張萍萍 劉文婷 章翠紅 明紹慧 董良鵬

1 山東省威海市氣象局，威海 264200 2 武漢中心氣象臺，武漢 430074

提 要： FY-4閃電成像儀(lightning mapping imager，LMI)能夠?qū)﹂W電活動進行連續(xù)不間斷的觀測，在強天氣監(jiān)測預(yù)警中具有很大的應(yīng)用潛力。以2019年5月25日強降水過程為研究個例，利用FY-4 LMI資料、ADTD(advanced time of arrival and direction)系統(tǒng)資料、FY-4紅外云圖資料、雷達資料和其他常規(guī)觀測資料，研究FY-4 LMI數(shù)據(jù)在不同性質(zhì)、不同演變階段對流系統(tǒng)的觀測特征。結(jié)果表明：在對流迅速發(fā)展的初期，LMI閃電觀測出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測的特征，并且鋒面降水階段中這種超前特征持續(xù)時間更長一些；無論是暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，當(dāng)同時刻LMI閃電觀測位于當(dāng)前對流云團移動的前方時，未來1小時內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)明顯的云頂溫度變率，積云有發(fā)展趨勢；當(dāng)雷達反射率垂直剖面上最強回波出現(xiàn)向移動方向前傾結(jié)構(gòu)時，LMI閃電觀測往往出現(xiàn)在雷達觀測對流系統(tǒng)移動方向的前方，此時LMI閃電觀測對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變有較好的提前指示意義；而當(dāng)雷達反射率垂直剖面上最強回波出現(xiàn)準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)時，LMI閃電觀測往往與雷達觀測對流系統(tǒng)較重合，此時LMI閃電觀測對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變的提前指示意義偏弱。

引 言

20世紀(jì)90年代以來，隨著電子、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對于云頂閃電光學(xué)輻射的時空特征和光譜特征有了更新的認識，星載閃電觀測技術(shù)有了很大發(fā)展和進步。根據(jù)衛(wèi)星所處軌道高度不同，衛(wèi)星閃電觀測分為低軌道衛(wèi)星(極軌衛(wèi)星)平臺閃電觀測和高軌道衛(wèi)星(靜止衛(wèi)星)平臺閃電觀測。前者以裝載于熱帶降水測量計劃任務(wù)衛(wèi)星(TRMM)上的閃電成像儀(lightning imaging sensor，LIS)為代表，其觀測資料被廣泛應(yīng)用。Boccippio et al(2002)利用LIS分析了全球閃電活動及其地域差異。Ma et al(2004)分別對中國及周邊閃電密度的氣候分布進行了研究，郄秀書和Toumi(2003)利用LIS資料分析了青藏高原雷電活動特征。戴建華等(2005)利用LIS資料分析了長江三角洲地區(qū)的閃電時空分布特征。袁鐵和郄秀書(2010)利用LIS資料對一次發(fā)生在中國華南的強颮線研究發(fā)現(xiàn)，颮線系統(tǒng)附近閃電活動較一般雷暴要活躍得多。

由于LIS觀測精度受軌道周期的限制，只能提供區(qū)域內(nèi)平均意義上的閃電分布信息,而靜止衛(wèi)星閃電成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)對閃電的連續(xù)監(jiān)測，是衛(wèi)星閃電觀測的新方向。2016年底我國自主研制并發(fā)射了新一代靜止衛(wèi)星FY-4，其上搭載的閃電成像儀(lightning mapping imager，LMI)在儀器研究和產(chǎn)品生成算法等方面都處于國際前沿，具有廣闊的應(yīng)用前景(梁華等，2017)。FY-4衛(wèi)星是我國第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星，第一顆星被命名為FY-4A，為科研試驗衛(wèi)星，于2016年12月11日成功發(fā)射。FY-4A采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制的大型遙感平臺，裝載多種有效載荷，包括多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直觀測儀、LMI及空間環(huán)境監(jiān)測儀器(張鵬等，2016)。其中LMI數(shù)據(jù)利用閃電光輻射在777.4 mm中性氧原子近紅外吸收譜線最強這一特征，實現(xiàn)對閃電的分鐘級、長時間連續(xù)光學(xué)觀測(曹冬杰，2016)，能夠?qū)﹂W電、強對流等進行實時動態(tài)監(jiān)測，同時由于LMI是在云頂觀測閃電，觀測包括云閃、云間閃和地閃在內(nèi)的總閃電(徐國強等，2020)，且對云閃更加敏感，而云閃信息也更具有強對流發(fā)展的預(yù)警意義。因此FY-4星載LMI產(chǎn)品對于研究強對流天氣過程，實現(xiàn)雷暴預(yù)警和預(yù)報、對流初生判斷、強風(fēng)暴活動的提前預(yù)警等有重要的應(yīng)用價值。支樹林等(2019)對2018年第22號臺風(fēng)颮線過程的FY-4A閃電資料進行了分析，發(fā)現(xiàn)伴隨的雷暴大風(fēng)大都發(fā)生在衛(wèi)星閃電密集區(qū)的前沿；張曉蕓等(2019)將FY-4閃電資料與地基閃電進行數(shù)據(jù)融合，并研究了融合產(chǎn)品在廈門一次強降水預(yù)警中的作用。任素玲等(2020)研究認為FY-4A LMI產(chǎn)品較地面閃電觀測產(chǎn)品能夠觀測到更多的閃電。王清平等(2019)發(fā)現(xiàn)FY-4衛(wèi)星的閃電定位監(jiān)測數(shù)據(jù)能更好地識別強對流云團分布范圍。由于LMI產(chǎn)品投入業(yè)務(wù)應(yīng)用時間非常短，相關(guān)產(chǎn)品對于雷暴的生消演變、強天氣的預(yù)警時間提前量等關(guān)系仍不明確，因此LMI產(chǎn)品在對流性天氣監(jiān)測和預(yù)警中的應(yīng)用還有待進一步開展。

如何更好地利用FY-4 LMI產(chǎn)品，使其在對流性天氣監(jiān)測和預(yù)警中發(fā)揮更好的作用是目前急需解決的一個難題。本文利用FY-4 LMI產(chǎn)品，結(jié)合ADTD(advanced time of arrival and direction)資料、FY-4紅外云圖資料、雷達資料以及其他常規(guī)觀測資料，對2019年5月25日出現(xiàn)在湖北的一次強降水事件進行分析，來揭示FY-4 LMI產(chǎn)品在對流系統(tǒng)演變以及短時強降水監(jiān)測和預(yù)警中的作用，為強天氣監(jiān)測和預(yù)報提供更為有用的參考依據(jù)。

1 過程實況

2019年5月25日08時至26日08時，湖北省中東部出現(xiàn)區(qū)域性暴雨到大暴雨天氣。全省19個國家站、439個區(qū)域站出現(xiàn)大暴雨(圖1a)，最強降水中心位于江漢平原地區(qū)，最大累計降水量為276 mm(潛江縣漁洋站)。主要強對流類型以短時強降水為主，主要短時強降水時段包括：第一個強降水時段是5月25日08—17時，受到槽前西南急流中南風(fēng)脈動以及邊界層輻合線的共同影響，江漢平原一帶有近似圓形對流云團生成并逐漸東移，導(dǎo)致江漢平原南部至鄂東南南部一帶出現(xiàn)短時強降水(圖1b)，降水性質(zhì)以暖區(qū)對流性降水為主，最大小時雨強為60 mm·h-1(潛江縣漁洋站)；第二個強降水時段是5月25日18—23時，受到低渦切變線以及冷空氣的共同影響，江漢平原南部再度有東北—西南向?qū)α髟葡瞪刹⒕徛龞|移，導(dǎo)致江漢平原南部至鄂東一帶出現(xiàn)大范圍短時強降水(圖1c)，降水性質(zhì)以鋒面降水為主，最大小時雨強達到81.2 mm·h-1(潛江縣漁洋站)。

由圖1可看出，不同降水性質(zhì)、不同對流形態(tài)的對流云團均在江漢平原及其以東地區(qū)產(chǎn)生了顯著的短時強降水，從短時強降水與FY-4紅外云圖亮溫的演變圖可看出(圖略)，短時強降水區(qū)域主要位于強對流云團的中心區(qū)域或者梯度大值區(qū)(萬夫敬和刁秀廣，2018)。顯然，F(xiàn)Y-4紅外云圖資料對短時強降水監(jiān)測及預(yù)警具有一定的指示性。但是由于紅外通道對云沒有穿透性，只能獲取云頂信息，很難將強對流云團從卷云特別是密實的厚卷云中完全分離出來，因此FY-4紅外云圖資料在短時強降水監(jiān)測預(yù)警上具有一定的局限性。而搭載在FY-4衛(wèi)星上的LMI能夠?qū)妼α魈鞖庀到y(tǒng)實現(xiàn)更強時間分辨率(逐10 min)實時連續(xù)監(jiān)測，逐漸成為強對流云團監(jiān)測的另外一種有效手段，而LMI產(chǎn)品對于不同降水性質(zhì)、不同對流形態(tài)下的對流云團監(jiān)測及預(yù)警作用是否具有不同的特征，也是本文研究的重點。

圖1 2019年5月(a)25日08時至26日08時加密雨量，(b)25日08時FY-4紅外云頂亮溫(填色) 與08—17時短時強降水落區(qū)，(c)25日18時FY-4紅外云頂亮溫(填色)與19—23時短時強降水落區(qū) (黑色三角：雨強為20～50 mm·h-1，藍色三角：雨強為50～80 mm·h-1，黃色三角：雨強>80 mm·h-1)Fig.1 (a) The observed accumulated precipitation from 08：00 BT 25 to 08：00 BT 26, (b) FY-4 infrared cloud top brightness temperature (colored) at 08:00 BT 25 and the short-term severe precipitation area in 08:00-17:00 BT 25, (c) FY-4 infrared cloud top brightness temperature (colored) at 18:00 BT 25 and the short-term severe precipitation area in 19:00-23:00 BT 25 May 2019 (black triangle: rainfall intensity in 20-50 mm·h-1, blue triangle: rainfall intensity in 50-80 mm·h-1, yellow triangle: rainfall intensity greater than 80 mm·h-1)

2 FY-4 LMI產(chǎn)品簡介

中國新一代靜止衛(wèi)星FY-4 LMI是我國第一次自主研制的星載閃電成像儀，主要包括用于觀測閃電光輻射的電荷耦合器件觀測陣列(CCD)面陣，以及用于星上數(shù)據(jù)預(yù)處理和背景信號濾除的星上實時事件處理器(RTEP)(惠雯等，2016) 。其中LMI的核心傳感器是CCD面陣，面陣大小為400×600，探測中心波長為777.4 nm，星下點空間分辨率為7.8 km，帶寬為±1 nm。1分鐘能夠連續(xù)觀測30 000幀圖像，單幀圖像積分時間約為1.875 ms，遠大于一次閃電放電過程約400 μs的持續(xù)時間。RTEP接收CCD面陣并行輸出的原始觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)信號接收與限輻、多幀平均背景估值、背景信號去除等處理，實現(xiàn)對閃電信號的捕捉。RTEP系統(tǒng)輸出的原始觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，輸出包含閃電“事件”“組”和“閃電”的發(fā)生時間、位置等信息。當(dāng)LMI CCD面陣單個像元觀測到的閃電光輻射的輻散度高于背景閾值時，定義為一次閃電“事件”；對應(yīng)CCD面陣該像元中心位置即為這次閃電“事件”位置。同一幀CCD圖像上的多個相鄰微小像元觀測到的閃電“事件”組成一個“組”；對應(yīng)于地閃的一次回擊或云閃的一次K變化，滿足一定閾值條件的多個“組”定義為一次真實的“閃電”過程。由于“閃電”具有時間和空間上的延展性，可以看做傳統(tǒng)意義上的一次閃電，基于此將“閃電”作為LMI產(chǎn)品的主要參量。

3 FY-4A LMI觀測特征分析

3.1 LMI閃電觀測適用性分析

閃電觀測技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史，主要觀測方式分為地基閃電觀測和衛(wèi)星閃電觀測兩種。其中地基閃電監(jiān)測是通過ADTD閃電定位系統(tǒng)連續(xù)、實時地記錄和分析波形特征點的到達時間和位置(惠雯等，2016)，而衛(wèi)星閃電觀測則通過觀測雷暴云中閃電發(fā)出的強烈光脈沖，利用閃電信號與背景信號在時間空間和光譜特性方面的差異，通過CCD面陣觀測器，利用光譜濾波、空間濾波等技術(shù)獲取閃電信號。二者在觀測原理上有明顯的差異，因此在FY-4 LMI產(chǎn)品應(yīng)用分析之前，需要通過對比分析LMI和ADTD數(shù)據(jù)在不同降水階段的異同點，從而對LMI產(chǎn)品在此次過程中的觀測能力進行有效的評估。由于星地閃電觀測技術(shù)在原理、特性、方法、數(shù)據(jù)格式、度量單位、觀測范圍等方面都不相同，因此在開展對比研究前，要進行科學(xué)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過一定的轉(zhuǎn)換方法，將不同來源的數(shù)據(jù)進行時空范圍的有效匹配。根據(jù)本文的研究需求，確立評判星地觀測數(shù)據(jù)一致性時間窗口≤1.0 s，空間窗口緯度≤0.5°，經(jīng)度≤0.5°。為對LMI產(chǎn)品與ADTD產(chǎn)品進行一定時間段內(nèi)總體形態(tài)上的對比，因此選取10 min內(nèi)閃電累積分布圖進行對比分析。

圖2分別給出了5月25日08、11、14、18、20、23時LMI前10 min閃電數(shù)據(jù)(黑點)和ADTD閃電數(shù)據(jù)(紅點)的分布。從閃電分布的總體趨勢來看，無論是暖區(qū)降水階段還是鋒面降水階段，LMI閃電觀測的分布區(qū)域與ADTD閃電觀測的分布區(qū)域大體是一致的，因此這次過程中LMI閃電資料具有一定的適用性。由于觀測機理的不同，LMI閃電觀測與ADTD閃電觀測具有一些不同點：首先，從LMI閃電觀測與ADTD閃電觀測的總體數(shù)量來看，由于LMI閃電能夠?qū)崿F(xiàn)總閃(“云閃”和“地閃”)觀測，因此此次過程中，LMI閃電觀測比ADTD閃電觀測到的閃電數(shù)據(jù)更多。此外，從相對位置來看，LMI閃電觀測和ADTD閃電觀測也具有一定的差異性。25日08時，暖區(qū)對流在江漢平原一帶發(fā)展，該地區(qū)對應(yīng)出現(xiàn)了明顯的閃電(圖2a)。其中LMI閃電觀測區(qū)域(黑色方框)較ADTD閃電觀測區(qū)域(紅色方框)位置更偏東。由于對流系統(tǒng)的移動方向是自西向東，因此25日08時，LMI閃電觀測區(qū)域略超前于ADTD閃電觀測。此后，隨著對流系統(tǒng)的東移，LMI閃電觀測的這種超前表現(xiàn)趨于減弱(圖2b，2c)。18時前后，受到鋒面系統(tǒng)的影響，東北—西南向的鋒面對流系統(tǒng)在江漢平原再度發(fā)展，對應(yīng)上述地方再度出現(xiàn)明顯的閃電(圖2d)。從江漢平原LMI閃電觀測和ADTD閃電觀測的相對位置看，25日18時，LMI閃電觀測再次出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測的特征，這種超前特征一致持續(xù)到20時前后(圖2e)，20時之后，隨著對流系統(tǒng)的東移減弱，LMI閃電觀測的這種超前表現(xiàn)再次趨于減弱。

圖2 2019年5月25日(a)07:50—08:00,(b)10:50—11:00,(c)13:50—14:00, (d)17:50—18:00,(e)19:50—20:00,(f)22:50—23:00的LMI和ADTD閃電觀測 (黑色圓點和方框：LMI閃電觀測，紅色圓點和方框：ADTD閃電觀測)Fig.2 LMI and ADTD lightning observations of (a) 07:50-08:00 BT, (b) 10:50-11:00 BT, (c) 13:50-14:00 BT, (d) 17:50-18:00 BT, (e) 19:50-20:00 BT, (f) 22:50-23:00 BT 25 May 2019 (black dot and box: LMI lightning, red dot and box: ADTD lightning)

由上述分析可看出，在對流迅速發(fā)展的初期，LMI閃電觀測出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測的特征，并且鋒面降水階段中這種超前特征持續(xù)時間更長一些。之所以出現(xiàn)這樣的觀測差異，這是由于LMI閃電觀測主要是云頂觀測，觀測包括云閃、地閃在內(nèi)的總閃，而且對云閃更加敏感，而ADTD閃電觀測主要以地閃為主。在雷暴系統(tǒng)中，云閃的數(shù)量多大于地閃，云內(nèi)的第一個閃電幾乎總是云閃，有些雷暴云中的閃電可能全部為云閃，云中放電比云地放電平均時間具有一定的超前性(副島毅和奧山和彥，1998)，因此導(dǎo)致LMI閃電觀測會出現(xiàn)超前于ADTD觀測的特性，而這種超前性對于對流活動的監(jiān)測具有重要的預(yù)警意義。為進一步研究此次過程中LMI數(shù)據(jù)與對流系統(tǒng)發(fā)展演變之間的關(guān)系，下文將對LMI數(shù)據(jù)與紅外云頂溫度變率、雷達反射率等數(shù)據(jù)進行對比分析。

3.2 LMI閃電觀測在積云發(fā)展演變中的作用分析

Roberts and Rutledge(2003)指出紅外云圖上出現(xiàn)低于0℃且范圍較大的云頂溫度變率是積云快速發(fā)展的信號之一。本文將首先選取紅外云頂溫度變率代表積云發(fā)展信號，驗證LMI閃電觀測在積云對流發(fā)展中所起到的作用。本文所使用的紅外云圖資料來自于FY-4A多通道掃描成像輻射計紅外通道(波長約為10.8 μm)。因此在本文中，用當(dāng)前紅外云頂亮溫、未來1小時內(nèi)紅外云頂溫度變率(后一時刻云頂亮溫與初時刻云頂亮溫之差)表示對流云團發(fā)展演變的指標(biāo)。

25日08時前后，在較好的不穩(wěn)定和水汽條件下，受到南風(fēng)氣流中動力輻合作用的影響，江漢平原一帶有團狀對流云團生成并東移。08—09時是江漢平原一帶云團發(fā)展的最強盛時刻。從08時FY-4紅外云頂亮溫可看出(圖3a)，江漢平原附近形成一個中尺度對流云團，紅外亮溫最低值達到205 K。

圖3 2019年5月25日(a)08時,(c)09時,(e)10時，(g)18時,(i)19時,(k)20時FY-4紅外云頂亮溫(填色) 和LMI閃電分布；(b)08—09時,(d)09—10時,(f)10—11時，(h)18—19時,(j)19—20時,(l)20—21時 FY-4紅外1小時云頂溫度變率(填色)和初時刻LMI閃電分布 (黑色圓點：LMI閃電，紅色虛線框：積云發(fā)展標(biāo)識) Fig.3 FY-4 infrared cloud top brightness temperature (colored) and LMI lighting at (a) 08:00 BT, (c) 09:00 BT, (e) 10:00 BT, (g) 18:00 BT, (i) 19:00 BT and (k) 20:00 BT 25 May 2019； FY-4 hourly cooling rate of infrared cloud top temperature (colored) and initial LMI lighting at (b) 08:00-09:00 BT, (d) 09:00-10:00 BT, (f) 10:00-11:00 BT, (h) 18:00-19:00 BT, (j) 19:00-20:00 BT and (l) 20:00-21:00 BT 25 May 2019 (black dot: LMI lighting, red dotted box: cumulus development logo)

續(xù)圖continued

從08時LMI閃電分布來看，一部分位于云團中心部分，還有一部分位于云團的移動前方(右側(cè))。從08—09時紅外云頂溫度變率(圖3b)看，云團右側(cè)前方LMI閃電分布的區(qū)域出現(xiàn)了低于0℃的云頂溫度變率，表明出現(xiàn)在云團右側(cè)前端的LMI閃電觀測對于未來1小時內(nèi)對流發(fā)展起到一定的指示作用，而出現(xiàn)在云團中心區(qū)域的LMI閃電分布區(qū)域并沒有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率，因此這部分LMI閃電觀測對于對流發(fā)展演變并沒有明顯的指示意義。09—10時(圖3c，3e)以及11—17時(圖略)，LMI閃電主要分布在紅外云團的中心區(qū)域，對于未來1小時的云頂溫度變率來看(圖3d，3f)，LMI閃電分布區(qū)域并沒有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率，因此這個時段的LMI閃電觀測對于對流發(fā)展演變并沒有明顯的指示意義。

25日18時前后，受到低渦東移以及地面冷鋒的影響，江漢平原一帶有對流云團生成，并逐漸發(fā)展為東北—西南走向的對流云系并緩慢東移。18—20時是該對流云系發(fā)展的最強盛時刻。從18時FY-4紅外云頂亮溫圖和LMI閃電分布看(圖3g)，LMI閃電主要分布在紅外云團的右側(cè)(紅色虛線框)。從18—19時紅外云頂溫度變率(圖3h)看，18時云團右側(cè)前方LMI閃電分布的區(qū)域出現(xiàn)了明顯低于0℃的云頂溫度變率，最大降溫率達到了-30℃，表明LMI閃電觀測區(qū)域未來1小時內(nèi)出現(xiàn)了明顯的對流發(fā)展，進一步表明出現(xiàn)在云團右側(cè)的LMI閃電觀測對于未來1小時內(nèi)對流發(fā)展起到一定的指示作用。19—20時(圖3i，3k)，隨著系統(tǒng)緩慢東移，原對流系統(tǒng)的尾部開始出現(xiàn)新的對流，此時LMI閃電分成兩部分，一部分與對流云團大致重合，另外一部分則位于對流云系的右側(cè)(紅色虛線框)從未來1小時的云頂溫度變率來看(圖3j，3l)，位于對流云團右側(cè)的LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)明顯的云頂降溫，而與云團大致重合的LMI閃電分布區(qū)域并沒有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率。20—23時(圖略)，LMI閃電主要分布在對流云團的中心區(qū)域，未來1小時內(nèi)沒有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率。

從以上分析可看出，此次過程中，無論暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，當(dāng)同時刻LMI閃電觀測位于當(dāng)前對流云團移動的前方時，未來1小時內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)了明顯的云頂溫度變率，表明LMI閃電觀測對于未來1小時內(nèi)對流發(fā)展起到一定的指示作用；而當(dāng)LMI閃電觀測與出現(xiàn)在對流云團的中部時，未來1小時內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域并沒有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率，此時LMI閃電觀測對于未來1小時內(nèi)對流發(fā)展并沒有明顯的指示作用。為分析出現(xiàn)這種差異的原因，將分別選取暖區(qū)降水階段的08—09時和鋒面降水階段18—19時這兩個時段，采用時間分辨率更高的雷達資料(逐6 min)和LMI資料(逐10 min)進行對比分析。

3.3 LMI閃電觀測在對流系統(tǒng)演變中的作用分析

多普勒雷達觀測是目前監(jiān)測對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的有效手段之一(龍柯吉等，2020)。為進一步判斷LMI閃電觀測在對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展中所起到的作用，將選取時間分辨率更精細的雷達觀測資料與LMI閃電觀測資料進行對比分析。本文選取的雷達觀測資料時間分辨率為6 min，而使用的LMI閃電資料的時間分辨率為10 min，因此以LMI閃電觀測資料的時間分辨率為基準(zhǔn)，將雷達觀測資料的時間分辨率采用最鄰近差值法進行差值，使其與LMI閃電觀測資料的時間分辨率一致。為驗證LMI閃電資料對于雷達反射率演變是否有提前指示性，分別選取暖區(qū)降水階段和鋒面降水階段典型時刻的LMI閃電與雷達反射率的演變情況依次進行疊加顯示。

暖區(qū)降水階段：從5月25日08:05的LMI資料和雷達反射率資料疊加圖可以看出(圖4a)，LMI與對流系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系分成兩種，A區(qū)內(nèi)(黑色方框)有一明顯的對流系統(tǒng)發(fā)展，LMI閃電主要分布在對流系統(tǒng)的內(nèi)部，而B區(qū)內(nèi)(藍色方框)有兩個尺度較小的對流單體，LMI閃電主要分布在對流單體移動的前方；08:15(圖4b)，A區(qū)閃電活動不明顯，B區(qū)內(nèi)北部對流系統(tǒng)附近繼續(xù)出現(xiàn)閃電活動。與08:05對流系統(tǒng)相比，A區(qū)內(nèi)的對流系統(tǒng)變化不大，但是B區(qū)內(nèi)對流單體向著08:05閃電出現(xiàn)的區(qū)域移動，并且強度加強；08:25—08:35(圖4c,4d)，A區(qū)內(nèi)閃電活動不明顯，B區(qū)內(nèi)在對流系統(tǒng)移動方向的前方(東北方)繼續(xù)出現(xiàn)閃電活動。與08:15對流系統(tǒng)相比，A區(qū)內(nèi)對流系統(tǒng)變化不大，B區(qū)內(nèi)對流系統(tǒng)向著東北方向繼續(xù)移動，強度進一步加強。08:45(圖4e)，A區(qū)內(nèi)沒有閃電活動，B區(qū)內(nèi)閃電活動與對流系統(tǒng)同步出現(xiàn)。與08:35對流系統(tǒng)相比，A區(qū)內(nèi)對流系統(tǒng)變化不大，B區(qū)內(nèi)對流系統(tǒng)開始變得松散，強度略有減弱。08:55(圖4f)，A、B區(qū)內(nèi)閃電活動都不明顯，B區(qū)內(nèi)對流系統(tǒng)繼續(xù)變得松散，強度進一步減弱。

圖4 2019年5月25日(a)08:05,(b)08:15,(c)08:25，(d)08:35,(e)08:45,(f)08:55 LMI的閃電和雷達反射率; 25日08:05與圖4a中(g)黑色方框和(h)藍色方框剖線對應(yīng)的雷達反射率垂直剖面 (填色：雷達反射率，黑色圓點：LMI閃電，黑色實線：反射率剖線，黑色方框：A區(qū)，藍色方框：B區(qū); 圖4g，4h中的藍色實線：最強反射率因子垂直剖面特征線)Fig.4 LMI lighting and radar reflectivity at 6 min intervals at (a) 08:05 BT, (b) 08:15 BT, (c) 08:25 BT, (d) 08:35 BT,(e) 08:45 BT and (f) 08:55 BT 25 May 2019； radar reflectivity vertical profiles at 6 min intervals corresponding to the section lines in the black box (g)， and in the blue box (h) inFig.4a at 08:05 BT 25 May 2019 (colored: radar reflectivity, black dot: LMI lighting, black solid line: reflectance profile, black box： Zone A, blue box: Zone B; blue solid line in Figs.4g, 4h: vertical profile characteristic line of the strongest reflectivity factor)

從以上分析可看出，B區(qū)中LMI閃電活動出現(xiàn)的次數(shù)較多，主要出現(xiàn)在對流系統(tǒng)移動的前方，能夠?qū)α飨到y(tǒng)的發(fā)展演變起到一定的提前指示意義；而A區(qū)中LMI閃電活動出現(xiàn)的次數(shù)較少，主要出現(xiàn)在對流系統(tǒng)的內(nèi)部，對對流系統(tǒng)的發(fā)展演變的指示意義偏弱。為什么會出現(xiàn)這樣的差別呢？分別針對A區(qū)中的對流系統(tǒng)和B區(qū)中的北部對流系統(tǒng)沿著移動方向進行剖面(圖4g，4h)，發(fā)現(xiàn)A區(qū)北部對流系統(tǒng)的雷達回波垂直方向上呈現(xiàn)準(zhǔn)垂直型，云底反射率達到了50 dBz以上，云團發(fā)展旺盛，由于云體呈現(xiàn)準(zhǔn)垂直型，因此衛(wèi)星觀測的LMI閃電與對流系統(tǒng)的發(fā)展幾乎是同步的，LMI閃電對于對流系統(tǒng)演變的提前指示意義偏弱；而B區(qū)對流系統(tǒng)的雷達回波垂直方向上呈現(xiàn)出沿著移動方向向前傾斜的特征，衛(wèi)星觀測LMI閃電首先觀測到云中閃電，多普勒雷達稍后觀測到反射率特征，因此此時LMI閃電對于對流系統(tǒng)演變具有一定的提前指示意義。

鋒面降水階段：18—20時是鋒面降水對流系統(tǒng)發(fā)展階段，其中19時是對流系統(tǒng)最強烈發(fā)展階段。從5月25日19：05的LMI資料和同時刻雷達反射率資料疊加圖可看出(圖5a)，江漢平原南部有明顯的線狀對流系統(tǒng)形成。LMI閃電分布區(qū)域(藍色方框內(nèi))位于對流系統(tǒng)的移動方向的前方；19:15，江漢平原線狀對流系統(tǒng)緩慢向東移動，此時閃電繼續(xù)出現(xiàn)在對流系統(tǒng)移動的前方；19:25，江漢平原線狀對流系統(tǒng)繼續(xù)緩慢東移，其北部形態(tài)開始變得有組織化，回波強度增強，此時閃電主體仍然出現(xiàn)在對流系統(tǒng)移動的前方；19:35—19:45，江漢平原線狀對流系統(tǒng)呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止型，強度維持，此時閃電主體仍然出現(xiàn)在對流系統(tǒng)移動的前方；19:55，閃電主體分布區(qū)域與對流系統(tǒng)相重合，20時之后(圖略)，對流系統(tǒng)在東移過程中逐漸減弱。

從以上分析可看出，19:05—19:45這段時間內(nèi)，LMI閃電主要分布在對流系統(tǒng)移動的前方，此時對流系統(tǒng)處在強烈發(fā)展加強階段；19:55以后，LMI閃電分布區(qū)域與對流系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)域較重合，此后，對流系統(tǒng)開始出現(xiàn)減弱趨勢?？梢娫阡h面降水過程中對流系統(tǒng)發(fā)展的不同階段，LMI觀測與雷達觀測區(qū)域的相對位置有所不同，LMI閃電分布對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變的關(guān)系也有所不同，為研究其原因，分別選取對流發(fā)展階段(19:05)和對流趨于減弱階段(19:55)的線狀對流系統(tǒng)，沿著其移動方向做雷達反射率垂直剖面，發(fā)現(xiàn)19:05(圖5g)，在對流系統(tǒng)的強烈發(fā)展階段，雷達反射率繪制剖面上回波整體出現(xiàn)向移動方向前傾的結(jié)構(gòu)，有利于高空衛(wèi)星首先觀測到云閃的發(fā)生，因此可能導(dǎo)致出現(xiàn)LMI閃電分布位于同時刻對流系統(tǒng)移動方向的前方，并且對對流系統(tǒng)的發(fā)展演變有指示意義；而在對流趨于減弱的階段(圖5h)，雷達反射率垂直剖面上最強反射率因子垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)準(zhǔn)垂直型，此時高空衛(wèi)星首先觀測到云閃發(fā)生的時間幾乎與地面同步，因此可能導(dǎo)致LMI閃電分布與同時刻對流系統(tǒng)位置較為一致，此時LMI分布對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變的提前指示意義偏弱。

4 結(jié) 論

本文研究了2019年5月25日強降水過程中，F(xiàn)Y-4 LMI數(shù)據(jù)在不同降水性質(zhì)、不同演變階段對流系統(tǒng)的觀測特征，得出如下結(jié)論：

(1) 從閃電分布的總體趨勢來看，無論是暖區(qū)降水階段還是鋒面降水階段，LMI閃電觀測的分布區(qū)域與ADTD閃電觀測的分布區(qū)域大體是一致的，因而在這次過程中LMI閃電資料具有一定的適用性。此外，在對流迅速發(fā)展的初期，LMI閃電觀測出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測的特征，并且鋒面降水階段中這種超前特征持續(xù)時間更長一些。

(2) 無論是暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，當(dāng)同時刻LMI閃電觀測位于當(dāng)前對流云團移動的前方時，未來1小時內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)了明顯的云頂溫度變率，積云有發(fā)展趨勢；而當(dāng)LMI閃電觀測與出現(xiàn)在對流云團的中部時，未來1小時內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域并沒有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率。

(3) 無論是暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，LMI觀測與對流系統(tǒng)的相對位置有所不同，LMI閃電分布對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變的關(guān)系也有所不同。當(dāng)雷達反射率垂直剖面上最強回波出現(xiàn)向移動方向前傾結(jié)構(gòu)時，LMI閃電觀測往往出現(xiàn)在雷達觀測對流系統(tǒng)移動方向的前方，此時LMI閃電觀測對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變有較好的提前指示意義；而當(dāng)雷達反射率垂直剖面上最強回波出現(xiàn)準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)時，LMI閃電觀測往往與雷達觀測對流系統(tǒng)較重合，此時LMI閃電觀測對于對流系統(tǒng)發(fā)展演變的提前指示意義偏弱。

本文通過對2019年5月25日強降水過程中FY-4 LMI產(chǎn)品在對流系統(tǒng)的監(jiān)測及預(yù)報指示性進行分析，揭示了在對流系統(tǒng)演變中LMI閃電觀測的提前預(yù)警意義，得出了一些有意義的結(jié)論，為新型衛(wèi)星觀測資料在強天氣監(jiān)測和預(yù)報中的應(yīng)用提供了有用的參考依據(jù)。但是本文的研究僅局限于一個個例，后期將通過大量個例分析，進一步系統(tǒng)研究LMI產(chǎn)品在不同天氣背景下、不同類型強對流天氣中的監(jiān)測及預(yù)警作用。