FY-4A與ADTD閃電資料對(duì)比分析初探*

徐震宇 崔雪東 顧 媛

(浙江省氣象安全技術(shù)中心,浙江 杭州 310008)

0 引 言

閃電是自然界中常見(jiàn)的，伴隨著聲、光、電的一種天氣現(xiàn)象,具有電磁輻射強(qiáng)、電流強(qiáng)度大、瞬時(shí)電壓高等特點(diǎn)[1],給人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失越來(lái)越大[2]。提升閃電監(jiān)測(cè)技術(shù)、充分認(rèn)識(shí)閃電活動(dòng)特征對(duì)雷電防護(hù)具有重要意義。近年來(lái),許多學(xué)者利用地基閃電(以下簡(jiǎn)稱(chēng)地閃)探測(cè)儀探測(cè)的地閃數(shù)據(jù)來(lái)分析閃電的時(shí)空特征[3-4]。

隨著科技的進(jìn)步,衛(wèi)星閃電探測(cè)正從采用低軌道衛(wèi)星光學(xué)瞬態(tài)探測(cè)儀和閃電成像儀[5]向采用靜止衛(wèi)星閃電成像儀發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)閃電的實(shí)時(shí)、連續(xù)觀(guān)測(cè)。FY-4A靜止氣象衛(wèi)星于2016年12月11日發(fā)射升空,其上搭載的閃電成像儀(LMI),采用的是電子耦合器件(CCD)面陣和光學(xué)成像技術(shù),中心波長(zhǎng)為777.4 nm,星下點(diǎn)空間分辨率為7.8 km,對(duì)觀(guān)測(cè)區(qū)域內(nèi)包括云閃、云間閃、云—地閃在內(nèi)的總閃電進(jìn)行凝視觀(guān)測(cè),每年從春分到秋分觀(guān)測(cè)中國(guó)地區(qū),其他時(shí)間觀(guān)測(cè)印度洋和澳大利亞西部地區(qū)[6]。目前FY-4A閃電探測(cè)資料主要用于強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)等方面[7-8],針對(duì)資料特征和質(zhì)量的分析研究較少。本文利用2018—2020年浙江省夏季(6—8月)的FY-4A閃電探測(cè)資料,結(jié)合浙江省ADTD閃電定位系統(tǒng)地閃數(shù)據(jù),對(duì)比分析浙江省夏季閃電活動(dòng),為今后在業(yè)務(wù)中使用該資料提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

閃電成像儀1 min事件產(chǎn)品(LMIE)是FY-4A LMI提供的L2級(jí)產(chǎn)品,是CCD面陣探測(cè)的閃電光輻射透過(guò)云層的發(fā)光現(xiàn)象,是經(jīng)過(guò)背景去除、虛假事件濾除等一系列處理后得到的最基本的閃電信號(hào)單元,包含了發(fā)生時(shí)間、經(jīng)度、緯度、光輻射強(qiáng)度和質(zhì)量控制參數(shù)等信息,一個(gè)信號(hào)單元定義為一次閃電“事件”[6],目前可獲取2018年3月12日之后的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)可從國(guó)家衛(wèi)星氣象中心獲取。

浙江省ADTD閃電定位系統(tǒng)由11個(gè)觀(guān)測(cè)站組成,自2007年始并入全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)運(yùn)行至今。該系統(tǒng)的探測(cè)效率為80%～90%,平均探測(cè)范圍為300 km,側(cè)向誤差為0.5°[9],與電力部門(mén)閃電定位系統(tǒng)[10]、雷擊跳閘數(shù)據(jù)對(duì)比分析[11],以及與雷達(dá)回波對(duì)比分析[12]，結(jié)果表明該系統(tǒng)探測(cè)精度較好。本文使用與LMIE相同時(shí)段的浙江省地閃資料,包括發(fā)生時(shí)間、經(jīng)度、緯度、電流強(qiáng)度、陡度、誤差、定位方式等信息,利用GB/T 37047—2018[13]的地閃歸集方法處理得到地閃數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)比分析LMIE的變化特征。

本文定義整點(diǎn)時(shí)刻后1 h內(nèi)發(fā)生的閃電為小時(shí)閃電。

閃電密度為閃電次數(shù)除以統(tǒng)計(jì)面積,表征某地區(qū)閃電發(fā)生的頻繁程度。本文使用網(wǎng)格法計(jì)算閃電密度,取樣范圍為0.05°×0.05°。

為了消除LMIE與地閃之間頻次差距帶來(lái)的影響,本文對(duì)閃電密度進(jìn)行歸一化處理。歸一化是將有量綱的數(shù)值經(jīng)過(guò)變換,化為無(wú)量綱的數(shù)值,進(jìn)而消除各指標(biāo)的量綱差異,計(jì)算公式為:

式中,x′為歸一化后的數(shù)據(jù);x為樣本數(shù)據(jù);xmin為樣本數(shù)據(jù)中的最小值;xmax為樣本數(shù)據(jù)中的最大值。

2 結(jié) 果

2.1 年際、月際變化

表1為2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃頻次及占比統(tǒng)計(jì)表。由表1可知,閃電“事件”頻次逐年下降,2018年的頻次最高,達(dá)10萬(wàn)多次;從月分布來(lái)看,2018年、2019年6月和8月的閃電“事件”頻次均比同年7月的高,兩者總和占到了當(dāng)年夏季總頻次的70%以上;2020年相反,7月的最高,超過(guò)了6月和8月的總和,占當(dāng)年夏季的52.57%;從3 a的平均結(jié)果來(lái)看,逐月閃電“事件”頻次相當(dāng)。地閃總頻次逐年上升,2020年達(dá)到了22萬(wàn)多次,比2019年同期增加了約30%;從月統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,2018年、2020年7月地閃頻次占比最高,超過(guò)了50%,8月地閃頻次占比為夏季最低。

表1 2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃頻次(單位:次)及占比(單位:%)統(tǒng)計(jì)表

LMI根據(jù)閃電光輻射在777.4 nm中性氧原子近紅外吸收譜線(xiàn)最強(qiáng)這一特征[7]，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)包括云閃、地閃在內(nèi)的閃電的光學(xué)探測(cè),探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸出為最基本的閃電“事件”,即LMIE,并可在此基礎(chǔ)上通過(guò)聚類(lèi)等方法生成代表地閃回?fù)艋蛟崎WK變化的閃電“組”,理論上閃電“事件”頻次應(yīng)高于同時(shí)段地閃頻次,但浙江省夏季閃電“事件”在數(shù)量上遠(yuǎn)低于地閃,頻次占比的變化規(guī)律也不盡相同?？赡苁切l(wèi)星閃電成像儀對(duì)云閃更加敏感[14],而且閃電光輻射在云層中傳輸會(huì)發(fā)生衰減,導(dǎo)致到達(dá)云頂?shù)拈W電光輻射信號(hào)較弱,衛(wèi)星閃電成像儀并未認(rèn)定其為閃電信號(hào)。

2.2 日變化

由圖1a可知,浙江省夏季閃電“事件”的發(fā)生頻次存在明顯的日變化,呈單峰形式,高值區(qū)總體在15—20時(shí),峰值出現(xiàn)在17時(shí),占比為14.22%;谷值出現(xiàn)在10時(shí),占比為0.88%。從歷年情況來(lái)看,每年的頻次高值區(qū)都不相同,2018年峰值出現(xiàn)在17時(shí),占比為21.15%;2019年峰值出現(xiàn)在18時(shí),占比為8.21%;2020年峰值出現(xiàn)在19時(shí),占比為22.45%。峰值出現(xiàn)時(shí)間逐年推遲,且2018年和2020年的峰值占比明顯高于2019年的,說(shuō)明這兩年閃電“事件”的發(fā)生時(shí)間更為密集。對(duì)地閃頻次日變化(圖1b)分析發(fā)現(xiàn),地閃的歷年變化情況基本相同,高值區(qū)主要在午后和傍晚,峰值時(shí)間出現(xiàn)在16時(shí),占比為14.09%。通過(guò)對(duì)比兩者頻次占比日變化發(fā)現(xiàn),閃電“事件”頻次占比日變化相比地閃而言年際差異較大,其頻次的峰值時(shí)間較地閃的要晚幾個(gè)小時(shí)?？赡苁堑亻W常集中發(fā)生在對(duì)流天氣過(guò)程旺盛階段,而在過(guò)程消散階段的閃電類(lèi)型主要為云閃[7],地閃頻次的峰值時(shí)間要早于閃電“事件”的。

圖1 2018—2020年浙江省夏季閃電頻次占比日變化曲線(xiàn)(a.閃電“事件”、b.地閃)

2.3 強(qiáng)度分布

通過(guò)對(duì)逐年閃電“事件”和地閃的強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”平均光輻射強(qiáng)度日變化曲線(xiàn)(圖2a)總體呈單峰形式,且較為對(duì)稱(chēng),白天平均光輻射強(qiáng)度較大,夜間較小,高值區(qū)在09—13時(shí),最大值在11時(shí);而地閃平均電流強(qiáng)度(圖2b),在一天中雖有波動(dòng),但強(qiáng)度值變化不大。閃電“事件”平均光輻射強(qiáng)度白天較高,可能是白天的背景光較為強(qiáng)烈。只有當(dāng)光輻射強(qiáng)度超過(guò)背景光的閃電信號(hào)時(shí)，才有可能被認(rèn)定為閃電“事件”,這導(dǎo)致白天探測(cè)的都是光輻射強(qiáng)度較高的信號(hào)。

圖2 2018—2020年浙江省夏季閃電強(qiáng)度日變化曲線(xiàn)(a.閃電“事件”平均光輻射強(qiáng)度、b.地閃平均電流強(qiáng)度)

由圖2可知,閃電“事件”與地閃的強(qiáng)度日變化特征完全不同,衛(wèi)星探測(cè)的是光輻射強(qiáng)度,而地基閃電儀探測(cè)的是電流強(qiáng)度,這兩者之間是否存在某種聯(lián)系,目前尚不明確,仍需進(jìn)一步研究。

2.4 空間分布

圖3為2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃平均密度歸一化空間分布圖。由圖3a可知,浙江省閃電“事件”存在較為明顯的地域性差異,南部地區(qū)密度高于北部地區(qū)密度,高密度區(qū)呈若干片狀分布和零星點(diǎn)狀分布。片狀主要分布在衢州南部、麗水中部和東部、溫州東北部和中西部以及臺(tái)州南部等。與地閃密度空間分布(圖3b)對(duì)比分析可知,兩者的密度空間分布特征總體一致,但分布范圍不盡相同,地閃密度高值區(qū)范圍更廣,具體原因仍有待進(jìn)一步分析研究。

圖3 2018—2020年浙江省夏季閃電“事件”和地閃平均密度歸一化空間分布圖(a.閃電“事件”、b.地閃;審圖號(hào):浙S(2020)17號(hào))

2.5 個(gè)例分析

2019年6月30日是近3a浙江省地閃頻次最多的一天,當(dāng)日浙江省有一次較強(qiáng)的雷陣雨過(guò)程,部分地區(qū)有短時(shí)暴雨、強(qiáng)雷電、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣,本文選取當(dāng)日發(fā)生的閃電“事件”和地閃進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖4可知,當(dāng)日發(fā)生閃電“事件”6183次,發(fā)生地閃26667次,兩者的頻次相差較大,且在整個(gè)對(duì)流天氣過(guò)程中,地閃(14時(shí))比閃電“事件”(19時(shí))頻次達(dá)到峰值時(shí)間更早,這與表1以及圖1得出的結(jié)論相一致。

圖4 2019年6月30日浙江省閃電“事件”和地閃頻次日變化

圖5為2019年6月30日浙江省閃電密度空間分布。由圖5可知，2019年6月30日閃電“事件”與地閃密度在空間分布上相差較大,閃電“事件”密度的高值區(qū)主要位于杭州西南部、麗水東部、金華東部、紹興南部以及臺(tái)州東部,而地閃密集區(qū)主要位于杭金衢交界處、衢州南部、金華南部和東部、麗水、臺(tái)州和溫州等地,其分布范圍與閃電“事件”相比差異較大,這與圖3得出的結(jié)論相一致。

圖5 2019年6月30日浙江省閃電密度空間分布(單位：次/(0.05°×0.05°))(a.閃電“事件”、b.地閃;審圖號(hào):浙S(2020)17號(hào))

3 結(jié) 論

本文基于2018—2020年浙江省夏季(6—8月)的FY-4A LMIE數(shù)據(jù)和浙江省ADTD地閃數(shù)據(jù),對(duì)比分析了兩種閃電資料的時(shí)間、空間和強(qiáng)度特征,得出以下結(jié)論。

(1)在日變化上,兩者均集中發(fā)生在午后和傍晚,但閃電“事件”的頻次峰值時(shí)間與地閃的相比要晚若干個(gè)小時(shí);在年際變化上,近3 a浙江省夏季閃電“事件”頻次逐年遞減,與地閃頻次變化相反,具體原因仍有待進(jìn)一步分析。

(2)閃電“事件”與地閃的密度空間分布特征總體一致,浙南地區(qū)密度高于浙北地區(qū)密度,但兩者的高值區(qū)的分布范圍差異較大,地閃密度高值區(qū)的分布范圍更廣。

(3)閃電“事件”光輻射強(qiáng)度日變化特征明顯,白天的光輻射強(qiáng)度顯著高于夜間的光輻射強(qiáng)度,其與地閃電流強(qiáng)度是否存在聯(lián)系尚未明確,仍需進(jìn)一步研究。