基于多源資料的中國(guó)星載閃電探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)

朱杰， 程攀， 唐順仙， 王炳赟

(1.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 成都 610225; 2.南京氣象科技創(chuàng)新研究院, 南京 210041；3.中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心(國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心)， 北京 100081；4.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心， 北京 100081； 5.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心， 沈陽(yáng) 110166)

閃電是自然界十分壯觀的天氣現(xiàn)象之一，每年爆發(fā)的閃電數(shù)量，可以達(dá)到百萬(wàn)量級(jí)，給人民生活和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，造成不同程度的困擾與危害。此外，高頻次的閃電活動(dòng)，往往是強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的“示蹤器”[1]，對(duì)于極端天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警有著舉足輕重的作用。長(zhǎng)久以來(lái)，閃電觀測(cè)為人類對(duì)閃電特性的認(rèn)識(shí)，提供了重要的數(shù)據(jù)保障，只有優(yōu)質(zhì)的閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)，才能為相關(guān)業(yè)務(wù)和科研提供值得信賴的資料。因此，閃電數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，是一項(xiàng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)且關(guān)鍵的工作，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)應(yīng)用的效果。

閃電成像儀(lightning mapping imager,LMI)是中國(guó)首枚、世界上第二枚靜止軌道星載閃電觀測(cè)設(shè)備，搭載于中國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星——風(fēng)云四號(hào)A氣象衛(wèi)星(FY4A)上，能夠覆蓋地面3 200 km(緯度)×4 800 km(經(jīng)度)幅寬的區(qū)域，星下點(diǎn)空間分辨率可達(dá)7.8 km[2]，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)爆發(fā)的閃電初生、發(fā)展、遷移、消亡全過(guò)程不間斷跟蹤觀測(cè)，是大尺度空間范圍閃電監(jiān)測(cè)的理想手段，其數(shù)據(jù)應(yīng)用前景廣闊。然而，惡劣且未知的宇宙輻射環(huán)境、儀器自身性能的衰退或不穩(wěn)定、固有的一些設(shè)計(jì)缺陷等，都會(huì)使其獲取的數(shù)據(jù)中，包含大量的虛假數(shù)據(jù)[3]。此外，由于LMI是從云頂自上而下地對(duì)閃電產(chǎn)生的高強(qiáng)度、大面積“光斑”進(jìn)行光學(xué)成像識(shí)別[4]，而云作為一種光學(xué)介質(zhì)，對(duì)閃電產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)的能量、持續(xù)時(shí)間以及時(shí)空特性等都會(huì)產(chǎn)生極大的干擾，進(jìn)而直接影響到衛(wèi)星閃電探測(cè)與定位的精度。在數(shù)據(jù)處理層面，由于LMI在設(shè)計(jì)上對(duì)標(biāo)國(guó)際上首枚靜止軌道星載閃電觀測(cè)儀(geostationary lightning mapper,GLM)，同樣采用Event、Group、Flash三層級(jí)聯(lián)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚類處理方案[5]，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)其質(zhì)量控制的方法，較以往常規(guī)氣象觀測(cè)資料有所不同，需要有針對(duì)性地開(kāi)展研究。

對(duì)LMI廣泛應(yīng)用于閃電及強(qiáng)對(duì)流過(guò)程監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的Group數(shù)據(jù)(LMIG)開(kāi)展基于多源數(shù)據(jù)多層次閾值判識(shí)技術(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究，通過(guò)個(gè)例分析與文獻(xiàn)調(diào)研，定量研究LMIG數(shù)據(jù)與強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程云頂亮溫、地基雷達(dá)回波強(qiáng)度間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，動(dòng)態(tài)設(shè)定判識(shí)閾值。通過(guò)實(shí)例檢驗(yàn)，并與第三方數(shù)據(jù)迭代比對(duì)，優(yōu)化質(zhì)控效果，有效提升LMIG數(shù)據(jù)質(zhì)量。有助于推動(dòng)中國(guó)星載閃電探測(cè)技術(shù)的探索和后續(xù)同類儀器的研制，促進(jìn)LMIG數(shù)據(jù)的高質(zhì)量應(yīng)用，同時(shí)促進(jìn)閃電與強(qiáng)對(duì)流過(guò)程、天氣氣候變化等領(lǐng)域的交叉研究。

1 中外研究現(xiàn)狀

由于目前很難建設(shè)能夠表征大尺度空間內(nèi)全部閃電活動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)的“絕對(duì)真值”數(shù)據(jù)集[6]，因此主要利用多個(gè)不同閃電探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的交叉比對(duì)，來(lái)開(kāi)展閃電探測(cè)數(shù)據(jù)“相對(duì)”質(zhì)量評(píng)估與控制工作。

國(guó)外學(xué)者在這方面開(kāi)展了一定研究。Ushio等[7]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的低軌道星載閃電探測(cè)儀(lightning imaging sensor,LIS)探測(cè)到了42個(gè)地面閃電當(dāng)中的24個(gè)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其云閃平均定位誤差為4.3 km，而地閃的平均定位誤差為12.2 km；Lay等[8]從探測(cè)到的閃電回?fù)舭l(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和峰值電流強(qiáng)度三個(gè)方面，以巴西本地的一個(gè)地基閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)為參照，比對(duì)分析了WWLLN(world wide lightning location network)在巴西的探測(cè)效率；Zhang等[9]以星載OTD/LIS系統(tǒng)為參照，對(duì)比研究了2013年美國(guó)國(guó)家雷電探測(cè)網(wǎng)(national lightning detection network，NLDN)系統(tǒng)升級(jí)完成前后半個(gè)月內(nèi)的閃電探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)NLDN的探測(cè)效率從42.9%提升到48.7%，并分析了原因；Thompson[10]以2010年1月1日—2011年6月30日(共18個(gè)月)期間，以WWLLN、地球總閃探測(cè)網(wǎng)絡(luò)(earth networks total lightning network,ENTLN) 和星載OTD/LIS 系統(tǒng)在39°S～39°N,164°E～17°W期間的探測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，從季節(jié)、年份、閃電回?fù)綦娏鞣逯等齻€(gè)維度，研究了它們的數(shù)據(jù)一致性關(guān)系和探測(cè)效率的差異；Thomas等[11]發(fā)現(xiàn)LIS探測(cè)到了新墨西哥研究機(jī)構(gòu)128個(gè)放電當(dāng)中的108個(gè)，且當(dāng)他們向北移動(dòng)LIS的定位位置6 km時(shí)，獲得了最優(yōu)的空間一致性；Finke等[12]認(rèn)為空間間距不大于10 km,時(shí)間間距不大于700 ms的地基閃電回?fù)?stroke)可以聚類為閃電(flash)，進(jìn)而開(kāi)展星地?cái)?shù)據(jù)綜合比對(duì)；Boccippio等[13]研究了LIS和NLDN的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：星地?cái)?shù)據(jù)在分析閃電的時(shí)空分布特征上保持相對(duì)較穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)性，且星載閃電探測(cè)系統(tǒng)，在探測(cè)云閃以及地閃后期放電能力上，優(yōu)勢(shì)更突出；Rudlosky等[14]以TRMM LIS數(shù)據(jù)作為參照，對(duì)商業(yè)化運(yùn)行的GLD360(global lightning dataset)全球雷電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能做了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)在2012—2014年中，兩套數(shù)據(jù)集年際間的匹配度逐年上升，且雷電定位精度之間的差異逐年縮小，能夠與GLD360數(shù)據(jù)匹配的LIS flashes持續(xù)的時(shí)間往往更長(zhǎng)(平均值達(dá)到了18.6 ms)，閃電輻射覆蓋的范圍也更廣(平均值達(dá)到了379.3 km2)，而未能與GLD360數(shù)據(jù)匹配的LIS flashes，往往持續(xù)時(shí)間較短，而且閃電輻射覆蓋的范圍也更小，兩項(xiàng)數(shù)值分別為6.1 ms和251 km2；Douglas等[15]對(duì)GLD360系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)及數(shù)據(jù)重處理算法優(yōu)化后，相對(duì)于NLDN的閃電探測(cè)能力做了評(píng)價(jià)，如圖1所示，升級(jí)后的GLD360探測(cè)的閃電密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NLDN，前者是后者的5倍多，且其平均數(shù)據(jù)獲取延遲僅為35 s，平均定位精度1 km，誤差在 0.5 km范圍內(nèi)；Maribel[16]綜合分析GLM、NLDN和GLD360系統(tǒng)，針對(duì)flash(閃電)級(jí)別的數(shù)據(jù)，在氣候?qū)W尺度強(qiáng)風(fēng)暴和非強(qiáng)風(fēng)暴較小樣本中進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：GLM的總閃探測(cè)效率在其視場(chǎng)邊緣有明顯的下降，且在強(qiáng)風(fēng)暴中，GLM的探測(cè)效率降低明顯，同時(shí)分析了光輻射能量及衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)角等因素，對(duì)GLM探測(cè)效率的影響。

中國(guó)星地閃電數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的相關(guān)研究起步較晚。崔遜[17]以江蘇省閃電定位系統(tǒng)、國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)、星載OTD/LIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為比對(duì)參照，分析了全球閃電定位系統(tǒng)WWLLN在江蘇省、全國(guó)，甚至是全球的閃電探測(cè)效率和探測(cè)精度；鄧雨榮等[18]基于2005—2010年間OTD/LIS閃電探測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估了同期WWLLN在全球和三大閃電高發(fā)區(qū)(非洲、南北美洲和東南亞地區(qū))的探測(cè)效率，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行了討論；惠雯等[19]利用OTD/LIS系統(tǒng)和全國(guó)雷電定位系統(tǒng)的資料，分析了兩者在2008—2013年間觀測(cè)到的中國(guó)西南地區(qū)閃電時(shí)空分布特征差異。姚堯等[20]基于鄂西三峽一帶LIS探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)相應(yīng)的地基電網(wǎng)雷電探測(cè)系統(tǒng)性能做了分析，結(jié)果表明，星地兩套系統(tǒng)在研究區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)一致性良好，對(duì)于地閃的定位誤差平均為11 km，且兩者對(duì)于不同位置發(fā)生的閃電，具有不同的探測(cè)能力。高慧婷等[3]針對(duì)LMI L0級(jí)數(shù)據(jù)中不同類型的噪聲，分別提出了不同的濾除方法，最終形成了一套LMI閃電事件虛警濾除的系統(tǒng)方法，并在兩次典型雷電過(guò)程中，通過(guò)與地基數(shù)據(jù)比對(duì)進(jìn)行了驗(yàn)證。陳亞芳[21]依據(jù)不同的空間像元分辨率，將LMI觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，確立了不同的閃電數(shù)據(jù)聚類方案，并通過(guò)和相應(yīng)的WWLLN數(shù)據(jù)、風(fēng)云二號(hào)E星(FY2E)云頂亮溫資料比對(duì)，探討了LMI在不同時(shí)空分辨率區(qū)域的探測(cè)效力；張曉黃等[22]基于貝葉斯概率判識(shí)原理，設(shè)計(jì)了一種通用的、高效的LMI L0級(jí)數(shù)據(jù)虛假信號(hào)濾除算法，并與2017年8月8日一次典型雷暴過(guò)程中的同期WWLLN數(shù)據(jù)、FY2E云頂亮溫?cái)?shù)據(jù)、雷達(dá)回波資料進(jìn)行了交叉比對(duì)驗(yàn)證。

圖1 系統(tǒng)升級(jí)與數(shù)據(jù)重處理算法優(yōu)化后，GLD360系統(tǒng)與NLDN系統(tǒng)探測(cè)到的閃電密度對(duì)比Fig.1 Comparison of lightning density detected by GLD360 system and NLDN system after system upgrade and data reprocessing algorithm optimization

從以上中外的相關(guān)研究可以看出，對(duì)于以LMI為代表的中國(guó)靜止軌道星載閃電成像儀觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量控制方法探索，依然任重道遠(yuǎn)。在此背景下，對(duì)于LMI廣泛應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)警業(yè)務(wù)、中國(guó)地區(qū)閃電活動(dòng)特征監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的L2 級(jí)1 min定量Group數(shù)據(jù)(LMIG)，開(kāi)展質(zhì)量控制技術(shù)研究。

2 質(zhì)量控制技術(shù)

海量的LMI星載閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)，首次提供了衛(wèi)星“視角”下中國(guó)及周邊海域內(nèi)的閃電活動(dòng)特征信息，為相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用與科學(xué)研究，提供了重要的資料保證。這些新資料的質(zhì)量，是其有效應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)[23]，因此，對(duì)其開(kāi)展系統(tǒng)的質(zhì)量控制，尤為重要。

如前所述，衛(wèi)星閃電觀測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，決定了星載閃電資料的質(zhì)量控制難度較大，且與以往氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制方法有所不同[24]，因此需要有針對(duì)性地開(kāi)展研究?；贚MI的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織關(guān)系，對(duì)于LMIG數(shù)據(jù)，依托閃電活動(dòng)與強(qiáng)天氣過(guò)程間的耦合關(guān)系，通過(guò)典型實(shí)例，構(gòu)建判識(shí)閾值集合，提出了基于多源氣象資料的多層次質(zhì)量控制方法。此外，將質(zhì)控后的數(shù)據(jù)與商業(yè)第三方數(shù)據(jù)比對(duì)，對(duì)質(zhì)控效果評(píng)估及優(yōu)化，進(jìn)一步剔除誤差數(shù)據(jù)，更全面、更系統(tǒng)地提升LMI數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)挖掘了星載閃電數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)測(cè)的指示意義，更好地促進(jìn)對(duì)LMI數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，更好地推動(dòng)我國(guó)星載閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量應(yīng)用。

2.1 質(zhì)量控制技術(shù)框架

基于“星地兩種大尺度空間閃電觀測(cè)手段的關(guān)聯(lián)性”“強(qiáng)對(duì)流天氣云頂亮溫的分布特征與其所伴隨的閃電活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)性”“雷達(dá)回波強(qiáng)度變化特征與閃電發(fā)生的關(guān)聯(lián)性”等依據(jù)，遵從“相同時(shí)空區(qū)間關(guān)聯(lián)氣象資料內(nèi)部一致性檢查”的總體思想，結(jié)合文獻(xiàn)研究與實(shí)例分析，選取強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程多源資料一致性判識(shí)閾值，設(shè)計(jì)基于多源資料的多層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架，如圖2所示。

首先，依據(jù)不同的存儲(chǔ)路徑，依次讀取所需多源資料：LMIG數(shù)據(jù)、國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)地基閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)、新一代多普勒天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)、FY-4A衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計(jì)(advanced geosynchronous radiation imager,AGRI)L1級(jí)數(shù)據(jù)(分辨率4 km)中提取的云頂亮溫(temperature of brightness blackbody,TBB)數(shù)據(jù)、維薩拉GLD360全球閃電探測(cè)中國(guó)區(qū)域資料(DEMO版)。其次，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。在星地海量觀測(cè)數(shù)據(jù)中，完成時(shí)區(qū)統(tǒng)一、衛(wèi)星資料行列號(hào)與經(jīng)緯度的轉(zhuǎn)換，提取“一致性分析”時(shí)空區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息?；诿舾卸葘?shí)驗(yàn)，選取星地閃電探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔≤1 s，空間經(jīng)度間隔≤0.2°、緯度間隔≤0.2°，作為兩者一致性分析的時(shí)空窗口，即在此范圍，認(rèn)為星地是對(duì)同一次閃擊過(guò)程的探測(cè)，具有比對(duì)研究?jī)r(jià)值。

圖2 基于多源資料的多層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架Fig.2 Multi-level LMI data quality control technology framework based on multi-source data

將時(shí)間間隔前后10 min之內(nèi)，空間間隔為0.05°×0.05°網(wǎng)格，作為T(mén)BB資料、雷達(dá)回波強(qiáng)度資料與LMI資料一致性分析的區(qū)間。上述工作完成后，開(kāi)展三個(gè)層次的LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制進(jìn)程。第一次質(zhì)量控制，將LMI資料，與國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)地基閃電資料按時(shí)空窗口，進(jìn)行逐一滑動(dòng)比對(duì)，若兩者匹配成功，則認(rèn)為該閃電同時(shí)被星地閃電探測(cè)系統(tǒng)捕獲，LMI探測(cè)的數(shù)據(jù)是真實(shí)的閃電數(shù)據(jù)，否則啟動(dòng)第二層次質(zhì)控進(jìn)程；第二次質(zhì)量控制，為減少星地閃電探測(cè)系統(tǒng)的差異性產(chǎn)生的“漏檢”現(xiàn)象，需要在行列信息與經(jīng)緯度的轉(zhuǎn)換后，將星載閃電數(shù)據(jù)與同期FY-4A AGRI提供的對(duì)流云團(tuán)TBB信息進(jìn)行疊加比對(duì)，通過(guò)閾值判識(shí)，識(shí)別出被漏檢的真實(shí)閃電數(shù)據(jù)；第三次質(zhì)量控制，將星載閃電數(shù)據(jù)與同過(guò)程雷達(dá)回波強(qiáng)度資料進(jìn)行比對(duì)，若滿足判識(shí)閾值，則認(rèn)為是真實(shí)閃電數(shù)據(jù)；若不滿足閾值的數(shù)據(jù)，暫定為虛假閃電數(shù)據(jù)。最后，因維薩拉GLD360全球閃電探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)是獨(dú)立的商業(yè)化雷電探測(cè)數(shù)據(jù)，擁有嚴(yán)苛且穩(wěn)定的質(zhì)量把控流程，且與LMI一樣，能夠?qū)崟r(shí)不間斷地探測(cè)所覆蓋的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部全部閃電類型(總閃)，故將其作為比對(duì)的參考真值，認(rèn)為其能夠獲得相對(duì)所有的真實(shí)閃電信息。將第三層次質(zhì)控后，被暫定為虛假的閃電數(shù)據(jù)，與同期維薩拉GLD360數(shù)據(jù)比對(duì)。若依然有匹配成功的數(shù)據(jù)，則返回第二層次和第三層次，調(diào)整TBB資料和雷達(dá)回波強(qiáng)度資料進(jìn)行閃電判識(shí)的閾值，經(jīng)過(guò)不斷的迭代比對(duì)，直至LMI數(shù)據(jù)與維薩拉數(shù)據(jù)匹配穩(wěn)定，則質(zhì)控算法收斂，完成星載閃電數(shù)據(jù)質(zhì)量控制全部進(jìn)程。

2.2 多源資料判識(shí)閾值選取

如前所述，基于多源資料的多層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架中，F(xiàn)Y4A TBB資料和雷達(dá)回波強(qiáng)度資料與真實(shí)星載閃電數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)判識(shí)閾值的選取，至關(guān)重要，直接關(guān)系著數(shù)據(jù)質(zhì)控的科學(xué)性。

因此，為了更科學(xué)地設(shè)定判識(shí)閾值，基于一次典型天氣過(guò)程中，星地閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)、同期FY4A AGRI TBB數(shù)據(jù)、雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合分析，挖掘它們之間的“一致性”關(guān)聯(lián)，同時(shí)結(jié)合大量文獻(xiàn)研究，綜合設(shè)定適當(dāng)?shù)嘏凶R(shí)閾值。

以2018年6月13日發(fā)生在山東北部地區(qū)的一次降雹過(guò)程為例開(kāi)展綜合分析。2018年6月13日5:00—23:00(北京時(shí)間，下同)，受華北冷渦影響，環(huán)流低層暖濕高層干冷，山東出現(xiàn)一次大范圍強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣過(guò)程：8:00時(shí)500 hPa冷渦中心位于河北北部，山東處于冷渦的東南象限，冷渦隨后從內(nèi)蒙古中部經(jīng)山西和河北，攜帶強(qiáng)烈的干冷空氣侵入山東；850 hPa溫度脊位于河北東北部，經(jīng)山東進(jìn)入河南境內(nèi)，20 ℃的暖中心位于魯、豫、皖、蘇四省交界處。受其影響，西北部、中部和山東半島南部出現(xiàn)大范圍8級(jí)以上的雷雨大風(fēng)，其中青島站最大風(fēng)速達(dá)12級(jí)(極值風(fēng)速34.8 m/s)，并觀測(cè)到10次冰雹過(guò)程。

圖3給出了此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中6個(gè)時(shí)次FY4A TBB分布與該時(shí)刻前后各30 min內(nèi)，星載閃電數(shù)據(jù)的疊加?？梢钥吹?，TBB分布的變化趨勢(shì)，與閃電活動(dòng)有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。在TBB≤-32 ℃的小范圍區(qū)域，對(duì)流活動(dòng)初生，同期的閃電活動(dòng)零星發(fā)生，且星地探測(cè)到的閃電活動(dòng)發(fā)生位置基本一致。隨著對(duì)流強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，當(dāng)TBB≤-55 ℃時(shí)，北部對(duì)流云逐漸增多，對(duì)流活動(dòng)逐漸旺盛，閃電活動(dòng)頻次也明顯增加，同時(shí)地面開(kāi)始觀測(cè)到冰雹，地面降雹處(山東省濱州市無(wú)棣縣)位于TBB梯度較大且地閃密集區(qū)域。隨著對(duì)流活動(dòng)區(qū)域逐漸南移，山東省濱州市陽(yáng)信縣觀測(cè)到地面降雹，TBB低值范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，同期閃電活動(dòng)也更加頻繁，其中衛(wèi)星閃電密集區(qū)位于地閃密集區(qū)東側(cè)。隨著對(duì)流天氣系統(tǒng)逐漸向東南方移動(dòng)，對(duì)流云團(tuán)面積進(jìn)一步擴(kuò)大，TBB更低，最低極值達(dá)-60.3 ℃，可以看出，-40 ℃以下的TBB低值區(qū)連成NE-SW向的深對(duì)流活動(dòng)帶，此階段對(duì)流活動(dòng)最為活躍，降雹過(guò)程最為顯著，共觀測(cè)到8站次冰雹，主要集中于閃電密集區(qū)內(nèi)部或周邊。隨后，對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)向東南移動(dòng)，TBB≤-42 ℃的面積不斷減小，對(duì)流活動(dòng)也逐漸減弱，相應(yīng)的閃電活動(dòng)也開(kāi)始減少。

“○”為星載LMI觀測(cè)的閃電次數(shù)；“+”“-”分別為地基觀測(cè)的正負(fù)地閃次數(shù)；“◇”為冰雹發(fā)生處圖3 FY-4A云頂亮溫TBB與其前后30 min內(nèi)星地觀測(cè)的閃電分布Fig.3 FY-4A Temperature of brightness blackbody and the lightning distribution satellite-based and ground-based within 30 minutes

圖4給出了6個(gè)典型時(shí)刻的多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度疊加對(duì)應(yīng)時(shí)刻前 6 min內(nèi)的閃電活動(dòng)分布，可以發(fā)現(xiàn)二者之間存在較好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。降雹發(fā)生前，濱州西北部地區(qū)約50 km處，有一塊對(duì)流云團(tuán)快速向東北方向發(fā)展，最大回波強(qiáng)度>55 dBz，星地觀測(cè)到的閃電活動(dòng)分別位于強(qiáng)回波中心的前方和中心位置處。降雹期間，濱州西北部陽(yáng)信縣雷達(dá)回波強(qiáng)度超過(guò)60 dBz，且向東北方向移動(dòng)的強(qiáng)回波強(qiáng)中心前端的回波強(qiáng)度梯度增大，此時(shí)星地觀測(cè)到的閃電頻數(shù)均顯著增加，陽(yáng)信縣開(kāi)始出現(xiàn)冰雹；隨著高于45 dBz的雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)域不斷加強(qiáng)并向南移動(dòng)，60 dBz以上的超強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)面積繼續(xù)加大，星載LMI觀測(cè)的閃電活動(dòng)密集地出現(xiàn)在強(qiáng)回波中心的前方。隨著降雹過(guò)程進(jìn)入尾聲，強(qiáng)雷達(dá)回波帶逐漸移出濱州，高于45 dBz的強(qiáng)回波區(qū)也隨之移出濰坊，此時(shí)星地觀測(cè)的閃電活動(dòng)頻數(shù)呈明顯下降的趨勢(shì)。

“○”為星載LMI觀測(cè)的閃電次數(shù)；“-”為地基觀測(cè)的負(fù)地閃次數(shù)；“+”為地基觀測(cè)的正地閃次數(shù)圖4 雷達(dá)回波強(qiáng)度與星地觀測(cè)的閃電分布間的關(guān)系Fig.4 The relationship between radar echo intensity and lightning distribution satellite-based and ground-based

此外，如圖5所示，分別對(duì)2019年8月9日LMI數(shù)據(jù)中，10:00—11：00、17：00—18：00、22：00—23：00(均為北京時(shí)間)三個(gè)典型時(shí)段對(duì)應(yīng)的TBB小時(shí)累積概率變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)90%以上的閃電活動(dòng)，都分布于小于或等于-33 ℃(240 K)云頂亮溫的區(qū)間內(nèi)。

因此，結(jié)合典型個(gè)例分析與大量文獻(xiàn)成果，本文將240 K作為基于TBB對(duì)LMI質(zhì)量控制的判識(shí)閾值，若小于等于該值，則判定同期觀測(cè)的LMI閃電數(shù)據(jù)真實(shí)，否則判定為虛假；將35 dBz作為基于雷達(dá)回波強(qiáng)度對(duì)LMI質(zhì)量控制的判識(shí)閾值，若大于該值，則判定同期觀測(cè)的LMI閃電數(shù)據(jù)真實(shí)，否則判定為虛假。此外，考慮到不同天氣過(guò)程個(gè)例間的差異性，本文確立動(dòng)態(tài)閾值方案，通過(guò)不斷地迭代，靈活修正閾值，實(shí)現(xiàn)閾值的定制化調(diào)整，以提升質(zhì)控算法的科學(xué)性和適應(yīng)性。

圖5 不同時(shí)段小時(shí)TBB值累積概率變化曲線Fig.5 Cumulative probability change curve of hourly TBB value at different time periods

3 質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)

以2019年8月9日17：00—18：00(北京時(shí)間，下同)LMI探測(cè)的中國(guó)閃電LMIG L2定量數(shù)據(jù)(共計(jì)3 759個(gè)樣本數(shù)據(jù))為例，依據(jù)前文述質(zhì)量控制技術(shù)框架及判識(shí)閾值，開(kāi)展基于多源資料的多層次數(shù)據(jù)質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果顯示：針對(duì)3 759個(gè)LMI閃電觀測(cè)樣本數(shù)據(jù)，第一次質(zhì)控，保留了2 885個(gè)閃電數(shù)據(jù)，認(rèn)為其同時(shí)被中國(guó)星地閃電觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到，為真實(shí)的閃電數(shù)據(jù)，有效閃電探測(cè)數(shù)據(jù)占比76.75%；；第二次質(zhì)控，在第一次質(zhì)控剔除的虛假數(shù)據(jù)中“找回”漏檢的133個(gè)真實(shí)閃電數(shù)據(jù)，有效閃電探測(cè)數(shù)據(jù)占比提升至80.29%；第三次質(zhì)控，在第二次質(zhì)控剔除的虛假數(shù)據(jù)中“找回”漏檢的46個(gè)數(shù)據(jù)，滿足相應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度判識(shí)閾值，因而重新被判定為真實(shí)閃電數(shù)據(jù)，有效閃電探測(cè)數(shù)據(jù)占比上升為81.51%。

將上述三次質(zhì)控的結(jié)果(共計(jì)3 064個(gè)真實(shí)閃電數(shù)據(jù))，與獨(dú)立運(yùn)行的商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)——維薩拉GLD360全球雷電定位系統(tǒng)同時(shí)空區(qū)間的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)質(zhì)控效果不斷迭代優(yōu)化。

將兩類閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)時(shí)區(qū)統(tǒng)一、經(jīng)緯度與行列號(hào)轉(zhuǎn)換等一系列預(yù)處理后，不斷調(diào)整質(zhì)控判識(shí)條件的閾值，按照時(shí)空一致性區(qū)間，進(jìn)行匹配分析。通過(guò)分析6次迭代過(guò)程，兩種閃電數(shù)據(jù)的分布比對(duì)情況可以看出，隨著TBB與雷達(dá)回波強(qiáng)度判識(shí)閾值的不斷調(diào)整，經(jīng)過(guò)6次迭代后，兩套系統(tǒng)閃電探測(cè)數(shù)據(jù)匹配成功的比例從開(kāi)始的41.48%穩(wěn)步提升，直至達(dá)到81.33%時(shí)，匹配成功的比例不再隨著判識(shí)閾值的改變而變化，算法收斂。收斂時(shí)，采用的TBB質(zhì)控判識(shí)閾值為242 K，雷達(dá)回波強(qiáng)度質(zhì)控判識(shí)閾值為37 dBz。即經(jīng)過(guò)多源資料的多層次質(zhì)量控制，識(shí)別并剔除了LMI觀測(cè)數(shù)據(jù)中約18.67%的虛假數(shù)據(jù)。此外，可以看出，算法收斂時(shí)，LMI最終所保留的有效閃電數(shù)據(jù)與維薩拉數(shù)據(jù)在中國(guó)境內(nèi)的匹配度較高，而匹配失敗的數(shù)據(jù)，主要分布于中國(guó)境外周邊區(qū)域，這與LMI探測(cè)效率在視場(chǎng)邊緣有所下降有一定的關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

可信賴的閃電星載觀測(cè)數(shù)據(jù)，是相關(guān)氣象科學(xué)研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用的首要保證。由于LMI是中國(guó)首枚、世界領(lǐng)先的星載閃電光學(xué)觀測(cè)載荷，其數(shù)據(jù)級(jí)別的復(fù)雜性和特殊性，需要開(kāi)展有針對(duì)性的質(zhì)量控制研究?；贚MI的數(shù)據(jù)組織關(guān)系，對(duì)于其LMIG L2級(jí)數(shù)據(jù)，提出了一種基于多源氣象資料的多層次質(zhì)量控制方法。通過(guò)典型個(gè)例分析與大量文獻(xiàn)調(diào)研，確立多源資料不同的判識(shí)閾值，再分別基于同期地基國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)閃電觀測(cè)資料、FY4A衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)資料、新一代多普勒天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度資料，構(gòu)建星地多源資料三層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架，避免了“過(guò)度質(zhì)控”。并通過(guò)與第三方數(shù)據(jù)比對(duì)，不斷調(diào)整判識(shí)閾值，不斷優(yōu)化算法，直至收斂。此外，通過(guò)實(shí)例，驗(yàn)證了該質(zhì)控技術(shù)的有效性和可行性。

當(dāng)然，由于不同個(gè)例間的差異性較大，所確立的質(zhì)控判識(shí)閾值僅僅適用于本研究的樣本數(shù)據(jù)，為了提高算法的靈活性和科學(xué)性，通過(guò)修改程序參數(shù)，質(zhì)控判識(shí)閾值可以根據(jù)不同天氣過(guò)程的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行自主設(shè)定并輔以驗(yàn)證。

本文工作為中國(guó)星載閃電探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供了思路，為下一代衛(wèi)星閃電成像儀研制技術(shù)的提升提供了參考，有助于推動(dòng)中國(guó)星載閃電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和多源數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。