联合国公布：雷电灾害是全球最严重的十种自然灾害之一，它直接关系到生命安全与生产发展，开展雷电监测预警、强化雷电灾害防御对于经济运行和社会稳定意义重大（孔锋等，2018）。随着气象探测技术发展，地基闪电定位系统、气象卫星、天气雷达等探测资料广泛应用于雷电监测预警研究和业务（Karunarathna et al.， 2017；Rudlosky， 2014；任素玲等，2020；张华明等，2020），为综合开展雷暴多尺度特征分析、增强闪电过程机理及其与气象条件相关性认识、提升雷电预报预警水平等提供重要支撑，多源异构数据的融合应用势必对雷电防灾减灾更具有重要意义，而不同闪电定位系统探测效率评估是开展多源数据融合应用的重要前提。

地基闪电定位系统可以完整、连续追踪闪电活动，以获取地闪、云闪、全闪等资料，由于测站数量、布局、基线距离及算法、地形误差等不同，探测精度和效率存在差异。卫星探测范围大、观测点位高，获取的闪电位置、云顶温度、云顶高度等参量可以有效用于雷暴监测预警，但存在时空分辨率低、昼夜影响大、虚假信号多等缺陷。雷达探测时空精度高，获取的回波强度、回波顶高等参数可用于雷暴的识别与追踪，但存在探测盲区、大范围拼图效果差等不足。研究表明，地基闪电定位资料结合天气雷达回波反射率、垂直液态水含量、回波顶高等参数可以确定雷电临近预警指标（Lund et al.，2009；Biggerstaff et al.，2017；方标等，2017；杨美荣，2020），卫星云顶温度（Cloud Top Temperature，CTT）和雷达回波反射率相结合有助于雷暴天气分析和预警（Maddox，1980；Mathon et al.，2002；Vila et al.，2008），而卫星闪电资料与地基闪电定位资料的融合可以加强对闪电活动的追踪和预警（Thomas et al.，2000；Rudlosky et al.，2017）。基于上述观测手段开展的雷暴过程研究已取得一系列成果，但与雷电相关研究中多数仅使用少数两、三种资料，这在一定程度上影响了雷暴天气过程的诊断分析和雷电预警技术的发展。因此，利用多源数据的互补性开展融合应用研究对雷电监测预警十分重要：一方面，通过不同类型地基和天基闪电数据的融合，有助于获取更完整的闪电全局信息；另一方面，多源数据可以增强同一目标闪电信息的可信度。这些特点还利于评估卫星闪电探测系统的探测效率和性能（支树林等，2019；钱勇等，2021；邹耀仁等，2021）。

新疆地域辽阔、地形复杂，雷暴主要集中在6—7月，多发生在西天山到中天山一带（王旭和马德荣，2002）。目前新疆地区的雷暴过程分析与特征研究大多基于气象部门雷暴观测资料和地基闪电定位资料，数据源较为单一（胡建军等，2009；霍广勇等，2013；王延慧等，2019），缺乏卫星闪电探测系统在新疆地区探测性能的评估及融合应用研究。为此，本文利用FY-4A卫星闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI）和3种地基闪电探测系统定位资料，结合FY-4A CTT产品、雷达观测资料、探空资料等，对2019年新疆地区11次典型雷暴过程闪电数量进行统计对比，并针对7月21日的强雷暴天气过程进行详细诊断，提取闪电活动与CTT相关指标，重点评估FY-4A LMI在乌鲁木齐地区的探测效率，进一步探讨不同闪电探测系统数据差异的原因，以期为该区域多源闪电数据融合预警提供有益参考。

使用了FY-4A CTT产品、5部多普勒天气雷达（分别是阿克苏、喀什、库尔勒、伊宁、图木舒克雷达站）回波反射率和乌鲁木齐探空站观测资料以及FY-4A LMI、新疆民航三维闪电定位系统（3-Dimension Lightning Location System，3-DLLS）、全球闪电定位网（World-Wide Lightning Location Network，WWLLN）、气象部门ADTD（Advanced Time of Arrival and Direction System）闪电探测资料，研究时段为2019年，时间为北京时。文中附图涉及的新疆维吾尔族自治区及市（州）行政边界是基于新疆自然资源厅服务网站下载的审图号为新S（2022）021号的标准地图制作，底图无修改。

FY-4A CTT产品是通过成像辐射计2个红外窗口和1个CO₂吸收通道获取对流云顶温度，其在新疆地区的空间分辨率约4 km。FY-4A LMI理论上可对全闪进行探测，其电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）探测阵列的积分时间为2 ms，星下点像元分辨率为7.8 km（张晓黄，2019），通过卫星坐标系与地心坐标系转换，可计算出CCD阵列上每个像元的空间分辨率，得到LMI在新疆地区的空间分辨率约为13 km（陈亚芳，2019）。3-DLLS探测的是全闪，中心站布设在乌鲁木齐机场雷达站，其他4站分别位于阿什里、柴窝铺、呼图壁和阜康（图1），测站间距60~110 km。WWLLN探测的大部分为强地闪、少部分为强云闪，其探测频段位于甚低频（3~30 kHz），该频段在长距离传播过程中衰减非常小，可以捕捉上千公里之外的超远距离闪电（Rodger et al.，2005）。ADTD主要探测地闪回击，时间精度为0.1 μs，探测站网基本覆盖全疆。

以2019年7月21日雷暴过程为例，对3-DLLS 5个测站同步观测的雷暴过程中一次闪电磁场脉冲波形进行分析。从图2（a）看出，闪电的每一步发展都会激发出一个电磁脉冲，每个双极性脉冲对应闪电一个辐射源，反映了闪电逐步发展的放电过程。因此，基于多站同步磁场变化波形，采用波形互相关技术实现脉冲辐射源匹配（Lyu et al.，2014），获得电磁信号到达多站之间的时间差，从而反演每个脉冲对应的时空位置（x，y，z，t），即实现闪电三维定位。图2（b）是5个测站采集到的一次典型放电过程[图2（a）中虚线框部分]的同步磁场变化波形。

FY-4A LMI“组”（LMI Group，LMIG）是由同一帧相邻CCD阵列像元“事件”经聚类分析得到，反映了一次闪击的光脉冲，由于“组”聚类时间参数为2 ms、空间参数为CCD像元相邻格点（陈亚芳，2019），意味着LMI对新疆地区闪电探测在2 ms时间尺度、13 km范围内仅能识别一个光脉冲，而不同探测频段的地基闪电定位系统则在同一时空尺度内可以定位到很多个脉冲辐射源，即这些辐射源点对应同一个LMIG（曹冬杰，2016）。为了更合理地对比分析地基闪电资料与卫星闪电资料，本文在前人研究（曹冬杰，2016；陈亚芳，2019）基础上做如下定义：对于不同类型的地基闪电定位资料，同时满足时间间隔小于等于2 ms和空间尺度小于等于13 km的所有闪电辐射源点等效为一个闪电脉冲。

选取新疆地区2019年11次典型雷暴过程，借助多源地基闪电定位资料，开展FY-4A LMI在新疆地区探测效率评估，并重点分析7月21日强雷暴过程不同探测系统观测到的闪电活动情况。

表1是2019年新疆地区11次典型雷暴过程期间不同探测系统闪电活动统计结果。可以看出，FY-4A LMIG数量约为3-DLLS的1/5（不同雷暴过程有最大18%的偏差）、WWLLN的1.02倍、ADTD的1/3。造成数据差异的原因主要是不同地基探测网的设备性能、测站数量和布局、基线距离以及定位算法等不同。此外，FY-4A LMI的探测效率还与太阳背景光强度及不同类型雷暴有关。

2019年7月21日，新疆地区出现一次强雷暴过程，雷暴自西向东推进，影响范围覆盖博尔塔拉、伊犁、阿克苏、乌鲁木齐等多地，过程持续近13 h，其间一直伴有强烈的闪电活动。从新疆地区雷达组合反射率拼图（图3）看出，在雷暴生成初期的01：00伊犁西部出现40 dBZ以上的强回波[图3（a）]；随着雷暴的不断发展加强，强对流活动中心逐渐向东移动，07：00乌鲁木齐地区组合反射率因子最大达45 dBZ以上[图3（b）]。

图4是2019年7月20日20：00乌鲁木齐探空站T-ln P图。可以看出，中低层为偏北风，高层为偏西风，垂直风切变较小，不稳定能量较弱，整层较干（水汽条件一般），不利于短时强降水天气发生，而700 hPa接近干绝热递减率，有利于雷暴大风天气产生。

为评估FY-4A LMI对此次雷暴过程的探测效率，选取乌鲁木齐机场雷达站周边300 km×400 km范围（上述不同类型探测系统均可覆盖）进行分析。统计发现，在此范围内整个雷暴放电过程中LMI观测到的闪电“组”（LMIG）数量为263，3-DLLS监测到的闪电脉冲数量为1 137，WWLLN、ADTD监测到的闪电数量分别为199、830。

从不同探测系统观测的闪电数量逐6 min变化[图5（a）]看出，7月21日06：20左右，除WWLLN外，FY-4A LMI、ADTD和3-DLLS观测的闪电数量明显跃增，LMIG数量最大出现在06：36，达26；ADTD的探测数量在05：50左右出现跃增，最大值出现在07：50—08：48，为29；3-DLLS的数量最大出现在06：48和07：06，达35，11：00之后逐渐减少直至消失。另外发现，在白天时段FY-4A LMI的探测效率较3-DLLS和ADTD有所下降，虽然日出（06：46）后雷暴系统持续增强，但LMIG数量无增加趋势。

对比发现，FY-4A LMIG数量仅占3-DLLS的23.13%，且在整个雷暴发展演变过程中二者比值呈不规则变化[图5（b）]，这主要与两套系统的探测效率有关。对于FY-4A LMI探测而言，闪电强度、类型和雷暴云形态特征（云中水成物粒子含量、雷暴云粒子直径等）以及LMI观测角度等因素都会影响闪电云顶光辐射特征（强度和范围），进而影响探测效率。通常，云层越稀薄，云内水成物粒子对脉冲激发的红外光子吸收和散射越弱，故而FY-4A LMI对位置较高的云内脉冲识别率更高（张晓黄，2019），而3-DLLS是通过探测云闪和地闪的电磁脉冲实现定位，不受太阳活动和雷暴类型等因素影响。

为详细探讨2019年7月21日雷暴过程中闪电活动特征，根据雷暴的发展过程，分析闪电活动与 FY-4A CTT的相关关系。从图5（a）看出，该雷暴发展过程分为3个阶段：初始阶段（01：00—04：00），各系统探测的闪电数量不多；发展成熟阶段（04：00—11：00），闪电数量逐渐增多，除WWLLN外，其他探测系统均显示闪电数量在06：00左右出现跃增，且高峰持续到08：00左右；消散阶段（11：00—13：00），闪电数量明显下降，每6 min不足10。下面分别选取各阶段典型时段进行对比分析。

图6是雷暴初始阶段01：00—01：15的FY-4A CTT与FY-4A LMIG、3-DLLS、ADTD 和WWLLN探测系统闪电分布。可以看出，雷暴从伊犁、博尔塔拉自西向东朝着乌鲁木齐方向移动，途经地区陆续出现闪电，但数量总体不高，每6 min大多低于10[图5（a）]。由于3-DLLS布设位置及探测半径限制，乌鲁木齐以外区域无相应数据。

研究表明，云顶温度与对流强度具有较好的相关性，云顶温度大致可以反映雷暴发生发展过程，闪电活动的环境温度一般低于-10 ℃，主要发生在云顶温度较低的冷云中（Mathon et al.，2002；刘冬霞等，2010）。初始阶段01：00—01：15，ADTD和FY-4A LMIG探测的整个雷暴系统在新疆地区闪电空间分布比较一致，闪电活动主要发生在FY-4A CTT为260 K（-13 ℃）以下的云区，若按照每千米下降6 ℃计算，云顶高度约为8 km；而WWLLN探测的闪电位置与ADTD和FY-4A LMIG差别较大，绝大多数闪电发生在FY-4A CTT为280 K（7 ℃）左右的云区（图中红色虚线方框），根据CTT判别阈值，这些区域不应该有闪电发生。经分析发现，WWLLN与其他探测系统数据在时空上的偏差主要是各探测系统的探测原理不同所致，WWLLN探测的主要是地闪，ADTD监测的主要是地闪回击，而3-DLLS探测的是全闪；此外，测站布局及数量等也会导致探测差异，WWLLN在我国仅有4个站点（均不在新疆境内），且对电磁杂波的抗干扰能力较弱，可能导致一些虚假点。

图7是雷暴发展成熟不同时段FY-4A CTT与4种探测系统闪电分布。可以看出，成熟阶段雷暴主要发生在乌鲁木齐及周边克拉玛依、阿勒泰等地区，同时伊犁地区也有发生，各系统探测的闪电数量均明显增大，3-DLLS、FY-4A LMIG、ADTD峰值每6 min均超过20，尤其是乌鲁木齐西北部的呼图壁闪电活动最为集中。其中，ADTD探测的闪电活动主要发生在CTT为230~255 K（-43~-18 ℃）的冷云区，对应的云顶高度为9~14 km；FY-4A LMIG的闪电活动区域CTT为225~230 K（-48~-43 ℃），对应的云顶高度为14~15 km；WWLLN探测的绝大多数闪电活动发生在CTT为240~250 K（-33~-23 ℃）的冷云区，对应的云顶高度为10~12 km；3-DLLS探测到的闪电活动主要发生在CTT为230~240 K（-43~-33 ℃）的冷云区，对应的云顶高度为12~14 km。整体而言，在雷暴成熟阶段，3-DLLS的闪电活动与ADTD重合度较高，都发生在强对流核心区域，而FY-4A LMIG探测的部分闪电活动发生在强对流区域边缘，甚至发生在CTT>240 K的云区，这与理论上闪电发生位置对应的旺盛对流云有一定偏差。

由于定位精度和探测效率的差异，在雷暴发展成熟不同时段，不同探测系统闪电活动（WWLLN仅在07：30—07：34探测到闪电）对应的CTT存在一定差异，但4种系统探测的大部分闪电基本都发生在冷云区，闪电集中出现区域的CTT为225~240 K，占比达77.21%（图8）。

图9是雷暴消散阶段13：00—13：15的FY-4A CTT与4种探测系统闪电分布。可以看出，雷暴消散阶段，闪电主要发生在CTT为240~260 K（-33~-13 ℃）的云区，云顶高度为8~12 km，雷暴主体已在乌鲁木齐境内减弱消散，仅在伊犁、博尔塔拉地区偶有散发式闪电发生。与雷暴初始阶段和成熟阶段相比，消散阶段闪电发生区域对应的CTT值有所增大。

本文利用FY-4A闪电成像仪（LMI）、三维地基闪电探测系统（3-DLLS）、全球闪电定位网（WWLLN）和气象部门ADTD闪电观测资料及FY-4A云顶温度（CCT）资料等，针对新疆地区2019年11次典型雷暴过程，通过多源地基闪电定位资料对FY-4A LMI探测效率进行评估，并重点分析7月21日强雷暴过程的闪电活动特征，提取闪电活动区域CTT值域。总体上，FY-4A LMI闪电探测效率低于地基探测系统，但不同地基探测系统闪电数据在时空分布上存在一定的偏差；在雷暴过程不同阶段，闪电主要发生区域对应的CTT值差异较大。具体结论如下：

（1）针对新疆地区2019年11次典型雷暴过程，FY-4A LMI探测的“组”（LMIG）数量约是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，乌鲁木齐及周边地区FY-4A LMI观测的闪电“组”（LMIG）数量为263，3-DLLS监测的闪电脉冲数量为1 137、WWLLN监测的闪电回击数量为199、ADTD监测的地闪回击数量为830。在整个雷暴过程中，3-DLLS监测的闪电脉冲时空分布与ADTD重合度较高，而WWLLN定位结果与其他地基数据在时空上存在一定的偏差，这主要是各系统探测原理及测站布局、数量等不同所致。

（3）2019年7月21日强雷暴过程初始阶段，ADTD和WWLLN探测到的闪电活动主要发生在CTT为260~280 K（-13 ℃~7 ℃）的云区；发展旺盛阶段，途经乌鲁木齐的单体雷暴持续近2 h，闪电活动主要发生在CTT为230~240 K（-43~-33 ℃）的冷云区，云顶高度约12~14 km；消散阶段，闪电活动主要发生在CTT为240~260 K（-33~-13 ℃）的冷云区。除了WWLLN外，其他3种系统探测的闪电活动基本都发生在冷云区，表明冷云区是强对流核心区。CTT与闪电活动的位置关系显示，4种闪电活动探测数据的重合度较高。

综上所述，由于不同类型地基闪电探测系统的定位算法及滤除虚假点方法不同，加之探测网的站点数量、布局及设备仪器性能等方面的差异，导致不同探测系统的闪电活动数量存在一定差别，且在雷暴各发展阶段也不尽相同。另外，FY-4A LMI数据受昼夜变化的影响较大，且在雷暴不同阶段闪电探测效率也不同，这主要是闪电强度、类型及雷暴云形态特征、仪器观测角度等因素都可能影响闪电云顶光辐射特征（强度和区域），进而影响探测效率。因此，在今后工作中需要加强对多源数据的质量控制和融合算法研究，将各种资料优势互补，才能得到具有统计意义、可信的分析结果。