李靜， 曾金全， 鄒斌, 孫豪， 張其林*

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 南京 210044； 3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044； 4.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 南京 210044； 5.福建省氣象科學(xué)研究所， 福州 350001)

閃電是強(qiáng)對(duì)流天氣過程中伴隨的放電現(xiàn)象，雷暴發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電流和強(qiáng)電磁脈沖會(huì)對(duì)建筑物以及其內(nèi)的電力系統(tǒng)造成損害，甚至威脅人類的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此，結(jié)合不同的閃電探測技術(shù)研究閃電放電特征以及活動(dòng)特征，對(duì)雷電災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警具有重要意義[2]。隨著高速大容量數(shù)據(jù)采集技術(shù)、高精度全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)時(shí)鐘授時(shí)技術(shù)以及衛(wèi)星遙感探測技術(shù)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電光亮度、電磁場、聲波等方面的探測研究[3]?；谶@些技術(shù)的應(yīng)用，中外建立了許多覆蓋不同區(qū)域范圍的地基閃電探測系統(tǒng)[4-6]和星載閃電探測系統(tǒng)[7-8]。目前，地基閃電探測系統(tǒng)在局域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連續(xù)的閃電定位，而且具有較高的探測精度[9]。從1980年開始，美國國家航空航天局(national aeronautics and space administration, NASA)利用飛機(jī)搭載光學(xué)脈沖探測器研究發(fā)現(xiàn)：閃電光譜在近紅外777.4 nm和868.3 nm處輻射最強(qiáng)，從而為發(fā)展低軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星閃電探測技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

低軌衛(wèi)星閃電探測技術(shù)包括光學(xué)瞬態(tài)探測儀(optical transient detector, OTD)和閃電成像儀(lightning imaging sensor, LIS)，主要用來探測閃電的全球分布特征以及年際變化規(guī)律[7-8,10-11]。靜止衛(wèi)星閃電成像儀能夠提供全天候、無間斷的閃電探測，實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測預(yù)警[12-13]。中外諸多學(xué)者結(jié)合衛(wèi)星、地基閃電探測資料進(jìn)行分析，以此評(píng)估閃電探測系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)不同閃電資料的融合互補(bǔ)[14-21]。Thomas等[14]利用三維甚高頻閃電資料與LIS資料對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩組觀測數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上具有很好的相關(guān)性。LIS在中低海拔的云對(duì)地放電比云內(nèi)放電探測效果更差。Thompson等[15]利用星載LIS數(shù)據(jù)與地基全球閃電定位網(wǎng)(world wide lightning location network, WWLLN)、地球閃電探測網(wǎng)(earth networks total lightning network, ENTLN)的數(shù)據(jù)匹配分析，發(fā)現(xiàn)WWLLN總匹配值為11%，海洋高于陸地。ENTLN 匹配值具有較大的時(shí)空變化性，北美地區(qū)夏季的變化量小于冬季，冬季的匹配值高于夏季。Marchand等[16]利用美國的GOES-R靜止衛(wèi)星閃電測繪儀(geostationary lightning mapper, GLM)資料與ENTLN資料對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于ENTLN,GLM探測性能存在空間差異性，并且探測正地閃能力優(yōu)于負(fù)地閃。目前，中國新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào) FY-4A 閃電成像儀是中國自主研發(fā)的星載閃電成像儀，曹冬杰等[17]結(jié)合地基閃電定位系統(tǒng)和衛(wèi)星同步資料初步驗(yàn)證了LMI 能夠很好地探測到觀測范圍內(nèi)的閃電活動(dòng)，對(duì)新生對(duì)流和較弱對(duì)流產(chǎn)生的閃電監(jiān)測具有優(yōu)勢?；蓥┑萚18]利用衛(wèi)星閃電成像儀TRMM LIS與中國國家雷電監(jiān)測網(wǎng)資料匹配分析，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星閃電成像儀在夜間的探測能力優(yōu)于白天。支樹林等[19]利用FY-4A閃電資料與ADTD資料、雷達(dá)回波資料對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星閃電數(shù)目高于地閃數(shù)目，雷達(dá)強(qiáng)回波面積的變化與衛(wèi)星閃電頻數(shù)的變化有較好的相關(guān)性。張曉蕓等[20]將FY-4A閃電資料與地基閃電數(shù)據(jù)融合，減少了天基與地基閃電數(shù)據(jù)的誤差和不完整性。綜上可知，盡管靜止衛(wèi)星閃電成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測閃電的發(fā)生發(fā)展，并且能夠與地基資料互補(bǔ)融合，但是對(duì)于LMI探測性能的評(píng)估以及影響其探測性能的因素未做過多研究。

因此，現(xiàn)利用低頻三維閃電資料、FY-4A的LMI數(shù)據(jù)和FY-4A的云頂溫度數(shù)據(jù)，初步檢驗(yàn)LMI與地基系統(tǒng)的探測能力。使用蒙特卡洛方法模擬檢驗(yàn)低頻三維閃電資料的定位精度。通過匹配閾值的敏感性試驗(yàn)確定 LMI 探測數(shù)據(jù)與低頻三維閃電資料的匹配閾值，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星閃電資料與地基閃電資料的匹配。選取一次雷暴過程進(jìn)行詳細(xì)的特征分析，并在此基礎(chǔ)上使用3次雷暴過程進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)晝夜變化因素對(duì)LMI探測性能的影響。研究結(jié)果可為未來衛(wèi)星閃電探測設(shè)備優(yōu)化閃電探測算法提供參考。

1 探測資料來源與特點(diǎn)

1.1 低頻三維閃電探測資料

2019年在廣東省安裝了由5個(gè)探測子站組成的低頻三維閃電探測系統(tǒng)，探測范圍覆蓋廣東省及周邊地區(qū)。各個(gè)測站地理位置分布如圖1所示，地形高程數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn/)。每個(gè)測站主要由兩個(gè)正交的頻率為1～300 kHz磁天線、高精度GPS時(shí)鐘和高速采集系統(tǒng)構(gòu)成。如圖2所示，設(shè)計(jì)的磁天線在1～100 kHz頻率范圍內(nèi)，電壓與磁場變化率dB/dt成正比，而在100～300 kHz頻率范圍內(nèi)電壓正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)目的在于能夠探測到快速變化的閃電脈沖信號(hào)，更加有利于閃電三維定位。系統(tǒng)使用觸發(fā)式采集，考慮到環(huán)境電磁噪聲的影響，將觸發(fā)閾值設(shè)置超出噪聲的10%～20%，采樣頻率為1 MHz，動(dòng)態(tài)范圍±10 V，預(yù)觸發(fā)時(shí)間300 μs。圖3是2020年9月14日5個(gè)測站探測的一次閃電脈沖的同步磁場信號(hào)波形。系統(tǒng)在定位前，采用波形互相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖輻射源的匹配，然后使用時(shí)間差(time of arrival, TOA)定位技術(shù)，再采用非線性最小二乘法擬合算法，計(jì)算得到脈沖輻射源三維位置，最終可以刻畫出閃電的三維放電通道[21]。系統(tǒng)采集記錄的閃電參數(shù)主要包括閃電類型、極性、時(shí)間、位置、陡度、強(qiáng)度以及高度。

圖1 測站分布地理圖Fig.1 Geographic map of station distribution

圖2 頻響曲線圖Fig.2 Frequency response graph

圖3 典型的云地閃同步磁場信號(hào)波形Fig.3 Typical synchronous waveform of cloud to ground lightning

由于沒有可供參考的閃電數(shù)據(jù)，無法準(zhǔn)確獲得具有最佳探測效率的閃電探測范圍。因此，采用蒙特卡洛法[22]模擬分析閃電定位探測網(wǎng)的定位誤差。模擬結(jié)果如圖4所示，探測網(wǎng)內(nèi)誤差較小，水平定位誤差低于180 m，因此，選取探測區(qū)域范圍是東經(jīng)111.7°～114.2°，北緯21.6°～23.4°(圖4中黑色方框圈出的部分)。

圖4 低頻三維閃電探測網(wǎng)蒙特卡洛模擬水平誤差圖Fig.4 Horizontal error diagram of Monte Carlo simulation of low frequency three-dimensional lightning detection network

1.2 風(fēng)云四號(hào)閃電成像儀探測資料

風(fēng)云四號(hào)靜止軌道衛(wèi)星(FY-4A)于2016年12月11日成功發(fā)射，標(biāo)志著中國氣象衛(wèi)星的更新?lián)Q代[23]。LMI作為中國首次自主研發(fā)的星載閃電成像儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國以及周邊地區(qū)閃電的連續(xù)、實(shí)時(shí)觀測與跟蹤，在氣象領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。LMI采用的電荷耦合裝置(charge coupled device，CCD)觀測波長為777.4 nm，觀測間隔2 ms，與美國氣象衛(wèi)星GOES-R相同。LMI距離地球表面36 000 km，定位在104.7°E，采用兩塊面元為400×600的CCD陣列觀測，空間分辨率由星下點(diǎn)的7.8 km降低至邊緣處的20 km[17,24]。LMI探測閃電數(shù)據(jù)為L2級(jí)的閃電“事件”(event)和“組”(group)，“事件”作為閃電的基本單元，通過聚類算法得到“組”(LMIG)，“組”對(duì)應(yīng)云閃的一次K過程或者地閃的一次回?fù)暨^程。因此，采用“組”與三維閃電資料進(jìn)行匹配分析。

1.3 風(fēng)云四號(hào)云頂溫度資料

靜止軌道輻射成像儀(advanced geosynchronous radiation imager，AGRI)是FY-4A的主要荷載之一，相對(duì)于風(fēng)云二號(hào)靜止衛(wèi)星，觀測通道增加到14個(gè)，空間分辨率在可見光/近紅外為0.5～1.0 km，在中波/長波紅外為2.0～4.0 km，時(shí)間分辨率為15 min/全原盤[25]。

云頂溫度(cloud-top temperature,CTT)作為AGRI的L2級(jí)產(chǎn)品，它的變化與對(duì)流云的發(fā)生發(fā)展具有密切的聯(lián)系。CTT值越低，代表對(duì)流強(qiáng)度越大，云層越深厚。AGRI采用全原盤和區(qū)域掃描交替進(jìn)行，區(qū)域掃描時(shí)間分辨率為4 min，全原盤與區(qū)域掃描空間分辨率均為4 km。選用的CTT為區(qū)域與全原盤的疊加，因?yàn)楦邥r(shí)間分辨率的區(qū)域掃描結(jié)果并不能覆蓋所有時(shí)段。

2 衛(wèi)星資料與地基資料結(jié)合分析方法

低頻三維閃電探測系統(tǒng)是根據(jù)閃電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波進(jìn)行閃電定位，而衛(wèi)星閃電成像儀是探測雷暴云內(nèi)閃電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的光脈沖強(qiáng)度，因此地基與衛(wèi)星對(duì)于閃電信號(hào)的探測具有一定的差異性。兩種探測技術(shù)特點(diǎn)決定地基閃電的探測比衛(wèi)星閃電的探測具有更好的時(shí)空分辨率，并且地基探測不會(huì)受到晝夜的變化因素影響定位的結(jié)果。所以，以三維閃電定位結(jié)果為參考，分析晝夜變化因素對(duì)LMI探測性能的影響。因?yàn)閮煞N數(shù)據(jù)直接耦合會(huì)造成單個(gè)LMIG數(shù)據(jù)與多個(gè)地基數(shù)據(jù)之間的匹配，所以把地基數(shù)據(jù)先聚類處理再進(jìn)行耦合。通過衛(wèi)星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到廣東地區(qū)LMIG數(shù)據(jù)的空間分辨率約為9.2 km。將2 ms以內(nèi)、距離小于9.2 km的地基數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類并命名為LLSG(lightning location system group)數(shù)據(jù)。由地基數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算出LLSG數(shù)據(jù)的TOA和坐標(biāo)。參考Thompson等[15]對(duì)WWLLN和ENTLN資料與LIS資料的匹配分析方法以及Hui等[26]對(duì)WWLLN和LIS資料與LMI資料的匹配分析方法。定義匹配率(coincidence percent, CP)表示LMI和LLS兩個(gè)系統(tǒng)匹配程度的指標(biāo)，表達(dá)式為

CP=NCP/NLLSG×100%

(1)

式(1)中：NCP為LMIG與LLSG在一定的時(shí)空范圍內(nèi)匹配數(shù)目；NLLSG為低頻三維閃電探測到脈沖輻射源的總數(shù)量。在一次雷暴發(fā)生發(fā)展過程中，LMI探測到的LMIG數(shù)量也是評(píng)估LMI探測性能的重要指標(biāo)。閃電頻數(shù)的大小以及變化程度的快慢，相應(yīng)地代表著雷暴發(fā)展的各階段過程。為了更加直觀地評(píng)估LMI的探測性能，以LLSG的探測數(shù)量為基準(zhǔn)，定義探測比率(detection ratio, DR)表示LMI的探測性能，表達(dá)式為

DR=NLMIG/NLLSG

(2)

考慮到地基與星載閃電探測的機(jī)制不同，為了能夠確保兩種儀器探測到是相同的閃電過程，需要把兩種儀器探測到的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選匹配。在完成匹配之前，首先需要確定兩組數(shù)據(jù)的匹配閾值，由于探測到相同的閃電的差異性主要是時(shí)空分布的差異性，因此只需要確定閃電發(fā)生的時(shí)間匹配閾值與空間匹配閾值。通過2020年9月6—15日，廣東省及其周邊地區(qū)發(fā)生的4次雷暴過程探測到的LMIG和LLSG為樣本，進(jìn)行閃電的時(shí)空匹配敏感性試驗(yàn)，確定兩個(gè)探測系統(tǒng)的匹配閾值。當(dāng)空間閾值固定時(shí)，改變時(shí)間間隔，在匹配曲線趨于平緩時(shí)，得到時(shí)間匹配閾值。如圖5所示，當(dāng)時(shí)間間隔增加到2 s后，匹配曲線變化趨于平緩，得到時(shí)間閾值為2 s。

同理，時(shí)間閾值固定，改變空間間隔，觀察匹配曲線隨空間改變的變化趨勢，當(dāng)匹配曲線趨于平緩時(shí)，得到空間匹配閾值。結(jié)果如圖6所示，當(dāng)空間間隔增加到0.25°后，匹配曲線變化趨于平緩，得到空間閾值0.25°，由此可知地基探測系統(tǒng)與星載探測系統(tǒng)探測到的閃電數(shù)據(jù)在時(shí)間上相差小于2 s，空間上小于0.25°時(shí)，地基探測到的LLSG與星載探測到的LMIG為相同的閃電脈沖事件。

圖5 匹配率隨時(shí)間閾值的變化趨勢圖Fig.5 The trend diagram of the matching rate with the time threshold

3 結(jié)果分析

3.1 衛(wèi)星與地基探測閃電空間分布特征對(duì)比

2020年9月14日廣東省及其周邊部分地區(qū)發(fā)生一次強(qiáng)烈的雷暴過程(雷暴0914)，本次雷暴持續(xù)近30 h。圖7是9月14日14：00—15日20:00的FY-4A LMIG數(shù)據(jù)、LLSG數(shù)據(jù)同CTT數(shù)據(jù)的疊加圖。如圖7所示，本次雷暴主要由4個(gè)大尺度對(duì)流云組成，分別是分布在陽江市北部與云浮市南部交界處、江門市北部與東部、廣州市中部地區(qū)，以及澳門東南沿海區(qū)域。根據(jù)LMIG的分布變化過程分析，此次雷暴先是從廣東省西北地區(qū)向東南沿海區(qū)域發(fā)展，最終在深圳東南沿海區(qū)域消散。閃電頻次的變化與雷暴的發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)，由閃電頻次的變化可知，此次閃電強(qiáng)度先由弱到強(qiáng)，在15日凌晨5:00分布在江門市的雷暴云與東南沿海區(qū)域雷暴雨匯聚產(chǎn)生更大的雷暴單體，此時(shí)閃電活動(dòng)最為劇烈，隨著時(shí)間的變化，大區(qū)域塊狀雷暴云再次分裂成點(diǎn)簇狀雷暴云，沿著廣州、深圳東南方向逐步發(fā)展成線狀閃電分布，再從線狀閃電聚集成塊狀閃電，此時(shí)閃電變化呈現(xiàn)下降趨勢，最終于15日20：30后消散。

對(duì)比同時(shí)段LMIG與LLSG的數(shù)量，幾乎在各個(gè)區(qū)域地基探測到的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于衛(wèi)星探測到的數(shù)量，LMIG與LLSG地理位置幾乎一致。在江門市南部沿海區(qū)域，衛(wèi)星探測閃電數(shù)量多于地基探測的閃電數(shù)量，可能由于起伏的海浪和海路混合路徑對(duì)電磁波的傳輸造成影響[27-28]。

綜上可知，地基與星載探測閃電的空間分布特征、時(shí)間的變化特征與雷暴發(fā)生發(fā)展過程類似，但是地基探測的閃電數(shù)量更多，閃電分布更加密集。為了研究兩種閃電數(shù)據(jù)的空間分布特征，分別選取閃電初始發(fā)生階段、發(fā)展旺盛階段和快要消散3個(gè)階段。由于整個(gè)閃電的發(fā)生發(fā)展過程較長，所以分別取時(shí)長為1 h以及為4 min的CTT數(shù)據(jù)與閃電數(shù)據(jù)疊加對(duì)比。由圖7和圖8可知，兩種閃電數(shù)據(jù)的高密度區(qū)域主要分布在溫度低于210 K的冷云區(qū)域，并且在一些沒有LMIG分布的區(qū)域，地基也有探測到閃電，通過云頂溫度來判斷，這些地基探測到的閃電數(shù)據(jù)幾乎是正確的。

3.2 衛(wèi)星與地基探測閃電時(shí)間變化特征對(duì)比

為了探討兩種閃電探測系統(tǒng)探測閃電隨時(shí)間的變化的分布差異性，分別統(tǒng)計(jì)了此次雷暴發(fā)生過程中每小時(shí)閃電的數(shù)量，以及兩個(gè)探測系統(tǒng)探測到的同一閃電數(shù)目，如圖9(a)所示，雷暴0914的NLLSG數(shù)量從14日14：00開始上升，在15日14：00達(dá)到峰值，每小時(shí)發(fā)生643次閃電，其間多次達(dá)到小峰值，總體呈上升趨勢，隨后呈現(xiàn)下降趨勢，直至閃電數(shù)目下降為零，雷暴消亡。NLMIG數(shù)量也是從14：00開始上升，在15日凌晨3：00達(dá)到峰值，然后呈階梯級(jí)下降，在15日18：00再次產(chǎn)生一次小峰值，隨后逐漸下降，直至數(shù)量為零。在14日18：00—15日6：00，15日18：00—21：00，兩者數(shù)量變化趨勢大致相同，而在白天時(shí)段，兩者差異性巨大，即使雷暴活動(dòng)劇烈，NLMIG數(shù)量依然很少。從圖9(b)可以發(fā)現(xiàn)，CP變化過程與DR變化過程類似，CP從開始的3%上升，呈階梯狀變化，在15日凌晨4：00達(dá)到峰值14.55%，DR從0.1上升，在15日凌晨1:00達(dá)到峰值0.85，綜上所述，在整個(gè)雷暴過程中，日間CP平均為1.02%，DR為0.061，夜晚CP平均為6.5%，DR為0.25。對(duì)比LLS和LMI的日間與夜晚的探測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在顯著的差異。在白天，即使雷暴活動(dòng)更加劇烈，CP與DR依然相對(duì)較低。這表明衛(wèi)星探測閃電能力在夜晚優(yōu)于白天時(shí)段，可能是因?yàn)樾l(wèi)星探測的是光信號(hào)，白天的背景太陽光對(duì)衛(wèi)星的探測造成了影響。盡管如此，還需要更多的案例來分析驗(yàn)證本研究的結(jié)果。

除了上述研究的雷暴0914，還選取了廣東省及其周邊地區(qū)在2020年9月份發(fā)生的其他3次雷暴過程，分別是雷暴0904、雷暴0907以及雷暴0913。每次雷暴過程數(shù)據(jù)均由相同的測站采集處理，從系統(tǒng)探測到的第一個(gè)閃電脈沖輻射源到最后一個(gè)閃電脈沖輻射源作為一次雷暴的發(fā)生過程。這4次雷暴活動(dòng)均比較強(qiáng)烈，持續(xù)時(shí)間超過13 h，都有跨越白天與夜晚，可以用來研究LMI晝夜探測能力的差異性。統(tǒng)計(jì)4次雷暴發(fā)生過程的NLLSG、NLMIG、NCP、CP和DR，以便于更加直觀地分析LMI探測能力受晝夜變化因素的影響。結(jié)果如表1所示。

在4次雷暴過程中，白天、夜晚的CP與DR都具有較大的差異性，白天CP的變化范圍是1.03%～5.61%，均值是2.36%，DR變化范圍是0.035～0.179，均值是0.093。夜晚CP的變化范圍是6.51%～39.12%，DR變化范圍是0.171～1.378，均值是0.672。夜晚CP是白天的8.5倍，DR是白天的7.23倍。由此可知，晝夜變化因素對(duì)LMI的探測性能具有較大的影響，在夜晚LMI的探測能力顯著增強(qiáng)。

除此之外，還對(duì)每次雷暴過程進(jìn)行逐小時(shí)分析。結(jié)果如圖10所示，在雷暴0904、雷暴0907、雷暴0913、雷暴0914這4次過程中，地基與衛(wèi)星分別探測的閃電以及匹配的閃電數(shù)目隨時(shí)間的變化趨勢。圖11為4次雷暴過程CP與DR逐小時(shí)變化的折線圖。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知，9月4日、9月7日、9月13日、9月14日的日出時(shí)間均在6：10左右，日落時(shí)間在18：40左右。從圖10可以看出，雷暴0904與雷暴0913均是在下午15：00開始發(fā)生，在第二天的凌晨消亡。兩次雷暴過程中LMI探測數(shù)量在日落前3 h內(nèi)達(dá)到一次峰值。雷暴0904在日落前，NLMIG突然增加，從17：00開始，NCP開始上升，隨后CP也在增加。雷暴0913同樣如此，從16：00開始，NLMIG突然增加，NCP與CP同時(shí)增大。雷暴0907于晚上20：00形成，在第二天下午13：00結(jié)束。在日出之后3 h內(nèi)，NLMIG急劇下降，由824快速下降到12，NCP也急劇減小，導(dǎo)致 CP從80.92%下降到1.85%。而雷暴0914在14日下午13：35形成，在15日晚上20：00消散。雷暴過程持續(xù)時(shí)間較長，均經(jīng)歷了日出與日落過程。在14日日落前2 h內(nèi)，CP突然增加，由1.41%增加到10%，15日日落前2 h，CP同樣增大，由0.36%增加到1.09%。而在15日日出后4 h內(nèi)CP急劇下降，由9.09%下降至0.36%。此次雷暴過程的CP在日出后與日出前變化情況與之前3次雷暴過程變化趨勢相同。

如圖11所示，雷暴0904白天的CP處于0.67%～11.63%，DR處于0.044～0.197，CP均值為3.48%，DR均值為0.035。夜間的CP在3.70%～28.83%，DR在0.245～1.929，CP均值為19.47%，DR均值為1.378。在日落后CP與DR都急速增加。雷暴0907夜間的CP在7.84%～86.92%，DR在0.167～2.841。在9月4日6：11日出后，CP在3 h內(nèi)由86.92%下降至1.856%，平均每小時(shí)下降28%。DR在3 h內(nèi)由2.841減小到0.013，下降速率為0.94/h。雷暴0913白天的CP在0.41%～8.71%，DR在0.033～0.219。在9月13日日落前2 h CP由0.41%增加到8.71%，每小時(shí)增長4.15%，DR在2 h內(nèi)由0.033增加0.216，增長速率為0.092/h。雷暴0914白天的CP在0.163%～10%，DR在0.0062～0.663。夜間的CP在0.723%～14.55%，DR在0.0146～0.845。在9月14日18：31日落前2 h內(nèi)，CP由0.36%上升到1.09%，每小時(shí)增長0.365%，DR在2 h內(nèi)由0.081 7增加到0.208 3，每小時(shí)增加0.063 3。在9月15日6：13日出后，CP在4 h內(nèi)由4.19%下降至0.361%，下降速率為每小時(shí)0.957%。DR在3 h內(nèi)由0.118 9下降至0.013 8，每小時(shí)下降0.035。

綜上所述，CP與DR在日落前2 h左右會(huì)突然增加，CP增加速率平均為2.26%/h，DR增加速率平均為每小時(shí)0.077 6。此外，CP與DR在日出后3～4 h內(nèi)急劇下降，CP下降的平均速率為14.48%/h，DR下降速率平均為0.487 5/h。造成CP與DR突然變化的原因可能是日夜更替時(shí)LMIG探測數(shù)量的快速變化。并且夜晚的CP與DR都高于白天，即使在白天雷暴活動(dòng)比較活躍時(shí)，CP與DR都相對(duì)較低。

4 結(jié)論

利用低頻三維閃電探測系統(tǒng)與風(fēng)云四號(hào)閃電成像儀采集的閃電資料，對(duì)比分析2020年廣東省4次雷暴過程閃電發(fā)生的空間分布特征以及日夜變化因素對(duì)LMI探測性能的影響研究。主要結(jié)論如下。

地基與衛(wèi)星探測閃電的空間位置分布以及時(shí)間變化趨勢大致相同，兩種閃電都主要分布在云頂溫度小于210 K的對(duì)流云區(qū)域。在白天，地基探測到的閃電數(shù)量遠(yuǎn)多于衛(wèi)星探測到的閃電數(shù)量。

白天總CP與DR分別為2.36%和0.093，而夜間兩個(gè)值分別為20.6%和0.672。夜間總CP與DR分別是白天的8.50倍和7.23 倍。通過以上觀測表明，晝夜變化因素顯著影響LMI探測性能。LMI在夜間探測能力優(yōu)于白天。

在日出后3～4 h內(nèi)，CP與DR均急劇下降。CP下降的平均速率為每小時(shí)14.48%，DR下降的平均速率為每小時(shí)0.487 5。除此之外，在日落前2 h左右，CP和DR會(huì)突然增加。CP上升幅度為每小時(shí)2.26%，DR上升范圍為每小時(shí)0.077 6。研究發(fā)現(xiàn)CP與DR的突然變化主要是由日夜交替時(shí)LMI探測的雷電數(shù)目的快速變化造成的。即使白天雷暴活動(dòng)比較強(qiáng)烈，CP與DR也相對(duì)較低。

LMI在白天與夜間探測性能的差異可能和LMI閃電定位的算法有關(guān)。在白天，陽光的反射造成云層背景噪音多，增加LMI探測閃電的困難。因此，LMI的閃電定位算法在白天有待于優(yōu)化。