風(fēng)云四號(hào)A 星閃電產(chǎn)品在一次強(qiáng)對流天氣中的應(yīng)用

文| 武冰路 高源 許俊卿 廖錦濤

河北省信息工程學(xué)校

一、引言

閃電多發(fā)生于旺盛的積雨云中，是對流性天氣系統(tǒng)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物之一。研究表明，閃電數(shù)據(jù)能在強(qiáng)對流天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)中發(fā)揮重要作用，閃電的頻數(shù)與對流強(qiáng)度都有一定正相關(guān)性，并可作為強(qiáng)對流天氣的“示蹤器”[1-2]。目前獲取閃電觀測資料的方式有兩種：一種是基于輻射地磁場傳播理論的地面閃電探測技術(shù)；一種是基于光學(xué)成像原理的衛(wèi)星閃電探測技術(shù)[3]。本文針對2022 年6 月12 日京津冀的強(qiáng)對流天氣過程，將風(fēng)云四號(hào)A 星（FY-4A）探測到的閃電和地基閃電探測儀探測到的閃電進(jìn)行比對和分析，探究星地閃電在京津冀一帶強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用。

二、風(fēng)云四號(hào)A 星閃電產(chǎn)品介紹

我國在2016 年發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)A 星上搭載了閃電成像儀（LMI），成為世界上少數(shù)在靜止氣象衛(wèi)星上搭載閃電成像儀的國家之一。靜止軌道衛(wèi)星相對于極軌衛(wèi)星而言能夠連續(xù)追蹤閃電，時(shí)間分辨率大幅提高。FY-4A LMI閃電觀測資料從2018年開始業(yè)務(wù)應(yīng)用，部分學(xué)者在LMI 閃電數(shù)據(jù)的可靠性檢驗(yàn)、強(qiáng)對流天氣閃電活動(dòng)特征、閃電數(shù)據(jù)模式同化等方面開展了研究。不同地區(qū)LMI 閃電探測效率并不相同，LMI 閃電資料能否定量化地應(yīng)用到強(qiáng)對流天氣中還有待驗(yàn)證。

本研究使用的FY-4A 衛(wèi)星的LMI 閃電數(shù)據(jù)來自國家衛(wèi)星氣象中心提供的L2 級(jí)1min 定量產(chǎn)品。該產(chǎn)品探測原理是衛(wèi)星閃電成像儀的電荷耦合器件（CCD）利用777.4nm 近紅外通道探測發(fā)光事件，經(jīng)星上實(shí)時(shí)事件處理器進(jìn)行背景光評(píng)估，輸出背景光濾除后發(fā)光事件的位置、輻照度、面積等信息。產(chǎn)品包括閃電“事件”和閃電“組”[4]。閃電“事件”通過聚類算法得到閃電“組”，多個(gè)閃電“事件”組成1 個(gè)閃電“組”。大部分學(xué)者認(rèn)為“組”對應(yīng)云閃的一次放電過程或者地閃的一次回?fù)暨^程[5]。本文也選取閃電“組”作為衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。地基閃電定位儀（ADTD）數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心牽頭建設(shè)的全國綜合氣象信息共享平臺(tái)（CIMISS）數(shù)據(jù)資源池。該產(chǎn)品探測原理是地基閃電定位儀通過多站組網(wǎng)的方式，利用定向交匯法和到達(dá)時(shí)間差法測量閃電發(fā)生的位置、閃電歸一化電流強(qiáng)度、極性、陡度等信息。

三、強(qiáng)對流天氣實(shí)況

2022 年6 月12 日下午到13 日凌晨，在冷渦背景下，京津冀北部地區(qū)上空生成一中尺度云團(tuán)，云團(tuán)在發(fā)展移動(dòng)過程中，給京津冀北部地區(qū)帶來短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。強(qiáng)對流天氣過程分為三個(gè)階段：6月12 日11 : 00—17 : 00，對流云團(tuán)發(fā)展階段，在京津冀西北部少數(shù)站點(diǎn)出現(xiàn)7 級(jí)以上大風(fēng)；6 月12 日17 : 00—23 : 00，對流云團(tuán)發(fā)展成熟階段，北京及其周邊地區(qū)發(fā)生了劇烈的對流性天氣，短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)站數(shù)迅速增加，短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)個(gè)數(shù)301個(gè)，雷暴大風(fēng)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)為92 個(gè)。期間，北京市密云區(qū)、平谷區(qū)出現(xiàn)冰雹，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4.3494 億元；6 月12 日23 : 00—13 日05 : 00，對流云團(tuán)減弱階段，天津及周邊地區(qū)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水與雷暴大風(fēng)，其中強(qiáng)降水站點(diǎn)個(gè)數(shù)為70 個(gè)，雷暴大風(fēng)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)為58 個(gè)（圖1）。

圖1 京津冀2022 年6 月12 日11：00—13 日05：00 短時(shí)強(qiáng)降水與雷暴大風(fēng)站點(diǎn)分布

四、閃電時(shí)空分布特征分析

圖2 為強(qiáng)對流天氣發(fā)生過程中衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)和地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)每6h 的空間分布。將閃電時(shí)空分布與短時(shí)強(qiáng)降水以及雷暴大風(fēng)的時(shí)空分布對照發(fā)現(xiàn)，無論是衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)還是地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)均與強(qiáng)對流天氣的發(fā)生演變路徑基本一致。

圖2 2022 年6 月12 日11：00—13 日05：00 衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)和地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)分布

不同發(fā)展階段的衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)和地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)分布特征略有不同。6 月12 日11 : 00—17 : 00，衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)比地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)頻次少，這是由于白天輻照度閾值較高，導(dǎo)致白天衛(wèi)星只能探測到高輻照度的閃電，而無法探測到低輻照度的閃電[6]。6 月12 日17 : 00—23 : 00，衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)與地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間分布基本一致。6 月12 日23 : 00—13 日05 : 00，渤海一帶衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)的密度分布遠(yuǎn)高于地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)的密度，主要原因在于地基閃電定位儀的儀器布網(wǎng)大多分布在陸地上，導(dǎo)致其很難監(jiān)測到海洋上的閃電，衛(wèi)星閃電監(jiān)測恰好彌補(bǔ)了地基閃電監(jiān)測的缺陷。

綜上所述，衛(wèi)星閃電成像儀與地基閃電定位儀在監(jiān)測閃電方面互為補(bǔ)充，在進(jìn)行閃電數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用中可以將二者進(jìn)行融合，形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

五、閃電產(chǎn)品對強(qiáng)對流天氣的預(yù)警

1. 閃電產(chǎn)品對短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警

將京津冀區(qū)域內(nèi)閃電監(jiān)測頻次與發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的站數(shù)對比分析（圖3），發(fā)現(xiàn)閃電監(jiān)測頻次的躍增發(fā)生在6 月12 日19 : 00—20 : 00 之間，短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)的躍增發(fā)生在6 月12 日21 : 00—22 : 00之間，閃電監(jiān)測頻次的躍增對于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生具有1 ～2h 的提前量；閃電監(jiān)測頻次的驟降發(fā)生在6 月13 日01 : 00—02 : 00，短時(shí)強(qiáng)降水站次的驟降發(fā)生在6 月13 日02 : 00—03 : 00，閃電監(jiān)測頻次的驟降對于短時(shí)強(qiáng)降水結(jié)束也有約1h 的提前量。星地閃電監(jiān)測頻次之和的躍增效果比單獨(dú)一種閃電監(jiān)測頻次的躍增效果更加明顯，因此將星地閃電數(shù)據(jù)融合之后的總閃頻次的躍增和驟降指數(shù)作為短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警指標(biāo)效果會(huì)更好。

圖3 京津冀閃電頻次與短時(shí)強(qiáng)降水站次的時(shí)間演變圖

2. 閃電產(chǎn)品對冰雹的預(yù)警

6 月12 日密云區(qū)和平谷區(qū)都出現(xiàn)了冰雹天氣。密云區(qū)于12 日18 : 00 開始降雹，19 : 00結(jié)束降雹；平谷區(qū)19 : 00 開始降雹，20 : 00 結(jié)束降雹，降雹之后隨之而來的是短時(shí)強(qiáng)降水。圖4顯示，在開始降雹之前10min，密云區(qū)和平谷區(qū)的閃電監(jiān)測頻次會(huì)發(fā)生躍增，結(jié)束降雹之后，閃電監(jiān)測頻次會(huì)發(fā)生二次躍增，預(yù)示短時(shí)強(qiáng)降水即將發(fā)生。閃電監(jiān)測頻次的首次躍增對于當(dāng)?shù)乇⒕哂休^大的預(yù)警意義。衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)的躍增率比地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)的躍增率更大，指示性意義更強(qiáng)。

圖4 密云區(qū)和平谷區(qū)衛(wèi)星閃電監(jiān)測頻次、地基閃電監(jiān)測頻次以及星地閃電監(jiān)測頻次之和在降雹前后隨時(shí)間的演變

六、結(jié)論與討論

本文以2022 年6 月12 日京津冀強(qiáng)對流天氣為研究個(gè)例，將FY-4A 衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)與地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并探索閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)在強(qiáng)對流天氣預(yù)警方面的能力分析，結(jié)論如下。

1）FY-4A 衛(wèi)星的閃電成像儀和地基閃電定位儀均能夠探測到強(qiáng)對流天氣中的閃電，二者互為補(bǔ)充。

2）FY-4A 衛(wèi)星閃電監(jiān)測頻次的躍增可以作為短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣即將來臨的預(yù)警指標(biāo)之一，用于強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測和預(yù)警中。

3）FY-4A 衛(wèi)星閃電監(jiān)測頻次和地基閃電監(jiān)測頻次之和的躍增效果比單獨(dú)一種閃電監(jiān)測頻次的躍增效果更好，因此在進(jìn)行閃電監(jiān)測時(shí)將衛(wèi)星閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)和地基閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將會(huì)使氣象衛(wèi)星的閃電產(chǎn)品發(fā)揮更大的價(jià)值。