引言

20世纪90年代以来，随着电子、信息技术的迅速发展，人们对于云顶闪电光学辐射的时空特征和光谱特征有了更新的认识，星载闪电观测技术有了很大发展和进步。根据卫星所处轨道高度不同，卫星闪电观测分为低轨道卫星(极轨卫星)平台闪电观测和高轨道卫星(静止卫星)平台闪电观测。前者以装载于热带降水测量计划任务卫星(TRMM)上的闪电成像仪(lightning imaging sensor，LIS)为代表，其观测资料被广泛应用。Boccippio et al(2002)利用LIS分析了全球闪电活动及其地域差异。Ma et al(2004)分别对中国及周边闪电密度的气候分布进行了研究，郄秀书和Toumi(2003)利用LIS资料分析了青藏高原雷电活动特征。戴建华等(2005)利用LIS资料分析了长江三角洲地区的闪电时空分布特征。袁铁和郄秀书(2010)利用LIS资料对一次发生在中国华南的强飑线研究发现，飑线系统附近闪电活动较一般雷暴要活跃得多。

由于LIS观测精度受轨道周期的限制，只能提供区域内平均意义上的闪电分布信息, 而静止卫星闪电成像仪能够实现对闪电的连续监测，是卫星闪电观测的新方向。2016年底我国自主研制并发射了新一代静止卫星FY-4，其上搭载的闪电成像仪(lightning mapping imager，LMI)在仪器研究和产品生成算法等方面都处于国际前沿，具有广阔的应用前景(梁华等，2017)。FY-4卫星是我国第二代静止轨道气象卫星，第一颗星被命名为FY-4A，为科研试验卫星，于2016年12月11日成功发射。FY-4A采用三轴稳定姿态控制的大型遥感平台，装载多种有效载荷，包括多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直观测仪、LMI及空间环境监测仪器(张鹏等，2016)。其中LMI数据利用闪电光辐射在777.4 mm中性氧原子近红外吸收谱线最强这一特征，实现对闪电的分钟级、长时间连续光学观测(曹冬杰，2016)，能够对闪电、强对流等进行实时动态监测，同时由于LMI是在云顶观测闪电，观测包括云闪、云间闪和地闪在内的总闪电(徐国强等，2020)，且对云闪更加敏感，而云闪信息也更具有强对流发展的预警意义。因此FY-4星载LMI产品对于研究强对流天气过程，实现雷暴预警和预报、对流初生判断、强风暴活动的提前预警等有重要的应用价值。支树林等(2019)对2018年第22号台风飑线过程的FY-4A闪电资料进行了分析，发现伴随的雷暴大风大都发生在卫星闪电密集区的前沿；张晓芸等(2019)将FY-4闪电资料与地基闪电进行数据融合，并研究了融合产品在厦门一次强降水预警中的作用。任素玲等(2020)研究认为FY-4A LMI产品较地面闪电观测产品能够观测到更多的闪电。王清平等(2019)发现FY-4卫星的闪电定位监测数据能更好地识别强对流云团分布范围。由于LMI产品投入业务应用时间非常短，相关产品对于雷暴的生消演变、强天气的预警时间提前量等关系仍不明确，因此LMI产品在对流性天气监测和预警中的应用还有待进一步开展。

如何更好地利用FY-4 LMI产品，使其在对流性天气监测和预警中发挥更好的作用是目前急需解决的一个难题。本文利用FY-4 LMI产品，结合ADTD(advanced time of arrival and direction)资料、FY-4红外云图资料、雷达资料以及其他常规观测资料，对2019年5月25日出现在湖北的一次强降水事件进行分析，来揭示FY-4 LMI产品在对流系统演变以及短时强降水监测和预警中的作用，为强天气监测和预报提供更为有用的参考依据。

1 过程实况

2019年5月25日08时至26日08时，湖北省中东部出现区域性暴雨到大暴雨天气。全省19个国家站、439个区域站出现大暴雨(图 1a)，最强降水中心位于江汉平原地区，最大累计降水量为276 mm (潜江县渔洋站)。主要强对流类型以短时强降水为主，主要短时强降水时段包括：第一个强降水时段是5月25日08—17时，受到槽前西南急流中南风脉动以及边界层辐合线的共同影响，江汉平原一带有近似圆形对流云团生成并逐渐东移，导致江汉平原南部至鄂东南南部一带出现短时强降水(图 1b)，降水性质以暖区对流性降水为主，最大小时雨强为60 mm·h^-1(潜江县渔洋站)；第二个强降水时段是5月25日18—23时，受到低涡切变线以及冷空气的共同影响，江汉平原南部再度有东北—西南向对流云系生成并缓慢东移，导致江汉平原南部至鄂东一带出现大范围短时强降水(图 1c)，降水性质以锋面降水为主，最大小时雨强达到81.2 mm·h^-1(潜江县渔洋站)。

由图 1可看出，不同降水性质、不同对流形态的对流云团均在江汉平原及其以东地区产生了显著的短时强降水，从短时强降水与FY-4红外云图亮温的演变图可看出(图略)，短时强降水区域主要位于强对流云团的中心区域或者梯度大值区(万夫敬和刁秀广，2018)。显然，FY-4红外云图资料对短时强降水监测及预警具有一定的指示性。但是由于红外通道对云没有穿透性，只能获取云顶信息，很难将强对流云团从卷云特别是密实的厚卷云中完全分离出来，因此FY-4红外云图资料在短时强降水监测预警上具有一定的局限性。而搭载在FY-4卫星上的LMI能够对强对流天气系统实现更强时间分辨率(逐10 min)实时连续监测，逐渐成为强对流云团监测的另外一种有效手段，而LMI产品对于不同降水性质、不同对流形态下的对流云团监测及预警作用是否具有不同的特征，也是本文研究的重点。

2 FY-4 LMI产品简介

中国新一代静止卫星FY-4 LMI是我国第一次自主研制的星载闪电成像仪，主要包括用于观测闪电光辐射的电荷耦合器件观测阵列(CCD)面阵，以及用于星上数据预处理和背景信号滤除的星上实时事件处理器(RTEP)(惠雯等，2016)。其中LMI的核心传感器是CCD面阵，面阵大小为400×600，探测中心波长为777.4 nm，星下点空间分辨率为7.8 km，带宽为±1 nm。1分钟能够连续观测30 000帧图像，单帧图像积分时间约为1.875 ms，远大于一次闪电放电过程约400 μs的持续时间。RTEP接收CCD面阵并行输出的原始观测数据，经信号接收与限辐、多帧平均背景估值、背景信号去除等处理，实现对闪电信号的捕捉。RTEP系统输出的原始观测数据，经过处理，输出包含闪电“事件”“组”和“闪电”的发生时间、位置等信息。当LMI CCD面阵单个像元观测到的闪电光辐射的辐散度高于背景阈值时，定义为一次闪电“事件”；对应CCD面阵该像元中心位置即为这次闪电“事件”位置。同一帧CCD图像上的多个相邻微小像元观测到的闪电“事件”组成一个“组”；对应于地闪的一次回击或云闪的一次K变化，满足一定阈值条件的多个“组”定义为一次真实的“闪电”过程。由于“闪电”具有时间和空间上的延展性，可以看做传统意义上的一次闪电，基于此将“闪电”作为LMI产品的主要参量。

3 FY-4A LMI观测特征分析 3.1 LMI闪电观测适用性分析

闪电观测技术发展至今已有几十年的历史，主要观测方式分为地基闪电观测和卫星闪电观测两种。其中地基闪电监测是通过ADTD闪电定位系统连续、实时地记录和分析波形特征点的到达时间和位置(惠雯等，2016)，而卫星闪电观测则通过观测雷暴云中闪电发出的强烈光脉冲，利用闪电信号与背景信号在时间空间和光谱特性方面的差异，通过CCD面阵观测器，利用光谱滤波、空间滤波等技术获取闪电信号。二者在观测原理上有明显的差异，因此在FY-4 LMI产品应用分析之前，需要通过对比分析LMI和ADTD数据在不同降水阶段的异同点，从而对LMI产品在此次过程中的观测能力进行有效的评估。由于星地闪电观测技术在原理、特性、方法、数据格式、度量单位、观测范围等方面都不相同，因此在开展对比研究前，要进行科学的数据预处理，通过一定的转换方法，将不同来源的数据进行时空范围的有效匹配。根据本文的研究需求，确立评判星地观测数据一致性时间窗口≤1.0 s，空间窗口纬度≤0.5°，经度≤0.5°。为对LMI产品与ADTD产品进行一定时间段内总体形态上的对比，因此选取10 min内闪电累积分布图进行对比分析。

图 2分别给出了5月25日08、11、14、18、20、23时LMI前10 min闪电数据(黑点)和ADTD闪电数据(红点)的分布。从闪电分布的总体趋势来看，无论是暖区降水阶段还是锋面降水阶段，LMI闪电观测的分布区域与ADTD闪电观测的分布区域大体是一致的，因此这次过程中LMI闪电资料具有一定的适用性。由于观测机理的不同，LMI闪电观测与ADTD闪电观测具有一些不同点：首先，从LMI闪电观测与ADTD闪电观测的总体数量来看，由于LMI闪电能够实现总闪(“云闪”和“地闪”)观测，因此此次过程中，LMI闪电观测比ADTD闪电观测到的闪电数据更多。此外，从相对位置来看，LMI闪电观测和ADTD闪电观测也具有一定的差异性。25日08时，暖区对流在江汉平原一带发展，该地区对应出现了明显的闪电(图 2a)。其中LMI闪电观测区域(黑色方框)较ADTD闪电观测区域(红色方框)位置更偏东。由于对流系统的移动方向是自西向东，因此25日08时，LMI闪电观测区域略超前于ADTD闪电观测。此后，随着对流系统的东移，LMI闪电观测的这种超前表现趋于减弱(图 2b，2c)。18时前后，受到锋面系统的影响，东北—西南向的锋面对流系统在江汉平原再度发展，对应上述地方再度出现明显的闪电(图 2d)。从江汉平原LMI闪电观测和ADTD闪电观测的相对位置看，25日18时，LMI闪电观测再次出现超前于ADTD闪电观测的特征，这种超前特征一致持续到20时前后(图 2e)，20时之后，随着对流系统的东移减弱，LMI闪电观测的这种超前表现再次趋于减弱。

由上述分析可看出，在对流迅速发展的初期，LMI闪电观测出现超前于ADTD闪电观测的特征，并且锋面降水阶段中这种超前特征持续时间更长一些。之所以出现这样的观测差异，这是由于LMI闪电观测主要是云顶观测，观测包括云闪、地闪在内的总闪，而且对云闪更加敏感，而ADTD闪电观测主要以地闪为主。在雷暴系统中，云闪的数量多大于地闪，云内的第一个闪电几乎总是云闪，有些雷暴云中的闪电可能全部为云闪，云中放电比云地放电平均时间具有一定的超前性(副岛毅和奥山和彦，1998)，因此导致LMI闪电观测会出现超前于ADTD观测的特性，而这种超前性对于对流活动的监测具有重要的预警意义。为进一步研究此次过程中LMI数据与对流系统发展演变之间的关系，下文将对LMI数据与红外云顶温度变率、雷达反射率等数据进行对比分析。

3.2 LMI闪电观测在积云发展演变中的作用分析

Roberts and Rutledge(2003)指出红外云图上出现低于0℃且范围较大的云顶温度变率是积云快速发展的信号之一。本文将首先选取红外云顶温度变率代表积云发展信号，验证LMI闪电观测在积云对流发展中所起到的作用。本文所使用的红外云图资料来自于FY-4A多通道扫描成像辐射计红外通道(波长约为10.8 μm)。因此在本文中，用当前红外云顶亮温、未来1小时内红外云顶温度变率(后一时刻云顶亮温与初时刻云顶亮温之差)表示对流云团发展演变的指标。

25日08时前后，在较好的不稳定和水汽条件下，受到南风气流中动力辐合作用的影响，江汉平原一带有团状对流云团生成并东移。08—09时是江汉平原一带云团发展的最强盛时刻。从08时FY-4红外云顶亮温可看出(图 3a)，江汉平原附近形成一个中尺度对流云团，红外亮温最低值达到205 K。从08时LMI闪电分布来看，一部分位于云团中心部分，还有一部分位于云团的移动前方(右侧)。从08—09时红外云顶温度变率(图 3b)看，云团右侧前方LMI闪电分布的区域出现了低于0℃的云顶温度变率，表明出现在云团右侧前端的LMI闪电观测对于未来1小时内对流发展起到一定的指示作用，而出现在云团中心区域的LMI闪电分布区域并没有出现低于0℃的云顶温度变率，因此这部分LMI闪电观测对于对流发展演变并没有明显的指示意义。09—10时(图 3c，3e)以及11—17时(图略)，LMI闪电主要分布在红外云团的中心区域，对于未来1小时的云顶温度变率来看(图 3d，3f)，LMI闪电分布区域并没有出现低于0℃的云顶温度变率，因此这个时段的LMI闪电观测对于对流发展演变并没有明显的指示意义。

25日18时前后，受到低涡东移以及地面冷锋的影响，江汉平原一带有对流云团生成，并逐渐发展为东北—西南走向的对流云系并缓慢东移。18—20时是该对流云系发展的最强盛时刻。从18时FY-4红外云顶亮温图和LMI闪电分布看(图 3g)，LMI闪电主要分布在红外云团的右侧(红色虚线框)。从18—19时红外云顶温度变率(图 3h)看，18时云团右侧前方LMI闪电分布的区域出现了明显低于0℃的云顶温度变率，最大降温率达到了-30℃，表明LMI闪电观测区域未来1小时内出现了明显的对流发展，进一步表明出现在云团右侧的LMI闪电观测对于未来1小时内对流发展起到一定的指示作用。19—20时(图 3i，3k)，随着系统缓慢东移，原对流系统的尾部开始出现新的对流，此时LMI闪电分成两部分，一部分与对流云团大致重合，另外一部分则位于对流云系的右侧(红色虚线框)从未来1小时的云顶温度变率来看(图 3j，3l)，位于对流云团右侧的LMI闪电分布区域出现明显的云顶降温，而与云团大致重合的LMI闪电分布区域并没有出现低于0℃的云顶温度变率。20—23时(图略)，LMI闪电主要分布在对流云团的中心区域，未来1小时内没有出现低于0℃的云顶温度变率。

从以上分析可看出，此次过程中，无论暖区降水还是锋面降水阶段，当同时刻LMI闪电观测位于当前对流云团移动的前方时，未来1小时内LMI闪电分布区域出现了明显的云顶温度变率，表明LMI闪电观测对于未来1小时内对流发展起到一定的指示作用；而当LMI闪电观测与出现在对流云团的中部时，未来1小时内LMI闪电分布区域并没有出现低于0℃的云顶温度变率，此时LMI闪电观测对于未来1小时内对流发展并没有明显的指示作用。为分析出现这种差异的原因，将分别选取暖区降水阶段的08—09时和锋面降水阶段18—19时这两个时段，采用时间分辨率更高的雷达资料(逐6 min)和LMI资料(逐10 min)进行对比分析。

3.3 LMI闪电观测在对流系统演变中的作用分析

多普勒雷达观测是目前监测对流系统发生发展的有效手段之一(龙柯吉等，2020)。为进一步判断LMI闪电观测在对流系统发生发展中所起到的作用，将选取时间分辨率更精细的雷达观测资料与LMI闪电观测资料进行对比分析。本文选取的雷达观测资料时间分辨率为6 min，而使用的LMI闪电资料的时间分辨率为10 min，因此以LMI闪电观测资料的时间分辨率为基准，将雷达观测资料的时间分辨率采用最邻近差值法进行差值，使其与LMI闪电观测资料的时间分辨率一致。为验证LMI闪电资料对于雷达反射率演变是否有提前指示性，分别选取暖区降水阶段和锋面降水阶段典型时刻的LMI闪电与雷达反射率的演变情况依次进行叠加显示。

暖区降水阶段：从5月25日08:05的LMI资料和雷达反射率资料叠加图可以看出(图 4a)，LMI与对流系统的对应关系分成两种，A区内(黑色方框)有一明显的对流系统发展，LMI闪电主要分布在对流系统的内部，而B区内(蓝色方框)有两个尺度较小的对流单体，LMI闪电主要分布在对流单体移动的前方；08:15(图 4b)，A区闪电活动不明显，B区内北部对流系统附近继续出现闪电活动。与08:05对流系统相比，A区内的对流系统变化不大，但是B区内对流单体向着08:05闪电出现的区域移动，并且强度加强；08:25—08:35(图 4c, 4d)，A区内闪电活动不明显，B区内在对流系统移动方向的前方(东北方)继续出现闪电活动。与08:15对流系统相比，A区内对流系统变化不大，B区内对流系统向着东北方向继续移动，强度进一步加强。08:45(图 4e)，A区内没有闪电活动，B区内闪电活动与对流系统同步出现。与08:35对流系统相比，A区内对流系统变化不大，B区内对流系统开始变得松散，强度略有减弱。08:55(图 4f)，A、B区内闪电活动都不明显，B区内对流系统继续变得松散，强度进一步减弱。

从以上分析可看出，B区中LMI闪电活动出现的次数较多，主要出现在对流系统移动的前方，能够对对流系统的发展演变起到一定的提前指示意义；而A区中LMI闪电活动出现的次数较少，主要出现在对流系统的内部，对对流系统的发展演变的指示意义偏弱。为什么会出现这样的差别呢？分别针对A区中的对流系统和B区中的北部对流系统沿着移动方向进行剖面(图 4g，4h)，发现A区北部对流系统的雷达回波垂直方向上呈现准垂直型，云底反射率达到了50 dBz以上，云团发展旺盛，由于云体呈现准垂直型，因此卫星观测的LMI闪电与对流系统的发展几乎是同步的，LMI闪电对于对流系统演变的提前指示意义偏弱；而B区对流系统的雷达回波垂直方向上呈现出沿着移动方向向前倾斜的特征，卫星观测LMI闪电首先观测到云中闪电，多普勒雷达稍后观测到反射率特征，因此此时LMI闪电对于对流系统演变具有一定的提前指示意义。

锋面降水阶段：18—20时是锋面降水对流系统发展阶段，其中19时是对流系统最强烈发展阶段。从5月25日19：05的LMI资料和同时刻雷达反射率资料叠加图可看出(图 5a)，江汉平原南部有明显的线状对流系统形成。LMI闪电分布区域(蓝色方框内)位于对流系统的移动方向的前方；19:15，江汉平原线状对流系统缓慢向东移动，此时闪电继续出现在对流系统移动的前方；19:25，江汉平原线状对流系统继续缓慢东移，其北部形态开始变得有组织化，回波强度增强，此时闪电主体仍然出现在对流系统移动的前方；19:35—19:45，江汉平原线状对流系统呈现准静止型，强度维持，此时闪电主体仍然出现在对流系统移动的前方；19:55，闪电主体分布区域与对流系统相重合，20时之后(图略)，对流系统在东移过程中逐渐减弱。

从以上分析可看出，19:05—19:45这段时间内，LMI闪电主要分布在对流系统移动的前方，此时对流系统处在强烈发展加强阶段；19:55以后，LMI闪电分布区域与对流系统出现区域较重合，此后，对流系统开始出现减弱趋势。可见在锋面降水过程中对流系统发展的不同阶段，LMI观测与雷达观测区域的相对位置有所不同，LMI闪电分布对于对流系统发展演变的关系也有所不同，为研究其原因，分别选取对流发展阶段(19:05)和对流趋于减弱阶段(19:55)的线状对流系统，沿着其移动方向做雷达反射率垂直剖面，发现19:05(图 5g)，在对流系统的强烈发展阶段，雷达反射率绘制剖面上回波整体出现向移动方向前倾的结构，有利于高空卫星首先观测到云闪的发生，因此可能导致出现LMI闪电分布位于同时刻对流系统移动方向的前方，并且对对流系统的发展演变有指示意义；而在对流趋于减弱的阶段(图 5h)，雷达反射率垂直剖面上最强反射率因子垂直结构呈现准垂直型，此时高空卫星首先观测到云闪发生的时间几乎与地面同步，因此可能导致LMI闪电分布与同时刻对流系统位置较为一致，此时LMI分布对于对流系统发展演变的提前指示意义偏弱。

4 结论

本文研究了2019年5月25日强降水过程中，FY-4 LMI数据在不同降水性质、不同演变阶段对流系统的观测特征，得出如下结论：

(1) 从闪电分布的总体趋势来看，无论是暖区降水阶段还是锋面降水阶段，LMI闪电观测的分布区域与ADTD闪电观测的分布区域大体是一致的，因而在这次过程中LMI闪电资料具有一定的适用性。此外，在对流迅速发展的初期，LMI闪电观测出现超前于ADTD闪电观测的特征，并且锋面降水阶段中这种超前特征持续时间更长一些。

(2) 无论是暖区降水还是锋面降水阶段，当同时刻LMI闪电观测位于当前对流云团移动的前方时，未来1小时内LMI闪电分布区域出现了明显的云顶温度变率，积云有发展趋势；而当LMI闪电观测与出现在对流云团的中部时，未来1小时内LMI闪电分布区域并没有出现低于0℃的云顶温度变率。

(3) 无论是暖区降水还是锋面降水阶段，LMI观测与对流系统的相对位置有所不同，LMI闪电分布对于对流系统发展演变的关系也有所不同。当雷达反射率垂直剖面上最强回波出现向移动方向前倾结构时，LMI闪电观测往往出现在雷达观测对流系统移动方向的前方，此时LMI闪电观测对于对流系统发展演变有较好的提前指示意义；而当雷达反射率垂直剖面上最强回波出现准垂直结构时，LMI闪电观测往往与雷达观测对流系统较重合，此时LMI闪电观测对于对流系统发展演变的提前指示意义偏弱。

本文通过对2019年5月25日强降水过程中FY-4 LMI产品在对流系统的监测及预报指示性进行分析，揭示了在对流系统演变中LMI闪电观测的提前预警意义，得出了一些有意义的结论，为新型卫星观测资料在强天气监测和预报中的应用提供了有用的参考依据。但是本文的研究仅局限于一个个例，后期将通过大量个例分析，进一步系统研究LMI产品在不同天气背景下、不同类型强对流天气中的监测及预警作用。