朱杰， 程攀， 唐順仙， 王炳赟

(1.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室, 成都 610225; 2.南京氣象科技創(chuàng)新研究院, 南京 210041；3.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心)， 北京 100081；4.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心， 北京 100081； 5.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中心， 沈陽 110166)

閃電是自然界十分壯觀的天氣現(xiàn)象之一，每年爆發(fā)的閃電數(shù)量，可以達到百萬量級，給人民生活和經(jīng)濟生產(chǎn)，造成不同程度的困擾與危害。此外，高頻次的閃電活動，往往是強對流過程的“示蹤器”[1]，對于極端天氣的監(jiān)測和預(yù)警有著舉足輕重的作用。長久以來，閃電觀測為人類對閃電特性的認(rèn)識，提供了重要的數(shù)據(jù)保障，只有優(yōu)質(zhì)的閃電觀測數(shù)據(jù)，才能為相關(guān)業(yè)務(wù)和科研提供值得信賴的資料。因此，閃電數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，是一項系統(tǒng)、基礎(chǔ)且關(guān)鍵的工作，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)應(yīng)用的效果。

閃電成像儀(lightning mapping imager,LMI)是中國首枚、世界上第二枚靜止軌道星載閃電觀測設(shè)備，搭載于中國新一代靜止氣象衛(wèi)星——風(fēng)云四號A氣象衛(wèi)星(FY4A)上，能夠覆蓋地面3 200 km(緯度)×4 800 km(經(jīng)度)幅寬的區(qū)域，星下點空間分辨率可達7.8 km[2]，直接實現(xiàn)對視場范圍內(nèi)爆發(fā)的閃電初生、發(fā)展、遷移、消亡全過程不間斷跟蹤觀測，是大尺度空間范圍閃電監(jiān)測的理想手段，其數(shù)據(jù)應(yīng)用前景廣闊。然而，惡劣且未知的宇宙輻射環(huán)境、儀器自身性能的衰退或不穩(wěn)定、固有的一些設(shè)計缺陷等，都會使其獲取的數(shù)據(jù)中，包含大量的虛假數(shù)據(jù)[3]。此外，由于LMI是從云頂自上而下地對閃電產(chǎn)生的高強度、大面積“光斑”進行光學(xué)成像識別[4]，而云作為一種光學(xué)介質(zhì)，對閃電產(chǎn)生的光學(xué)信號的能量、持續(xù)時間以及時空特性等都會產(chǎn)生極大的干擾，進而直接影響到衛(wèi)星閃電探測與定位的精度。在數(shù)據(jù)處理層面，由于LMI在設(shè)計上對標(biāo)國際上首枚靜止軌道星載閃電觀測儀(geostationary lightning mapper,GLM)，同樣采用Event、Group、Flash三層級聯(lián)樹狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聚類處理方案[5]，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對其質(zhì)量控制的方法，較以往常規(guī)氣象觀測資料有所不同，需要有針對性地開展研究。

對LMI廣泛應(yīng)用于閃電及強對流過程監(jiān)測業(yè)務(wù)的Group數(shù)據(jù)(LMIG)開展基于多源數(shù)據(jù)多層次閾值判識技術(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究，通過個例分析與文獻調(diào)研，定量研究LMIG數(shù)據(jù)與強對流天氣過程云頂亮溫、地基雷達回波強度間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，動態(tài)設(shè)定判識閾值。通過實例檢驗，并與第三方數(shù)據(jù)迭代比對，優(yōu)化質(zhì)控效果，有效提升LMIG數(shù)據(jù)質(zhì)量。有助于推動中國星載閃電探測技術(shù)的探索和后續(xù)同類儀器的研制，促進LMIG數(shù)據(jù)的高質(zhì)量應(yīng)用，同時促進閃電與強對流過程、天氣氣候變化等領(lǐng)域的交叉研究。

1 中外研究現(xiàn)狀

由于目前很難建設(shè)能夠表征大尺度空間內(nèi)全部閃電活動準(zhǔn)確發(fā)生時間和地點的“絕對真值”數(shù)據(jù)集[6]，因此主要利用多個不同閃電探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的交叉比對，來開展閃電探測數(shù)據(jù)“相對”質(zhì)量評估與控制工作。

國外學(xué)者在這方面開展了一定研究。Ushio等[7]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的低軌道星載閃電探測儀(lightning imaging sensor,LIS)探測到了42個地面閃電當(dāng)中的24個，同時發(fā)現(xiàn)其云閃平均定位誤差為4.3 km，而地閃的平均定位誤差為12.2 km；Lay等[8]從探測到的閃電回擊發(fā)生的時間、地點和峰值電流強度三個方面，以巴西本地的一個地基閃電探測網(wǎng)絡(luò)為參照，比對分析了WWLLN(world wide lightning location network)在巴西的探測效率；Zhang等[9]以星載OTD/LIS系統(tǒng)為參照，對比研究了2013年美國國家雷電探測網(wǎng)(national lightning detection network，NLDN)系統(tǒng)升級完成前后半個月內(nèi)的閃電探測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)NLDN的探測效率從42.9%提升到48.7%，并分析了原因；Thompson[10]以2010年1月1日—2011年6月30日(共18個月)期間，以WWLLN、地球總閃探測網(wǎng)絡(luò)(earth networks total lightning network,ENTLN) 和星載OTD/LIS 系統(tǒng)在39°S～39°N,164°E～17°W期間的探測數(shù)據(jù)為研究對象，從季節(jié)、年份、閃電回擊電流峰值三個維度，研究了它們的數(shù)據(jù)一致性關(guān)系和探測效率的差異；Thomas等[11]發(fā)現(xiàn)LIS探測到了新墨西哥研究機構(gòu)128個放電當(dāng)中的108個，且當(dāng)他們向北移動LIS的定位位置6 km時，獲得了最優(yōu)的空間一致性；Finke等[12]認(rèn)為空間間距不大于10 km,時間間距不大于700 ms的地基閃電回擊(stroke)可以聚類為閃電(flash)，進而開展星地數(shù)據(jù)綜合比對；Boccippio等[13]研究了LIS和NLDN的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：星地數(shù)據(jù)在分析閃電的時空分布特征上保持相對較穩(wěn)定的對應(yīng)性，且星載閃電探測系統(tǒng)，在探測云閃以及地閃后期放電能力上，優(yōu)勢更突出；Rudlosky等[14]以TRMM LIS數(shù)據(jù)作為參照，對商業(yè)化運行的GLD360(global lightning dataset)全球雷電探測網(wǎng)絡(luò)的性能做了評估，發(fā)現(xiàn)在2012—2014年中，兩套數(shù)據(jù)集年際間的匹配度逐年上升，且雷電定位精度之間的差異逐年縮小，能夠與GLD360數(shù)據(jù)匹配的LIS flashes持續(xù)的時間往往更長(平均值達到了18.6 ms)，閃電輻射覆蓋的范圍也更廣(平均值達到了379.3 km2)，而未能與GLD360數(shù)據(jù)匹配的LIS flashes，往往持續(xù)時間較短，而且閃電輻射覆蓋的范圍也更小，兩項數(shù)值分別為6.1 ms和251 km2；Douglas等[15]對GLD360系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)升級及數(shù)據(jù)重處理算法優(yōu)化后，相對于NLDN的閃電探測能力做了評價，如圖1所示，升級后的GLD360探測的閃電密度遠遠高于NLDN，前者是后者的5倍多，且其平均數(shù)據(jù)獲取延遲僅為35 s，平均定位精度1 km，誤差在 0.5 km范圍內(nèi)；Maribel[16]綜合分析GLM、NLDN和GLD360系統(tǒng)，針對flash(閃電)級別的數(shù)據(jù)，在氣候?qū)W尺度強風(fēng)暴和非強風(fēng)暴較小樣本中進行了比較。結(jié)果表明：GLM的總閃探測效率在其視場邊緣有明顯的下降，且在強風(fēng)暴中，GLM的探測效率降低明顯，同時分析了光輻射能量及衛(wèi)星平臺姿態(tài)角等因素，對GLM探測效率的影響。

中國星地閃電數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的相關(guān)研究起步較晚。崔遜[17]以江蘇省閃電定位系統(tǒng)、國家雷電監(jiān)測網(wǎng)、星載OTD/LIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為比對參照，分析了全球閃電定位系統(tǒng)WWLLN在江蘇省、全國，甚至是全球的閃電探測效率和探測精度；鄧雨榮等[18]基于2005—2010年間OTD/LIS閃電探測數(shù)據(jù)，評估了同期WWLLN在全球和三大閃電高發(fā)區(qū)(非洲、南北美洲和東南亞地區(qū))的探測效率，并對其變化趨勢進行了討論；惠雯等[19]利用OTD/LIS系統(tǒng)和全國雷電定位系統(tǒng)的資料，分析了兩者在2008—2013年間觀測到的中國西南地區(qū)閃電時空分布特征差異。姚堯等[20]基于鄂西三峽一帶LIS探測數(shù)據(jù)，對相應(yīng)的地基電網(wǎng)雷電探測系統(tǒng)性能做了分析，結(jié)果表明，星地兩套系統(tǒng)在研究區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)一致性良好，對于地閃的定位誤差平均為11 km，且兩者對于不同位置發(fā)生的閃電，具有不同的探測能力。高慧婷等[3]針對LMI L0級數(shù)據(jù)中不同類型的噪聲，分別提出了不同的濾除方法，最終形成了一套LMI閃電事件虛警濾除的系統(tǒng)方法，并在兩次典型雷電過程中，通過與地基數(shù)據(jù)比對進行了驗證。陳亞芳[21]依據(jù)不同的空間像元分辨率，將LMI觀測區(qū)域進行細分，確立了不同的閃電數(shù)據(jù)聚類方案，并通過和相應(yīng)的WWLLN數(shù)據(jù)、風(fēng)云二號E星(FY2E)云頂亮溫資料比對，探討了LMI在不同時空分辨率區(qū)域的探測效力；張曉黃等[22]基于貝葉斯概率判識原理，設(shè)計了一種通用的、高效的LMI L0級數(shù)據(jù)虛假信號濾除算法，并與2017年8月8日一次典型雷暴過程中的同期WWLLN數(shù)據(jù)、FY2E云頂亮溫數(shù)據(jù)、雷達回波資料進行了交叉比對驗證。

圖1 系統(tǒng)升級與數(shù)據(jù)重處理算法優(yōu)化后，GLD360系統(tǒng)與NLDN系統(tǒng)探測到的閃電密度對比Fig.1 Comparison of lightning density detected by GLD360 system and NLDN system after system upgrade and data reprocessing algorithm optimization

從以上中外的相關(guān)研究可以看出，對于以LMI為代表的中國靜止軌道星載閃電成像儀觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量控制方法探索，依然任重道遠。在此背景下，對于LMI廣泛應(yīng)用于強對流天氣臨近預(yù)警業(yè)務(wù)、中國地區(qū)閃電活動特征監(jiān)測業(yè)務(wù)的L2 級1 min定量Group數(shù)據(jù)(LMIG)，開展質(zhì)量控制技術(shù)研究。

2 質(zhì)量控制技術(shù)

海量的LMI星載閃電觀測數(shù)據(jù)，首次提供了衛(wèi)星“視角”下中國及周邊海域內(nèi)的閃電活動特征信息，為相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用與科學(xué)研究，提供了重要的資料保證。這些新資料的質(zhì)量，是其有效應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)[23]，因此，對其開展系統(tǒng)的質(zhì)量控制，尤為重要。

如前所述，衛(wèi)星閃電觀測系統(tǒng)的特點，決定了星載閃電資料的質(zhì)量控制難度較大，且與以往氣象觀測資料質(zhì)量控制方法有所不同[24]，因此需要有針對性地開展研究?；贚MI的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織關(guān)系，對于LMIG數(shù)據(jù)，依托閃電活動與強天氣過程間的耦合關(guān)系，通過典型實例，構(gòu)建判識閾值集合，提出了基于多源氣象資料的多層次質(zhì)量控制方法。此外，將質(zhì)控后的數(shù)據(jù)與商業(yè)第三方數(shù)據(jù)比對，對質(zhì)控效果評估及優(yōu)化，進一步剔除誤差數(shù)據(jù)，更全面、更系統(tǒng)地提升LMI數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的質(zhì)量。同時挖掘了星載閃電數(shù)據(jù)對強對流天氣預(yù)測的指示意義，更好地促進對LMI數(shù)據(jù)的認(rèn)識和應(yīng)用，更好地推動我國星載閃電觀測數(shù)據(jù)的高質(zhì)量應(yīng)用。

2.1 質(zhì)量控制技術(shù)框架

基于“星地兩種大尺度空間閃電觀測手段的關(guān)聯(lián)性”“強對流天氣云頂亮溫的分布特征與其所伴隨的閃電活動之間的關(guān)聯(lián)性”“雷達回波強度變化特征與閃電發(fā)生的關(guān)聯(lián)性”等依據(jù)，遵從“相同時空區(qū)間關(guān)聯(lián)氣象資料內(nèi)部一致性檢查”的總體思想，結(jié)合文獻研究與實例分析，選取強對流天氣過程多源資料一致性判識閾值，設(shè)計基于多源資料的多層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架，如圖2所示。

首先，依據(jù)不同的存儲路徑，依次讀取所需多源資料：LMIG數(shù)據(jù)、國家雷電監(jiān)測網(wǎng)地基閃電觀測數(shù)據(jù)、新一代多普勒天氣雷達回波強度數(shù)據(jù)、FY-4A衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計(advanced geosynchronous radiation imager,AGRI)L1級數(shù)據(jù)(分辨率4 km)中提取的云頂亮溫(temperature of brightness blackbody,TBB)數(shù)據(jù)、維薩拉GLD360全球閃電探測中國區(qū)域資料(DEMO版)。其次，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。在星地海量觀測數(shù)據(jù)中，完成時區(qū)統(tǒng)一、衛(wèi)星資料行列號與經(jīng)緯度的轉(zhuǎn)換，提取“一致性分析”時空區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息。基于敏感度實驗，選取星地閃電探測數(shù)據(jù)時間間隔≤1 s，空間經(jīng)度間隔≤0.2°、緯度間隔≤0.2°，作為兩者一致性分析的時空窗口，即在此范圍，認(rèn)為星地是對同一次閃擊過程的探測，具有比對研究價值。

圖2 基于多源資料的多層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架Fig.2 Multi-level LMI data quality control technology framework based on multi-source data

將時間間隔前后10 min之內(nèi)，空間間隔為0.05°×0.05°網(wǎng)格，作為TBB資料、雷達回波強度資料與LMI資料一致性分析的區(qū)間。上述工作完成后，開展三個層次的LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制進程。第一次質(zhì)量控制，將LMI資料，與國家雷電監(jiān)測網(wǎng)地基閃電資料按時空窗口，進行逐一滑動比對，若兩者匹配成功，則認(rèn)為該閃電同時被星地閃電探測系統(tǒng)捕獲，LMI探測的數(shù)據(jù)是真實的閃電數(shù)據(jù)，否則啟動第二層次質(zhì)控進程；第二次質(zhì)量控制，為減少星地閃電探測系統(tǒng)的差異性產(chǎn)生的“漏檢”現(xiàn)象，需要在行列信息與經(jīng)緯度的轉(zhuǎn)換后，將星載閃電數(shù)據(jù)與同期FY-4A AGRI提供的對流云團TBB信息進行疊加比對，通過閾值判識，識別出被漏檢的真實閃電數(shù)據(jù)；第三次質(zhì)量控制，將星載閃電數(shù)據(jù)與同過程雷達回波強度資料進行比對，若滿足判識閾值，則認(rèn)為是真實閃電數(shù)據(jù)；若不滿足閾值的數(shù)據(jù)，暫定為虛假閃電數(shù)據(jù)。最后，因維薩拉GLD360全球閃電探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)是獨立的商業(yè)化雷電探測數(shù)據(jù)，擁有嚴(yán)苛且穩(wěn)定的質(zhì)量把控流程，且與LMI一樣，能夠?qū)崟r不間斷地探測所覆蓋的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部全部閃電類型(總閃)，故將其作為比對的參考真值，認(rèn)為其能夠獲得相對所有的真實閃電信息。將第三層次質(zhì)控后，被暫定為虛假的閃電數(shù)據(jù)，與同期維薩拉GLD360數(shù)據(jù)比對。若依然有匹配成功的數(shù)據(jù)，則返回第二層次和第三層次，調(diào)整TBB資料和雷達回波強度資料進行閃電判識的閾值，經(jīng)過不斷的迭代比對，直至LMI數(shù)據(jù)與維薩拉數(shù)據(jù)匹配穩(wěn)定，則質(zhì)控算法收斂，完成星載閃電數(shù)據(jù)質(zhì)量控制全部進程。

2.2 多源資料判識閾值選取

如前所述，基于多源資料的多層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架中，F(xiàn)Y4A TBB資料和雷達回波強度資料與真實星載閃電數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)判識閾值的選取，至關(guān)重要，直接關(guān)系著數(shù)據(jù)質(zhì)控的科學(xué)性。

因此，為了更科學(xué)地設(shè)定判識閾值，基于一次典型天氣過程中，星地閃電觀測數(shù)據(jù)、同期FY4A AGRI TBB數(shù)據(jù)、雷達回波數(shù)據(jù)，通過綜合分析，挖掘它們之間的“一致性”關(guān)聯(lián)，同時結(jié)合大量文獻研究，綜合設(shè)定適當(dāng)?shù)嘏凶R閾值。

以2018年6月13日發(fā)生在山東北部地區(qū)的一次降雹過程為例開展綜合分析。2018年6月13日5:00—23:00(北京時間，下同)，受華北冷渦影響，環(huán)流低層暖濕高層干冷，山東出現(xiàn)一次大范圍強對流冰雹天氣過程：8:00時500 hPa冷渦中心位于河北北部，山東處于冷渦的東南象限，冷渦隨后從內(nèi)蒙古中部經(jīng)山西和河北，攜帶強烈的干冷空氣侵入山東；850 hPa溫度脊位于河北東北部，經(jīng)山東進入河南境內(nèi)，20 ℃的暖中心位于魯、豫、皖、蘇四省交界處。受其影響，西北部、中部和山東半島南部出現(xiàn)大范圍8級以上的雷雨大風(fēng)，其中青島站最大風(fēng)速達12級(極值風(fēng)速34.8 m/s)，并觀測到10次冰雹過程。

圖3給出了此次強對流過程中6個時次FY4A TBB分布與該時刻前后各30 min內(nèi)，星載閃電數(shù)據(jù)的疊加?？梢钥吹?，TBB分布的變化趨勢，與閃電活動有著較強的關(guān)聯(lián)。在TBB≤-32 ℃的小范圍區(qū)域，對流活動初生，同期的閃電活動零星發(fā)生，且星地探測到的閃電活動發(fā)生位置基本一致。隨著對流強度的進一步增加，當(dāng)TBB≤-55 ℃時，北部對流云逐漸增多，對流活動逐漸旺盛，閃電活動頻次也明顯增加，同時地面開始觀測到冰雹，地面降雹處(山東省濱州市無棣縣)位于TBB梯度較大且地閃密集區(qū)域。隨著對流活動區(qū)域逐漸南移，山東省濱州市陽信縣觀測到地面降雹，TBB低值范圍進一步擴大，同期閃電活動也更加頻繁，其中衛(wèi)星閃電密集區(qū)位于地閃密集區(qū)東側(cè)。隨著對流天氣系統(tǒng)逐漸向東南方移動，對流云團面積進一步擴大，TBB更低，最低極值達-60.3 ℃，可以看出，-40 ℃以下的TBB低值區(qū)連成NE-SW向的深對流活動帶，此階段對流活動最為活躍，降雹過程最為顯著，共觀測到8站次冰雹，主要集中于閃電密集區(qū)內(nèi)部或周邊。隨后，對流系統(tǒng)繼續(xù)向東南移動，TBB≤-42 ℃的面積不斷減小，對流活動也逐漸減弱，相應(yīng)的閃電活動也開始減少。

“○”為星載LMI觀測的閃電次數(shù)；“+”“-”分別為地基觀測的正負地閃次數(shù)；“◇”為冰雹發(fā)生處圖3 FY-4A云頂亮溫TBB與其前后30 min內(nèi)星地觀測的閃電分布Fig.3 FY-4A Temperature of brightness blackbody and the lightning distribution satellite-based and ground-based within 30 minutes

圖4給出了6個典型時刻的多普勒雷達回波強度疊加對應(yīng)時刻前 6 min內(nèi)的閃電活動分布，可以發(fā)現(xiàn)二者之間存在較好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。降雹發(fā)生前，濱州西北部地區(qū)約50 km處，有一塊對流云團快速向東北方向發(fā)展，最大回波強度>55 dBz，星地觀測到的閃電活動分別位于強回波中心的前方和中心位置處。降雹期間，濱州西北部陽信縣雷達回波強度超過60 dBz，且向東北方向移動的強回波強中心前端的回波強度梯度增大，此時星地觀測到的閃電頻數(shù)均顯著增加，陽信縣開始出現(xiàn)冰雹；隨著高于45 dBz的雷達強回波區(qū)域不斷加強并向南移動，60 dBz以上的超強雷達回波區(qū)面積繼續(xù)加大，星載LMI觀測的閃電活動密集地出現(xiàn)在強回波中心的前方。隨著降雹過程進入尾聲，強雷達回波帶逐漸移出濱州，高于45 dBz的強回波區(qū)也隨之移出濰坊，此時星地觀測的閃電活動頻數(shù)呈明顯下降的趨勢。

“○”為星載LMI觀測的閃電次數(shù)；“-”為地基觀測的負地閃次數(shù)；“+”為地基觀測的正地閃次數(shù)圖4 雷達回波強度與星地觀測的閃電分布間的關(guān)系Fig.4 The relationship between radar echo intensity and lightning distribution satellite-based and ground-based

此外，如圖5所示，分別對2019年8月9日LMI數(shù)據(jù)中，10:00—11：00、17：00—18：00、22：00—23：00(均為北京時間)三個典型時段對應(yīng)的TBB小時累積概率變化進行分析，發(fā)現(xiàn)90%以上的閃電活動，都分布于小于或等于-33 ℃(240 K)云頂亮溫的區(qū)間內(nèi)。

因此，結(jié)合典型個例分析與大量文獻成果，本文將240 K作為基于TBB對LMI質(zhì)量控制的判識閾值，若小于等于該值，則判定同期觀測的LMI閃電數(shù)據(jù)真實，否則判定為虛假；將35 dBz作為基于雷達回波強度對LMI質(zhì)量控制的判識閾值，若大于該值，則判定同期觀測的LMI閃電數(shù)據(jù)真實，否則判定為虛假。此外，考慮到不同天氣過程個例間的差異性，本文確立動態(tài)閾值方案，通過不斷地迭代，靈活修正閾值，實現(xiàn)閾值的定制化調(diào)整，以提升質(zhì)控算法的科學(xué)性和適應(yīng)性。

圖5 不同時段小時TBB值累積概率變化曲線Fig.5 Cumulative probability change curve of hourly TBB value at different time periods

3 質(zhì)量控制實驗

以2019年8月9日17：00—18：00(北京時間，下同)LMI探測的中國閃電LMIG L2定量數(shù)據(jù)(共計3 759個樣本數(shù)據(jù))為例，依據(jù)前文述質(zhì)量控制技術(shù)框架及判識閾值，開展基于多源資料的多層次數(shù)據(jù)質(zhì)量控制實驗，其結(jié)果顯示：針對3 759個LMI閃電觀測樣本數(shù)據(jù)，第一次質(zhì)控，保留了2 885個閃電數(shù)據(jù)，認(rèn)為其同時被中國星地閃電觀測系統(tǒng)觀測到，為真實的閃電數(shù)據(jù)，有效閃電探測數(shù)據(jù)占比76.75%；；第二次質(zhì)控，在第一次質(zhì)控剔除的虛假數(shù)據(jù)中“找回”漏檢的133個真實閃電數(shù)據(jù)，有效閃電探測數(shù)據(jù)占比提升至80.29%；第三次質(zhì)控，在第二次質(zhì)控剔除的虛假數(shù)據(jù)中“找回”漏檢的46個數(shù)據(jù)，滿足相應(yīng)的雷達回波強度判識閾值，因而重新被判定為真實閃電數(shù)據(jù)，有效閃電探測數(shù)據(jù)占比上升為81.51%。

將上述三次質(zhì)控的結(jié)果(共計3 064個真實閃電數(shù)據(jù))，與獨立運行的商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)——維薩拉GLD360全球雷電定位系統(tǒng)同時空區(qū)間的探測數(shù)據(jù)進行比對，對質(zhì)控效果不斷迭代優(yōu)化。

將兩類閃電觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過時區(qū)統(tǒng)一、經(jīng)緯度與行列號轉(zhuǎn)換等一系列預(yù)處理后，不斷調(diào)整質(zhì)控判識條件的閾值，按照時空一致性區(qū)間，進行匹配分析。通過分析6次迭代過程，兩種閃電數(shù)據(jù)的分布比對情況可以看出，隨著TBB與雷達回波強度判識閾值的不斷調(diào)整，經(jīng)過6次迭代后，兩套系統(tǒng)閃電探測數(shù)據(jù)匹配成功的比例從開始的41.48%穩(wěn)步提升，直至達到81.33%時，匹配成功的比例不再隨著判識閾值的改變而變化，算法收斂。收斂時，采用的TBB質(zhì)控判識閾值為242 K，雷達回波強度質(zhì)控判識閾值為37 dBz。即經(jīng)過多源資料的多層次質(zhì)量控制，識別并剔除了LMI觀測數(shù)據(jù)中約18.67%的虛假數(shù)據(jù)。此外，可以看出，算法收斂時，LMI最終所保留的有效閃電數(shù)據(jù)與維薩拉數(shù)據(jù)在中國境內(nèi)的匹配度較高，而匹配失敗的數(shù)據(jù)，主要分布于中國境外周邊區(qū)域，這與LMI探測效率在視場邊緣有所下降有一定的關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

可信賴的閃電星載觀測數(shù)據(jù)，是相關(guān)氣象科學(xué)研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用的首要保證。由于LMI是中國首枚、世界領(lǐng)先的星載閃電光學(xué)觀測載荷，其數(shù)據(jù)級別的復(fù)雜性和特殊性，需要開展有針對性的質(zhì)量控制研究?；贚MI的數(shù)據(jù)組織關(guān)系，對于其LMIG L2級數(shù)據(jù)，提出了一種基于多源氣象資料的多層次質(zhì)量控制方法。通過典型個例分析與大量文獻調(diào)研，確立多源資料不同的判識閾值，再分別基于同期地基國家雷電監(jiān)測網(wǎng)閃電觀測資料、FY4A衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)資料、新一代多普勒天氣雷達回波強度資料，構(gòu)建星地多源資料三層次LMI數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)框架，避免了“過度質(zhì)控”。并通過與第三方數(shù)據(jù)比對，不斷調(diào)整判識閾值，不斷優(yōu)化算法，直至收斂。此外，通過實例，驗證了該質(zhì)控技術(shù)的有效性和可行性。

當(dāng)然，由于不同個例間的差異性較大，所確立的質(zhì)控判識閾值僅僅適用于本研究的樣本數(shù)據(jù)，為了提高算法的靈活性和科學(xué)性，通過修改程序參數(shù)，質(zhì)控判識閾值可以根據(jù)不同天氣過程的數(shù)據(jù)特征進行自主設(shè)定并輔以驗證。

本文工作為中國星載閃電探測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供了思路，為下一代衛(wèi)星閃電成像儀研制技術(shù)的提升提供了參考，有助于推動中國星載閃電探測技術(shù)的發(fā)展和多源數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。