任素玲，趙瑋，曹冬杰，劉瑞霞

(1.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；2.北京市氣象局，北京 100890)

引言

FY-4A氣象衛(wèi)星搭載的閃電成像儀是利用閃電光輻射在777.4 nm中性氧原子近紅外吸收譜線最強(qiáng)這一特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電的定位[10]。攜帶閃電成像儀的靜止氣象衛(wèi)星還包括2016年11月美國(guó)發(fā)射的GOES-R衛(wèi)星。FY-4A攜帶的閃電成像儀(Lightning Mapping Imager，LMI)星下點(diǎn)定位于104.7°E，是我國(guó)自主研制的星載閃電成像儀[11]。其他衛(wèi)星攜帶閃電觀測(cè)儀器獲取的閃電產(chǎn)品研究分析[12-14]表明，閃電產(chǎn)品在氣象和氣候?qū)W方面均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。最新研究初步表明，F(xiàn)Y-4A靜止氣象衛(wèi)星閃電成像儀具有較強(qiáng)的閃電信號(hào)探測(cè)能力，L2級(jí)閃電探測(cè)產(chǎn)品能夠反映中國(guó)地區(qū)及其臨近海域的閃電分布。強(qiáng)對(duì)流天氣研究[15]表明，LMI閃電產(chǎn)品與對(duì)流云團(tuán)對(duì)應(yīng)一致，與地基雷達(dá)基本反射率35 dBZ以上區(qū)域一致，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣具有指示意義。

華北是我國(guó)重要的暴雨區(qū)[16-18]。研究[19]表明，對(duì)流5—6月開(kāi)始活躍，主要發(fā)生于午后山區(qū)，傍晚達(dá)到最強(qiáng)，生命史短，但強(qiáng)度大且常伴有冰雹和強(qiáng)風(fēng)，屬于熱對(duì)流特征。近50年冰雹研究[20]也表明，華北冰雹活動(dòng)最強(qiáng)為6月，主要受局地垂直溫度場(chǎng)變化的影響。隨著衛(wèi)星高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料的應(yīng)用，華北中小尺度對(duì)流系統(tǒng)個(gè)例研究逐漸增多[21-24]，均表明衛(wèi)星數(shù)據(jù)在華北對(duì)流性天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)中的重要性。

因此，本文將研究FY-4A多通道掃描輻射成像儀和閃電成像儀數(shù)據(jù)在華北地區(qū)雷暴天氣中的應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：FY-4A多通道RGB白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品合成方法及在華北地區(qū)的參數(shù)選擇；FY-4A閃電和地基閃電產(chǎn)品在華北地區(qū)一致性分析；2018年華北地區(qū)FY-4A閃電監(jiān)測(cè)分布特征；FY-4A白天對(duì)流風(fēng)暴RGB產(chǎn)品和閃電產(chǎn)品在2018年一次強(qiáng)雷暴過(guò)程中的應(yīng)用。同時(shí)，利用融合了氣象衛(wèi)星產(chǎn)品的高時(shí)空分辨率LAPS(Local Analysis and Prediction System)資料，分析此次雷暴過(guò)程中大氣的三維結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)應(yīng)的三維云分布特征。該研究能夠?yàn)槔肍Y-4A氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行華北及周邊地區(qū)雷暴天氣監(jiān)測(cè)服務(wù)提供支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 FY-4A多通道掃描輻射成像儀與閃電成像儀數(shù)據(jù)和反演產(chǎn)品

FY-4A多通道掃描輻射成像儀(AGRI)設(shè)置有14個(gè)通道，可見(jiàn)光通道空間分辨率為0.5～1 km，紅外通道空間分辨率為2～4 km，時(shí)間分辨率為5 min(北半球區(qū)域)或15 min(全圓盤(pán))，觀測(cè)時(shí)間見(jiàn)表1(時(shí)間為世界時(shí)，下同)。

表1 FY-4A/AGRI觀測(cè)時(shí)間(世界時(shí))表

Table 1 FY-4A/AGRI observation schedule(UTC)

觀測(cè)時(shí)次序列觀測(cè)分鐘序列00051015202530354045505500,03,06,09,12,15,18,21FFNNNNNN01,04,07,10,13,16,19,22FNNNNNNNNN02,05,08,11,14,17,20,23FNNNNNNF

注：F代表全圓盤(pán)；N代表北半球區(qū)域。

FY-4A閃電成像儀(LMI)CCD觀測(cè)波長(zhǎng)為777.4 nm，CCD探測(cè)來(lái)自閃電放電過(guò)程中的光輻射，當(dāng)閃電成像儀CCD面陣單個(gè)像元探測(cè)到的閃電光輻射的輻亮度高于背景閾值時(shí)，定義為一次閃電“事件”，即像元觀測(cè)區(qū)域云中閃電光輻射透過(guò)云層的發(fā)光現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的CCD面陣該像元中心位置即為這次閃電事件的位置。探測(cè)到的光輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，提取可能來(lái)自于閃電的光“事件”，閃電儀以2 s為間隔連續(xù)探測(cè)。最后利用產(chǎn)品算法軟件，進(jìn)行背景減光、閾值設(shè)置和改變，提取閃電信號(hào)，進(jìn)行虛假信號(hào)濾除和聚類(lèi)分析，輸出包含閃電“事件”(event)、“組”(group)和“閃電”(flash)三類(lèi)產(chǎn)品。文中應(yīng)用的閃電產(chǎn)品為閃電“事件”，數(shù)據(jù)為1 min觀測(cè)1次，空間分辨率為7.8 km，夏季觀測(cè)范圍覆蓋中國(guó)大部分區(qū)域及鄰近地區(qū)，冬季觀測(cè)南半球。衛(wèi)星閃電成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)總閃電探測(cè)(包括云閃、云地閃和地閃)[15]。

TBB(black-body temperature)數(shù)據(jù)選用FY-4A多通道掃描輻射成像儀第12通道(中心波長(zhǎng)10.8 μm)反演的TBB數(shù)據(jù)，中國(guó)區(qū)域TBB數(shù)據(jù)時(shí)間頻次同成像儀觀測(cè)時(shí)間(表1)，為了分析在對(duì)流發(fā)展過(guò)程中TBB隨時(shí)間演變，1 h內(nèi)的觀測(cè)均處理成10個(gè)數(shù)據(jù)，沒(méi)有觀測(cè)的時(shí)刻以缺省值代替(同表1中02時(shí)觀測(cè))。

1.2 中國(guó)ADTD雷電系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)為我國(guó)氣象部門(mén)國(guó)家級(jí)地基閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng))的探測(cè)數(shù)據(jù)，覆蓋了我國(guó)約477個(gè)站的時(shí)間同步探測(cè)網(wǎng)，采用中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究所研制的ADTD閃電探測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)有效閃電回?fù)魯?shù)據(jù)，獲取雷電發(fā)生時(shí)間、地理位置以及定位誤差要素等，閃電時(shí)間精確到毫秒。目前，該閃電探測(cè)數(shù)據(jù)主要探測(cè)的為云地閃電[25-27]。

1.3 LAPS多源融合數(shù)據(jù)

NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)發(fā)展的LAPS系統(tǒng)可以融合多源觀測(cè)資料，包括模式背景場(chǎng)、地基、空基觀測(cè)的風(fēng)、溫、壓、濕和云等大氣參數(shù)，得到高分辨率的三維大氣結(jié)構(gòu)信息。三維云分析是LAPS最有特色的部分，云分析主要采用逐步訂正方案，獲得的云參數(shù)包括三維云量場(chǎng)、大氣柱云量、云底高度、云頂高度等，產(chǎn)生的三維云量場(chǎng)用于LAPS中其他云物理參數(shù)的計(jì)算。劉瑞霞等[28]研究了LAPS系統(tǒng)融合我國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)后對(duì)三維云場(chǎng)的訂正效果，指出當(dāng)增加了FY-2衛(wèi)星資料后，LAPS分析的云量產(chǎn)品更接近真實(shí)，表明了衛(wèi)星資料在LAPS云分析中的重要作用。本文利用LAPS三維數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，融合FY-2G氣象衛(wèi)星通道數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)等，獲得空間分辨率為5 km的大氣環(huán)境場(chǎng)資料、三維云量場(chǎng)資料，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1 h，空間范圍為108°～128°E，32°～45°N。

1.4 星地閃電數(shù)據(jù)處理與時(shí)空匹配方法

計(jì)算時(shí)把FY-4A閃電數(shù)據(jù)和ADTD雷電系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)中的閃電位置信息(經(jīng)度、緯度)插值為0.1°×0.1°的等經(jīng)緯度格點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)生一次閃電數(shù)值標(biāo)記為1。一段時(shí)間內(nèi)閃電次數(shù)的累計(jì)為該時(shí)間段內(nèi)閃電事件活動(dòng)頻次。

FY-4A閃電數(shù)據(jù)和ADTD雷電系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)時(shí)間和空間匹配方式為：在處理后形成的0.1°×0.1°等經(jīng)緯度格點(diǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，相同的格點(diǎn)進(jìn)行空間匹配；根據(jù)FY-4A的1 min閃電數(shù)據(jù)，查找對(duì)應(yīng)1 min內(nèi)地面ADTD閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配。

2 FY-4A多通道白天對(duì)流風(fēng)暴RGB產(chǎn)品

2.1 白天對(duì)流風(fēng)暴RGB合成方法

多通道RGB合成技術(shù)是根據(jù)衛(wèi)星不同通道特征，利用3通道或多通道計(jì)算后的數(shù)據(jù)最后形成3個(gè)數(shù)據(jù)，把3個(gè)數(shù)據(jù)分別賦值給紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)通道，通過(guò)合成形成彩色圖像。多通道組合可以提取不同的監(jiān)測(cè)信息。

圖1 2018年8月8日白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品(a.紅通道R；b.綠通道G；c.藍(lán)通道B；d.Himawari-8 RGB合成算法，00時(shí)；e.FY-4A RGB合成算法，00時(shí)；f.FY-4A RGB合成算法，01時(shí))Fig.1 Daytime convective storm product on 8 August 2018 (a. red channel R; b. green channel G; c. blue channel B; d. Himawari-8 RGB synthetic method, 00:00 UTC; e. FY-4A RGB synthetic method, 00:00 UTC; f. FY-4A RGB synthetic method, 01:00 UTC)

日本Himawari-8/AHI利用6個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行白天對(duì)流風(fēng)暴RGB合成，Himawari-8/AHI通道設(shè)置見(jiàn)表2，白天對(duì)流風(fēng)暴RGB產(chǎn)品合成方法見(jiàn)表3。R為兩個(gè)水汽通道差值(圖1a)。兩個(gè)水汽通道均反映了對(duì)流層中高層水汽信息，但在對(duì)流層高層WV 7.3 μm通道對(duì)水汽的透射性比WV 6.2 μm通道更高，因此WV 7.3 μm通道更多的為對(duì)流層中下層水汽信息，兩個(gè)水汽通道插值圖像中，白色區(qū)域?yàn)榘l(fā)展旺盛的高云，云頂?shù)偷脑坪拖”〉木碓撇幻黠@。因此，在RGB圖像的紅通道，深厚的云系為紅色。G為中紅外和遠(yuǎn)紅外通道差值(圖1b)。IR 3.9 μm通道在白天包含了紅外輻射和太陽(yáng)光反射，反射能量取決于云中粒子的大小，當(dāng)云中冰粒子小時(shí)，反射越強(qiáng)，在具有強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的對(duì)流云中小冰晶粒子較多。在兩個(gè)通道差值圖像中，太陽(yáng)反射為主要信息。在RGB圖像的綠通道，小冰晶粒子云為綠色。B為近紅外和可見(jiàn)光通道差值(圖1c)。IR 1.6 μm通道的反射取決于云粒子的相態(tài)和尺寸，當(dāng)粒子大時(shí)，反射小，當(dāng)云為冰相態(tài)時(shí)，由于冰粒子吸收太陽(yáng)光，反射較小。VIS 0.64 μm通道反射和光學(xué)厚度有關(guān)。在兩個(gè)通道差值圖像中，具有大粒子的深厚的冰云為深顏色，低云和陸表為白色。因此，在RGB圖像的藍(lán)通道，低云和陸表為藍(lán)色。在該RGB合成圖像中，深厚的(紅色)具有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的小冰晶粒子云(綠色)表現(xiàn)為黃色。紅色為深厚的降水云系，藍(lán)色為陸地/海洋或低云。

由于FY-4A/AGRI和Himawari-8/AHI儀器的通道設(shè)置有差異(表2)，本文參考日本Himawari-8/AHI白天強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴RGB合成方法并做了參數(shù)調(diào)整，計(jì)算R通道的水汽通道由Himawari-8/AHI的WV 6.2 μm～WV 7.3 μm轉(zhuǎn)變?yōu)镕Y-4A/AGRI的WV 6.5 μm～WV 7.2 μm，計(jì)算G通道的IR 3.9 μm～I(xiàn)R 10.4 μm轉(zhuǎn)變?yōu)镮R 3.8 μm～I(xiàn)R 10.8 μm，如果完全依據(jù)Himawari-8/AHI算法獲得白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品效果較差(圖1d)。通過(guò)多次調(diào)整參數(shù)，華北及周邊FY-4A RGB合成白天強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品計(jì)算方法見(jiàn)表3。

由于所用到6個(gè)通道數(shù)據(jù)的空間分辨率不同(表2)，VIS 0.64 μm通道為500 m，IR 1.61 μm和IR 3.80 μm通道為2 km，其他3個(gè)通道為4 km，計(jì)算時(shí)把數(shù)據(jù)均插值處理為2 km。利用上述方法獲得的圖像如圖1e、f所示，修訂后白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品較好地突出了強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的雷暴云區(qū)。FY-4A 多通道白天對(duì)流風(fēng)暴RGB合成產(chǎn)品可有效識(shí)別小尺度冰粒子相態(tài)的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)雷暴云(圖1e、f中的黃色區(qū)域)，可應(yīng)用于強(qiáng)天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)。

表2 Himawari-8/AHI和FY-4A/AGRI通道

Table 2 Channels of Himawari-8/AHI and FY-4A/AGRI

Himawari-8/AHIFY-4A/AGRI通道波長(zhǎng)/μm分辨率/ km通道波長(zhǎng)/μm分辨率/km10.46110.46120.51120.640.5～130.640.530.86140.86141.38251.60251.61262.30262.252～473.90273.80 (high)286.20283.80 (low)497.0296.54107.32107.24118.62118.54129.621310.421411.221210.841512.321312.041613.321413.34

表3 Himawari-8和FY-4A衛(wèi)星白天對(duì)流風(fēng)暴RGB合成方法

Table 3 Synthetic methods of daytime convective storm RGB products by Himawari-8 and FY-4A

衛(wèi)星RGB合成通道范圍gamma系數(shù)Himawari-8RWV 6.2 μm～WV 7.3 μm-35～5 K1.0GIR 3.9 μm～I(xiàn)R 10.4 μm-5～60 K0.5BIR 1.6 μm～VIS 0.64 μm-75%～25%1.0FY-4ARWV 6.5 μm～WV 7.2 μm-30～0 K1.0GIR 3.8 μm～I(xiàn)R 10.8 μm-20～65 K1.0BIR 1.61 μm～VIS 0.64 μm-80%～20%1.0

2.2 FY-4A白天對(duì)流風(fēng)暴RGB產(chǎn)品較可見(jiàn)光圖像的優(yōu)勢(shì)

FY-4A多通道白天對(duì)流風(fēng)暴RGB合成產(chǎn)品圖像中黃色區(qū)域可反映具有強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的小冰晶粒子對(duì)流云，對(duì)于識(shí)別可見(jiàn)光圖像中高反射厚積云區(qū)域中強(qiáng)降水或強(qiáng)天氣落區(qū)具有監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。

2018年8月8日早上，北京和河北東部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，由00—01時(shí)1 h累計(jì)降水量(圖2)可知，強(qiáng)降水出現(xiàn)在北京東部及鄰近的河北東部，部分區(qū)域1 h降水量超過(guò)50 mm，最大1 h降水量為123 mm。FY-4A三通道合成可見(jiàn)光真彩色圖像(圖3)顯示，00時(shí)北京西部和東部有兩處發(fā)展深厚的云團(tuán)，云頂信息表明兩者差異較小(圖3中紅色箭頭處)，均表現(xiàn)為密實(shí)的對(duì)流云。但白天對(duì)流風(fēng)暴RGB合成產(chǎn)品(圖1e、f)顯示00時(shí)和01時(shí)北京東部呈現(xiàn)黃色，為強(qiáng)上升雷暴云團(tuán)，而北京西部和西北部的對(duì)流云團(tuán)為暗紅色，降水較弱。白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品和強(qiáng)降水落區(qū)關(guān)系匹配密切，表明FY-4A多通道RGB白天強(qiáng)雷暴產(chǎn)品較可見(jiàn)光圖像具有監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。

圖2 2018年8月8日00—01時(shí)1 h降水量(單位：mm)Fig.2 One-h cumulative precipitation from 00:00 UTC to 01:00 UTC on 8 August 2018 (units: mm)

圖3 2018年8月8日00時(shí) FY-4A真彩色合成圖像Fig.3 FY-4A true color composite image at 00:00 UTC on 8 August 2018

3 FY-4A監(jiān)測(cè)閃電在華北地區(qū)的分布特征

3.1 FY-4A閃電和地面觀測(cè)閃電對(duì)比分析

利用2018年6月閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2018年6月有效FY-4A閃電事件產(chǎn)品共26 853個(gè)時(shí)次，通過(guò)時(shí)間匹配地基閃電，華北附近區(qū)域(111°～126°E，34°～44°N)累計(jì)的閃電頻次隨時(shí)間分布如圖4。由于觀測(cè)方式不同，F(xiàn)Y-4A閃電事件總頻次約為地基閃電頻次的10倍。6月大部分時(shí)間內(nèi)，兩類(lèi)閃電數(shù)據(jù)1 min累計(jì)閃電頻次總數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，6月下旬，時(shí)間T1和T3處地基閃電活動(dòng)頻次相對(duì)偏高，時(shí)間T2處地基閃電活動(dòng)頻次相對(duì)偏低。這表現(xiàn)出兩類(lèi)數(shù)據(jù)既有一致性也存在差異性。

圖4 2018年6月FY-4A閃電(a)和地基閃電(b)區(qū)域(111°～126°E，34°～44°N)累計(jì)1 min閃電頻次Fig.4 One-min cumulative frequency of FY-4A lightning (a) and ground-based lightning (b) in the region (111°-126°E, 34°-44°N) in June 2018

2018年6月13日，華北和黃淮等地出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，通過(guò)對(duì)比分析6月13日00—10時(shí)累計(jì)閃電頻次分布(圖5)可以看出，在此次強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程中，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的閃電總體較多。由衛(wèi)星監(jiān)測(cè)閃電和地面監(jiān)測(cè)閃電分布趨勢(shì)可知，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)閃電在北京、河北北部和中部、天津等地(華北北部)和山東北部閃電總數(shù)基本一致，而地基觀測(cè)閃電總數(shù)華北北部明顯小于山東北部。由FY-4A氣象衛(wèi)星TBB發(fā)展演變(圖6)可知，00—05時(shí)，華北北部自西北向東南有對(duì)流活動(dòng)，TBB低值區(qū)為-50～-40 ℃，對(duì)流云團(tuán)的生消較快，屬于較小尺度的對(duì)流云團(tuán)。而山東中北部對(duì)流云團(tuán)的TBB值在-58～-50 ℃之間，且云團(tuán)尺度較大，自北向南推進(jìn)，該區(qū)域的雷暴云團(tuán)較華北北部對(duì)流較強(qiáng)。研究表明，在雷暴的發(fā)展階段，通常首先出現(xiàn)云內(nèi)閃電，云地閃電活躍一般滯后于云內(nèi)閃電峰值5～10 min且沒(méi)有云內(nèi)閃電活躍，云地閃電更多地出現(xiàn)在雷暴的成熟階段[29]，因此，華北北部衛(wèi)星觀測(cè)閃電相對(duì)較多與該區(qū)域?qū)α黝l繁生消產(chǎn)生的云內(nèi)閃電活動(dòng)有關(guān)。

華北北部對(duì)流相對(duì)較弱，且有多個(gè)中小尺度對(duì)流云團(tuán)更迭，因此在每個(gè)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展階段云內(nèi)閃電活動(dòng)頻繁(衛(wèi)星監(jiān)測(cè)閃電)，由于其強(qiáng)度相對(duì)較弱，地基閃電探測(cè)儀觀測(cè)云地閃電活動(dòng)不明顯。由華北北部平均TBB和區(qū)域總閃電數(shù)據(jù)時(shí)間演變(圖7)同樣可以看出，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)閃電在00：40—00：50、01：10、02：20和03：30左右出現(xiàn)幾個(gè)峰值，特別是在區(qū)域平均TBB持續(xù)降低的前2.5 h(00：00—02：30)，總閃電數(shù)較大，地基閃電定位觀測(cè)顯示地閃頻次高峰出現(xiàn)在02：30—04：30，總體較氣象衛(wèi)星觀測(cè)的閃電晚，當(dāng)區(qū)域平均TBB開(kāi)始升高時(shí)(04：30左右)，氣象衛(wèi)星和地基閃電探測(cè)的閃電均開(kāi)始減弱，衛(wèi)星閃電減弱更迅速。

圖5 2018年6月13日00—10時(shí)累計(jì)FY-4A閃電(a)和地基閃電(b)頻次Fig.5 Cumulative frequency of FY-4A lightning (a) and ground-based lightning (b) from 00:00 UTC to 10:00 UTC on 13 June 2018

圖6 2018年6月13日01(a)、03(b)、05(c)和07(d)時(shí)FY-4A TBB分布(單位：℃)Fig.6 Distribution of FY-4A TBB (units: ℃) at 01:00 UTC (a), 03:00 UTC (b), 05:00 UTC (c), and 07:00 UTC (d) on 13 June 2018

山東中北部對(duì)流相對(duì)較強(qiáng)，其新生對(duì)流的發(fā)展出現(xiàn)在較大中尺度對(duì)流系統(tǒng)前進(jìn)方向的南側(cè)，低于-50 ℃強(qiáng)對(duì)流區(qū)域范圍較大且維持時(shí)間較長(zhǎng)(圖6)。區(qū)域平均TBB時(shí)間序列(圖7)顯示，平均低于-30～-20 ℃ TBB自04時(shí)開(kāi)始一直持續(xù)到10時(shí)，07時(shí)開(kāi)始緩慢減弱。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)區(qū)域累計(jì)閃電顯示出多個(gè)活躍期，05—08時(shí)較強(qiáng)。地面觀測(cè)云地閃電02—08時(shí)都維持較強(qiáng)的狀態(tài)。08時(shí)之后衛(wèi)星觀測(cè)總閃電和地面觀測(cè)云地閃電均開(kāi)始減弱，09時(shí)開(kāi)始該區(qū)域基本無(wú)閃電活動(dòng)。

因此，衛(wèi)星閃電探測(cè)儀對(duì)雷暴云團(tuán)初生階段的云內(nèi)閃電有很好的探測(cè)效果。與地基閃電儀探測(cè)相比，既有區(qū)域分布的一致性，也有閃電活動(dòng)次數(shù)和閃電發(fā)生時(shí)間的差異性。這表現(xiàn)出不同觀測(cè)儀器和觀測(cè)方式對(duì)同一雷暴系統(tǒng)觀測(cè)所揭示的不同特征。

3.2 2018年4—9月華北及周邊閃電活動(dòng)特征

利用FY-4A閃電成像儀1 min閃電事件產(chǎn)品，分析華北及周邊4—9月月累計(jì)閃電頻次分布(圖8)。2018年4月，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)閃電主要分布在河北東北部、遼寧中北部，整體閃電活動(dòng)較弱；5月，山西東部、河北西北部和山東半島閃電活躍；6—8月閃電活動(dòng)整體較強(qiáng)，其中6月大值區(qū)出現(xiàn)在山西、河北中北部、北京、天津、山東半島、萊州灣和遼寧西南部，7月大值區(qū)出現(xiàn)在山西北部、北京和河北東北部，而8月山西中北部、河北、天津、山東南部和遼寧西部均為閃電活躍區(qū)。研究表明，華北及周邊 5—6月對(duì)流已開(kāi)始活躍[19]，5—6月對(duì)流具有熱對(duì)流特征，主要發(fā)生于午后山區(qū)，傍晚達(dá)到最強(qiáng)，生命史短，但強(qiáng)度大且常伴有冰雹和強(qiáng)風(fēng)，而7—8月對(duì)流和大范圍暴雨天氣相關(guān)，屬于濕對(duì)流。近50年冰雹研究[20]也表明，華北冰雹活動(dòng)最強(qiáng)為6月。氣象衛(wèi)星閃電探測(cè)儀既能監(jiān)測(cè)弱對(duì)流產(chǎn)生的閃電，也能較好地反映出大范圍暴雨活動(dòng)伴隨的閃電活動(dòng)。

圖7 2018年6月13日00—10時(shí)區(qū)域累計(jì)FY-4A閃電(a、c)、地基閃電(b、d)閃電頻次和區(qū)域平均TBB(黑線，單位：℃)(a、b.115°～118°E，39.5°～41.5°N；c、d.116°～119°E，36°～38°N)Fig.7 Cumulative frequency of FY-4A lightning (a, c) and ground-based lightning (b, d) and region-averaged TBB (black line, units: ℃) in the region (a, b; 115°-118°E, 39.5°-41.5°N) and the region (c, d; 116°-119°E, 36°-38°N) from 00:00 UTC to 10:00 UTC on 13 June 2018

圖8 2018年4—9月累計(jì)FY-4A閃電頻次Fig.8 Cumulative frequency of FY-4A lightning from April to September 2018

4 FY-4A產(chǎn)品監(jiān)測(cè)2018年6月13日冰雹過(guò)程

4.1 冰雹監(jiān)測(cè)實(shí)況

2018年6月13日凌晨至下午，華北和黃淮出現(xiàn)大范圍的冰雹天氣。由中國(guó)氣象局決策服務(wù)信息共享平臺(tái)氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)災(zāi)情直報(bào)信息(表4)可知，00—01時(shí)，冰雹主要出現(xiàn)在北京北部及鄰近的河北豐寧、山東北部的德州和濱州，05—08時(shí)山東出現(xiàn)多縣市的冰雹天氣，07時(shí)山東省冰雹天氣最為劇烈，11縣(市、區(qū))出現(xiàn)冰雹，07時(shí)山東濰坊出現(xiàn)多處冰雹。逐小時(shí)冰雹災(zāi)害分布如圖9。

4.2 FY-4A白天對(duì)流風(fēng)暴RGB產(chǎn)品和閃電產(chǎn)品應(yīng)用

FY-4A RGB白天對(duì)流監(jiān)測(cè)產(chǎn)品(圖10)顯示：00—01時(shí)河北北部、北京東北部、天津、渤海灣、山東北部有對(duì)流風(fēng)暴活動(dòng)(圖中黃色區(qū)域)，對(duì)應(yīng)著00—01時(shí)河北豐寧、北京平谷和密云、山東濱州和德州的冰雹天氣。FY-4A閃電事件監(jiān)測(cè)產(chǎn)品(圖11)顯示：00—02時(shí)2 h累計(jì)閃電事件頻次大值也出現(xiàn)在上述地區(qū)，河北豐寧2 h閃電頻次出現(xiàn)30次以上。03—07時(shí)山東北部對(duì)流快速發(fā)展南壓，影響河南東北部和山東北部，形成一條強(qiáng)對(duì)流云帶，造成強(qiáng)天氣，06—08時(shí)冰雹也主要發(fā)生在山東北部，與對(duì)流風(fēng)暴圖像中黃色區(qū)域一致。06—08時(shí)2 h累積閃電事件頻次大值區(qū)也呈現(xiàn)帶狀分布，位于山東北部、河南東北部和萊州灣。對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品的黃色區(qū)域、閃電事件高頻次區(qū)域和冰雹發(fā)生區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由00—11時(shí)累計(jì)FY-4A監(jiān)測(cè)閃電活動(dòng)頻次可以看出有兩個(gè)密集區(qū)(圖11c)，分別為北京和河北北部(圖11c中紅色方框)、山東和萊州灣附近(圖11c中藍(lán)色方框)。兩個(gè)區(qū)域總閃電頻次時(shí)間序列(圖12)表明：北京和河北北部的閃電事件集中出現(xiàn)在00—04時(shí)(紅線)，最大1 min閃電事件活動(dòng)頻次為100次左右， 1 min閃電頻次變化顯著，06時(shí)后閃電活動(dòng)明顯減弱。山東和萊州灣附近00—11時(shí)都有閃電活動(dòng)，02—04時(shí)相對(duì)較弱，總頻率在40次以下，04：40左右該區(qū)域閃電活動(dòng)增強(qiáng)，07：30左右快速增強(qiáng)，高閃電活動(dòng)頻次一直持續(xù)到09時(shí)左右，區(qū)域最大閃電活動(dòng)頻次超過(guò)180次。該區(qū)域閃電活動(dòng)頻次快速增加的07：30左右對(duì)應(yīng)著山東北部的冰雹活躍時(shí)間(表4和圖9)。

表4 2018年6月13日冰雹監(jiān)測(cè)(中國(guó)氣象局決策服務(wù)信息共享平臺(tái)氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)災(zāi)情直報(bào))

Table 4 Hail monitoring on 13 June 2018(disaster report of meteorological disaster management system of CMA decision-making service information sharing platform)

災(zāi)害開(kāi)始時(shí)間上報(bào)單位經(jīng)濟(jì)損失/萬(wàn)元災(zāi)害開(kāi)始時(shí)間上報(bào)單位經(jīng)濟(jì)損失/萬(wàn)元00:00:00河北省承德市豐寧滿(mǎn)族自治縣51907:20:46山東省濱州市沾化區(qū)66600:30:47山東省濱州市4 96307:30:26山東省濰坊市寒亭區(qū)2 60100:35:00北京市平谷區(qū)90007:30:33山東省青島市平度市29 38900:50:00北京市密云區(qū)708.507:40:00山東省濰坊市安丘市1 371.0801:25:07山東省濱州市陽(yáng)信縣4 28207:45:00山東省日照市莒縣1 607.701:29:15山東省德州市慶云縣無(wú)數(shù)據(jù)08:00:00山東省青島市黃島區(qū)1 179.704:00:00北京市門(mén)頭溝區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)08:00:22河北省衡水市安平縣579.6304:06:31山東省臨沂市3 14208:00:27山東省臨沂市沂南縣445.3505:45:13山東省淄博市桓臺(tái)縣無(wú)數(shù)據(jù)08:13:00山東省濟(jì)南市平陰縣無(wú)數(shù)據(jù)05:59:09山東省淄博市周村區(qū)7008:30:00河北省衡水市深州市無(wú)數(shù)據(jù)06:10:58山東省濰坊市昌邑市4 067.8908:30:06山東省青島市膠州市908.9106:27:00山東省濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)縣1 86208:30:00山東省聊城市東阿縣2006:30:00河北省保定市15 00008:38:39河北省衡水市41607:00:49山東省聊城市2009:00:00河北省衡水市463.407:04:40山東省東營(yíng)市無(wú)數(shù)據(jù)09:00:00山東省臨沂市平邑縣2 18407:10:00山東省濰坊市昌樂(lè)縣172.509:10:35山東省臨沂市沂水縣9007:12:55山東省濰坊市青州市無(wú)數(shù)據(jù)09:10:54河北省衡水市冀州市66407:15:14山東省東營(yíng)市河口區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)10:00:00河北省邢臺(tái)市南宮市3007:20:46山東省濰坊市高密市1 283.12

圖9 2018年6月13日冰雹分布(相同顏色代表同一小時(shí)內(nèi)發(fā)生冰雹) Fig.9 Distribution of hail on 13 June 2018 (the same color for the hail happened within the same hour)

圖10 2018年6月13日00—08時(shí)FY-4A多通道RGB合成白天對(duì)流風(fēng)暴監(jiān)測(cè)Fig.10 Monitoring products of FY-4A RGB daytime convective storms from 00:00 UTC to 08:00 UTC on 13 June 2018

圖11 2018年6月13日FY-4A閃電頻次監(jiān)測(cè)(a. 00—02時(shí)，b. 06-08時(shí)，c. 00—11時(shí)；紅、藍(lán)框?yàn)殚W電活動(dòng)密集區(qū))Fig.11 Frequency of FY-4A lightning on 13 June 2018 (a. from 00:00 UTC to 02:00 UTC， b. from 06:00 UTC to 08:00 UTC， c. from 00:00 UTC to 11:00 UTC； red and blue frame for area of frequent lightning activities)

圖12 2018年6月13日FY-4A閃電頻次(紅線和藍(lán)線分別對(duì)應(yīng)圖11中紅色框區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域監(jiān)測(cè)到的閃電頻次)Fig.12 Frequency of FY-4A lightning on 13 June 2018 (red line and blue line for frequency of FY-4A lightning in red box area and blue box area in Fig.11, respectively)

4.3 雷暴云團(tuán)中小尺度結(jié)構(gòu)分析

由FY-4A對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品、閃電事件產(chǎn)品和冰雹觀測(cè)可知，07—08時(shí)山東中北部對(duì)流活動(dòng)最為活躍。選取07—08時(shí)冰雹發(fā)生較密集地區(qū)(119.0°E，36.5°N)分別作垂直剖面。利用LAPS輸出數(shù)據(jù)沿119.0°E的云量、緯向風(fēng)和垂直風(fēng)表明，07時(shí)36.5°N位于上升和下沉運(yùn)動(dòng)的交界附近，南側(cè)36.0°N附近為弱下沉運(yùn)動(dòng)，北側(cè)37.0°～39.5°N附近為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，上升氣流到達(dá)的高度在38.0°N附近超過(guò)400 hPa。34.0°～37.0°N區(qū)域的對(duì)流層中層(600～400 hPa)出現(xiàn)上升和下沉運(yùn)動(dòng)交替的垂直環(huán)流，700 hPa以下的低層35°～36°N區(qū)域?yàn)槠蠚饬骱腿跎仙\(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)著自北向南移動(dòng)的云帶南側(cè)初生對(duì)流云，該處的云頂高度(650 hPa左右)較北側(cè)38.0°N(425 hPa左右)處偏低。850 hPa以下的低層37.0°～39.0°N區(qū)域出現(xiàn)氣旋式垂直環(huán)流，在低層強(qiáng)上升區(qū)的北側(cè)出現(xiàn)補(bǔ)償下沉氣流，07時(shí)沿119°E山東省冰雹集中分布于36°～38°N附近(圖13)，位于云帶南側(cè)新生對(duì)流的較弱上升和下沉氣流中以及強(qiáng)烈發(fā)展雷暴云團(tuán)南側(cè)的強(qiáng)上升氣流中。

由于36.5°N位于南側(cè)新生對(duì)流云北側(cè)弱下沉氣流中，沿36.5°N剖面可以看出，西側(cè)117°E附近為偏西風(fēng)和上升運(yùn)動(dòng)，東側(cè)120°E以東700 hPa以上為下沉運(yùn)動(dòng)，云頂較低。07時(shí)沿36.5°N山東省冰雹集中分布于118°～120°E附近(圖13)，該區(qū)域?yàn)槠黠L(fēng)和弱下沉氣流。

5 結(jié)論與討論

本文利用FY-4A氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析了白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品的生成方法、圖像特征及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分析了衛(wèi)星閃電事件產(chǎn)品和地面閃電探測(cè)產(chǎn)品在華北地區(qū)分布異同。另外，以強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程實(shí)例分析了上述兩類(lèi)產(chǎn)品在華北強(qiáng)雷暴天氣中的應(yīng)用。主要結(jié)論如下。

1)FY-4A多通道掃描輻射成像儀RGB合成白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品的參數(shù)選擇為R：WV 6.5 μm～WV 7.2 μm，-30～0 K，gamma=1.0；G：IR 3.8 μm～I(xiàn)R 10.8 μm，-20～65 K，gamma=1.0； B：IR 1.61 μm～VIS 0.64 μm，-80%～20%，gamma=1.0。修訂后的參數(shù)可識(shí)別具有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的對(duì)流云區(qū)，圖中表現(xiàn)為黃色，較單通道衛(wèi)星圖像具有監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。

2)FY-4A閃電探測(cè)儀閃電事件產(chǎn)品和地面閃電探測(cè)儀閃電產(chǎn)品在區(qū)域分布上具有一致性，衛(wèi)星閃電活動(dòng)次數(shù)為地面探測(cè)閃電活動(dòng)次數(shù)的幾至十倍。衛(wèi)星能夠監(jiān)測(cè)對(duì)流生成初期活躍的云內(nèi)閃電，地面閃電探測(cè)儀監(jiān)測(cè)的閃電提前于地面探測(cè)閃電。對(duì)活躍的較弱對(duì)流云團(tuán)或生成和消亡快速更迭的區(qū)域，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到更多的閃電活動(dòng)。而地基閃電探測(cè)的閃電主要出現(xiàn)在對(duì)流發(fā)展到一定階段的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展期。因此，衛(wèi)星閃電探測(cè)儀對(duì)雷暴云團(tuán)初生階段的云內(nèi)閃電有很好的探測(cè)效果，與地基閃電儀探測(cè)既有區(qū)域分布的一致性也有閃電活動(dòng)次數(shù)和閃電發(fā)生時(shí)間的差異性。表現(xiàn)出不同觀測(cè)儀器和觀測(cè)方式對(duì)同一雷暴系統(tǒng)觀測(cè)所揭示的不同特征。

3)2018年6月13日華北和黃淮一次強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程中，多地出現(xiàn)冰雹天氣，F(xiàn)Y-4A白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品的黃色區(qū)域、閃電事件高頻次區(qū)域和冰雹發(fā)生區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。白天強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品圖中黃色為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。區(qū)域閃電活動(dòng)頻次快速增加對(duì)應(yīng)著冰雹活躍時(shí)間。冰雹出現(xiàn)在初生對(duì)流的弱上升和下沉氣流中以及強(qiáng)烈發(fā)展對(duì)流云的上升運(yùn)動(dòng)氣流中。

文中給定的FY-4A白天對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)品RGB合成方法適用于華北及鄰近區(qū)域夏季對(duì)流，受區(qū)域和季節(jié)的影響，對(duì)流發(fā)生時(shí)用來(lái)計(jì)算該產(chǎn)品的6個(gè)通道輻射值也會(huì)有差異，為了獲得更好的識(shí)別效果，需要調(diào)整計(jì)算方法表3中的范圍和gamma系數(shù)。另外，由于FY-4A閃電探測(cè)儀為我國(guó)氣象衛(wèi)星首次搭載的新儀器，其反演的閃電事件產(chǎn)品算法和產(chǎn)品精度還在不斷改進(jìn)，對(duì)該數(shù)據(jù)在強(qiáng)天氣中的應(yīng)用方式方法以及和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)合應(yīng)用還值得深入分析和研究。

圖13 2018年6月13日07(a、b)、08(c、d)時(shí)119°E(a、c)和36.5°N(b、d)LAPS云量(填色)與風(fēng)場(chǎng)流線垂直分布Fig.13 Vertical distribution of LAPS cloud cover (colored) and wind streamline along 119°E (a,c) and 36.5°N (b,d) at 07:00 UTC (a,b) and 08:00 UTC (c,d) on 13 June 2018