FY-4A与ADTD闪电资料对比分析初探*

2021-11-08徐震宇崔雪东

浙江气象 2021年3期

徐震宇崔雪东顾媛

(浙江省气象安全技术中心,浙江杭州 310008)

0 引言

闪电是自然界中常见的，伴随着声、光、电的一种天气现象,具有电磁辐射强、电流强度大、瞬时电压高等特点[1],给人民生命财产造成的损失越来越大[2]。提升闪电监测技术、充分认识闪电活动特征对雷电防护具有重要意义。近年来,许多学者利用地基闪电(以下简称地闪)探测仪探测的地闪数据来分析闪电的时空特征[3-4]。

随着科技的进步,卫星闪电探测正从采用低轨道卫星光学瞬态探测仪和闪电成像仪[5]向采用静止卫星闪电成像仪发展,从而实现闪电的实时、连续观测。FY-4A静止气象卫星于2016年12月11日发射升空,其上搭载的闪电成像仪(LMI),采用的是电子耦合器件(CCD)面阵和光学成像技术,中心波长为777.4 nm,星下点空间分辨率为7.8 km,对观测区域内包括云闪、云间闪、云—地闪在内的总闪电进行凝视观测,每年从春分到秋分观测中国地区,其他时间观测印度洋和澳大利亚西部地区[6]。目前FY-4A闪电探测资料主要用于强对流天气监测和数值预报等方面[7-8],针对资料特征和质量的分析研究较少。本文利用2018—2020年浙江省夏季(6—8月)的FY-4A闪电探测资料,结合浙江省ADTD闪电定位系统地闪数据,对比分析浙江省夏季闪电活动,为今后在业务中使用该资料提供参考依据。

1 资料与方法

闪电成像仪1 min事件产品(LMIE)是FY-4A LMI提供的L2级产品,是CCD面阵探测的闪电光辐射透过云层的发光现象,是经过背景去除、虚假事件滤除等一系列处理后得到的最基本的闪电信号单元,包含了发生时间、经度、纬度、光辐射强度和质量控制参数等信息,一个信号单元定义为一次闪电“事件”[6],目前可获取2018年3月12日之后的数据,该数据可从国家卫星气象中心获取。

浙江省ADTD闪电定位系统由11个观测站组成,自2007年始并入全国监测网运行至今。该系统的探测效率为80%～90%,平均探测范围为300 km,侧向误差为0.5°[9],与电力部门闪电定位系统[10]、雷击跳闸数据对比分析[11],以及与雷达回波对比分析[12]，结果表明该系统探测精度较好。本文使用与LMIE相同时段的浙江省地闪资料,包括发生时间、经度、纬度、电流强度、陡度、误差、定位方式等信息,利用GB/T 37047—2018[13]的地闪归集方法处理得到地闪数据,采用数理统计方法,对比分析LMIE的变化特征。

本文定义整点时刻后1 h内发生的闪电为小时闪电。

闪电密度为闪电次数除以统计面积,表征某地区闪电发生的频繁程度。本文使用网格法计算闪电密度,取样范围为0.05°×0.05°。

为了消除LMIE与地闪之间频次差距带来的影响,本文对闪电密度进行归一化处理。归一化是将有量纲的数值经过变换,化为无量纲的数值,进而消除各指标的量纲差异,计算公式为:

式中,x′为归一化后的数据;x为样本数据;xmin为样本数据中的最小值;xmax为样本数据中的最大值。

2 结果

2.1 年际、月际变化

表1为2018—2020年浙江省夏季闪电“事件”和地闪频次及占比统计表。由表1可知,闪电“事件”频次逐年下降,2018年的频次最高,达10万多次;从月分布来看,2018年、2019年6月和8月的闪电“事件”频次均比同年7月的高,两者总和占到了当年夏季总频次的70%以上;2020年相反,7月的最高,超过了6月和8月的总和,占当年夏季的52.57%;从3 a的平均结果来看,逐月闪电“事件”频次相当。地闪总频次逐年上升,2020年达到了22万多次,比2019年同期增加了约30%;从月统计结果来看,2018年、2020年7月地闪频次占比最高,超过了50%,8月地闪频次占比为夏季最低。

表1 2018—2020年浙江省夏季闪电“事件”和地闪频次(单位:次)及占比(单位:%)统计表

LMI根据闪电光辐射在777.4 nm中性氧原子近红外吸收谱线最强这一特征[7]，来实现对包括云闪、地闪在内的闪电的光学探测,探测信号经过处理后输出为最基本的闪电“事件”,即LMIE,并可在此基础上通过聚类等方法生成代表地闪回击或云闪K变化的闪电“组”,理论上闪电“事件”频次应高于同时段地闪频次,但浙江省夏季闪电“事件”在数量上远低于地闪,频次占比的变化规律也不尽相同。可能是卫星闪电成像仪对云闪更加敏感[14],而且闪电光辐射在云层中传输会发生衰减,导致到达云顶的闪电光辐射信号较弱,卫星闪电成像仪并未认定其为闪电信号。

2.2 日变化

由图1a可知,浙江省夏季闪电“事件”的发生频次存在明显的日变化,呈单峰形式,高值区总体在15—20时,峰值出现在17时,占比为14.22%;谷值出现在10时,占比为0.88%。从历年情况来看,每年的频次高值区都不相同,2018年峰值出现在17时,占比为21.15%;2019年峰值出现在18时,占比为8.21%;2020年峰值出现在19时,占比为22.45%。峰值出现时间逐年推迟,且2018年和2020年的峰值占比明显高于2019年的,说明这两年闪电“事件”的发生时间更为密集。对地闪频次日变化(图1b)分析发现,地闪的历年变化情况基本相同,高值区主要在午后和傍晚,峰值时间出现在16时,占比为14.09%。通过对比两者频次占比日变化发现,闪电“事件”频次占比日变化相比地闪而言年际差异较大,其频次的峰值时间较地闪的要晚几个小时。可能是地闪常集中发生在对流天气过程旺盛阶段,而在过程消散阶段的闪电类型主要为云闪[7],地闪频次的峰值时间要早于闪电“事件”的。

图1 2018—2020年浙江省夏季闪电频次占比日变化曲线(a.闪电“事件”、b.地闪)

2.3 强度分布

通过对逐年闪电“事件”和地闪的强度进行统计分析发现,2018—2020年浙江省夏季闪电“事件”平均光辐射强度日变化曲线(图2a)总体呈单峰形式,且较为对称,白天平均光辐射强度较大,夜间较小,高值区在09—13时,最大值在11时;而地闪平均电流强度(图2b),在一天中虽有波动,但强度值变化不大。闪电“事件”平均光辐射强度白天较高,可能是白天的背景光较为强烈。只有当光辐射强度超过背景光的闪电信号时，才有可能被认定为闪电“事件”,这导致白天探测的都是光辐射强度较高的信号。

图2 2018—2020年浙江省夏季闪电强度日变化曲线(a.闪电“事件”平均光辐射强度、b.地闪平均电流强度)

由图2可知,闪电“事件”与地闪的强度日变化特征完全不同,卫星探测的是光辐射强度,而地基闪电仪探测的是电流强度,这两者之间是否存在某种联系,目前尚不明确,仍需进一步研究。

2.4 空间分布

图3为2018—2020年浙江省夏季闪电“事件”和地闪平均密度归一化空间分布图。由图3a可知,浙江省闪电“事件”存在较为明显的地域性差异,南部地区密度高于北部地区密度,高密度区呈若干片状分布和零星点状分布。片状主要分布在衢州南部、丽水中部和东部、温州东北部和中西部以及台州南部等。与地闪密度空间分布(图3b)对比分析可知,两者的密度空间分布特征总体一致,但分布范围不尽相同,地闪密度高值区范围更广,具体原因仍有待进一步分析研究。

图3 2018—2020年浙江省夏季闪电“事件”和地闪平均密度归一化空间分布图(a.闪电“事件”、b.地闪;审图号:浙S(2020)17号)

2.5 个例分析

2019年6月30日是近3a浙江省地闪频次最多的一天,当日浙江省有一次较强的雷阵雨过程,部分地区有短时暴雨、强雷电、雷雨大风等强对流天气,本文选取当日发生的闪电“事件”和地闪进行对比分析。

由图4可知,当日发生闪电“事件”6183次,发生地闪26667次,两者的频次相差较大,且在整个对流天气过程中,地闪(14时)比闪电“事件”(19时)频次达到峰值时间更早,这与表1以及图1得出的结论相一致。

图4 2019年6月30日浙江省闪电“事件”和地闪频次日变化

图5为2019年6月30日浙江省闪电密度空间分布。由图5可知，2019年6月30日闪电“事件”与地闪密度在空间分布上相差较大,闪电“事件”密度的高值区主要位于杭州西南部、丽水东部、金华东部、绍兴南部以及台州东部,而地闪密集区主要位于杭金衢交界处、衢州南部、金华南部和东部、丽水、台州和温州等地,其分布范围与闪电“事件”相比差异较大,这与图3得出的结论相一致。