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一、引言

閃電放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的光輻射，星載閃電成像儀利用閃電光輻射在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)閃電的光學(xué)探測(cè)，確定閃電發(fā)生的準(zhǔn)確位置[1-2]。目前已投入觀測(cè)的主要是低軌道星載閃電成像儀，包括裝載于Microlab-1衛(wèi)星上的閃電光學(xué)瞬變探測(cè)器（OTD）[3-5]和裝載于熱帶降水測(cè)量計(jì)劃任務(wù)衛(wèi)星（TRMM）上的閃電成像儀（Lightning Imaging Sensor，LIS）[5-6]。發(fā)展靜止衛(wèi)星閃電成像儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電的連續(xù)、實(shí)時(shí)觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)雷電的追蹤和預(yù)警，成為了國(guó)際上雷電空間探測(cè)的主要發(fā)展方向。2016年11月19日發(fā)射的美國(guó)靜止環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星（GOES-R）攜帶的閃電成像儀[7]（Geostationary Lightning Mapper，GLM）CCD面陣大小為1372×1300，空間分辨率為8—14 km，閃電探測(cè)率為70%，虛警率為5%。2016年12月11日發(fā)射的我國(guó)新一代靜止衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)（FY-4A）攜帶的閃電成像儀（Lightning Mapping Imager，LMI）[8-9]星下點(diǎn)定位于104.7oE，CCD面陣大小為400×600，星下點(diǎn)空間分辨率為7.8 km。LMI是我國(guó)第一次自主研制的星載閃電成像儀，在儀器研制和產(chǎn)品生成算法等方面都位于國(guó)際前沿領(lǐng)域。此外，歐洲第三代靜止衛(wèi)星（MTG）閃電成像儀（Lightning Imager，LI）[10]計(jì)劃2020年發(fā)射。星載閃電成像儀觀測(cè)產(chǎn)品在氣象和氣候?qū)W方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[11-14]，未來(lái)，美國(guó)、中國(guó)和歐洲的靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀將構(gòu)成近乎全球覆蓋的空基閃電觀測(cè)網(wǎng)，對(duì)全球閃電探測(cè)、大氣電學(xué)研究等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

本文首先介紹風(fēng)云四號(hào)靜止軌道氣象衛(wèi)星閃電成像儀的基本探測(cè)原理；其次，選擇兩次強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例，介紹LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

二、風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星閃電成像儀探測(cè)原理

LMI根據(jù)閃電的光學(xué)瞬變特性，利用電荷耦合器件CCD成像技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的儀器觀測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)閃電探測(cè)。LMI的核心傳感器為CCD面陣，包括400×600個(gè)微小像元，探測(cè)中心波長(zhǎng)為777.4 nm，帶寬為±1 nm，保證了LMI探測(cè)系統(tǒng)具有較高的信噪比；1min能夠連續(xù)觀測(cè)30000幀圖像，單幀圖像積分時(shí)間約為1.875ms，遠(yuǎn)大于一次閃電放電過(guò)程約400 μs的持續(xù)時(shí)間；星下點(diǎn)空間分辨率為7.8 km，大于云頂閃電放電過(guò)程約5—10 km的空間尺度。較高的時(shí)間分辨率和較高的空間分辨率，保證了完整捕捉一次閃電放電過(guò)程。利用多幀平均背景估值方法，將每秒開(kāi)始的7幀原始數(shù)據(jù)做平均，給出背景估值，進(jìn)而將緩慢變化的背景光從輸出的原始數(shù)據(jù)中濾除，提取瞬態(tài)變化的閃電“事件”，同時(shí)，采用根據(jù)背景強(qiáng)度自適用調(diào)整探測(cè)閾值的方法，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)點(diǎn)源弱小目標(biāo)探測(cè)效率最大化，減小背景光的影響。

LMI探測(cè)系統(tǒng)由星上數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。星上數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)的主要部分是星上實(shí)時(shí)事件處理器（RTEP）。RTEP接收CCD面陣并行輸出的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)接收與限幅、多幀平均背景估值、背景信號(hào)去除、逐元閾值自適用設(shè)置、閃電信號(hào)探測(cè)、閃電信號(hào)編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電信號(hào)的捕捉，并將閃電“事件”與背景數(shù)據(jù)一并輸出給信息編碼電路并傳至地面接收測(cè)站[9][15]。

由于每年春分和秋分FY-4A靜止衛(wèi)星平臺(tái)調(diào)頭，因此每年春分到秋分，LMI的觀測(cè)視場(chǎng)為中國(guó)地區(qū)及其鄰近海域，從秋分開(kāi)始到下一年春分，LMI的觀測(cè)視場(chǎng)為澳大利亞地區(qū)西部和印度洋海域。因此，LMI可對(duì)中國(guó)地區(qū)春季和夏季對(duì)流天氣較為活躍時(shí)期的閃電活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

三、LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品

星上預(yù)處理系統(tǒng)輸出的經(jīng)定標(biāo)定位處理后的原始探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛假信號(hào)濾除和聚類(lèi)分析[16-17]處理，輸出包含閃電“事件”（event）、“組”（group）和“閃電”的發(fā)生時(shí)間、位置和強(qiáng)度等信息以及基于結(jié)構(gòu)樹(shù)的閃電“事件”、“組”和“閃電”之間的從屬關(guān)系的閃電探測(cè)產(chǎn)品。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。同一幀CCD圖像上的多個(gè)相鄰微小像元探測(cè)到的閃電“事件”組成一個(gè)“組”，對(duì)應(yīng)于地閃的一次回?fù)艋蛟崎W的一次K變化，滿足一定閾值條件的多個(gè)“組”定義為一次真實(shí)的“閃電”過(guò)程。

如圖1所示為L(zhǎng)MI的L2級(jí)閃電探測(cè)產(chǎn)品“事件”、“組”和“閃電”，以及中國(guó)氣象局地基閃電探測(cè)網(wǎng)“地閃”探測(cè)產(chǎn)品?？梢钥闯?，LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品和地基閃電探測(cè)產(chǎn)品反映的閃電密度高值區(qū)基本一致。由于LMI能夠?qū)崿F(xiàn)總閃（“云閃”和“地閃”）探測(cè)，因此相對(duì)于地基閃電探測(cè)網(wǎng)探測(cè)的閃電更多。

圖1 FY- 4A/LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品和地基閃電探測(cè)產(chǎn)品對(duì)比圖

四、對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)分析

1. 華南和江南地區(qū)一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程

這里選擇2017年6月5日中國(guó)華南和江南地區(qū)的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，結(jié)合靜止衛(wèi)星可見(jiàn)光通道觀測(cè)圖像產(chǎn)品和地基天氣雷達(dá)產(chǎn)品，研究將LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警的方法。

2017年6月5日，受東移南亞的切變線云系影響，廣東、廣西和湖南等地發(fā)生強(qiáng)降雨天氣，同時(shí)伴隨有雷暴和大風(fēng)。如圖2所示為FY-4A搭載的多通道掃描輻射計(jì)（AGRI）可見(jiàn)光通道圖像[18]。由圖2（a）和（b）可以看出，500m分辨率的AGRI可見(jiàn)光圖像對(duì)于對(duì)流云團(tuán)的結(jié)構(gòu)和紋理特征的顯示效果較為清晰，2018年6月5日15時(shí)，廣西東部和北部對(duì)流云團(tuán)發(fā)展至旺盛階段，16時(shí)，廣西東部和北部對(duì)流云團(tuán)逐漸減弱。

圖2 FY- 4A/AGRI可見(jiàn)光通道圖像

如圖3（a）和（b）所示分別為這次華南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品和新一代天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品[19]，其中，雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)時(shí)間為2017年6月5日15時(shí)12分，閃電探測(cè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)時(shí)間為雷達(dá)觀測(cè)前后約1h?？梢钥闯?，廣西北部有局地對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn)，LMI也探測(cè)到該區(qū)域有閃電發(fā)生，其與FY-4A/AGRI可見(jiàn)光通道圖像對(duì)應(yīng)一致。此外，湖南東部對(duì)流系統(tǒng)旺盛，LMI探測(cè)到的閃電活動(dòng)較為密集，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)基本反射率為35 dBz —45dBz，表明該區(qū)域有明顯的對(duì)流云團(tuán)。LMI不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度對(duì)流系統(tǒng)中的閃電監(jiān)測(cè)，而且能夠?qū)值匦?duì)流云團(tuán)中的閃電活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品對(duì)于對(duì)流初生判識(shí)和對(duì)流預(yù)警研究很有意義。

圖3 2017年6月5日中國(guó)華南和江南地區(qū)一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程閃電探測(cè)產(chǎn)品、天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品和可見(jiàn)光通道圖像對(duì)比圖

2. 江南地區(qū)一次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程

這里選擇2017年6月28日中國(guó)江南地區(qū)的一次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程，結(jié)合地面水平分辨率為0.50×0.50的日值降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)，研究將LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警的方法。

2017年6月28日，受低層切變線云系影響，江南地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣。6月28日00:00（北京時(shí)），江南東部等地有明顯上沖云頂出現(xiàn)，高層輻散明顯，利于對(duì)流云團(tuán)發(fā)展。如圖4（a）所示為強(qiáng)降雨天氣過(guò)程閃電日密度分布，如圖4（b）所示為這次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程地面日降水量?？梢钥闯?，降雨較為集中的區(qū)域?yàn)楹虾徒鞯鹊?，這些地區(qū)閃電分布較為密集，雨帶南部閃電密度較高，因此，閃電與降水分布有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 2017年6月28日中國(guó)江南地區(qū)一次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程閃電探測(cè)產(chǎn)品和地面降水產(chǎn)品對(duì)比圖

如圖5所示為2017年6月28日這次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程地閃數(shù)和總閃數(shù)的對(duì)比圖?？梢钥闯?，對(duì)流天氣過(guò)程開(kāi)始階段，總閃提前于地閃出現(xiàn)，即云閃提前于地閃發(fā)生；對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)展旺盛階段，地閃數(shù)首先達(dá)到峰值，約4h后總閃數(shù)達(dá)到峰值；對(duì)流天氣過(guò)程消散階段，閃電類(lèi)型主要為云閃。由此可見(jiàn)，整個(gè)對(duì)流天氣過(guò)程云閃持續(xù)發(fā)生，云閃頻數(shù)的變化特征較好地反映了對(duì)流天氣的強(qiáng)度演變過(guò)程。

圖5 2017年6月28日中國(guó)江南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程地閃頻數(shù)與總閃頻數(shù)

五、小結(jié)

FY-4A靜止衛(wèi)星閃電成像儀具有較好的閃電信號(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特征。

通過(guò)對(duì)兩次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中閃電活動(dòng)特征的分析發(fā)現(xiàn)，LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品與對(duì)流云團(tuán)AGRI可見(jiàn)光通道圖像對(duì)應(yīng)一致，同時(shí)與地基天氣雷達(dá)基本反射率大于35 dBz的強(qiáng)對(duì)流區(qū)對(duì)應(yīng)一致，與強(qiáng)降水區(qū)域有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。云閃提前于地閃發(fā)生，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣具有指示作用。

由于閃電活動(dòng)與對(duì)流天氣系統(tǒng)密切相關(guān)，是強(qiáng)對(duì)流天氣的重要指示因子，因此，LMI閃電探測(cè)產(chǎn)品可以為強(qiáng)對(duì)流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)提供有益的觀測(cè)信息，具有重要的應(yīng)用前景。