摘要" :基于全國地基閃電探測數(shù)據(jù),對風云四號閃電成像儀(FY-4A LMI)在浙東地區(qū)的探測效果進行評估,利用LMI高時空分辨率非模式變量資料提高對流性天氣過程的雷電監(jiān)測、預警準確率和時效性。對浙東地區(qū)強對流天氣過程閃電探測數(shù)據(jù)進行對比,并對閃電落點與云頂亮溫顯著性檢驗及天氣過程進行驗證。結(jié)果表明:LMI探測到的“事件”產(chǎn)品主要發(fā)生在強回波區(qū),回波強度35 dBZ以上,云頂高度8~10 km;探測數(shù)量與地基閃電探測數(shù)量之比為0.16~0.45,均值0.323;空間分布上,僅考慮閃光落點位置的情況下,同時段LMI高閃密度區(qū)更偏東南;LMI對云閃探測效果較好,在時間上云閃提前于地閃45 min以上發(fā)生,對初生對流和較弱期對流監(jiān)測預警具有優(yōu)勢;夜間探測效率明顯優(yōu)于白天,高閃密度區(qū)和TBB亮溫之間小時變化相關性較好,90%以上閃光信號位于低于230 K(lt;-40 ℃)范圍內(nèi),且通過了基于單總體t值顯著性檢驗。總體來看,LMI在浙東地區(qū)探測效率及閃電落點定位略有偏差,但能夠彌補雷達觀測及地基閃電定位系統(tǒng)在時空分辨率上的局限性,可為雷電監(jiān)測和預警提供較長的“提前量”(45 min以上),為科學防御雷電等自然災害提供幫助。
關鍵詞 :風云四號;閃電成像儀;浙東地區(qū);閃光事件;探測效果;評估
中圖分類號:P412.27"" 文獻標志碼:A"nbsp; 文章編號:1004-0366(2024)05-0075-08
雷電是一種強對流災害性天氣,在雷電多發(fā)、易發(fā)區(qū)常會引起嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失,成為每年自然災害防御中需要重點關注的災種之一。同時,雷電也是一種難以準確捕捉的復雜自然現(xiàn)象,大氣狀態(tài)的混沌性摻雜著太多的不確定因素,其發(fā)生機理和預測預報成為目前大氣物理學中面臨的難點問題之一[1]。目前國際國內(nèi)大都采用閃電定位儀(ADTD,active divectory topology diagrammer)和大氣電場儀進行雷電監(jiān)測預警[2]。ADTD可探測閃電發(fā)生時間、強度、落點定位和正負極性等參數(shù)[3],為雷災事故調(diào)查、雷電活動時空分布特征分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐;大氣電場儀可對其探測半徑范圍內(nèi)近地面電場進行監(jiān)測,直觀顯示探測區(qū)域電場強度跳變情況[4]。浙江省早期布設的ADTD僅在地閃發(fā)生時監(jiān)測、記錄,對云閃監(jiān)測尚存不足,導致雷電預警“提前量”缺失;大氣電場儀僅能在其有效探測半徑范圍內(nèi)監(jiān)測并觸發(fā)預警信號,無法確定閃電落點、強度和發(fā)展趨勢,且當站點太少時,會造成監(jiān)測盲區(qū),無法實現(xiàn)監(jiān)測預警全覆蓋。雷電探測儀器和技術的不斷完善為跟蹤監(jiān)測雷電發(fā)生和演變提供了更加有利的支撐,能夠進一步揭示雷電分布的完整結(jié)構(gòu),尤其是空基衛(wèi)星的推廣和應用,標志著雷電探測技術從以往完全依賴地基閃電定位系統(tǒng)的地基觀測轉(zhuǎn)向更為連續(xù)和廣域的空基觀測,使人們對閃電的認知更加結(jié)構(gòu)化、立體化。2016年11月19日,美國在其GOES-R系列靜止衛(wèi)星上搭載地球靜止閃電定位儀(GLM,geostationary lightning mapper),用于觀測、定位云閃(IC,intra-cloud lightning)、地閃(CG,cloud-to-ground lightning)及總閃電數(shù)[5],對西半球進行連續(xù)不間斷觀測,為雷電災害性天氣提供預報預警服務,并建立長時間尺度數(shù)據(jù)庫。同年12月11日,我國新一代風云四號(FY-4A)地球靜止軌道試驗氣象衛(wèi)星發(fā)射升空,其上搭載的閃電成像儀(LMI,lightning mapping imager)是我國自主研制、全球第一批靜止氣象衛(wèi)星閃電成像儀之一[6],可對我國及周邊區(qū)域雷電活動連續(xù)不間斷觀測,實現(xiàn)包括IC、CG在內(nèi)的總閃電實時監(jiān)測,為強對流天氣監(jiān)測提供雷電預警服務。
研究發(fā)現(xiàn),采用國際通用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚類算法參數(shù)化方案[7]對LMI閃光“事件”虛假信號濾除,聚類為“組”或“閃電”,30%的數(shù)據(jù)將被濾除掉,因此張曉黃等[8]在上述參數(shù)化方案基礎上,采用貝葉斯概率推斷對LMI中虛假信號濾除并做檢驗,得到虛假信號約占所有信號50%的結(jié)論,同時考慮信號時空連續(xù)性及不同信號特征量差異性的虛假信號濾除算法高效可行;而LMI閃光輻射強度與ADTD監(jiān)測的電流強度相關性較低[9];在空間上,LMI高閃密度區(qū)主要分布在我國南部和印度東北部[10];徐國強等[11]利用GRAPES云分析系統(tǒng),同化LMI資料對模式計算的雷達反射率、云微物理量和降水預報的影響在對流天氣數(shù)值預報中應用研究,可進一步提高1~12 h降水預報準確率,有效減弱數(shù)值模式的spin-up現(xiàn)象;另外,LMI觀測數(shù)據(jù)在臺風、強對流、強降雨等數(shù)值天氣預報模型中應用,均取得了不錯的研究成果。由于我國地域遼闊,東西地勢落差較大,南北氣候略有差異,不同地區(qū)雷暴形態(tài)大小,對流始發(fā)位置、強度,云層厚度、高度,云內(nèi)水成物粒子含量等不同,閃電活動和相關參數(shù)存在一定的差異[12]。LMI在云貴高原探測總閃數(shù)為地基閃電探測的30%左右[13];在黃渤海地區(qū)探測效率比較低,與地基三維閃電探測網(wǎng)探測到的雷電脈沖數(shù)量之比均值為0.2[14]。因此,有必要對不同地區(qū)LMI探測效果進行評估,以便更好地應用于業(yè)務。
浙東地區(qū)有著世界上少有的一體化深水良港——寧波舟山港,海上航線眾多、航運活動頻繁,受海洋和大陸影響,氣候特征差異較大,容易受到強對流天氣的影響和制約。為進一步提升災害性天氣監(jiān)測預警服務能力,選取浙東地區(qū)(120°~123°E,29°~30.5°N),基于地基閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),對LMI在浙東地區(qū)的探測效果進行評估,試圖為更好地將LMI探測資料應用于業(yè)務提供參考。
1 資料與方法
1.1 資料選取
LMI數(shù)據(jù)源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心L2級中國區(qū)域標稱數(shù)據(jù)。光譜范圍777.4 nm,觀測間隔2 ms,星下點104.7°E,分辨率7.8 km,采用400×600 CCD面陣,成像速率500 幀/s。LMIE數(shù)據(jù)是LMI獲取的最基本的閃光信號單元1 min事件定量產(chǎn)品數(shù)據(jù),是LMI實時事件處理器將監(jiān)測到的光輻射輻亮度與設定的背景閾值進行比較,提取高于閾值的像元,判定為一次閃光“事件”,即像元觀測區(qū)域IC光輻射透過云層的閃光現(xiàn)象,而對應于LMI-CCD面陣該像元中心即為本次閃光“事件”的發(fā)生位置[6]。ADTD數(shù)據(jù)源于國家閃電定位系統(tǒng)。通過探測CG回擊電流輻射的強電磁脈沖,采用定向時差聯(lián)合法對閃電定位,單站探測范圍約為150 km[15],時間分辨率0.1 μs,記錄閃電發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、強度等參數(shù),探測范圍覆蓋全省及周邊地區(qū)。定位算法采用一站振幅、二站混合、三站混合、四站算法,在相同的定位算法下,選擇的測站越多,探測結(jié)果越準確。研究中使用的數(shù)據(jù)是三站混合以上的探測數(shù)據(jù),剔除二站混合以下不完整和受損的數(shù)據(jù),剔除雷電流幅值≥500 kA的數(shù)據(jù)(這部分數(shù)據(jù)容易被噪聲污染)。亮溫TBB(black-body temperature)數(shù)據(jù)選用FY-4A 多通道掃描成像儀AGRI(advanced geostationary radiation imager)C012通道(中心波長10.7 μm)L1級中國區(qū)域反演的TBB標稱數(shù)據(jù),空間分辨率4 km。
1.2 亮溫低值區(qū)標準化研究方法
為定量描述亮溫低值區(qū)域,從統(tǒng)計學角度論證亮溫在同一時刻不同區(qū)域上的相對大小,對亮溫在空間方向做標準化,公式為
x′i=xi-1n∑ni=1xi-" (1)
=1n∑ni=1xi, (2)
其中:x′i為第i個空間格點經(jīng)過標準化后的亮溫;xi為第i個空間格點的亮溫;為總計n個空間格點亮溫的平均值。從統(tǒng)計學意義上來看,標準化數(shù)據(jù)沒有單位,一般而言被認為近似服從均值為0\,方差為1的正態(tài)分布,這種分布與均值附近的分布程度高,出現(xiàn)偏離均值很遠的數(shù)據(jù)的概率很小。也正因為此特性,若標準化后的亮溫出現(xiàn)極大的負值,可以近似認為該處位于亮溫低值區(qū),反之若出現(xiàn)極大的正值,可以判定為亮溫高值區(qū)。某時次標準化前后的亮溫如圖1所示。
由圖1可見,原始的亮溫數(shù)據(jù)中,臺灣及其以東地區(qū)是明顯的亮溫低值區(qū)域。經(jīng)過標準化后,該區(qū)域表現(xiàn)為強烈的負異常,最小值低于-3,其北上區(qū)域則為微弱的正異常,最大值尚不到0.8,偏離中心0值的程度不大。唯獨臺灣以西的區(qū)域,雖然不是亮溫低值中心,但由于標準化的計算,也呈現(xiàn)出負數(shù),它代表著該區(qū)域的亮溫相對于整個空間而言是偏低的??梢?,標準化后的數(shù)據(jù)的負異常能夠一定程度上代表亮溫的低值。
2 數(shù)據(jù)分析
LMI探測產(chǎn)品包括IC、CG在內(nèi)的總閃電數(shù)據(jù),而浙江省域布設的ADTD僅對CG資料進行記錄,需對兩套不同的閃電數(shù)據(jù)進行預處理。以ADTD閃電定位系統(tǒng)探測的CG數(shù)據(jù)為基準,對浙東地區(qū)ADTD探測到的閃電數(shù)據(jù)進行總閃統(tǒng)一計算。ADTD本應探測到的IC數(shù)據(jù)通過公式
z(λ,T)=(4.16+2.16cos 3λ)·[0.6+0.4T/(72-0.98λ)](3)
進行換算[16],其中:z為IC與CG的比率;λ表示緯度值(范圍值);T為年平均雷暴日數(shù),取35.4 d/a[17],得到z值為3.895。對比浙東地區(qū)2019—2021年10次典型雷暴活動過程(見表1),LMI在浙東地區(qū)探測到的總閃數(shù)量明顯偏少,Event產(chǎn)品數(shù)量NE與ADTD雷電脈沖總量Ng之比白天偏低,夜間普遍在0.35以上,平均值為0.323,LMI夜間探測效率優(yōu)于白天。
3 樣例選取與分析
3.1 背景介紹
2020年7月28日浙東地區(qū)發(fā)生一次雷暴過程,500 hPa形勢場可見(圖略),東南沿海西南氣流活躍,受暖區(qū)控制,中午前后地表升溫迅速,同時高空槽東移,偏北氣流已抵達長江沿線,浙東區(qū)域處于冷暖氣流交匯處,浙東北部有切變線系統(tǒng)。強盛的西南氣流帶動水汽向北輸送,水汽條件較好,探空資料顯示,K指數(shù)為38.6,大氣不穩(wěn)定能量蓄積,發(fā)生對流天氣的可能性較大。12:00浙東北部出現(xiàn)弱輻合,有分散性回波,14:00浙東地區(qū)持續(xù)有對流云團生成并加強向浙東-東北移動,雷達組網(wǎng)監(jiān)測浙中-浙東地區(qū)回波強度35 dBZ以上,有短時強降水和雷暴大風,屬典型局地強對流天氣。
3.2 樣例分析
針對此次強對流過程,ADTD在雷暴活動主要發(fā)生時段(14:00前后)能夠探測到較多的CG(見表2),探測效果較好,且CG與強對流過程時間吻合,對雷暴活動持續(xù)發(fā)展、消亡有指示性意義。在空間分布上,僅考慮閃光落點位置情況下,同時段LMI高閃密度區(qū)稍偏東南(見圖2),這與HUI等[10]結(jié)論一致。LMI對IC探測效果較好,定義ADTD首次CG探測為基準時間,LMI首次IC探測時間且滿足雷達反射率因子在25 dBZ以上,從時間分辨率角度對比了浙東地區(qū)(120°~123°E,29°~30.5°N)3次雷暴過程初閃探測時間及IC提前量值ΔT(見表3),IC探測時間均提前于CG 45 min以上。研究表明,在雷暴發(fā)展階段,通常首先出現(xiàn)IC,CG一般滯后于IC峰值5~10 min且沒有IC活躍,CG更多出現(xiàn)在雷暴成熟階段[18],因此LMI對雷暴活動初生對流和較弱期對流監(jiān)測具有優(yōu)勢。
圖3為強對流過程Event產(chǎn)品逐時閃電頻次累積曲線。由圖3可以看出,18:00后Event累積頻次明顯陡升,得出LMI在浙東地區(qū)夜間的探測效率優(yōu)于白天。原因分析:(1)探測器傾斜造成的觀測天頂角不同,導致CCD像元大小變形,即LMI星下點空間分辨率(7.8 km)遠高于觀測邊緣處的空間分辨率(見圖4),隨著緯度升高、經(jīng)向東西延伸,分辨率逐漸降低,從而導致探測精度偏低;(2)白天閃光信號受云層、海洋、綠色植被等強反射陽光背景噪聲掩蓋,致使白天探測閃光信號效果較差;(3)CG輻射光信號要歷經(jīng)整個雷暴云層的散射才能被LMI探測到,越深厚的雷暴云對應的云頂背景亮度越大,LMI探測閃光事件觸發(fā)閾值也愈高,一定程度上削弱了衛(wèi)星平臺LMI在中高緯度、探測邊緣對CG的探測效率。
3.3 Event與TBB的空間分布關系
TBB范圍大小及其變化與對流演變密切相關。利用AGRI L1級TBB產(chǎn)品對雷暴過程Event位置及TBB過程反演一致性驗證。圖5是2020年7月28日14:00、16:00、18:00、22:00 Event位置、TBB及二者疊加。由圖5(b)、(c)可見,14:00浙中部被大范圍云團覆蓋,中心冷云云頂亮溫低于220 K,中心及南部區(qū)域閃電密集,多數(shù)閃電發(fā)生在亮溫低值區(qū),與閃電發(fā)生位置有較好的對應關系。圖6為Event在亮溫區(qū)累積概率分布曲線。90%以上閃光信號分布在低于230 K范圍內(nèi),以220 K(-50 ℃)作為強對流發(fā)生條件,根據(jù)每升高1 km溫度下降6 ℃計算,此次強對流活動云頂高介于8~10 km(-60~-40 ℃)。TBB可用來表征對流活動,亮溫越低,表明云頂越高,云層越厚,對流越旺盛。強對流和充足的水汽使得云內(nèi)存在足夠多的固態(tài)水成物粒子、冰晶粒子,這是雷暴云內(nèi)出現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移并發(fā)生閃電的必要條件。
3.4 結(jié)果檢驗
根據(jù)研究方法,對亮溫于空間方向上做標準化。取2019—2021年共計10個雷暴過程,每個過程亮溫存在若干時次,所有過程共計163時次。對于每個時次,追尋其前后半小時的閃電落點,定位落點標準化亮溫,最終得到大約18萬條記錄。為更加直觀研究閃電在不同亮溫區(qū)域的發(fā)生概率,繪制概率密度直方圖(見圖7)。原假設認為閃電落點與標準化亮溫不存在相關關系時,其概率密度應當服從均值為0和方差為1的標準正態(tài)分布。實際使用上述各過程的樣本數(shù)據(jù)計算得到的均值與方差卻為-0.2和1.0 與原假設存在偏差,為此使用t檢驗來判斷此等差異是否顯著?;趩慰傮w的t統(tǒng)計量計算公式為
t=N1n∑ni=1(Xi-X) "(4)
其中:n代表總閃數(shù);N為自由度,即163時次。當計算得到t統(tǒng)計量后,根據(jù)t的累積概率密度反推得到接受原假設的概率p為0.012 3,在0.05的顯著性水平下,可以拒絕原假設,即認為閃電落點與標準化亮溫的概率密度分布存在一定相關性,服從均值為-0.2的正態(tài)分布。換句話說,閃電落點傾向于出現(xiàn)在標準化亮溫負值區(qū),對應于原始亮溫,表現(xiàn)為低值區(qū)。
2021年7月10日凌晨浙北自西向東有一次典型雷暴過程,受此次雷暴過程影響,浙北-浙東多站出現(xiàn)了雷電、大風、短時暴雨。LMI在浙東區(qū)域探測到Event產(chǎn)品NE 961次(IC+CG),ADTD探測數(shù)據(jù)Ng 2 484次(z值計算后的總閃數(shù)),NE/Ng為0.39,探測效率符合前述分析結(jié)論。Event事件主要發(fā)生在220 K以下TBB低值區(qū),落點位置、TBB低值區(qū)及雷達觀測組合反射率因子三者對應性較好(見圖8),與分析結(jié)論基本一致。
4 結(jié)論
基于地基閃電定位資料、FY-4A LMI數(shù)據(jù)、AGRI TBB產(chǎn)品,對浙東區(qū)域雷暴活動過程閃電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,并對Event產(chǎn)品在強對流天氣過程中探測效果分析評估、TBB顯著性檢驗,得到以下結(jié)論:
(1) Event產(chǎn)品主要發(fā)生在35 dBZ以上的強回波區(qū),回波頂高8~10 km,探測總量與ADTD閃電定位系統(tǒng)探測到的雷電脈沖數(shù)量之比為0.16~0.45,均值0.323,從數(shù)據(jù)總量來看LMI在浙東地區(qū)的探測效率不太理想,且白天探測效率明顯偏低。
(2) 在時空分布上,同時段Event產(chǎn)品落點位置高閃密度區(qū)更偏東南;LMI能夠較早探測到IC發(fā)生,對初生對流和較弱期對流監(jiān)測效果較好,可以為雷電監(jiān)測預警提供45 min以上的預警“提前量”,為科學防御雷電等自然災害提供幫助。CG對雷暴活動主要發(fā)生時段的發(fā)展、增強、消亡具有指示性作用。
(3) Event產(chǎn)品落點與云頂亮溫TBB有較好的對應關系,主要分布在200~220 K的低值區(qū),90%以上閃光信號位置位于低于230 K區(qū)域內(nèi),且通過了基于單總體的t值檢驗。
通過對浙東地區(qū)雷暴活動LMI探測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,得出Event產(chǎn)品在浙東地區(qū)閃電監(jiān)測中有一定探測效果,可為LMI探測資料在業(yè)務預報中進一步應用提供有益參考。由于研究樣本偏少,結(jié)論具有一定局限性,且探測效率和落點誤差不僅與儀器性能有關,還與機載和地面數(shù)據(jù)處理、算法等密切相關。未來將對LMI數(shù)據(jù)處理算法進行有針對性的改進,結(jié)合地面雷達、大氣電場儀等多源數(shù)據(jù)融合進一步增強LMI在浙東地區(qū)的監(jiān)測能力。
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(1.Zhenhai Meteorological Bureau of Ningbo,Ningbo 315206,China;
2.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210000,China)
Abstract :Based on national ground-based lightning detection data,the detection effect of FY-4A LMI in the eastern Zhejiang region is evaluated.High spatiotemporal resolution non-modal variable data of LMI is used to improve the accuracy and timeliness of lightning monitoring and warning in convective weather processes.By comparing the lightning detection data of strong convective weather processes in the eastern Zhejiang region,the significance test of lightning landing point and cloud top brightness temperature,as well as weather process validation,showed that the Event products detected by LMI mainly occurred in the strong echo area,with echo intensity above 35 dBZ and cloud top height of 8~10 km.The ratio of detection quantity to ground lightning detection quantity is 0.16~0.45,with an average of 0.323.In terms of spatial distribution,considering only the location of the flash landing point,the LMI high flash density area is more southeast in the same period.LMI has a good detection effect on cloud flashes,with cloud flashes occurring more than 45 minutes earlier than ground flashes in time.It has an advantage in monitoring and warning of primary convection and weak convection.The detection efficiency at night is significantly better than during the day,and there is a good correlation between hourly changes in high flash density areas and TBB brightness temperature.More than 90% of flash signals are located in the range below 230 K (lt;-40 ℃),and have passed the significance test based on single population t-values.Overall,there is a slight deviation in the detection efficiency and lightning location of LMI in the eastern Zhejiang region,but it can compensate for the limitations of radar observation and ground-based lightning positioning systems in terms of spatiotemporal resolution.It can provide a longer lead time (over 45 minutes) for lightning monitoring and warning,and provide assistance for scientific defense against natural disasters such as lightning.
Key words :FY-4A;Lighting mapping imager;Eastern Zhejiang region;Flash event;Detection effect;Assessment
(本文責編:葛 文)