FY-4A與ADTD閃電資料對比分析初探*

徐震宇 崔雪東 顧 媛

(浙江省氣象安全技術中心,浙江 杭州 310008)

0 引 言

閃電是自然界中常見的，伴隨著聲、光、電的一種天氣現象,具有電磁輻射強、電流強度大、瞬時電壓高等特點[1],給人民生命財產造成的損失越來越大[2]。提升閃電監測技術、充分認識閃電活動特征對雷電防護具有重要意義。近年來,許多學者利用地基閃電(以下簡稱地閃)探測儀探測的地閃數據來分析閃電的時空特征[3-4]。

隨著科技的進步,衛星閃電探測正從采用低軌道衛星光學瞬態探測儀和閃電成像儀[5]向采用靜止衛星閃電成像儀發展,從而實現閃電的實時、連續觀測。FY-4A靜止氣象衛星于2016年12月11日發射升空,其上搭載的閃電成像儀(LMI),采用的是電子耦合器件(CCD)面陣和光學成像技術,中心波長為777.4 nm,星下點空間分辨率為7.8 km,對觀測區域內包括云閃、云間閃、云—地閃在內的總閃電進行凝視觀測,每年從春分到秋分觀測中國地區,其他時間觀測印度洋和澳大利亞西部地區[6]。目前FY-4A閃電探測資料主要用于強對流天氣監測和數值預報等方面[7-8],針對資料特征和質量的分析研究較少。本文利用2018—2020年浙江省夏季(6—8月)的FY-4A閃電探測資料,結合浙江省ADTD閃電定位系統地閃數據,對比分析浙江省夏季閃電活動,為今后在業務中使用該資料提供參考依據。

1 資料與方法

閃電成像儀1 min事件產品(LMIE)是FY-4A LMI提供的L2級產品,是CCD面陣探測的閃電光輻射透過云層的發光現象,是經過背景去除、虛假事件濾除等一系列處理后得到的最基本的閃電信號單元,包含了發生時間、經度、緯度、光輻射強度和質量控制參數等信息,一個信號單元定義為一次閃電“事件”[6],目前可獲取2018年3月12日之后的數據,該數據可從國家衛星氣象中心獲取。

浙江省ADTD閃電定位系統由11個觀測站組成,自2007年始并入全國監測網運行至今。該系統的探測效率為80%～90%,平均探測范圍為300 km,側向誤差為0.5°[9],與電力部門閃電定位系統[10]、雷擊跳閘數據對比分析[11],以及與雷達回波對比分析[12]，結果表明該系統探測精度較好。本文使用與LMIE相同時段的浙江省地閃資料,包括發生時間、經度、緯度、電流強度、陡度、誤差、定位方式等信息,利用GB/T 37047—2018[13]的地閃歸集方法處理得到地閃數據,采用數理統計方法,對比分析LMIE的變化特征。

本文定義整點時刻后1 h內發生的閃電為小時閃電。

閃電密度為閃電次數除以統計面積,表征某地區閃電發生的頻繁程度。本文使用網格法計算閃電密度,取樣范圍為0.05°×0.05°。

為了消除LMIE與地閃之間頻次差距帶來的影響,本文對閃電密度進行歸一化處理。歸一化是將有量綱的數值經過變換,化為無量綱的數值,進而消除各指標的量綱差異,計算公式為:

式中,x′為歸一化后的數據;x為樣本數據;xmin為樣本數據中的最小值;xmax為樣本數據中的最大值。

2 結 果

2.1 年際、月際變化

表1為2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃頻次及占比統計表。由表1可知,閃電“事件”頻次逐年下降,2018年的頻次最高,達10萬多次;從月分布來看,2018年、2019年6月和8月的閃電“事件”頻次均比同年7月的高,兩者總和占到了當年夏季總頻次的70%以上;2020年相反,7月的最高,超過了6月和8月的總和,占當年夏季的52.57%;從3 a的平均結果來看,逐月閃電“事件”頻次相當。地閃總頻次逐年上升,2020年達到了22萬多次,比2019年同期增加了約30%;從月統計結果來看,2018年、2020年7月地閃頻次占比最高,超過了50%,8月地閃頻次占比為夏季最低。

表1 2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃頻次(單位:次)及占比(單位:%)統計表

LMI根據閃電光輻射在777.4 nm中性氧原子近紅外吸收譜線最強這一特征[7]，來實現對包括云閃、地閃在內的閃電的光學探測,探測信號經過處理后輸出為最基本的閃電“事件”,即LMIE,并可在此基礎上通過聚類等方法生成代表地閃回擊或云閃K變化的閃電“組”,理論上閃電“事件”頻次應高于同時段地閃頻次,但浙江省夏季閃電“事件”在數量上遠低于地閃,頻次占比的變化規律也不盡相同。可能是衛星閃電成像儀對云閃更加敏感[14],而且閃電光輻射在云層中傳輸會發生衰減,導致到達云頂的閃電光輻射信號較弱,衛星閃電成像儀并未認定其為閃電信號。

2.2 日變化

由圖1a可知,浙江省夏季閃電“事件”的發生頻次存在明顯的日變化,呈單峰形式,高值區總體在15—20時,峰值出現在17時,占比為14.22%;谷值出現在10時,占比為0.88%。從歷年情況來看,每年的頻次高值區都不相同,2018年峰值出現在17時,占比為21.15%;2019年峰值出現在18時,占比為8.21%;2020年峰值出現在19時,占比為22.45%。峰值出現時間逐年推遲,且2018年和2020年的峰值占比明顯高于2019年的,說明這兩年閃電“事件”的發生時間更為密集。對地閃頻次日變化(圖1b)分析發現,地閃的歷年變化情況基本相同,高值區主要在午后和傍晚,峰值時間出現在16時,占比為14.09%。通過對比兩者頻次占比日變化發現,閃電“事件”頻次占比日變化相比地閃而言年際差異較大,其頻次的峰值時間較地閃的要晚幾個小時。可能是地閃常集中發生在對流天氣過程旺盛階段,而在過程消散階段的閃電類型主要為云閃[7],地閃頻次的峰值時間要早于閃電“事件”的。

圖1 2018—2020年浙江省夏季閃電頻次占比日變化曲線(a.閃電“事件”、b.地閃)

2.3 強度分布

通過對逐年閃電“事件”和地閃的強度進行統計分析發現,2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”平均光輻射強度日變化曲線(圖2a)總體呈單峰形式,且較為對稱,白天平均光輻射強度較大,夜間較小,高值區在09—13時,最大值在11時;而地閃平均電流強度(圖2b),在一天中雖有波動,但強度值變化不大。閃電“事件”平均光輻射強度白天較高,可能是白天的背景光較為強烈。只有當光輻射強度超過背景光的閃電信號時，才有可能被認定為閃電“事件”,這導致白天探測的都是光輻射強度較高的信號。

圖2 2018—2020年浙江省夏季閃電強度日變化曲線(a.閃電“事件”平均光輻射強度、b.地閃平均電流強度)

由圖2可知,閃電“事件”與地閃的強度日變化特征完全不同,衛星探測的是光輻射強度,而地基閃電儀探測的是電流強度,這兩者之間是否存在某種聯系,目前尚不明確,仍需進一步研究。

2.4 空間分布

圖3為2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃平均密度歸一化空間分布圖。由圖3a可知,浙江省閃電“事件”存在較為明顯的地域性差異,南部地區密度高于北部地區密度,高密度區呈若干片狀分布和零星點狀分布。片狀主要分布在衢州南部、麗水中部和東部、溫州東北部和中西部以及臺州南部等。與地閃密度空間分布(圖3b)對比分析可知,兩者的密度空間分布特征總體一致,但分布范圍不盡相同,地閃密度高值區范圍更廣,具體原因仍有待進一步分析研究。

圖3 2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃平均密度歸一化空間分布圖(a.閃電“事件”、b.地閃;審圖號:浙S(2020)17號)

2.5 個例分析

2019年6月30日是近3a浙江省地閃頻次最多的一天,當日浙江省有一次較強的雷陣雨過程,部分地區有短時暴雨、強雷電、雷雨大風等強對流天氣,本文選取當日發生的閃電“事件”和地閃進行對比分析。

由圖4可知,當日發生閃電“事件”6183次,發生地閃26667次,兩者的頻次相差較大,且在整個對流天氣過程中,地閃(14時)比閃電“事件”(19時)頻次達到峰值時間更早,這與表1以及圖1得出的結論相一致。

圖4 2019年6月30日浙江省閃電“事件”和地閃頻次日變化

圖5為2019年6月30日浙江省閃電密度空間分布。由圖5可知，2019年6月30日閃電“事件”與地閃密度在空間分布上相差較大,閃電“事件”密度的高值區主要位于杭州西南部、麗水東部、金華東部、紹興南部以及臺州東部,而地閃密集區主要位于杭金衢交界處、衢州南部、金華南部和東部、麗水、臺州和溫州等地,其分布范圍與閃電“事件”相比差異較大,這與圖3得出的結論相一致。

圖5 2019年6月30日浙江省閃電密度空間分布(單位：次/(0.05°×0.05°))(a.閃電“事件”、b.地閃;審圖號:浙S(2020)17號)

3 結 論

本文基于2018—2020年浙江省夏季(6—8月)的FY-4A LMIE數據和浙江省ADTD地閃數據,對比分析了兩種閃電資料的時間、空間和強度特征,得出以下結論。

(1)在日變化上,兩者均集中發生在午后和傍晚,但閃電“事件”的頻次峰值時間與地閃的相比要晚若干個小時;在年際變化上,近3 a浙江省夏季閃電“事件”頻次逐年遞減,與地閃頻次變化相反,具體原因仍有待進一步分析。

(2)閃電“事件”與地閃的密度空間分布特征總體一致,浙南地區密度高于浙北地區密度,但兩者的高值區的分布范圍差異較大,地閃密度高值區的分布范圍更廣。

(3)閃電“事件”光輻射強度日變化特征明顯,白天的光輻射強度顯著高于夜間的光輻射強度,其與地閃電流強度是否存在聯系尚未明確,仍需進一步研究。