FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-01-0025

干旱气象 ›› 2023, Vol. 41 ›› Issue (1): 25-33.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-01-0025

FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比

宋琳¹^,²(), 张国平³(), 王曙东³, 万夫敬², 孙豪⁴

1.青岛市气象灾害防御技术中心，山东青岛 266003
2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东青岛 266003
3.中国气象局公共气象服务中心，北京 100081
4.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，气候与环境变化国际合作联合实验室，气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏南京 210044

收稿日期:2022-03-27 修回日期:2022-06-29 出版日期:2023-02-28 发布日期:2023-02-28
通讯作者: 张国平(1974—)，男，宁夏永宁人，正高级工程师，主要从事基于深度学习算法的强对流天气预警技术研究。E-mail: xhgm100@126.com。
作者简介:宋琳（1983—），女，天津市人，高级工程师，主要从事闪电预警技术研究。E-mail:qdsonglinyy@163.com。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2020YFB1600103);中国气象局公共气象服务中心创新基金项目(M2021017)

Evaluation of FY-4A lightning mapping imager applied in arid region and its comparison with multi-source data

SONG Lin¹^,²(), ZHANG Guoping³(), WANG Shudong³, WAN Fujing², SUN Hao⁴

1. Qingdao Meteorological Disaster Protection Technology Center， Qingdao 266003，China
2. Qingdao Meteorological Disaster Prevention Engineering Technology Research Center， Qingdao 266003， China
3. Public Meteorological Service Center of China Meteorological Administration， Beijing 100081， China
4. Key Laboratory of Meteorological Disaster， Ministry of Education （KLME）， Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC）， Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster （CIC-FEMD）， Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration， Nanjing University of Information Science ＆ Technology， Nanjing 210044， China

Received:2022-03-27 Revised:2022-06-29 Online:2023-02-28 Published:2023-02-28

摘要/Abstract

摘要：

为加强多源闪电数据在干旱区的融合应用，利用新疆民航三维地基闪电探测系统（3-Dimension Lightning Location System，3-DLLS）、全球闪电定位网（World-Wide Lightning Location Network，WWLLN）和气象部门ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction System）、FY-4A闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI）等多源闪电资料，针对新疆地区2019年11次典型雷暴过程，开展FY-4A LMI探测性能的初步评估，并结合FY-4A云顶温度（Cloud Top Temperature，CTT）资料，详细分析2019年7月21日强雷暴过程的闪电特征，探寻CTT与闪电活动的相关关系。结论如下：（1）FY-4A LMI闪电“组”（LMI Group，LMIG）数量约为3-DLLS的1/5、WWLLN的1.02倍、ADTD的1/3。白天，在太阳背景光影响下FY-4A LMI的探测效率有所下降，即使日出后雷暴系统有所加强，但LMIG数量并无增加趋势。（2）在2019年7月21日强雷暴过程中，3-DLLS探测的闪电时空分布与ADTD重合度较高，而WWLLN的闪电定位与前两者在时空上存在一定偏差，这主要是各系统的探测原理（WWLLN主要探测的是强地闪，ADTD主要监测地闪回击，而3-DLLS探测的是全闪）及测站布局和数量不同所致。（3）在强雷暴过程不同发展阶段，闪电发生区域的FY-4A CTT值差异较大，初始阶段、旺盛阶段和消散阶段闪电区域对应的CTT值分别为260~280 K、230~240 K和240~260 K。

关键词: 闪电定位, FY-4A LMI, 探测效率, 个例对比

Abstract:

In order to enhance the merged application of multi-source lightning data in arid region, based on 3-dimension lightning location system (3-DLLS) data from Xinjiang Civil Aviation, world-wide lightning location network (WWLLN) data, advanced time of arrival and direction system (ADTD) data from meteorological departments and FY-4A lightning mapping imager (LMI) data, the detection efficiency of FY-4A LMI to 11 typical thunderstorm processes in Xinjiang in 2019 is preliminarily evaluated. Combined with FY-4A cloud top temperature (CTT) data, the characteristics of lightning are analyzed in detail during the severe thunderstorm process on 21 July 2019, and the relation between CTT and lightning activity is explored. The conclusions are as follows: (1) The amounts of FY-4A LMI group (LMIG) is about 1/5 of 3-DLLS, 1.02 times of WWLLN and 1/3 of ADTD. In the daytime, the detection efficiency of FY-4A LMI decreases under sunshine, even though the thunderstorm system strengthens after sunrise, the amounts of LMIG doesn’t increase. (2) During the thunderstorm process on 21 July 2019, the spatio-temporal distribution of 3-DLLS lightning has highly coincided with ADTD lighting, while that of WWLLN lightning has some deviations from 3-DLLS and ADTD lightning, which is mainly caused by different detection principles of various systems (WWLLN mainly detects strong cloud-to-ground lightning, ADTD mainly monitors lightning return stroke, and 3-DLLS detects total lightning) and the layout and number of measuring stations. (3) At different stages of the thunderstorm process on 21 July 2019, the values of FY-4A CTT in lightning occurrence areas are different greatly, and they are 260-280 K, 230-240 K and 240-260 K at the initial stage, mature stage and dissipating stage, respectively.

Key words: lightning location, FY-4A LMI, detection efficiency, comparative analysis of a case

中图分类号:

P427.321

宋琳, 张国平, 王曙东, 万夫敬, 孙豪. FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比[J]. 干旱气象, 2023, 41(1): 25-33.

SONG Lin, ZHANG Guoping, WANG Shudong, WAN Fujing, SUN Hao. Evaluation of FY-4A lightning mapping imager applied in arid region and its comparison with multi-source data[J]. Journal of Arid Meteorology, 2023, 41(1): 25-33.

图/表 10

图1 新疆ADTD和3-DLLS测站分布

Fig.1 Distribution of detection stations of ADTD and 3-DLLS in Xinjiang

图2 2019年7月21日雷暴过程期间3-DLLS 5个测站同步观测的一次闪电磁场变化全过程波形（a）和典型部分时间（虚线框）放大波形（b）

Fig.2 The full waveform of a lightning magnetic pulse observed synchronously by 3-DLLS at five stations （a） and its typical partial （the dashed box） magnified waveform （b） during the thunderstorm process on 21 July 2019

表1 2019年新疆地区11次典型雷暴过程FY-4A LMIG与不同地基探测系统闪电数量及比值

Tab.1 The lightning amounts of FY-4A LMIG and different ground-based detection systems and the ratios between them in Xinjiang during 11 typical thunderstorms processes in 2019

雷暴个例	闪电数量				LMIG与不同地基探测系统闪电数量比值
雷暴个例	LMIG	3-DLLS	WWLLN	ADTD	3-DLLS	WWLLN	ADTD
20190601	2	6	22	14	0.1 667	0.0 909	0.1 428
20190606	21	54	11	35	0.3 888	1.9 090	0.6 000
20190616	34	154	21	69	0.2 207	1.6 190	0.4 927
20190710	103	478	67	268	0.2 154	1.5 373	0.3 843
20190721-1	263	1137	199	830	0.2 313	1.3 216	0.3 168
20190721-2	157	413	39	216	0.3 801	4.0 000	0.7 268
20190801	11	45	48	43	0.2 444	0.2 291	0.2 558
20190804	28	114	98	140	0.2 456	0.2 857	0.2 000
20190805	2	142	74	74	0.0 140	0.0 270	0.0 270
20190806	12	432	118	253	0.0 277	0.1 016	0.0 474
20190807	8	65	53	106	0.1 230	0.1 509	0.0 754

图3 2019年7月21日01：00（a）、07：00（b）新疆地区雷达回波组合反射率拼图（单位：dBZ）

Fig.3 The combined reflectivity mosaic map of radar echo in Xinjiang at 01：00 （a） and 07：00 （b） on 21 July 2019 （Unit： dBZ）

图4 2019年7月20日20：00乌鲁木齐探空站T-ln P图

Fig.4 T-ln P diagram at Urumqi radiosonde station of Xinjiang at 20：00 on 20 July 2019

图5 2019年7月21日雷暴过程期间乌鲁木齐及周边地区FY-4A LMIG与不同地基探测系统观测的闪电数量（a）及比值（b）逐6 min演变

Fig.5 The 6-minte evolution of lightning amount observed by FY-4A LMIG and different ground-based detection systems （a） and the ratios between them （b） in Urumqi and surroundings during the thunderstorm process on 21 July 2019

图6 2019年7月21日雷暴过程初始阶段01：00—01：15新疆地区FY-4A CTT（彩色填充区，单位：K）与4种探测系统闪电定位（标识符号）分布（红色虚线方框区域为乌鲁木齐机场雷达站及周边区域。下同）

Fig.6 The distribution of FY-4A CTT （color filled areas，Unit： K） and lightning position of four detection systems （symbols） in Xinjiang at the initial stage of the thunderstorm process from 01：00 to 01：15 on 21 July 2019 （the area enclosed by the red dashed box for the Urmqi airport radar station and surroundings. the same as below）

图7 2019年7月21日雷暴过程发展成熟不同时段新疆地区FY-4A CTT（彩色填充区，单位：K）与4种探测系统闪电定位（标识符号）分布（a）06：34—06：38，（b）06：49—06：53，（c）07：15—07：19，（d）07：30—07：34

Fig.7 The distribution of FY-4A CTT （color filled areas， Unit： K） and lightning position of four detection systems （symbols） in Xinjiang at different periods of the developing mature of the thunderstorm process on 21 July 2019 （a） 06：34—06：38，（b） 06：49—06：53，（c） 07：15—07：19，（d） 07：30—07：34

图8 2019年7月21日雷暴过程发展成熟不同时段FY-4A CTT各区间4种探测系统在乌鲁木齐及周边地区探测的闪电数量（a）06：34—06：38，（b）06：49—06：53，（c）07：15—07：19，（d）07：30—07：34

Fig.8 Lightning amounts of four detection systems in Urumqi and surroundings under different FY-4A CTT intervals at different periods of developing mature of the thunderstorm process on 21 July 2019 （a） 06：34—06：38，（b） 06：49—06：53，（c） 07：15—07：19，（d） 07：30—07：34

图9 2019年7月21日雷暴过程消散阶段13：00—13：15新疆地区FY-4A CTT（彩色填充区，单位：K）与4种探测系统闪电定位（标识符号）分布

Fig. 9 The distribution of FY-4A CTT （color filled areas， Unit： K） and lightning position of four detection systems （symbols） in Xinjiang at the dissipation stage of the thunderstorm process from 13：00 to 13：15 on 21 July 2019

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