风云四号A 星闪电产品在一次强对流天气中的应用

2024-04-17武冰路高源许俊卿廖锦涛

卫星应用 2024年3期

文| 武冰路高源许俊卿廖锦涛

河北省信息工程学校

一、引言

闪电多发生于旺盛的积雨云中，是对流性天气系统发展到一定阶段的产物之一。研究表明，闪电数据能在强对流天气的短时预报中发挥重要作用，闪电的频数与对流强度都有一定正相关性，并可作为强对流天气的“示踪器”[1-2]。目前获取闪电观测资料的方式有两种：一种是基于辐射地磁场传播理论的地面闪电探测技术；一种是基于光学成像原理的卫星闪电探测技术[3]。本文针对2022 年6 月12 日京津冀的强对流天气过程，将风云四号A 星（FY-4A）探测到的闪电和地基闪电探测仪探测到的闪电进行比对和分析，探究星地闪电在京津冀一带强对流天气监测预警中的应用。

二、风云四号A 星闪电产品介绍

我国在2016 年发射的风云四号A 星上搭载了闪电成像仪（LMI），成为世界上少数在静止气象卫星上搭载闪电成像仪的国家之一。静止轨道卫星相对于极轨卫星而言能够连续追踪闪电，时间分辨率大幅提高。FY-4A LMI闪电观测资料从2018年开始业务应用，部分学者在LMI 闪电数据的可靠性检验、强对流天气闪电活动特征、闪电数据模式同化等方面开展了研究。不同地区LMI 闪电探测效率并不相同，LMI 闪电资料能否定量化地应用到强对流天气中还有待验证。

本研究使用的FY-4A 卫星的LMI 闪电数据来自国家卫星气象中心提供的L2 级1min 定量产品。该产品探测原理是卫星闪电成像仪的电荷耦合器件（CCD）利用777.4nm 近红外通道探测发光事件，经星上实时事件处理器进行背景光评估，输出背景光滤除后发光事件的位置、辐照度、面积等信息。产品包括闪电“事件”和闪电“组”[4]。闪电“事件”通过聚类算法得到闪电“组”，多个闪电“事件”组成1 个闪电“组”。大部分学者认为“组”对应云闪的一次放电过程或者地闪的一次回击过程[5]。本文也选取闪电“组”作为卫星闪电监测数据进行分析。地基闪电定位仪（ADTD）数据来自国家气象信息中心牵头建设的全国综合气象信息共享平台（CIMISS）数据资源池。该产品探测原理是地基闪电定位仪通过多站组网的方式，利用定向交汇法和到达时间差法测量闪电发生的位置、闪电归一化电流强度、极性、陡度等信息。

三、强对流天气实况

2022 年6 月12 日下午到13 日凌晨，在冷涡背景下，京津冀北部地区上空生成一中尺度云团，云团在发展移动过程中，给京津冀北部地区带来短时强降水、冰雹、雷暴大风等强对流天气。强对流天气过程分为三个阶段：6月12 日11 : 00—17 : 00，对流云团发展阶段，在京津冀西北部少数站点出现7 级以上大风；6 月12 日17 : 00—23 : 00，对流云团发展成熟阶段，北京及其周边地区发生了剧烈的对流性天气，短时强降水、雷暴大风站数迅速增加，短时强降水站点个数301个，雷暴大风的站点个数为92 个。期间，北京市密云区、平谷区出现冰雹，经济损失达4.3494 亿元；6 月12 日23 : 00—13 日05 : 00，对流云团减弱阶段，天津及周边地区发生短时强降水与雷暴大风，其中强降水站点个数为70 个，雷暴大风的站点个数为58 个（图1）。

图1 京津冀2022 年6 月12 日11：00—13 日05：00 短时强降水与雷暴大风站点分布

四、闪电时空分布特征分析

图2 为强对流天气发生过程中卫星闪电监测数据和地基闪电监测数据每6h 的空间分布。将闪电时空分布与短时强降水以及雷暴大风的时空分布对照发现，无论是卫星闪电监测数据还是地基闪电监测数据均与强对流天气的发生演变路径基本一致。

图2 2022 年6 月12 日11：00—13 日05：00 卫星闪电监测数据和地基闪电监测数据分布

不同发展阶段的卫星闪电监测数据和地基闪电监测数据分布特征略有不同。6 月12 日11 : 00—17 : 00，卫星闪电监测数据比地基闪电监测数据频次少，这是由于白天辐照度阈值较高，导致白天卫星只能探测到高辐照度的闪电，而无法探测到低辐照度的闪电[6]。6 月12 日17 : 00—23 : 00，卫星闪电监测数据与地基闪电监测数据的空间分布基本一致。6 月12 日23 : 00—13 日05 : 00，渤海一带卫星闪电监测数据的密度分布远高于地基闪电监测数据的密度，主要原因在于地基闪电定位仪的仪器布网大多分布在陆地上，导致其很难监测到海洋上的闪电，卫星闪电监测恰好弥补了地基闪电监测的缺陷。

综上所述，卫星闪电成像仪与地基闪电定位仪在监测闪电方面互为补充，在进行闪电数据研究与应用中可以将二者进行融合，形成优势互补。

五、闪电产品对强对流天气的预警

1. 闪电产品对短时强降水的预警

将京津冀区域内闪电监测频次与发生短时强降水的站数对比分析（图3），发现闪电监测频次的跃增发生在6 月12 日19 : 00—20 : 00 之间，短时强降水站数的跃增发生在6 月12 日21 : 00—22 : 00之间，闪电监测频次的跃增对于短时强降水的发生具有1 ～2h 的提前量；闪电监测频次的骤降发生在6 月13 日01 : 00—02 : 00，短时强降水站次的骤降发生在6 月13 日02 : 00—03 : 00，闪电监测频次的骤降对于短时强降水结束也有约1h 的提前量。星地闪电监测频次之和的跃增效果比单独一种闪电监测频次的跃增效果更加明显，因此将星地闪电数据融合之后的总闪频次的跃增和骤降指数作为短时强降水的预警指标效果会更好。

图3 京津冀闪电频次与短时强降水站次的时间演变图

2. 闪电产品对冰雹的预警

6 月12 日密云区和平谷区都出现了冰雹天气。密云区于12 日18 : 00 开始降雹，19 : 00结束降雹；平谷区19 : 00 开始降雹，20 : 00 结束降雹，降雹之后随之而来的是短时强降水。图4显示，在开始降雹之前10min，密云区和平谷区的闪电监测频次会发生跃增，结束降雹之后，闪电监测频次会发生二次跃增，预示短时强降水即将发生。闪电监测频次的首次跃增对于当地冰雹具有较大的预警意义。卫星闪电监测数据的跃增率比地基闪电监测数据的跃增率更大，指示性意义更强。