7]，產(chǎn)品命名格式如下：

2.2 數(shù)據(jù)處理

Event 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)格式是NC 文件， 本文主要使用Matlab 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理和分析，首先批量讀取Event 產(chǎn)品NC 文件的信息，主要包括如下幾個(gè)數(shù)據(jù)要素： 閃電事件發(fā)生的時(shí)間 （EOT）、 經(jīng)度（LON）、緯度（LAT）和輻射值相對(duì)強(qiáng)度（ER）；然后再結(jié)合黑龍江省矢量邊界信息， 剔除黑龍江省外的閃電事件信息，僅保留省內(nèi)的閃電事件信息；最后根據(jù)提取的省內(nèi)閃電事件信息分析閃電活動(dòng)特征。

3 閃電分布特征

3.1 空間分布

閃電事件發(fā)生位置分布圖如圖1 所示， 具體各地區(qū)閃電發(fā)生次數(shù)見圖2，結(jié)果顯示，7月21日黑龍江省共發(fā)生閃電事件1480 次，主要發(fā)生在黑龍江省東部和中部地區(qū)，其中雞西市、哈爾濱市、七臺(tái)河市、雙鴨山市、佳木斯市、鶴崗市、牡丹江市、伊春市、齊齊哈爾市和黑河市閃電發(fā)生次數(shù)依次為332、296、158、156、100、279、45、13、55和 46 次，各地區(qū)閃電次數(shù)差異較大，雞西市發(fā)生閃電事件次數(shù)最多，為332次，其次是哈爾濱市和鶴崗市，伊春市監(jiān)測(cè)到的閃電事件較少，為13 次。

圖1 2021年7月21日閃電事件位置分布圖

圖2 2021年7月21日各地區(qū)閃電事件發(fā)生次數(shù)分布圖

3.2 輻射值相對(duì)強(qiáng)度分布

對(duì)閃電事件輻射值相對(duì)強(qiáng)度情況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，7月21日黑龍江省閃電事件輻射值相對(duì)強(qiáng)度最高為318.69 uJ/m2/ster，位于雙鴨山市，經(jīng)緯度為（132°28′ W，46°9′ N）； 閃電事件輻射值相對(duì)強(qiáng)度最低為 3.76 uJ/m2/ster，位于（126°45′ W，47°43′ N）；從輻射值相對(duì)強(qiáng)度范圍分布來看， 大部分閃電事件輻射值相對(duì)強(qiáng)度低于300 uJ/m2/ster， 輻射值相對(duì)強(qiáng)度位于 0-100 uJ/m2/ster 范圍的為 762 次，占比 51.5%，輻射值相對(duì)強(qiáng)度位于100-200 uJ/m2/ster 范圍的為445 次，占比約30%，位于200-300 uJ/m2/ster 范圍的為 271 次， 占比 18.3%，300-400 uJ/m2/ster 范圍的僅有 2 次。

3.3時(shí)間分布

閃電成像儀（LMI）的探測(cè)時(shí)間分辨率為2 ms，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電事件的連續(xù)不間斷觀測(cè)， 從而實(shí)現(xiàn)閃電活動(dòng)的日變化特征分析。 圖3 是7月21日閃電事件發(fā)生次數(shù)和平均輻射值相對(duì)強(qiáng)度的時(shí)間分布圖，結(jié)果顯示：從閃電發(fā)生次數(shù)看，7月21日閃電事件主要發(fā)生在 19時(shí)-02時(shí)，共發(fā)生 1130 次，占比 76.3%，峰值時(shí)段出現(xiàn)在 00-01時(shí)，1 h 閃電 Event個(gè)數(shù)達(dá)275。從閃電平均輻射值相對(duì)強(qiáng)度看，19-22時(shí)閃電輻射值相對(duì)強(qiáng)度較高，均為200 uJ/m2/ster 以上，日間時(shí)段輻射值相對(duì)強(qiáng)度明顯低于夜間時(shí)段， 具體數(shù)值見表2。 對(duì)閃電活動(dòng)的逐小時(shí)變化特征分析，可以為強(qiáng)對(duì)流性天氣跟蹤、 預(yù)報(bào)和預(yù)警等提供重要的參考依據(jù)。

圖3 (a)閃電事件發(fā)生次數(shù)和(b)平均輻射值相對(duì)強(qiáng)度時(shí)間分布

表2 閃電事件發(fā)生次數(shù)和平均輻射值相對(duì)強(qiáng)度

4 小結(jié)

本文使用 2021年7月21日閃電成像儀（LMI）觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)黑龍江省一次閃電活動(dòng)過程的閃電特征進(jìn)行分析，分別從閃電發(fā)生次數(shù)和輻射值相對(duì)強(qiáng)度的空間分布以及時(shí)間分布進(jìn)行分析， 揭示了區(qū)域雷電活動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：

（1）從閃電事件發(fā)生次數(shù)空間分布看，黑龍江省2021年7月21日共發(fā)生閃電事件1480 次， 主要分布在黑龍江省東部和中部地區(qū)， 其中雞西市發(fā)生閃電事件次數(shù)最多，為332 次，其次是哈爾濱市和鶴崗市，伊春市閃電次數(shù)最少，為13 次。

（2）從閃電輻射值相對(duì)強(qiáng)度分布看，閃電事件輻射值相對(duì)強(qiáng)度分布范圍為 3.76-318.69 uJ/m2/ster，其中最高輻射值相對(duì)強(qiáng)度發(fā)生在雙鴨山市； 大部分閃電事件強(qiáng)度低于300 uJ/m2/ster，其中輻射值相對(duì)強(qiáng)度位 于 0-200 uJ/m2/ster 范 圍 的 為 1207 次 ， 占 比81.5%。

（3）從閃電事件日變化分析看，閃電事件主要發(fā)生在19-02時(shí)，共發(fā)生1130 次，峰值時(shí)段出現(xiàn)在00-01時(shí)，1 h 閃電 Event個(gè)數(shù)達(dá) 275；閃電輻射值相對(duì)強(qiáng)度較高時(shí)段在19-22時(shí)，均為200 uJ/m2/ster 以上，且日間時(shí)段輻射值相對(duì)強(qiáng)度明顯低于夜間時(shí)段。

對(duì)閃電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)可以了解閃電的特性， 為系統(tǒng)地研究對(duì)流中閃電的特征及全球閃電特征奠定基礎(chǔ)，在后續(xù)研究中，可以對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間尺度的閃電活動(dòng)特征進(jìn)行深入研究以及探索星地閃電探測(cè)數(shù)據(jù)的差異。