星地多源閃電資料在新疆地區的應用分析

錢 勇，施俊杰，王延慧，劉成武，張小軍，張建濤

（1.新疆氣象災害防御技術中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；3.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊830011；4.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

閃電是指發生在不同極性電荷之間的長距離放電現象，所伴隨的瞬時高溫和強大的電磁輻射具有強大破壞力，是我國危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第三大氣象災害[1]。隨著科學技術的發展，對閃電的監測技術也不斷地豐富，所得閃電數據資料日趨豐富。根據傳感器所處位置不同，閃電觀測資料獲取主要分為兩種方式，基于閃電輻射電磁場傳播理論的地面閃電探測技術和基于光學成像原理的衛星閃電探測技術，兩者各有優勢，互為補充[2-4]。

我國地面閃電觀測系統目前主要有中國氣象局建設的國家級閃電定位系統（Active Directory Topology Diagrammer，ADTD）、美國的全球閃電定位網 （World-Wide Lightning Location Network，WWLLN）、電力部門閃電定位系統（Lightning Location System，LLS）、各省氣象局自行建設的甚低頻/甚高頻三維閃電定位系統、大氣電場監測系統等。根據衛星所處軌道高度的不同，衛星閃電探測分為極軌衛星探測和靜止衛星探測，前者以熱帶測雨衛星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）攜帶的LIS（Lightning Imaging Sensor）為代表[5]，后者以中國風云四號衛星（FY-4A）LMI（Lightning Mapping Imager）和美國的GOES-R GLM（Geostationary Lightning Mapper）為代表[6-7]。極軌衛星閃電成像儀受觀測平臺制約，對任一地點的觀測時間十分有限，只能記錄該地點全部閃電事件中的小部分，提供區域平均意義上的閃電分布信息。靜止衛星閃電成像儀可連續、實時監測閃電活動，可實現對強對流天氣系統的追蹤和預警，是衛星閃電探測新的發展方向，但目前全球都處于研究階段[8]。隨著閃電探測技術不斷發展與完善，積累了豐富的數據資料，國內外學者根據不同類型的數據資料，開展了雷電預警的研究、區域雷電活動特征的分析等。王娟等[9]統計分析了中國國家閃電監測網數據資料，給出了地閃的活動規律。Shvets、郄秀書、朱潤鵬等[10-12]利用LIS資料分析了全球閃電分布情況。柴瑞等[13]分析了地面大氣電場數據在雷電預警中的應用。曾慶鋒等[14]對大氣電場儀觀測數據進行了質量控制和統一標定，并結合天氣雷達、閃電定位儀和探空等多源數據資料，對地面大氣電場的時空演變特征和電荷結構進行了分析，提出了利用單一來源觀測資料及綜合利用多源資料進行雷電臨近預警，并評估了預警效果。

隨著地面和衛星閃電監測技術的發展，積累了大量不同角度的數據資料，為閃電活動特征研究提供了基礎。但目前的研究多是基于單一方式獲取的閃電觀測數據，孤立地分析某一區域雷電活動特征，其結果具有一定的局限性。不同地區由于閃電監測站點布站方式、站點密度、衛星觀測角度的不同，閃電資料的可利用性也不同，因此分析某一區域閃電活動特征的前提是要弄清楚該區域各種閃電數據資料的可利用性，進而根據各種數據的特點，融合多源數據更加準確地進行分析。

新疆目前可利用的星地閃電觀測資料有ADTD、LLS、WWLLN、LMIG、大氣電場。新疆ADTD、LLS、大氣電場儀分布如圖1。本文主要通過上述多源閃電觀測資料，根據2019年7月20日新疆大部分區域出現局部強對流天氣過程，分析這5種資料在新疆地區的應用情況，為后續融合多源數據更加準確地分析新疆地區閃電特征、閃電資料并在雷電預警中的應用提供基礎。

圖1 新疆ADTD、LLS、大氣電場儀站點分布

1 數據資料

ADTD閃電監測系統由中國科學院空間科學與應用研究中心研制，利用到達時差法的原理對地閃進行定位，有效探測半徑是150 km，可以給出閃電發生的時間、電流強度、極性、經緯度、陡度等相關參數[15]。新疆目前已建設49個監測站點，但由于地域遼闊仍然不能實現有效的覆蓋，除北疆部分區域外，新疆大部分區域探測效率不理想。

新疆電力部門閃電定位系統LLS于2012年7月建設完成，目前共建設54個閃電定位探測站，單站探測范圍約為100 km，定位誤差≤1 km。系統定位算法采用時差法、定向定位法和定向時差聯合法對地閃定位[16]。數據包括地閃發生時間、經緯度、電流、回擊數、定位站數等要素。王延慧等[17]根據近5 a的數據資料對比分析了新疆ADTD和LLS兩套閃電探測系統，得出了ADTD系統探測的地閃次數偏少、地閃密度偏小，而LLS系統監測的地閃強度偏小、地閃強度高值區分布較為分散。

全球閃電定位系統WWLLN是由美國研究和開發的一套旨在全球范圍實時連續監測閃電活動的定位系統，該系統利用TOGA（Time of Group Arrival）進行閃電定位，WWLLN以監測強閃電為主，數據中大部分為強地閃，少部分為強云閃，能給出閃電發生的時間、經緯度。由于測站監測的是閃電輻射甚低頻（VLF）電磁信號，該波段的電磁信號能以低衰減速度穩定傳播，以至于測站間的分布距離可以達到上千千米。目前亞洲地區有6個測站，分別位于中國、日本、新加波境內。我國的3個測站分別位于南京、北京、蘭州。WWLLN自投入商業化運營以來，其全球測站數目逐年增加，這也使得WWLLN能夠更加有效地對全球范圍內閃電活動進行連續觀測[18]。新疆目前很少有人采用全球閃電定位系統的數據資料。

風云四號靜止衛星（FY-4A）攜帶的閃電成像儀（Lightning Mapping Imager，LMI）星下點104.7°E，CCD面陣大小為400×600，空間分辨率為7.8 km。當閃電成像儀CCD面陣單個像元探測閃電光輻射亮度高于背景閾值時，定義為一次閃電“事件”，即像元觀測區域云中閃電光輻射透過云層的發光現象，對應的CCD面陣像元中心位置即為這次閃電“事件”的位置[19-20]。同一幀CCD圖像上的多個相鄰微小像元探測到的閃電“事件”通過聚類算法組成一個“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”聚類為一次真實的“閃電”過程。數據資料來源于國家衛星中心網站提供LMI的L2級“事件”和“組”產品，“閃電”產品暫未公開，因此本文采用LMI的L2級“組”產品（LMIG）進行分析。

大氣電場儀是用來測量大氣電場及其變化的設備，有效探測半徑約為15 km。它是利用導體在電場中產生感應電荷的原理來測量電場，雷暴地面電場是云內所有電荷共同作用的結果，當雷暴云移動時，可引起電場的緩慢低頻變化，這種變化可實現對云內的電荷區進行評估，當雷電發生時，可引起電場的快速高頻變化，根據電場變化極性，可大致判斷雷電發生的區域。目前，國內部分省市已開展了大氣電場儀與閃電定位儀結合的雷電監測預警技術的研究。秦微等[21]利用大氣電場資料和閃電資料，根據大氣電場的波形特征，提取與閃電相關性較高的因子，利用多元回歸技術建立一套預報方程，根據該預報方程得出了最佳預警參數。謝屹然等[22]根據雷暴云近地面電場變化特征，探討了大氣電場儀臨近預警方法，首次提出極性變化預警法，其命中率和提前預警時間都明顯優于閾值預警法。目前烏魯木齊市有12個觀測站點，克拉瑪依市有22站點已投入運行，電場分辨率＜5 V/m，響應時間為1 s。

2 資料分析

2.1 多源閃電監測產品

2019年7月20日全疆大部分區域出現了強對流天氣過程，本文選取了這一天的閃電資料進行分析。圖2分別是ADTD地閃監測產品、LMIG全閃監測產品、WWLLN全閃監測產品、LLS地閃監測產品、大氣電場監測產品（地基閃電定位數據沒有進行歸閃處理）。由圖2中可知，LLS的探測效率最高，其次是ADTD，LMIG和WWLLN雖屬于全閃監測系統，但在北疆大部分區域探測的總閃頻數要低于ADTD和LLS探測的地閃頻數，說明LMIG和WWLLN對地閃的探測效率較低。而在南疆部分區域LMIG探測的總閃頻數高于ADTD、低于LLS，相比于LLS這主要是由于南疆部分地區ADTD監測系統不完善，探測效率較低，這也充分說明地面閃電監測系統對站點的布設較為依賴。此外，LMIG監測的高密度區與ADTD、WWLLN、LLS監測結果存在一定的差異，需要作進一步分析。圖2e是一次天氣過程的地面大氣電場變化過程，在起始階段和結尾階段波形快變抖動頻率較中間階段慢，在結尾階段表現的較為明顯。

圖2 多源閃電數據監測產品

全天ADTD監測閃電頻次3768次，LLS監測18327次，WWLLN監測786次，LMIG監測1206次。由于各觀測系統監測閃電頻數處于不同的量級，不便于直觀的對比各個時段閃電頻次的分布。因此，本文將閃電頻次歸一化處理，圖3是歸一化后ADTD、LLS、WWLLN、LMIG各時段的閃電頻次分布。ADTD、LLS、WWLLN監測閃電發生時段主要集中在12—23時，而LMIG主要集中在16—23時。ADTD、LLS、WWLLN各時段閃電頻次變化基本一致，16時是閃電高發時段，而LMIG監測閃電高發時段是22時。

圖3 歸一化后ADTD、LLS、WWLLN、LMIG各時段閃電頻次分布

2.2 星地多源閃電資料應用的個例

2019年7月20日烏魯木齊市發生一次局部強對流天氣過程。圖4是19—23時（北京時間，下同）烏魯木齊雷達站組合反射率部分圖（數據經過質量控制）。19時對流云團由石河子經呼圖壁、昌吉向烏魯木齊移動，21時在烏魯木齊市天山區附近對流云團發展至旺盛階段，22時對流云團逐漸減弱。此次天氣過程，屬于局部小范圍天氣過程，降雨量不大，但雷暴強度是近幾年罕見的，雷達監測到了此次天氣過程基本完整的發展路徑。

圖4 2019年7月20日19—23時烏魯木齊雷達站組合反射率

圖5分別是ADTD、LLS、WWLLN、LMIG監測的北京時間18—00時以烏魯木齊雷達站為中心周圍150 km的閃電分布情況。沿著此次強對流天氣移動路徑上ADTD、LLS、WWLLN三者在時間和空間上基本對應一致，僅是探測效率有所差別（路徑以外局部的閃電數據暫不考慮，由于雷達被地物遮擋或雷達監測的此次天氣過程不全，無法參考雷達從時間和空間上進行比對）。而LMIG監測的閃電主要發生時段是22—00時，高密度區位于達坂城區域，且在烏魯木齊天山區附近沒有監測到閃電，監測結果與前三者在時間和空間上都存在差異。通過查詢22—00時雷達組合發射率和基本反射率情況，發現在該區域沒有對流天氣過程，因此初步認為這可能是由于LMIG數據出現了偏差。

圖5 北京時間18—00時以烏魯木齊雷達站為中心周圍150 km的閃電分布

考慮到雷達可能會受到地物的遮擋，進一步分析了風云四號衛星云頂亮溫資料。衛星攜帶的多通道掃描成像輻射計AGRI可獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數據和圖像，采用雙掃描鏡結合三反射光學系統、線列陣探測器，可以全天空、實時監測地面的強對流天氣過程，通過紅外探測技術，能夠感知對流云頂的亮溫。AGRI分為兩種掃描模式：全圓盤掃描（掃描時間15 min），中國區域掃描（掃描時間為4 min）。兩種掃描方式交替進行。云頂亮溫可用來表征對流活動，亮溫越低，表明云頂越高，云層越厚，對流越旺盛[23]，閃電通常是發生在強對流區域。圖6是22：00—00：00烏魯木齊地區云頂亮溫部分圖，與LMIG監測結果相對應區域的云頂氣溫分布在270～290 K（虛線圓圈區域），對應的攝氏溫度為-4～17℃，根據每上升1 km溫度下降6℃，可以判斷該時段內此區域沒有強對流云，風云四號衛星監測的云頂越高更可能是地表溫度。進一步論證了LMIG數據存在一定偏差，這可能是由于新疆處于風云四號衛星監測的邊緣，距離星下點較遠，像元分辨率較大，導致出現偏差。因此，使用LMI數據前需要利用相關資料進行數據檢驗。

圖6 22—00時烏魯木齊地區部分云頂亮溫

大氣電場儀可以直觀地看出監測區域內電場強度的變化情況，能夠記錄閃電發生前后雷暴云中閃電活動情況。圖7是天山區氣象站內的大氣電場儀監測的此次天氣過程地面電場強度和閃電的分布情況（以大氣電場站點為中心，ADTD、LLS、WWLLN分別監測的周圍40 km閃電分布）。當大氣電場儀周圍15 km有閃電發生時，電場強度值會出現快變抖動現象，隨著閃電發生位置越來越近快變抖動會越頻繁，而隨著閃電發生位置越來越遠時，電場值的快變抖動會變慢，且逐漸轉為緩慢變化，這種現象主要是云層或者云地之間頻繁的放電現象，導致云層電荷量的變化。另外，在雷暴云接近大氣電場儀且伴隨放電現象時，電場值的變化應由緩慢到頻繁的快變抖動，而圖7中ADTD、LLS初始階段都出現了閃電成豎排列，且電場值變化出現不明顯的現象，這主要是由于大氣電場測站為了減小數據量，在沒有雷暴云靠近時采樣率為1 min 1個數據，當雷暴云靠近且伴隨著電場值達到一定強度時觸發采樣率為1 min 1 s一個數據，這導致了初始階段采樣間隔過大，部分電場數據丟失，而初始階段是目前利用大氣電場儀開展雷電監測預警的關鍵階段，因此這是大氣電場儀目前需要改進的地方。

圖7 天山區站大氣電場強度變化及周圍40 km閃電分布

單獨利用大氣電場儀開展雷電監測臨近預警（旅游景區、機場、油庫等）存在的主要問題：易受外界電磁場干擾，觸發閾值難以判斷，導致出現虛警太多。因此，目前國內外大多采用閃電定位和大氣電場兩種設備相結合的方法。大氣電場儀可以對其上空一定半徑內的云層帶電狀況進行監測，閃電定位儀能夠監測閃電的發生時刻及位置，因而可以從宏觀上看到閃電的分布及走向，但是新疆并不完全適用這種方法，因西北地區不是閃電的高發區，部分局部小范圍對流天氣過程中地閃頻次只有幾次，甚至一次，由于監測地閃頻次太少，無法根據閃擊點與大氣電場之間存在的對應關系，找到較為理想的預報因子。因此，在新疆結合大氣電場儀開展雷電臨近預警需要借助其他手段或方法，如將星地多源數據融合再與大氣電場儀結合。

3 結論

（1）新疆星地多源閃電觀測資料中LLS對地閃探測效率最高，LMIG和WWLLN對地閃探測效率較低。衛星全天空、實時監測，可以彌補南疆地面觀測站覆蓋不到的區域，兩者可互為補充。

（2）強對流天氣移動路徑上ADTD、LLS、WWLLN三者定位結果在時間和空間上對應基本一致，僅是探測效率上有所差別。

（3）新疆部分LMIG數據存在時間和空間上的偏差，使用前需要利用相關資料進行數據檢驗。

（4）閃電發生位置距離大氣電場儀較近時，電場值會出現頻繁的快變抖動現象，而隨著閃電發生位置越來越遠，電場值的快變抖動頻率會變慢，且逐漸轉為緩慢變化。新疆大氣電場儀起始階段采樣間隔過大導致部分數據丟失，不利于預警閾值的設定，需進一步改進。大氣電場儀可以作為雷電臨近預警的一種輔助手段，下一步將對存在偏差的LMIG數據進行分析，開展多源數據的融合，更加準確地分析新疆地區閃電活動特征，并結合大氣電場儀建立雷電監測預警方法。