基于風(fēng)云四號(hào)閃電成像儀的高原閃電探測(cè)分析

文剛，周仿榮，方明，錢國(guó)超，黃然，馬御棠，潘浩，姚年鵬，蔣堯，鄒斌

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明 650011；3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044）

0 前言

云南氣候特征呈現(xiàn)復(fù)雜多樣[1]。除此之外，云南地勢(shì)波瀾起伏，并且境內(nèi)礦產(chǎn)豐富，使得省內(nèi)雷電活躍程度明顯高于全國(guó)水平，據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，云南境內(nèi)大部分地區(qū)平均雷暴日在80 天左右，是全國(guó)范圍內(nèi)遭受雷擊災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一[2]。據(jù)歷年跳閘數(shù)據(jù)：云南電網(wǎng)2013-2019 年雷擊跳閘次數(shù)每年因雷擊引起的跳閘數(shù)量均大于250 條·次，雷擊災(zāi)害對(duì)云南電網(wǎng)的影響頗為惡劣?？焖僦笇?dǎo)運(yùn)維人員查明落雷點(diǎn)尤為重要。當(dāng)前針對(duì)閃電探測(cè)裝置主要采用南瑞生產(chǎn)的地基閃電探測(cè)站，即利用多個(gè)地基探測(cè)站同時(shí)探測(cè)空中的電磁波強(qiáng)度，從而確定閃電發(fā)生的位置[3]。云南電網(wǎng)現(xiàn)共有47 個(gè)地基閃電探測(cè)站，但每個(gè)地基閃電探測(cè)站覆蓋范圍有限，而且這些地基閃電探測(cè)站需要投入大量的人力、物力進(jìn)行維護(hù)，每年投入的維護(hù)成本都在百萬(wàn)元以上，并且每個(gè)地基閃電探測(cè)站的使用壽命有限，因此，選用一種具有廣域監(jiān)測(cè)并且維護(hù)成本低的途徑具有重要意義。

風(fēng)云四號(hào)閃電成像儀（LMI）首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)我國(guó)及周邊區(qū)域靜止軌道閃電的持續(xù)觀測(cè)[4]，并且利用基于LMI 數(shù)據(jù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍閃電監(jiān)測(cè)[5]。因此，本文提出了利用LMI 對(duì)云南高原地區(qū)進(jìn)行閃電監(jiān)測(cè)性能研究工作。

1 基于LMI閃電探測(cè)工作原理

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星是三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星，搭載的主要儀器還有多通道掃描成像輻射計(jì)、高光譜垂直探測(cè)儀、空間環(huán)境監(jiān)視儀器包等，可以實(shí)現(xiàn)15 min 地球全圓盤掃描。其中多通道掃描成像輻射計(jì)各通道的參數(shù)信息及主要用途如下表所示：參考文獻(xiàn)[6-8]，將紅外云頂亮溫（TBB）≤-52℃（221K）作為深對(duì)流的發(fā)生時(shí)間，以此為閾值，獲取二值圖像，即TBB ≤221K 為有深對(duì)流，取值1，TBB ＞221K 的像元取值0，對(duì)二值圖使用Canny 算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，梯度閾值選用0.5，計(jì)算公式如下：

表1 多通道掃描成像輻射計(jì)各通道參數(shù)及主要用途

其中：▽2f(x,y) 為整理后像素(x,y) 處的灰度值，f(x,y)為具有整數(shù)像素坐標(biāo)的輸入圖像。提取云團(tuán)輪廓及云團(tuán)中心，以15 min 為時(shí)間步長(zhǎng)，可得云團(tuán)的移動(dòng)軌跡。

一般情況下，在短時(shí)間內(nèi)區(qū)域的移動(dòng)可視為直線移動(dòng)，所以采用Holt 雙參數(shù)線性平滑指數(shù)平滑算法，對(duì)區(qū)域未來(lái)的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)：

其中s為平滑值，R為實(shí)測(cè)值，F(xiàn)為預(yù)測(cè)值，b體現(xiàn)的是變化趨勢(shì)，α、β為權(quán)重系數(shù)，初始值 為S0=R0，b0=0，S1=R1，b1=（S1-S0）/Δt1.0。預(yù)測(cè)結(jié)果中較新的實(shí)測(cè)值比時(shí)間更早的實(shí)測(cè)值擁有更大的權(quán)重，隨著時(shí)間的遷移，權(quán)重按指數(shù)遞減。改變預(yù)測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度ΔtF即可得到不同的預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

本文主要選取了2020 年8 月29 日至30 日云南省境內(nèi)發(fā)生了持續(xù)性的強(qiáng)烈閃電過(guò)程，通過(guò)云南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)可知，這次閃電過(guò)程持續(xù)時(shí)間近22 小時(shí)。選取該時(shí)間段進(jìn)行LMI在云南高原地區(qū)閃電監(jiān)測(cè)性能的評(píng)估是相當(dāng)有必要的。

因風(fēng)云四號(hào)的時(shí)間分辨率為15 min，考慮到閃電持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法對(duì)比每個(gè)時(shí)刻的閃電監(jiān)測(cè)結(jié)果，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文以半個(gè)小時(shí)繪制一張衛(wèi)星影像圖，并給出在這段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)。圖1 所示為云南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)在2020 年8 月29 日0 時(shí)至4 時(shí)監(jiān)測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)。通過(guò)圖1 可以看出，在此期間，在云南省境內(nèi)閃電主要發(fā)生在圖1 所示的A、B、C、D 區(qū)域，其中A、B、C、D 區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地閃數(shù)量分別為1439、576、261、353 次。

圖1 2020年8月29日0時(shí)-4時(shí)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的山火數(shù)據(jù)

圖2 所示為風(fēng)云四號(hào)14 通道的TBB 圖以及LMI 監(jiān)測(cè)的閃電分布情況，將TBB 的溫度設(shè)定區(qū)間為200 K-290 K，則對(duì)應(yīng)的攝氏溫度為-73℃至17℃。從圖中不難看出，在較低溫度的云層區(qū)域處均出現(xiàn)了閃電，并且該區(qū)域內(nèi)的TBB 值均小于220K，通過(guò)文獻(xiàn)[9-10] 可知TBB 數(shù)值越小，意味著對(duì)流深度越大，云層越厚，按照TBB 為220K 左右，則對(duì)應(yīng)的攝氏溫度為-53℃。所以每公里下降5℃來(lái)計(jì)算，該地區(qū)的云頂高度可能達(dá)到10 公里左右。

圖2 風(fēng)云四號(hào)閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)比圖1 和圖2 可以看出，LMI 監(jiān)測(cè)到的閃電位置與云南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)閃電位置基本吻合，但是基于雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的閃電（地閃）總數(shù)為2599 個(gè)，而基于LMI 監(jiān)測(cè)到的閃電（地閃+ 云間閃）總數(shù)為775 個(gè)，在不區(qū)分地閃跟云間閃的情況下，LMI 僅是雷電定位系統(tǒng)探測(cè)效率的30%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了我國(guó)新一代地球靜止軌道LMI對(duì)云南高原地區(qū)閃電監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：閃電發(fā)生區(qū)域與TBB 存在相關(guān)性，TBB 數(shù)值越小，對(duì)流深度較大，云層較厚，該區(qū)域易發(fā)生閃電；LMI 僅有地基閃電探測(cè)站監(jiān)測(cè)到的閃電數(shù)量的1/3；整體上來(lái)看。風(fēng)云四號(hào)的閃電成像儀探測(cè)效率較低，需進(jìn)一步提高風(fēng)云四號(hào)的閃電探測(cè)效能。