鄒耀仁，王 赟，王淑一，張源源，孟繁輝

(1.遼寧省大連市防雷減災(zāi)中心，遼寧 大連 116001；2.山東省青島市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，山東 青島 266000)

引 言

雷電作為一種伴隨在臺風(fēng)、冰雹等強對流天氣系統(tǒng)的大氣現(xiàn)象，是相關(guān)災(zāi)害性天氣的重要指示，對區(qū)域及全球氣候特征有重要影響[1-2]。此外，雷電放電過程具有大電流、強電磁輻射、熱效應(yīng)等特性，加之其隨機、快速致災(zāi)性等特點，對建筑物、電力線路桿塔、電子通信設(shè)備造成直接或間接破壞[3-5]。認清雷電的物理本質(zhì)、掌握雷電的發(fā)生發(fā)展過程和揭示其與其他大氣現(xiàn)象間的耦合制約關(guān)系，具有重大科學(xué)價值。另外研究雷電可更好地認識雷電、更準確地掌握其發(fā)展趨勢、更精細地提出雷電防護方案，以減少雷電引起的各類災(zāi)害破壞效應(yīng)，保障人類生命財產(chǎn)安全。

20世紀80年代開始，NASA在U2飛機上搭載光學(xué)脈沖探測器(OPS)發(fā)現(xiàn)雷電光譜在近紅外777.4 nm(中性氧OI線)和868.3 nm(中性氮NI線)處輻射最強；90%的雷電光輻射能量密度峰值超過4.7 μJ·m-2·s-1[6]。這些研究成果已經(jīng)用于低軌道衛(wèi)星雷電探測，包括光學(xué)瞬變探測器[7-8](optical transient detector, OTD)和閃電成像儀[9](lightning imaging sensor, LIS)。搭載在微實驗室(microlab)太陽同步軌道衛(wèi)星上的OTD具有對不同類型雷電(云閃、地閃)的全天候探測能力，對地閃的探測效率為46%～69%，星下點空間分辨率為10 km，時間分辨率為2 ms，雷電定位精度20～40 km[10]。作為OTD的升級版，搭載在熱帶降水測量任務(wù)(tropical rainfall measuring mission, TRMM)衛(wèi)星上的LIS探測38°S—38°N熱帶區(qū)域的雷電活動，結(jié)合該衛(wèi)星上的其他載荷數(shù)據(jù)資料，如降水雷達(precipitation radar, PR)、TRMM微波成像儀(TRMM microwave imager, TMI)、可見光和近紅外掃描儀(visible and infrared scanner, VIRS)等，LIS在研究雷暴云、降水與雷電間關(guān)系方面具有優(yōu)勢[11]。LIS探測效率比OTD有顯著提高，LIS對正午雷電的探測效率為73%±11%，對夜間雷電的探測效率高達93%±4%，較低的軌道高度使LIS具有更高的空間分辨率(約4 km)，但也使其對同一區(qū)域的連續(xù)觀測時間較少(約80 s)，而OTD能連續(xù)180 s對同一區(qū)域進行觀測。OTD和LIS在極軌軌道上進行雷電探測的方式，使其在研究具體雷暴或雷暴系統(tǒng)時所需時間受到限制。這些限制使得OTD和LIS探測資料一直側(cè)重于全球雷電分布的研究，而不針對具體雷暴中雷電活動的生成演變過程。

2016年11月19日美國在其靜止軌道氣象衛(wèi)星GOES-R上首次攜帶閃電成像儀(geostationary lightning mapper, GLM)，GLM是單波段、近紅外的光學(xué)瞬時事件探測儀，用于探測、定位各類型閃電以及計算總閃電數(shù)[12]，可對西半球可見圓盤范圍內(nèi)進行連續(xù)不間斷觀測，為雷暴災(zāi)害性天氣提供預(yù)報預(yù)警，并建立長時間尺度的雷電數(shù)據(jù)庫。歐洲計劃在其下一代靜止衛(wèi)星(meteosat third generation, MTG)搭載閃電成像儀[13](lightning imager, LI)，電荷耦合器件探測陣列(charge-coupled device, CCD)大小為1372×1300，4個鏡頭將實現(xiàn)整個地球可見圓盤的連續(xù)觀測，空間分辨率在星下點為4 km，雷電探測率為70%。

2016年12月11日，我國新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星FY-4A順利發(fā)射升空，其上攜帶有我國第一次自主研制的星載閃電成像儀(lightning mapping imager, LMI)，使我國成為繼美國之后第一批擁有靜止衛(wèi)星雷電探測技術(shù)的國家，該閃電成像儀實現(xiàn)了中國及周邊范圍的持續(xù)雷電監(jiān)測[14-15]。

但是，由于我國不同地區(qū)的雷暴形態(tài)(大小、云層的厚度、云內(nèi)水成物粒子含量)[16-17]、雷電強度、雷電在云內(nèi)的始發(fā)位置，以及FY-4A LMI在不同地區(qū)的空間分辨率差異等，F(xiàn)Y-4A LMI在中國不同地區(qū)的探測效率存在很大差異。因此，很有必要對中國不同區(qū)域FY-4A LMI的探測效率進行評估，這樣才便于大范圍應(yīng)用FY-4A LMI雷電數(shù)據(jù)。黃渤海地區(qū)港口、海上航運的生產(chǎn)活動頻繁，容易受到強對流天氣的影響和制約，為進一步提升海洋氣象服務(wù)能力，本文選取位于黃渤海地區(qū)的大連和青島兩個地區(qū)，利用地基三維雷電探測網(wǎng)資料，對FY-4A LMI的探測效率進行評估和分析。

1 資料和方法

FY-4A LMI資料來源于中國氣象衛(wèi)星網(wǎng)；雷電資料來源于大連和青島地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)；雷達資料來源于大連單站SA雷達，其高度209 m，探測半徑230 km。

文中附圖所涉及地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)3320的標準地圖制作，底圖無修改。

2019年大連市和青島市氣象局均建立了地基三維雷電探測網(wǎng)，分別由6個測站[圖1(a)]和7個測站[圖1(b)]組成，每個探測網(wǎng)測站兩兩之間距離大多小于100 km，另外，兩地地基三維雷電探測技術(shù)一致，均通過實時采集多站同步磁場波形，利用互相關(guān)技術(shù)進行時差定位。

圖1 大連(a)和青島(b)地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)測站分布(紅色圓點為一次地閃回擊點位置)

地基三維雷電探測網(wǎng)單站系統(tǒng)主要由兩個正交低頻磁天線、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高精度GPS時鐘構(gòu)成。每個測站設(shè)有東西和南北兩路磁場傳感器，磁天線的頻響曲線如圖2所示，所有磁天線的帶寬為1～700 kHz，在低于10 kHz的低頻段，輸出電壓U正比于輸入的磁場變化率dB/dt，而在10～700 kHz頻率范圍內(nèi)，電壓U與磁感應(yīng)強度B成正比。頻響特性反映了磁天線對不同頻率信號處理能力的差異。東西和南北兩路磁場傳感器，使得探測到的磁場脈沖信號更多，實現(xiàn)了對快速變化的雷電脈沖信號的探測，有利于雷電三維定位。系統(tǒng)采用觸發(fā)采集的方式，在兼顧環(huán)境電磁噪音、采集系統(tǒng)性能的前提下，連續(xù)同步采集、記錄、存儲并傳輸真實雷電脈沖信號，其中信號采樣率為1 MHz，信號動態(tài)范圍為±10 V，預(yù)觸發(fā)時間為300 μs。不同測站之間通過授時精度為50 ns的高精度GPS時鐘實現(xiàn)時間同步。

圖2 頻響曲線

2019年8月16日青島7測站同步觀測到的一次典型地閃波形(選取磁場傳感器中較強的一路信號)(圖3)中的每個雙極性脈沖對應(yīng)一次雷電放電過程的一個輻射源，一次雷電放電持續(xù)時間1 s左右，整個放電過程是一步步發(fā)展的，每一步發(fā)展就激發(fā)一個電磁脈沖。在定位前，首先，采用波形互相關(guān)(cross-correlation)技術(shù)實現(xiàn)脈沖輻射源的匹配，并獲取雷電電磁脈沖輻射源到達不同測站的時間差。其次，采用非線性最小二乘擬合算法，實時反演出每個雷電脈沖所對應(yīng)的時空位置(x,y,z,t)，從而最終實現(xiàn)雷電的三維定位。從定位結(jié)果看，這次地閃回擊點的雷電發(fā)生位置如圖1(b)所示。

圖3 2019年8月16日青島地區(qū)7測站同步觀測到的一次典型地閃波形(左為整體波形，右為紅色框波形的局部放大)

2 結(jié)果分析

FY-4A LMI可捕獲到雷電脈沖(包括回擊或M分量)[3]放電過程中激發(fā)的紅外輻射。從現(xiàn)有的觀測和模擬結(jié)果看，云層越薄，云內(nèi)的水成物粒子對雷電脈沖激發(fā)的紅外光子的吸收和散射越弱，從而被FY-4A LMI識別的可能性更高[18]。當閃電脈沖激發(fā)的氧原子紅外輻射光子被FY-4A LMI的CCD捕獲后，形成一個個組(group)，即CCD陣列上相鄰好幾個像素點(event)被照亮(超過了設(shè)定的亮度閾值)。

由于地基三維雷電探測數(shù)據(jù)和FY-4A LMI數(shù)據(jù)時間和空間分辨率不一致，為了對二者進行對比，做了如下定義：在黃渤海地區(qū)12 km范圍內(nèi)， 2 ms時間尺度內(nèi)定出的所有地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖點等效為一個脈沖。由于FY-4A LMI空間分辨率為12 km、時間分辨率為2 ms，地基三維雷電定出的微秒級別的脈沖點數(shù)很多，但其實這些脈沖點都對應(yīng)同一個FY-4A LMI探測的group?；诖耍旅嫣接慒Y-4A LMI在青島和大連地區(qū)的探測效率。

2.1 大連地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)與FY-4A LMI觀測結(jié)果對比

圖4為2019年8月27日04:30—05:00(北京時，下同)大連地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖位置分別與雷達組合反射率和FY-2衛(wèi)星TBB的疊加?？梢钥闯?，絕大多數(shù)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖位于強回波區(qū)，回波強度大約是30 dBZ，進一步分析發(fā)現(xiàn)，強回波區(qū)域的云頂高度通常超過9 km，這意味著該區(qū)域是強對流中心。強對流和足夠的水汽含量，使得云內(nèi)存在足夠的固態(tài)水成物粒子，這是雷暴云內(nèi)出現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移并出現(xiàn)雷電的必要條件。地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖絕大多數(shù)位于TBB<240 K的冷云區(qū)域。詳細對比雷達組合反射率因子和TBB發(fā)現(xiàn)，可能是探測半徑和地物遮擋等原因，從TBB資料看有的區(qū)域有很強的對流云團和閃電，但從雷達回波看，似乎沒有對流云。綜合雷達回波和TBB的佐證結(jié)果來看，大連地區(qū)的地基三維雷電探測網(wǎng)精度基本可行。

圖4 2019年8月27日04:30—05:00大連地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖位置(黑色加號“+”)分別與雷達組合反射率(陰影，單位：dBZ)(a)和FY-2衛(wèi)星TBB(陰影，單位：K)(b)的疊加(菱形為大連地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)測站)

2019年8月26日，大連地區(qū)發(fā)生了一次強對流天氣雷電過程，此次雷電持續(xù)時間比較短，僅半小時左右。FY-4A LMI的探測效率不是很理想，半小時中，僅有兩個時次FY-4A LMI探測有g(shù)roup數(shù)據(jù)，具體如圖5所示。可以看出，地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖位置和FY-4A LMI探測的group的位置存在明顯的差異，可能是二者探測到的是不同的閃電。另外，通過對比大連地區(qū)其他3次典型個例地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖數(shù)量和FY-4A LMI探測的group數(shù)量(表1)，發(fā)現(xiàn)后者與前者之比為1/5左右。

圖5 2019年8月26日大連地區(qū)一次強對流天氣過程18:34:17—18:38:33(a、b)、18:53:34—18:57:50(c、d)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖位置(黑色加號“+”)(a、c)和 FY-4A LMI探測的group位置(紅色星號“★”)(b、d)分別與FY-4 CTT (cloud top temperature)(陰影，單位：K)的疊加(菱形為大連地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)測站)

表1 大連地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖數(shù)量(Np)和FY-4A LMI探測的group數(shù)量(Ng)對比

2.2 青島地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)與FY-4A LMI觀測結(jié)果對比

2019年8月2日，青島地區(qū)發(fā)生了一次非常強烈的雷電過程，此次雷電過程持續(xù)時間太長，無法對比每個時刻地基三維雷電探測網(wǎng)與FY-4A LMI觀測結(jié)果，圖6僅給出了其中3個時次的對比結(jié)果?？梢钥闯?，地基三維雷電探測網(wǎng)和FY-4A LMI探測到的雷電活動的空間位置比較一致，基本都處于強對流核心區(qū)域。表2列出青島地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖數(shù)量和FY-4A LMI探測的group數(shù)量。可以看出，兩者探測的數(shù)量差距比較大，整體來看，F(xiàn)Y-4A LMI探測的group數(shù)量是地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖數(shù)量的1/3左右。

表2 青島地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖數(shù)量(Np)和FY-4A LMI探測的group數(shù)量(Ng)對比

圖6 2019年8月2日青島地區(qū)一次強對流天氣過程05:30:00—05:34:16(a、b)、05:38:34—05:42:50(c、d)、05:49:17—05:53:33(e、f)的地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖位置(黑色加號“+”)(a、c、e)和 FY-4A LMI探測的group位置(紅色星號“★”)(b、d、f)分別與FY-4 CTT(陰影，單位：K)的疊加(菱形為青島地區(qū)地基三維雷電探測網(wǎng)測站)

綜上所述， FY-4A LMI在青島地區(qū)的探測效率要高于大連地區(qū)。

3 結(jié)論與討論

選取位于黃渤海地區(qū)的大連和青島兩個地區(qū)進行FY-4A LMI探測效率評估，從評估結(jié)果看，F(xiàn)Y-4A LMI在黃渤海地區(qū)的探測效率比較低下。如青島地區(qū)，針對2019年的5次強對流過程，F(xiàn)Y-4A LMI探測的group數(shù)量與地基三維雷電探測網(wǎng)脈沖數(shù)量比平均值僅為0.34；大連地區(qū)，針對2019年的4次強對流天氣過程，F(xiàn)Y-4A LMI與地基三維雷電探測網(wǎng)探測的雷電脈沖數(shù)量比平均值為0.2。

FY-4A LMI可以實時監(jiān)測全國范圍的雷電活動情況，但由于中國不同地區(qū)的雷暴形態(tài)不同，同時由于雷電強度、雷電在云內(nèi)的始發(fā)位置不同，以及FY-4A LMI在不同地區(qū)的空間分辨率不同(在星下點的分辨率為7.8 km，在探測區(qū)域邊緣位置的空間分辨率超過20 km)等方面的原因，其在中國不同地區(qū)的探測效率存在很大區(qū)別。因此，很有必要對中國不同區(qū)域的FY-4A LMI的探測效率進行評估，這樣便于大范圍應(yīng)用FY-4A LMI雷電探測數(shù)據(jù)。