文剛，周仿榮，方明，錢國超，黃然，馬御棠，潘浩，姚年鵬，蔣堯，鄒斌

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責任公司，昆明 650011；3.南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室，南京 210044）

0 前言

云南氣候特征呈現(xiàn)復雜多樣[1]。除此之外，云南地勢波瀾起伏，并且境內(nèi)礦產(chǎn)豐富，使得省內(nèi)雷電活躍程度明顯高于全國水平，據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，云南境內(nèi)大部分地區(qū)平均雷暴日在80 天左右，是全國范圍內(nèi)遭受雷擊災害最嚴重的省份之一[2]。據(jù)歷年跳閘數(shù)據(jù)：云南電網(wǎng)2013-2019 年雷擊跳閘次數(shù)每年因雷擊引起的跳閘數(shù)量均大于250 條·次，雷擊災害對云南電網(wǎng)的影響頗為惡劣。快速指導運維人員查明落雷點尤為重要。當前針對閃電探測裝置主要采用南瑞生產(chǎn)的地基閃電探測站，即利用多個地基探測站同時探測空中的電磁波強度，從而確定閃電發(fā)生的位置[3]。云南電網(wǎng)現(xiàn)共有47 個地基閃電探測站，但每個地基閃電探測站覆蓋范圍有限，而且這些地基閃電探測站需要投入大量的人力、物力進行維護，每年投入的維護成本都在百萬元以上，并且每個地基閃電探測站的使用壽命有限，因此，選用一種具有廣域監(jiān)測并且維護成本低的途徑具有重要意義。

風云四號閃電成像儀（LMI）首次實現(xiàn)了對我國及周邊區(qū)域靜止軌道閃電的持續(xù)觀測[4]，并且利用基于LMI 數(shù)據(jù)可以進行遠距離、大范圍閃電監(jiān)測[5]。因此，本文提出了利用LMI 對云南高原地區(qū)進行閃電監(jiān)測性能研究工作。

1 基于LMI閃電探測工作原理

風云四號衛(wèi)星是三軸穩(wěn)定氣象衛(wèi)星，搭載的主要儀器還有多通道掃描成像輻射計、高光譜垂直探測儀、空間環(huán)境監(jiān)視儀器包等，可以實現(xiàn)15 min 地球全圓盤掃描。其中多通道掃描成像輻射計各通道的參數(shù)信息及主要用途如下表所示：參考文獻[6-8]，將紅外云頂亮溫（TBB）≤-52℃（221K）作為深對流的發(fā)生時間，以此為閾值，獲取二值圖像，即TBB ≤221K 為有深對流，取值1，TBB ＞221K 的像元取值0，對二值圖使用Canny 算子進行邊緣檢測，梯度閾值選用0.5，計算公式如下：

表1 多通道掃描成像輻射計各通道參數(shù)及主要用途

其中：▽2f(x,y) 為整理后像素(x,y) 處的灰度值，f(x,y)為具有整數(shù)像素坐標的輸入圖像。提取云團輪廓及云團中心，以15 min 為時間步長，可得云團的移動軌跡。

一般情況下，在短時間內(nèi)區(qū)域的移動可視為直線移動，所以采用Holt 雙參數(shù)線性平滑指數(shù)平滑算法，對區(qū)域未來的位置進行預測：

其中s為平滑值，R為實測值，F(xiàn)為預測值，b體現(xiàn)的是變化趨勢，α、β為權(quán)重系數(shù)，初始值 為S0=R0，b0=0，S1=R1，b1=（S1-S0）/Δt1.0。預測結(jié)果中較新的實測值比時間更早的實測值擁有更大的權(quán)重，隨著時間的遷移，權(quán)重按指數(shù)遞減。改變預測的時間長度ΔtF即可得到不同的預測結(jié)果。

2 實驗分析

本文主要選取了2020 年8 月29 日至30 日云南省境內(nèi)發(fā)生了持續(xù)性的強烈閃電過程，通過云南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)可知，這次閃電過程持續(xù)時間近22 小時。選取該時間段進行LMI在云南高原地區(qū)閃電監(jiān)測性能的評估是相當有必要的。

因風云四號的時間分辨率為15 min，考慮到閃電持續(xù)時間太長，無法對比每個時刻的閃電監(jiān)測結(jié)果，為了進一步簡化分析過程，本文以半個小時繪制一張衛(wèi)星影像圖，并給出在這段時間內(nèi)監(jiān)測到的閃電數(shù)據(jù)。圖1 所示為云南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)在2020 年8 月29 日0 時至4 時監(jiān)測到的閃電數(shù)據(jù)。通過圖1 可以看出，在此期間，在云南省境內(nèi)閃電主要發(fā)生在圖1 所示的A、B、C、D 區(qū)域，其中A、B、C、D 區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地閃數(shù)量分別為1439、576、261、353 次。

圖1 2020年8月29日0時-4時雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的山火數(shù)據(jù)

圖2 所示為風云四號14 通道的TBB 圖以及LMI 監(jiān)測的閃電分布情況，將TBB 的溫度設(shè)定區(qū)間為200 K-290 K，則對應的攝氏溫度為-73℃至17℃。從圖中不難看出，在較低溫度的云層區(qū)域處均出現(xiàn)了閃電，并且該區(qū)域內(nèi)的TBB 值均小于220K，通過文獻[9-10] 可知TBB 數(shù)值越小，意味著對流深度越大，云層越厚，按照TBB 為220K 左右，則對應的攝氏溫度為-53℃。所以每公里下降5℃來計算，該地區(qū)的云頂高度可能達到10 公里左右。

圖2 風云四號閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)

對比圖1 和圖2 可以看出，LMI 監(jiān)測到的閃電位置與云南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測閃電位置基本吻合，但是基于雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的閃電（地閃）總數(shù)為2599 個，而基于LMI 監(jiān)測到的閃電（地閃+ 云間閃）總數(shù)為775 個，在不區(qū)分地閃跟云間閃的情況下，LMI 僅是雷電定位系統(tǒng)探測效率的30%。

3 結(jié)束語

本文采用了我國新一代地球靜止軌道LMI對云南高原地區(qū)閃電監(jiān)測效果進行評估，得出以下結(jié)論：閃電發(fā)生區(qū)域與TBB 存在相關(guān)性，TBB 數(shù)值越小，對流深度較大，云層較厚，該區(qū)域易發(fā)生閃電；LMI 僅有地基閃電探測站監(jiān)測到的閃電數(shù)量的1/3；整體上來看。風云四號的閃電成像儀探測效率較低，需進一步提高風云四號的閃電探測效能。