張萍萍 劉文婷 章翠紅 明紹慧 董良鵬

1 山東省威海市氣象局，威海 264200 2 武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074

提 要： FY-4閃電成像儀(lightning mapping imager，LMI)能夠?qū)﹂W電活動(dòng)進(jìn)行連續(xù)不間斷的觀測(cè)，在強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中具有很大的應(yīng)用潛力。以2019年5月25日強(qiáng)降水過(guò)程為研究個(gè)例，利用FY-4 LMI資料、ADTD(advanced time of arrival and direction)系統(tǒng)資料、FY-4紅外云圖資料、雷達(dá)資料和其他常規(guī)觀測(cè)資料，研究FY-4 LMI數(shù)據(jù)在不同性質(zhì)、不同演變階段對(duì)流系統(tǒng)的觀測(cè)特征。結(jié)果表明：在對(duì)流迅速發(fā)展的初期，LMI閃電觀測(cè)出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測(cè)的特征，并且鋒面降水階段中這種超前特征持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)一些；無(wú)論是暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，當(dāng)同時(shí)刻LMI閃電觀測(cè)位于當(dāng)前對(duì)流云團(tuán)移動(dòng)的前方時(shí)，未來(lái)1小時(shí)內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)明顯的云頂溫度變率，積云有發(fā)展趨勢(shì)；當(dāng)雷達(dá)反射率垂直剖面上最強(qiáng)回波出現(xiàn)向移動(dòng)方向前傾結(jié)構(gòu)時(shí)，LMI閃電觀測(cè)往往出現(xiàn)在雷達(dá)觀測(cè)對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)方向的前方，此時(shí)LMI閃電觀測(cè)對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變有較好的提前指示意義；而當(dāng)雷達(dá)反射率垂直剖面上最強(qiáng)回波出現(xiàn)準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)時(shí)，LMI閃電觀測(cè)往往與雷達(dá)觀測(cè)對(duì)流系統(tǒng)較重合，此時(shí)LMI閃電觀測(cè)對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的提前指示意義偏弱。

引 言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著電子、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于云頂閃電光學(xué)輻射的時(shí)空特征和光譜特征有了更新的認(rèn)識(shí)，星載閃電觀測(cè)技術(shù)有了很大發(fā)展和進(jìn)步。根據(jù)衛(wèi)星所處軌道高度不同，衛(wèi)星閃電觀測(cè)分為低軌道衛(wèi)星(極軌衛(wèi)星)平臺(tái)閃電觀測(cè)和高軌道衛(wèi)星(靜止衛(wèi)星)平臺(tái)閃電觀測(cè)。前者以裝載于熱帶降水測(cè)量計(jì)劃任務(wù)衛(wèi)星(TRMM)上的閃電成像儀(lightning imaging sensor，LIS)為代表，其觀測(cè)資料被廣泛應(yīng)用。Boccippio et al(2002)利用LIS分析了全球閃電活動(dòng)及其地域差異。Ma et al(2004)分別對(duì)中國(guó)及周邊閃電密度的氣候分布進(jìn)行了研究，郄秀書(shū)和Toumi(2003)利用LIS資料分析了青藏高原雷電活動(dòng)特征。戴建華等(2005)利用LIS資料分析了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的閃電時(shí)空分布特征。袁鐵和郄秀書(shū)(2010)利用LIS資料對(duì)一次發(fā)生在中國(guó)華南的強(qiáng)颮線研究發(fā)現(xiàn)，颮線系統(tǒng)附近閃電活動(dòng)較一般雷暴要活躍得多。

由于LIS觀測(cè)精度受軌道周期的限制，只能提供區(qū)域內(nèi)平均意義上的閃電分布信息,而靜止衛(wèi)星閃電成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)閃電的連續(xù)監(jiān)測(cè)，是衛(wèi)星閃電觀測(cè)的新方向。2016年底我國(guó)自主研制并發(fā)射了新一代靜止衛(wèi)星FY-4，其上搭載的閃電成像儀(lightning mapping imager，LMI)在儀器研究和產(chǎn)品生成算法等方面都處于國(guó)際前沿，具有廣闊的應(yīng)用前景(梁華等，2017)。FY-4衛(wèi)星是我國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星，第一顆星被命名為FY-4A，為科研試驗(yàn)衛(wèi)星，于2016年12月11日成功發(fā)射。FY-4A采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制的大型遙感平臺(tái)，裝載多種有效載荷，包括多通道掃描成像輻射計(jì)、干涉式大氣垂直觀測(cè)儀、LMI及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器(張鵬等，2016)。其中LMI數(shù)據(jù)利用閃電光輻射在777.4 mm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)閃電的分鐘級(jí)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)光學(xué)觀測(cè)(曹冬杰，2016)，能夠?qū)﹂W電、強(qiáng)對(duì)流等進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)由于LMI是在云頂觀測(cè)閃電，觀測(cè)包括云閃、云間閃和地閃在內(nèi)的總閃電(徐國(guó)強(qiáng)等，2020)，且對(duì)云閃更加敏感，而云閃信息也更具有強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的預(yù)警意義。因此FY-4星載LMI產(chǎn)品對(duì)于研究強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，實(shí)現(xiàn)雷暴預(yù)警和預(yù)報(bào)、對(duì)流初生判斷、強(qiáng)風(fēng)暴活動(dòng)的提前預(yù)警等有重要的應(yīng)用價(jià)值。支樹(shù)林等(2019)對(duì)2018年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)颮線過(guò)程的FY-4A閃電資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)伴隨的雷暴大風(fēng)大都發(fā)生在衛(wèi)星閃電密集區(qū)的前沿；張曉蕓等(2019)將FY-4閃電資料與地基閃電進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并研究了融合產(chǎn)品在廈門(mén)一次強(qiáng)降水預(yù)警中的作用。任素玲等(2020)研究認(rèn)為FY-4A LMI產(chǎn)品較地面閃電觀測(cè)產(chǎn)品能夠觀測(cè)到更多的閃電。王清平等(2019)發(fā)現(xiàn)FY-4衛(wèi)星的閃電定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能更好地識(shí)別強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)分布范圍。由于LMI產(chǎn)品投入業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)間非常短，相關(guān)產(chǎn)品對(duì)于雷暴的生消演變、強(qiáng)天氣的預(yù)警時(shí)間提前量等關(guān)系仍不明確，因此LMI產(chǎn)品在對(duì)流性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開(kāi)展。

如何更好地利用FY-4 LMI產(chǎn)品，使其在對(duì)流性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警中發(fā)揮更好的作用是目前急需解決的一個(gè)難題。本文利用FY-4 LMI產(chǎn)品，結(jié)合ADTD(advanced time of arrival and direction)資料、FY-4紅外云圖資料、雷達(dá)資料以及其他常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)2019年5月25日出現(xiàn)在湖北的一次強(qiáng)降水事件進(jìn)行分析，來(lái)揭示FY-4 LMI產(chǎn)品在對(duì)流系統(tǒng)演變以及短時(shí)強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)和預(yù)警中的作用，為強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供更為有用的參考依據(jù)。

1 過(guò)程實(shí)況

2019年5月25日08時(shí)至26日08時(shí)，湖北省中東部出現(xiàn)區(qū)域性暴雨到大暴雨天氣。全省19個(gè)國(guó)家站、439個(gè)區(qū)域站出現(xiàn)大暴雨(圖1a)，最強(qiáng)降水中心位于江漢平原地區(qū)，最大累計(jì)降水量為276 mm(潛江縣漁洋站)。主要強(qiáng)對(duì)流類(lèi)型以短時(shí)強(qiáng)降水為主，主要短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段包括：第一個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段是5月25日08—17時(shí)，受到槽前西南急流中南風(fēng)脈動(dòng)以及邊界層輻合線的共同影響，江漢平原一帶有近似圓形對(duì)流云團(tuán)生成并逐漸東移，導(dǎo)致江漢平原南部至鄂東南南部一帶出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水(圖1b)，降水性質(zhì)以暖區(qū)對(duì)流性降水為主，最大小時(shí)雨強(qiáng)為60 mm·h-1(潛江縣漁洋站)；第二個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段是5月25日18—23時(shí)，受到低渦切變線以及冷空氣的共同影響，江漢平原南部再度有東北—西南向?qū)α髟葡瞪刹⒕徛龞|移，導(dǎo)致江漢平原南部至鄂東一帶出現(xiàn)大范圍短時(shí)強(qiáng)降水(圖1c)，降水性質(zhì)以鋒面降水為主，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到81.2 mm·h-1(潛江縣漁洋站)。

由圖1可看出，不同降水性質(zhì)、不同對(duì)流形態(tài)的對(duì)流云團(tuán)均在江漢平原及其以東地區(qū)產(chǎn)生了顯著的短時(shí)強(qiáng)降水，從短時(shí)強(qiáng)降水與FY-4紅外云圖亮溫的演變圖可看出(圖略)，短時(shí)強(qiáng)降水區(qū)域主要位于強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的中心區(qū)域或者梯度大值區(qū)(萬(wàn)夫敬和刁秀廣，2018)。顯然，F(xiàn)Y-4紅外云圖資料對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)及預(yù)警具有一定的指示性。但是由于紅外通道對(duì)云沒(méi)有穿透性，只能獲取云頂信息，很難將強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)從卷云特別是密實(shí)的厚卷云中完全分離出來(lái)，因此FY-4紅外云圖資料在短時(shí)強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)預(yù)警上具有一定的局限性。而搭載在FY-4衛(wèi)星上的LMI能夠?qū)?qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)時(shí)間分辨率(逐10 min)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，逐漸成為強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)監(jiān)測(cè)的另外一種有效手段，而LMI產(chǎn)品對(duì)于不同降水性質(zhì)、不同對(duì)流形態(tài)下的對(duì)流云團(tuán)監(jiān)測(cè)及預(yù)警作用是否具有不同的特征，也是本文研究的重點(diǎn)。

圖1 2019年5月(a)25日08時(shí)至26日08時(shí)加密雨量，(b)25日08時(shí)FY-4紅外云頂亮溫(填色) 與08—17時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)，(c)25日18時(shí)FY-4紅外云頂亮溫(填色)與19—23時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū) (黑色三角：雨強(qiáng)為20～50 mm·h-1，藍(lán)色三角：雨強(qiáng)為50～80 mm·h-1，黃色三角：雨強(qiáng)>80 mm·h-1)Fig.1 (a) The observed accumulated precipitation from 08：00 BT 25 to 08：00 BT 26, (b) FY-4 infrared cloud top brightness temperature (colored) at 08:00 BT 25 and the short-term severe precipitation area in 08:00-17:00 BT 25, (c) FY-4 infrared cloud top brightness temperature (colored) at 18:00 BT 25 and the short-term severe precipitation area in 19:00-23:00 BT 25 May 2019 (black triangle: rainfall intensity in 20-50 mm·h-1, blue triangle: rainfall intensity in 50-80 mm·h-1, yellow triangle: rainfall intensity greater than 80 mm·h-1)

2 FY-4 LMI產(chǎn)品簡(jiǎn)介

中國(guó)新一代靜止衛(wèi)星FY-4 LMI是我國(guó)第一次自主研制的星載閃電成像儀，主要包括用于觀測(cè)閃電光輻射的電荷耦合器件觀測(cè)陣列(CCD)面陣，以及用于星上數(shù)據(jù)預(yù)處理和背景信號(hào)濾除的星上實(shí)時(shí)事件處理器(RTEP)(惠雯等，2016) 。其中LMI的核心傳感器是CCD面陣，面陣大小為400×600，探測(cè)中心波長(zhǎng)為777.4 nm，星下點(diǎn)空間分辨率為7.8 km，帶寬為±1 nm。1分鐘能夠連續(xù)觀測(cè)30 000幀圖像，單幀圖像積分時(shí)間約為1.875 ms，遠(yuǎn)大于一次閃電放電過(guò)程約400 μs的持續(xù)時(shí)間。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)接收與限輻、多幀平均背景估值、背景信號(hào)去除等處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電信號(hào)的捕捉。RTEP系統(tǒng)輸出的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理，輸出包含閃電“事件”“組”和“閃電”的發(fā)生時(shí)間、位置等信息。當(dāng)LMI CCD面陣單個(gè)像元觀測(cè)到的閃電光輻射的輻散度高于背景閾值時(shí)，定義為一次閃電“事件”；對(duì)應(yīng)CCD面陣該像元中心位置即為這次閃電“事件”位置。同一幀CCD圖像上的多個(gè)相鄰微小像元觀測(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(mǎn)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。由于“閃電”具有時(shí)間和空間上的延展性，可以看做傳統(tǒng)意義上的一次閃電，基于此將“閃電”作為L(zhǎng)MI產(chǎn)品的主要參量。

3 FY-4A LMI觀測(cè)特征分析

3.1 LMI閃電觀測(cè)適用性分析

閃電觀測(cè)技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史，主要觀測(cè)方式分為地基閃電觀測(cè)和衛(wèi)星閃電觀測(cè)兩種。其中地基閃電監(jiān)測(cè)是通過(guò)ADTD閃電定位系統(tǒng)連續(xù)、實(shí)時(shí)地記錄和分析波形特征點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間和位置(惠雯等，2016)，而衛(wèi)星閃電觀測(cè)則通過(guò)觀測(cè)雷暴云中閃電發(fā)出的強(qiáng)烈光脈沖，利用閃電信號(hào)與背景信號(hào)在時(shí)間空間和光譜特性方面的差異，通過(guò)CCD面陣觀測(cè)器，利用光譜濾波、空間濾波等技術(shù)獲取閃電信號(hào)。二者在觀測(cè)原理上有明顯的差異，因此在FY-4 LMI產(chǎn)品應(yīng)用分析之前，需要通過(guò)對(duì)比分析LMI和ADTD數(shù)據(jù)在不同降水階段的異同點(diǎn)，從而對(duì)LMI產(chǎn)品在此次過(guò)程中的觀測(cè)能力進(jìn)行有效的評(píng)估。由于星地閃電觀測(cè)技術(shù)在原理、特性、方法、數(shù)據(jù)格式、度量單位、觀測(cè)范圍等方面都不相同，因此在開(kāi)展對(duì)比研究前，要進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換方法，將不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空范圍的有效匹配。根據(jù)本文的研究需求，確立評(píng)判星地觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性時(shí)間窗口≤1.0 s，空間窗口緯度≤0.5°，經(jīng)度≤0.5°。為對(duì)LMI產(chǎn)品與ADTD產(chǎn)品進(jìn)行一定時(shí)間段內(nèi)總體形態(tài)上的對(duì)比，因此選取10 min內(nèi)閃電累積分布圖進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2分別給出了5月25日08、11、14、18、20、23時(shí)LMI前10 min閃電數(shù)據(jù)(黑點(diǎn))和ADTD閃電數(shù)據(jù)(紅點(diǎn))的分布。從閃電分布的總體趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)論是暖區(qū)降水階段還是鋒面降水階段，LMI閃電觀測(cè)的分布區(qū)域與ADTD閃電觀測(cè)的分布區(qū)域大體是一致的，因此這次過(guò)程中LMI閃電資料具有一定的適用性。由于觀測(cè)機(jī)理的不同，LMI閃電觀測(cè)與ADTD閃電觀測(cè)具有一些不同點(diǎn)：首先，從LMI閃電觀測(cè)與ADTD閃電觀測(cè)的總體數(shù)量來(lái)看，由于LMI閃電能夠?qū)崿F(xiàn)總閃(“云閃”和“地閃”)觀測(cè)，因此此次過(guò)程中，LMI閃電觀測(cè)比ADTD閃電觀測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)更多。此外，從相對(duì)位置來(lái)看，LMI閃電觀測(cè)和ADTD閃電觀測(cè)也具有一定的差異性。25日08時(shí)，暖區(qū)對(duì)流在江漢平原一帶發(fā)展，該地區(qū)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了明顯的閃電(圖2a)。其中LMI閃電觀測(cè)區(qū)域(黑色方框)較ADTD閃電觀測(cè)區(qū)域(紅色方框)位置更偏東。由于對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)方向是自西向東，因此25日08時(shí)，LMI閃電觀測(cè)區(qū)域略超前于ADTD閃電觀測(cè)。此后，隨著對(duì)流系統(tǒng)的東移，LMI閃電觀測(cè)的這種超前表現(xiàn)趨于減弱(圖2b，2c)。18時(shí)前后，受到鋒面系統(tǒng)的影響，東北—西南向的鋒面對(duì)流系統(tǒng)在江漢平原再度發(fā)展，對(duì)應(yīng)上述地方再度出現(xiàn)明顯的閃電(圖2d)。從江漢平原LMI閃電觀測(cè)和ADTD閃電觀測(cè)的相對(duì)位置看，25日18時(shí)，LMI閃電觀測(cè)再次出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測(cè)的特征，這種超前特征一致持續(xù)到20時(shí)前后(圖2e)，20時(shí)之后，隨著對(duì)流系統(tǒng)的東移減弱，LMI閃電觀測(cè)的這種超前表現(xiàn)再次趨于減弱。

圖2 2019年5月25日(a)07:50—08:00,(b)10:50—11:00,(c)13:50—14:00, (d)17:50—18:00,(e)19:50—20:00,(f)22:50—23:00的LMI和ADTD閃電觀測(cè) (黑色圓點(diǎn)和方框：LMI閃電觀測(cè)，紅色圓點(diǎn)和方框：ADTD閃電觀測(cè))Fig.2 LMI and ADTD lightning observations of (a) 07:50-08:00 BT, (b) 10:50-11:00 BT, (c) 13:50-14:00 BT, (d) 17:50-18:00 BT, (e) 19:50-20:00 BT, (f) 22:50-23:00 BT 25 May 2019 (black dot and box: LMI lightning, red dot and box: ADTD lightning)

由上述分析可看出，在對(duì)流迅速發(fā)展的初期，LMI閃電觀測(cè)出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測(cè)的特征，并且鋒面降水階段中這種超前特征持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)一些。之所以出現(xiàn)這樣的觀測(cè)差異，這是由于LMI閃電觀測(cè)主要是云頂觀測(cè)，觀測(cè)包括云閃、地閃在內(nèi)的總閃，而且對(duì)云閃更加敏感，而ADTD閃電觀測(cè)主要以地閃為主。在雷暴系統(tǒng)中，云閃的數(shù)量多大于地閃，云內(nèi)的第一個(gè)閃電幾乎總是云閃，有些雷暴云中的閃電可能全部為云閃，云中放電比云地放電平均時(shí)間具有一定的超前性(副島毅和奧山和彥，1998)，因此導(dǎo)致LMI閃電觀測(cè)會(huì)出現(xiàn)超前于ADTD觀測(cè)的特性，而這種超前性對(duì)于對(duì)流活動(dòng)的監(jiān)測(cè)具有重要的預(yù)警意義。為進(jìn)一步研究此次過(guò)程中LMI數(shù)據(jù)與對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變之間的關(guān)系，下文將對(duì)LMI數(shù)據(jù)與紅外云頂溫度變率、雷達(dá)反射率等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 LMI閃電觀測(cè)在積云發(fā)展演變中的作用分析

Roberts and Rutledge(2003)指出紅外云圖上出現(xiàn)低于0℃且范圍較大的云頂溫度變率是積云快速發(fā)展的信號(hào)之一。本文將首先選取紅外云頂溫度變率代表積云發(fā)展信號(hào)，驗(yàn)證LMI閃電觀測(cè)在積云對(duì)流發(fā)展中所起到的作用。本文所使用的紅外云圖資料來(lái)自于FY-4A多通道掃描成像輻射計(jì)紅外通道(波長(zhǎng)約為10.8 μm)。因此在本文中，用當(dāng)前紅外云頂亮溫、未來(lái)1小時(shí)內(nèi)紅外云頂溫度變率(后一時(shí)刻云頂亮溫與初時(shí)刻云頂亮溫之差)表示對(duì)流云團(tuán)發(fā)展演變的指標(biāo)。

25日08時(shí)前后，在較好的不穩(wěn)定和水汽條件下，受到南風(fēng)氣流中動(dòng)力輻合作用的影響，江漢平原一帶有團(tuán)狀對(duì)流云團(tuán)生成并東移。08—09時(shí)是江漢平原一帶云團(tuán)發(fā)展的最強(qiáng)盛時(shí)刻。從08時(shí)FY-4紅外云頂亮溫可看出(圖3a)，江漢平原附近形成一個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)，紅外亮溫最低值達(dá)到205 K。

圖3 2019年5月25日(a)08時(shí),(c)09時(shí),(e)10時(shí)，(g)18時(shí),(i)19時(shí),(k)20時(shí)FY-4紅外云頂亮溫(填色) 和LMI閃電分布；(b)08—09時(shí),(d)09—10時(shí),(f)10—11時(shí)，(h)18—19時(shí),(j)19—20時(shí),(l)20—21時(shí) FY-4紅外1小時(shí)云頂溫度變率(填色)和初時(shí)刻LMI閃電分布 (黑色圓點(diǎn)：LMI閃電，紅色虛線框：積云發(fā)展標(biāo)識(shí)) Fig.3 FY-4 infrared cloud top brightness temperature (colored) and LMI lighting at (a) 08:00 BT, (c) 09:00 BT, (e) 10:00 BT, (g) 18:00 BT, (i) 19:00 BT and (k) 20:00 BT 25 May 2019； FY-4 hourly cooling rate of infrared cloud top temperature (colored) and initial LMI lighting at (b) 08:00-09:00 BT, (d) 09:00-10:00 BT, (f) 10:00-11:00 BT, (h) 18:00-19:00 BT, (j) 19:00-20:00 BT and (l) 20:00-21:00 BT 25 May 2019 (black dot: LMI lighting, red dotted box: cumulus development logo)

續(xù)圖continued

從08時(shí)LMI閃電分布來(lái)看，一部分位于云團(tuán)中心部分，還有一部分位于云團(tuán)的移動(dòng)前方(右側(cè))。從08—09時(shí)紅外云頂溫度變率(圖3b)看，云團(tuán)右側(cè)前方LMI閃電分布的區(qū)域出現(xiàn)了低于0℃的云頂溫度變率，表明出現(xiàn)在云團(tuán)右側(cè)前端的LMI閃電觀測(cè)對(duì)于未來(lái)1小時(shí)內(nèi)對(duì)流發(fā)展起到一定的指示作用，而出現(xiàn)在云團(tuán)中心區(qū)域的LMI閃電分布區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率，因此這部分LMI閃電觀測(cè)對(duì)于對(duì)流發(fā)展演變并沒(méi)有明顯的指示意義。09—10時(shí)(圖3c，3e)以及11—17時(shí)(圖略)，LMI閃電主要分布在紅外云團(tuán)的中心區(qū)域，對(duì)于未來(lái)1小時(shí)的云頂溫度變率來(lái)看(圖3d，3f)，LMI閃電分布區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率，因此這個(gè)時(shí)段的LMI閃電觀測(cè)對(duì)于對(duì)流發(fā)展演變并沒(méi)有明顯的指示意義。

25日18時(shí)前后，受到低渦東移以及地面冷鋒的影響，江漢平原一帶有對(duì)流云團(tuán)生成，并逐漸發(fā)展為東北—西南走向的對(duì)流云系并緩慢東移。18—20時(shí)是該對(duì)流云系發(fā)展的最強(qiáng)盛時(shí)刻。從18時(shí)FY-4紅外云頂亮溫圖和LMI閃電分布看(圖3g)，LMI閃電主要分布在紅外云團(tuán)的右側(cè)(紅色虛線框)。從18—19時(shí)紅外云頂溫度變率(圖3h)看，18時(shí)云團(tuán)右側(cè)前方LMI閃電分布的區(qū)域出現(xiàn)了明顯低于0℃的云頂溫度變率，最大降溫率達(dá)到了-30℃，表明LMI閃電觀測(cè)區(qū)域未來(lái)1小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)了明顯的對(duì)流發(fā)展，進(jìn)一步表明出現(xiàn)在云團(tuán)右側(cè)的LMI閃電觀測(cè)對(duì)于未來(lái)1小時(shí)內(nèi)對(duì)流發(fā)展起到一定的指示作用。19—20時(shí)(圖3i，3k)，隨著系統(tǒng)緩慢東移，原對(duì)流系統(tǒng)的尾部開(kāi)始出現(xiàn)新的對(duì)流，此時(shí)LMI閃電分成兩部分，一部分與對(duì)流云團(tuán)大致重合，另外一部分則位于對(duì)流云系的右側(cè)(紅色虛線框)從未來(lái)1小時(shí)的云頂溫度變率來(lái)看(圖3j，3l)，位于對(duì)流云團(tuán)右側(cè)的LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)明顯的云頂降溫，而與云團(tuán)大致重合的LMI閃電分布區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率。20—23時(shí)(圖略)，LMI閃電主要分布在對(duì)流云團(tuán)的中心區(qū)域，未來(lái)1小時(shí)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率。

從以上分析可看出，此次過(guò)程中，無(wú)論暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，當(dāng)同時(shí)刻LMI閃電觀測(cè)位于當(dāng)前對(duì)流云團(tuán)移動(dòng)的前方時(shí)，未來(lái)1小時(shí)內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)了明顯的云頂溫度變率，表明LMI閃電觀測(cè)對(duì)于未來(lái)1小時(shí)內(nèi)對(duì)流發(fā)展起到一定的指示作用；而當(dāng)LMI閃電觀測(cè)與出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)的中部時(shí)，未來(lái)1小時(shí)內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率，此時(shí)LMI閃電觀測(cè)對(duì)于未來(lái)1小時(shí)內(nèi)對(duì)流發(fā)展并沒(méi)有明顯的指示作用。為分析出現(xiàn)這種差異的原因，將分別選取暖區(qū)降水階段的08—09時(shí)和鋒面降水階段18—19時(shí)這兩個(gè)時(shí)段，采用時(shí)間分辨率更高的雷達(dá)資料(逐6 min)和LMI資料(逐10 min)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3 LMI閃電觀測(cè)在對(duì)流系統(tǒng)演變中的作用分析

多普勒雷達(dá)觀測(cè)是目前監(jiān)測(cè)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的有效手段之一(龍柯吉等，2020)。為進(jìn)一步判斷LMI閃電觀測(cè)在對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展中所起到的作用，將選取時(shí)間分辨率更精細(xì)的雷達(dá)觀測(cè)資料與LMI閃電觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。本文選取的雷達(dá)觀測(cè)資料時(shí)間分辨率為6 min，而使用的LMI閃電資料的時(shí)間分辨率為10 min，因此以LMI閃電觀測(cè)資料的時(shí)間分辨率為基準(zhǔn)，將雷達(dá)觀測(cè)資料的時(shí)間分辨率采用最鄰近差值法進(jìn)行差值，使其與LMI閃電觀測(cè)資料的時(shí)間分辨率一致。為驗(yàn)證LMI閃電資料對(duì)于雷達(dá)反射率演變是否有提前指示性，分別選取暖區(qū)降水階段和鋒面降水階段典型時(shí)刻的LMI閃電與雷達(dá)反射率的演變情況依次進(jìn)行疊加顯示。

暖區(qū)降水階段：從5月25日08:05的LMI資料和雷達(dá)反射率資料疊加圖可以看出(圖4a)，LMI與對(duì)流系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系分成兩種，A區(qū)內(nèi)(黑色方框)有一明顯的對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，LMI閃電主要分布在對(duì)流系統(tǒng)的內(nèi)部，而B(niǎo)區(qū)內(nèi)(藍(lán)色方框)有兩個(gè)尺度較小的對(duì)流單體，LMI閃電主要分布在對(duì)流單體移動(dòng)的前方；08:15(圖4b)，A區(qū)閃電活動(dòng)不明顯，B區(qū)內(nèi)北部對(duì)流系統(tǒng)附近繼續(xù)出現(xiàn)閃電活動(dòng)。與08:05對(duì)流系統(tǒng)相比，A區(qū)內(nèi)的對(duì)流系統(tǒng)變化不大，但是B區(qū)內(nèi)對(duì)流單體向著08:05閃電出現(xiàn)的區(qū)域移動(dòng)，并且強(qiáng)度加強(qiáng)；08:25—08:35(圖4c,4d)，A區(qū)內(nèi)閃電活動(dòng)不明顯，B區(qū)內(nèi)在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)方向的前方(東北方)繼續(xù)出現(xiàn)閃電活動(dòng)。與08:15對(duì)流系統(tǒng)相比，A區(qū)內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)變化不大，B區(qū)內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)向著東北方向繼續(xù)移動(dòng)，強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)。08:45(圖4e)，A區(qū)內(nèi)沒(méi)有閃電活動(dòng)，B區(qū)內(nèi)閃電活動(dòng)與對(duì)流系統(tǒng)同步出現(xiàn)。與08:35對(duì)流系統(tǒng)相比，A區(qū)內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)變化不大，B區(qū)內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)開(kāi)始變得松散，強(qiáng)度略有減弱。08:55(圖4f)，A、B區(qū)內(nèi)閃電活動(dòng)都不明顯，B區(qū)內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)變得松散，強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。

圖4 2019年5月25日(a)08:05,(b)08:15,(c)08:25，(d)08:35,(e)08:45,(f)08:55 LMI的閃電和雷達(dá)反射率; 25日08:05與圖4a中(g)黑色方框和(h)藍(lán)色方框剖線對(duì)應(yīng)的雷達(dá)反射率垂直剖面 (填色：雷達(dá)反射率，黑色圓點(diǎn)：LMI閃電，黑色實(shí)線：反射率剖線，黑色方框：A區(qū)，藍(lán)色方框：B區(qū); 圖4g，4h中的藍(lán)色實(shí)線：最強(qiáng)反射率因子垂直剖面特征線)Fig.4 LMI lighting and radar reflectivity at 6 min intervals at (a) 08:05 BT, (b) 08:15 BT, (c) 08:25 BT, (d) 08:35 BT,(e) 08:45 BT and (f) 08:55 BT 25 May 2019； radar reflectivity vertical profiles at 6 min intervals corresponding to the section lines in the black box (g)， and in the blue box (h) inFig.4a at 08:05 BT 25 May 2019 (colored: radar reflectivity, black dot: LMI lighting, black solid line: reflectance profile, black box： Zone A, blue box: Zone B; blue solid line in Figs.4g, 4h: vertical profile characteristic line of the strongest reflectivity factor)

從以上分析可看出，B區(qū)中LMI閃電活動(dòng)出現(xiàn)的次數(shù)較多，主要出現(xiàn)在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的前方，能夠?qū)?duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變起到一定的提前指示意義；而A區(qū)中LMI閃電活動(dòng)出現(xiàn)的次數(shù)較少，主要出現(xiàn)在對(duì)流系統(tǒng)的內(nèi)部，對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變的指示意義偏弱。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的差別呢？分別針對(duì)A區(qū)中的對(duì)流系統(tǒng)和B區(qū)中的北部對(duì)流系統(tǒng)沿著移動(dòng)方向進(jìn)行剖面(圖4g，4h)，發(fā)現(xiàn)A區(qū)北部對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波垂直方向上呈現(xiàn)準(zhǔn)垂直型，云底反射率達(dá)到了50 dBz以上，云團(tuán)發(fā)展旺盛，由于云體呈現(xiàn)準(zhǔn)垂直型，因此衛(wèi)星觀測(cè)的LMI閃電與對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展幾乎是同步的，LMI閃電對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)演變的提前指示意義偏弱；而B(niǎo)區(qū)對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波垂直方向上呈現(xiàn)出沿著移動(dòng)方向向前傾斜的特征，衛(wèi)星觀測(cè)LMI閃電首先觀測(cè)到云中閃電，多普勒雷達(dá)稍后觀測(cè)到反射率特征，因此此時(shí)LMI閃電對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)演變具有一定的提前指示意義。

鋒面降水階段：18—20時(shí)是鋒面降水對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展階段，其中19時(shí)是對(duì)流系統(tǒng)最強(qiáng)烈發(fā)展階段。從5月25日19：05的LMI資料和同時(shí)刻雷達(dá)反射率資料疊加圖可看出(圖5a)，江漢平原南部有明顯的線狀對(duì)流系統(tǒng)形成。LMI閃電分布區(qū)域(藍(lán)色方框內(nèi))位于對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)方向的前方；19:15，江漢平原線狀對(duì)流系統(tǒng)緩慢向東移動(dòng)，此時(shí)閃電繼續(xù)出現(xiàn)在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的前方；19:25，江漢平原線狀對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)緩慢東移，其北部形態(tài)開(kāi)始變得有組織化，回波強(qiáng)度增強(qiáng)，此時(shí)閃電主體仍然出現(xiàn)在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的前方；19:35—19:45，江漢平原線狀對(duì)流系統(tǒng)呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止型，強(qiáng)度維持，此時(shí)閃電主體仍然出現(xiàn)在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的前方；19:55，閃電主體分布區(qū)域與對(duì)流系統(tǒng)相重合，20時(shí)之后(圖略)，對(duì)流系統(tǒng)在東移過(guò)程中逐漸減弱。

從以上分析可看出，19:05—19:45這段時(shí)間內(nèi)，LMI閃電主要分布在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的前方，此時(shí)對(duì)流系統(tǒng)處在強(qiáng)烈發(fā)展加強(qiáng)階段；19:55以后，LMI閃電分布區(qū)域與對(duì)流系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)域較重合，此后，對(duì)流系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)減弱趨勢(shì)。可見(jiàn)在鋒面降水過(guò)程中對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的不同階段，LMI觀測(cè)與雷達(dá)觀測(cè)區(qū)域的相對(duì)位置有所不同，LMI閃電分布對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的關(guān)系也有所不同，為研究其原因，分別選取對(duì)流發(fā)展階段(19:05)和對(duì)流趨于減弱階段(19:55)的線狀對(duì)流系統(tǒng)，沿著其移動(dòng)方向做雷達(dá)反射率垂直剖面，發(fā)現(xiàn)19:05(圖5g)，在對(duì)流系統(tǒng)的強(qiáng)烈發(fā)展階段，雷達(dá)反射率繪制剖面上回波整體出現(xiàn)向移動(dòng)方向前傾的結(jié)構(gòu)，有利于高空衛(wèi)星首先觀測(cè)到云閃的發(fā)生，因此可能導(dǎo)致出現(xiàn)LMI閃電分布位于同時(shí)刻對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)方向的前方，并且對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變有指示意義；而在對(duì)流趨于減弱的階段(圖5h)，雷達(dá)反射率垂直剖面上最強(qiáng)反射率因子垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)準(zhǔn)垂直型，此時(shí)高空衛(wèi)星首先觀測(cè)到云閃發(fā)生的時(shí)間幾乎與地面同步，因此可能導(dǎo)致LMI閃電分布與同時(shí)刻對(duì)流系統(tǒng)位置較為一致，此時(shí)LMI分布對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的提前指示意義偏弱。

4 結(jié) 論

本文研究了2019年5月25日強(qiáng)降水過(guò)程中，F(xiàn)Y-4 LMI數(shù)據(jù)在不同降水性質(zhì)、不同演變階段對(duì)流系統(tǒng)的觀測(cè)特征，得出如下結(jié)論：

(1) 從閃電分布的總體趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)論是暖區(qū)降水階段還是鋒面降水階段，LMI閃電觀測(cè)的分布區(qū)域與ADTD閃電觀測(cè)的分布區(qū)域大體是一致的，因而在這次過(guò)程中LMI閃電資料具有一定的適用性。此外，在對(duì)流迅速發(fā)展的初期，LMI閃電觀測(cè)出現(xiàn)超前于ADTD閃電觀測(cè)的特征，并且鋒面降水階段中這種超前特征持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)一些。

(2) 無(wú)論是暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，當(dāng)同時(shí)刻LMI閃電觀測(cè)位于當(dāng)前對(duì)流云團(tuán)移動(dòng)的前方時(shí)，未來(lái)1小時(shí)內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域出現(xiàn)了明顯的云頂溫度變率，積云有發(fā)展趨勢(shì)；而當(dāng)LMI閃電觀測(cè)與出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)的中部時(shí)，未來(lái)1小時(shí)內(nèi)LMI閃電分布區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)低于0℃的云頂溫度變率。

(3) 無(wú)論是暖區(qū)降水還是鋒面降水階段，LMI觀測(cè)與對(duì)流系統(tǒng)的相對(duì)位置有所不同，LMI閃電分布對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的關(guān)系也有所不同。當(dāng)雷達(dá)反射率垂直剖面上最強(qiáng)回波出現(xiàn)向移動(dòng)方向前傾結(jié)構(gòu)時(shí)，LMI閃電觀測(cè)往往出現(xiàn)在雷達(dá)觀測(cè)對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)方向的前方，此時(shí)LMI閃電觀測(cè)對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變有較好的提前指示意義；而當(dāng)雷達(dá)反射率垂直剖面上最強(qiáng)回波出現(xiàn)準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)時(shí)，LMI閃電觀測(cè)往往與雷達(dá)觀測(cè)對(duì)流系統(tǒng)較重合，此時(shí)LMI閃電觀測(cè)對(duì)于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變的提前指示意義偏弱。

本文通過(guò)對(duì)2019年5月25日強(qiáng)降水過(guò)程中FY-4 LMI產(chǎn)品在對(duì)流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)指示性進(jìn)行分析，揭示了在對(duì)流系統(tǒng)演變中LMI閃電觀測(cè)的提前預(yù)警意義，得出了一些有意義的結(jié)論，為新型衛(wèi)星觀測(cè)資料在強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用提供了有用的參考依據(jù)。但是本文的研究?jī)H局限于一個(gè)個(gè)例，后期將通過(guò)大量個(gè)例分析，進(jìn)一步系統(tǒng)研究LMI產(chǎn)品在不同天氣背景下、不同類(lèi)型強(qiáng)對(duì)流天氣中的監(jiān)測(cè)及預(yù)警作用。