1. 引言

风云四号卫星(FY4A) LMI和地基国家雷电监测网ADTD系统，是我国气象部门目前两种国家级获取大范围闪电数据信息的主要手段。卫星LMI闪电探测，是利用闪电光辐射特点，通过区分闪电信号与噪声，进而完成对闪电的捕捉和定位；地基ADTD闪电探测，通过分析闪电辐射的电磁信号，来实现对闪电的监测。相比传统的地基闪电探测，卫星闪电探测因其独特的平台优势，成为各国竞相发展的新技术。随着人们对闪电的认识不断增加，传统地基探测已经不能满足需求，搭载于风云四号A星上的闪电成像仪LMI，是我国首次星载的闪电光学探测载荷，能够对大视场范围内的闪电活动，进行实时、动态监测，它填补了我国在卫星闪电探测领域的空白。

目前，国内对地基闪电探测的研究已取得一定成果，但是在卫星闪电探测方面研究相对较少。崔逊等 [1] 利用WWLLN与江苏省闪电定位ADTD系统对2006年~2009年闪电数据进行分析，发现WWLLN探测的闪电时空分布趋势与ADTD保持较好的一致性；朱杰 [2] 开展LMI和地基闪电探测数据长时间统计特征比对，发现LMI和ADTD探测到的中国陆地闪电数据年代间变化趋势呈现良好的一致性，且随着技术的进步，星地观测得到的闪电数据匹配比例呈稳步上升趋势；邓雨荣等 [3] 基于2005~2010年间OTD/LIS闪电探测数据，对全球和三大闪电高发区(非洲、南北美洲和东南亚地区)的变化趋势进行了讨论；惠雯等 [4] 利用OTD/LIS系统和全国闪电定位系统的资料，对2008~2013年间我国西南地区闪电时空分布特征差异进行了分析研究；姚尧等 [5] 利用鄂西三峡一带LIS探测数据与相应的地基电网雷电探测系统进行对比分析，发现两者在研究区间内数据一致性良好。文刚 [6] 利用LMI闪电探测数据得出云顶亮温与雷电发生区域存在着相关性。LMI和ADTD这两种闪电探测系统，在理论上、技术上、方法上都不一样，对闪电的探测类型、探测效能以及定位精度也都存在着一定的差异，本文希望通过分析两者数据的匹配特征，开展应用研究取长补短，以弥补单一系统信息源带来的数据不完整性、不确定性。由于数据来源受限，从天擎上获得卫星闪电的完整年的数据仅有2022年，因此在接下来的研究中针对2022年的卫星LMI闪电数据与ADTD数据进行对比分析，其结果可以为雷电监测预警和防雷减灾工作提供更为科学的指导。

2. 数据来源和方法

研究表明，闪电组(Group)数据，在时空特性上与地基地闪回击(stroke)数据相似 [7] ，本文选取LMI湖南地区2022年闪电组(Group)数据和湖南省2022年ADTD地闪(stroke)数据进行对应分析，运用数理统计等方法分析其匹配比例在季节、时段等方面的特征差异，同时对湖南省的云地闪比率特征及变化规律进行研究。

3. 结果与分析

3.1. 闪电数据匹配比例的季节变化对比

图1显示的是2022年卫星LMI闪电探测和地基国家雷电监测网ADTD在湖南省范围内闪电数据匹配比例的月平均变化规律。由图可以看到，LMI和ADTD数据匹配比例逐月平均变化曲线呈现双峰值特征，其中6月匹配度最高，在监测到的高频率闪电活动月份上，两者表现出来是基本一致的。匹配比例较为稳定的是春季(3~5月)，且呈现逐步上升趋势，同时，两者在夏季(6~8月)的匹配度明显高于春季。根据LMI的设计要求，每年的春分和秋分，卫星LMI会进行调头，探测视角覆盖区域会出现翻转。即每年春分到秋分期间，LMI进行闪电监测活动的区域主要为我国陆地和周边临近洋面，这使得LMI与ADTD数据能进行有效协同分析的时间仅约为185天；而从秋分开始到第二年的春分，卫星LMI探测视场发生变化，闪电活动主要监测区域变为南半球澳大利亚地区西部和印度洋海域，LMI在这个时间段无法获取湖南地区的闪电观测数据，也使得ADTD系统的数据与之匹配比例为0。我省闪电活动频发期为每年的4~9月，这段时间探测到的闪电数据几乎占到全年闪电探测数量的90%，也是湖南省的汛期。春季和夏季的对流活动是一年之中最为旺盛的，随着闪电活动逐渐频繁，探测到的闪电数量在夏季达到全年的峰值。诸多相关研究表明，强对流过程中雷暴产生的强降水的发展趋势与闪电活动的频率在时空上具有某种对应关系。闪电活动对于强对流过程的指导性有着十分重要的参考意义，它可以很好的弥补常规观测手段所带来的不足，为决策强天气监测预警与预报提供重要的依据。

3.2. 闪电探测数量逐时分布特征

图2显示的是2022年这个区间内平均每日逐时段，LMI和ADTD探测到的闪电数量变化情况。通过星地闪电探测数据可以看到湖南省闪电活动有着较为明显的日变化特征，呈现出单峰值分布的规律。每日的下午和傍晚(13时~18时)是闪电高发期，这段时间的闪电数量约占全天闪电数量的50%。平均来看，闪电活动稀疏的时间段在清晨和上午(3时~11时)，午后(约13时以后)开始逐渐频繁，探测到的闪电数量明显增多，并于15时~17时左右，闪电探测数量达到全天的极大值，此时的闪电探测数量为最小值的8倍多。而当夜幕降临后，闪电活动的频率出现一定起伏，凌晨以后明显减少，然后进入清晨及上午那段闪电活动相对稀疏的阶段，并于7时、8时左右达到全天闪电活动的极小值。这一特征与我国陆地深对流过程的日变化规律相似，即清晨和上午，闪电活动相对较少，强度不大，对流活动频率较低，从午后开始对流活动缓慢增强，闪电活动也随之增多，并于傍晚的时候达到极大值，凌晨则再次减弱。由此看出，卫星LMI与地基ADTD两套探测系统，虽然在探测原理、闪电类型、闪电数量上存在诸多不同，但是两者探测所得到的闪电活动日变化规律保持了较好的一致性。这也再次验证了，闪电活动与深对流活动存在密切的联系，在今后强对流天气的雷电监测和预警中，星地探测的闪电数据可以发挥其无可比拟的作用。

3.3. 湖南地区云地闪比率分布及变化规律

关于闪电的研究，在雷电灾害调查以及监测预警这些领域中，云闪和地闪的比率有着十分重要的参考意义，其数值会随着时间、空间的变化而变化。Boccippio等 [8] 曾经在2001年研究了美国境内陆地上发生的云地闪比率及相关特征，他们将四年的星载闪电光学瞬态探测器OTD资料和美国国家雷电监测网NLDN资料进行分析和研究，注意到陆地上的云地闪比率值在2.64~2.94之间变化，该值的变化与纬度的变化没有明显相关性，本文通过2022年的LMI数据和ADTD数据，研究湖南地区(24.5N~30N)云地闪比率特点和纬度变化的相关性，结果如图3所示，湖南地区云地闪比率值的变化和纬度变化的相关性不大，这与Boccippio研究内容相似；平均云地闪比率为1.96，这与Boccippio研究内容有差异。同时还发现，星地探测数据得出的云地闪比率值与ADTD实测数据计算出的云地闪比率值基本吻合，随纬度变化的相关性基本一致，也从另一方说明了LMI数据和ADTD数据在研究云地闪比率特征方面具有一定的可实施性。

4. 总结与讨论

利用湖南省2022年ADTD数据和LMI湖南地区2022年闪电数据，对两者资料融合开展综合应用研究，分析两者的匹配特征，将两者探测的闪电数据在季节、时段等方面进行统计特征比对，同时研究了我省云地闪比率分布特征及变化规律，得到的研究结论主要有：

1) LMI与ADTD资料的有效协同分析时间仅约为185天，主要在春夏两季；星地闪电探测数据匹配比例的月变化曲线呈现双峰值特征，其中，6月星地数据匹配比例达到峰值；两者监测到的高频闪电活动月份基本一致；该比例在春季较为稳定，且出现逐渐上升趋势；夏季的匹配度普遍高于春季；

2) 卫星和地基两者探测所得到的闪电活动日变化规律保持了较好的一致性，闪电高发期相对集中在每日的下午和傍晚，平均于15~17时左右达到全天的极大值，而当夜幕降临后，闪电活动的频率出现一定起伏，凌晨以后明显减少，然后进入清晨及上午那段闪电活动相对较弱的阶段，并于7时、8时左右达到全天闪电活动的极小值；

3) 湖南省云地闪比率值的变化随纬度的变化不明显，平均值为1.96，这些结果与美国的同类研究有一定的异同。

由于星地闪电探测能力、探测闪电类型等方面的差异、数据来源的限制以及数据质量的把控不到位，使得统计结果与实际情况难免出现误差，希望后续开展相关研究工作的时候，能尽可能准确地保留真实的闪电数据，对掌握的数据能进行更加深入的分析，更全面地认识我省雷电活动的时空分布规律及特征，更好地服务于雷电监测与预报预警。

基金项目

湖南省气象局2023年创新发展专项(青年专项) (CXFZ2022-QNZX23)。

参考文献