引言

静止气象卫星高时空分辨率的红外、可见光资料是研究和监测灾害性天气的重要手段^[1-2]。随着卫星观测技术的发展和遥感仪器能力的提升，多通道的观测数据组合可更好地观测云的温度、微物理结构、相态等特征，更准确地监测强对流天气。例如LENSKY and ROSENFELD^[3-4]、MAHOVIĆ and ZEINER^[5]、PAJEK et al.^[6]利用欧洲气象卫星进行多通道红-绿-蓝（red-green-blue，RGB）组合方式进行云物理特征、对流云识别和对流系统中的上冲云顶监测等，并且可利用多通道RGB组合监测对流开始前的系统，多通道RGB合成产品能有效突显大气和云中的某一类信息。目前，日本气象厅（JMA）利用葵花8/9（Himawari-8/9）卫星16个通道的AHI（Advanced Himawari Imager）仪器以及欧洲气象卫星应用组织（European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT）利用第二代静止气象卫星（METEOSAT，MSG）12个通道的SEVIRI（Spinning Enhanced Visible and Infra-Red-Imager）仪器形成了一系列RGB合成产品，其中与强天气相关的产品包括白天对流风暴、强雷暴、对流云、白天云微物理、夜间云微物理、气团、自然色等产品，并形成了产品的合成算法^[7-8]。2016年年底，我国发射的第二代静止气象卫星FY-4A多通道扫描辐射成像仪（Advanced Geosynchronous Radiation Imager，AGRI）为14个通道，其通道的设置和AHI、SEVIRI接近但也有差异^[9]，因此利用FY-4A进行多通道RGB合成产品计算时需进行参数调整才能达到较好的显示效果。

FY-4A气象卫星搭载的闪电成像仪是利用闪电光辐射在777.4 nm中性氧原子近红外吸收谱线最强这一特征，实现对闪电的定位^[10]。携带闪电成像仪的静止气象卫星还包括2016年11月美国发射的GOES - R卫星。FY-4A携带的闪电成像仪（Lightning Mapping Imager，LMI）星下点定位于104.7°E，是我国自主研制的星载闪电成像仪^[11]。其他卫星携带闪电观测仪器获取的闪电产品研究分析^[12-14]表明，闪电产品在气象和气候学方面均具有重要的应用价值。最新研究初步表明，FY-4A静止气象卫星闪电成像仪具有较强的闪电信号探测能力，L2级闪电探测产品能够反映中国地区及其临近海域的闪电分布。强对流天气研究^[15]表明，LMI闪电产品与对流云团对应一致，与地基雷达基本反射率35 dBZ以上区域一致，对强对流天气具有指示意义。

华北是我国重要的暴雨区^[16-18]。研究^[19]表明，对流5—6月开始活跃，主要发生于午后山区，傍晚达到最强，生命史短，但强度大且常伴有冰雹和强风，属于热对流特征。近50年冰雹研究^[20]也表明，华北冰雹活动最强为6月，主要受局地垂直温度场变化的影响。随着卫星高时空分辨率观测资料的应用，华北中小尺度对流系统个例研究逐渐增多^[21-24]，均表明卫星数据在华北对流性天气过程监测中的重要性。

因此，本文将研究FY-4A多通道扫描辐射成像仪和闪电成像仪数据在华北地区雷暴天气中的应用。主要内容包括：FY-4A多通道RGB白天对流风暴产品合成方法及在华北地区的参数选择；FY-4A闪电和地基闪电产品在华北地区一致性分析；2018年华北地区FY - 4A闪电监测分布特征；FY -4A白天对流风暴RGB产品和闪电产品在2018年一次强雷暴过程中的应用。同时，利用融合了气象卫星产品的高时空分辨率LAPS（Local Analysis and Prediction System）资料，分析此次雷暴过程中大气的三维结构特征及其对应的三维云分布特征。该研究能够为利用FY-4A气象卫星数据进行华北及周边地区雷暴天气监测服务提供支撑。

1 数据与方法 1.1 FY-4A多通道扫描辐射成像仪与闪电成像仪数据和反演产品

FY-4A多通道扫描辐射成像仪（AGRI）设置有14个通道，可见光通道空间分辨率为0.5 ~ 1 km，红外通道空间分辨率为2 ~ 4 km，时间分辨率为5 min（北半球区域）或15 min（全圆盘），观测时间见表 1（时间为世界时，下同）。

FY - 4A闪电成像仪（LMI）CCD观测波长为777.4 nm，CCD探测来自闪电放电过程中的光辐射，当闪电成像仪CCD面阵单个像元探测到的闪电光辐射的辐亮度高于背景阈值时，定义为一次闪电“事件”，即像元观测区域云中闪电光辐射透过云层的发光现象，对应的CCD面阵该像元中心位置即为这次闪电事件的位置。探测到的光辐射强度数据经过处理，提取可能来自于闪电的光“事件”，闪电仪以2 s为间隔连续探测。最后利用产品算法软件，进行背景减光、阈值设置和改变，提取闪电信号，进行虚假信号滤除和聚类分析，输出包含闪电“事件”（event）、“组”（group）和“闪电”（flash）三类产品。文中应用的闪电产品为闪电“事件”，数据为1 min观测1次，空间分辨率为7.8km，夏季观测范围覆盖中国大部分区域及邻近地区，冬季观测南半球。卫星闪电成像仪能够实现总闪电探测（包括云闪、云地闪和地闪）^[15]。

TBB（black-body temperature）数据选用FY-4A多通道扫描辐射成像仪第12通道（中心波长10.8μm）反演的TBB数据，中国区域TBB数据时间频次同成像仪观测时间（表 1），为了分析在对流发展过程中TBB随时间演变，1 h内的观测均处理成10个数据，没有观测的时刻以缺省值代替（同表 1中02时观测）。

1.2 中国ADTD雷电系统定位数据

该数据为我国气象部门国家级地基闪电监测网络（国家雷电监测网）的探测数据，覆盖了我国约477个站的时间同步探测网，采用中国科学院空间科学与应用研究所研制的ADTD闪电探测系统，针对有效闪电回击数据，获取雷电发生时间、地理位置以及定位误差要素等，闪电时间精确到毫秒。目前，该闪电探测数据主要探测的为云地闪电^[25-27]。

1.3 LAPS多源融合数据

NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）发展的LAPS系统可以融合多源观测资料，包括模式背景场、地基、空基观测的风、温、压、湿和云等大气参数，得到高分辨率的三维大气结构信息。三维云分析是LAPS最有特色的部分，云分析主要采用逐步订正方案，获得的云参数包括三维云量场、大气柱云量、云底高度、云顶高度等，产生的三维云量场用于LAPS中其他云物理参数的计算。刘瑞霞等^[28]研究了LAPS系统融合我国风云气象卫星数据后对三维云场的订正效果，指出当增加了FY-2卫星资料后，LAPS分析的云量产品更接近真实，表明了卫星资料在LAPS云分析中的重要作用。本文利用LAPS三维数据分析系统，融合FY-2G气象卫星通道数据、地面观测数据等，获得空间分辨率为5 km的大气环境场资料、三维云量场资料，数据的时间分辨率为1 h，空间范围为108° ~128°E，32° ~ 45°N。

1.4 星地闪电数据处理与时空匹配方法

计算时把FY-4A闪电数据和ADTD雷电系统定位数据中的闪电位置信息（经度、纬度）插值为0.1°×0. 1°的等经纬度格点数据，发生一次闪电数值标记为1。一段时间内闪电次数的累计为该时间段内闪电事件活动频次。

FY-4A闪电数据和ADTD雷电系统定位数据时间和空间匹配方式为：在处理后形成的0.1° ×0.1°等经纬度格点数据基础上，相同的格点进行空间匹配；根据FY-4A的1 min闪电数据，查找对应1 min内地面ADTD闪电数据进行时间匹配。

2 FY-4A多通道白天对流风暴RGB产品 2.1 白天对流风暴RGB合成方法

多通道RGB合成技术是根据卫星不同通道特征，利用3通道或多通道计算后的数据最后形成3个数据，把3个数据分别赋值给红（R）、绿（G）、蓝（B）通道，通过合成形成彩色图像。多通道组合可以提取不同的监测信息。

日本Himawari-8/AHI利用6个通道数据进行白天对流风暴RGB合成，Himawari-8/AHI通道设置见表 2，白天对流风暴RGB产品合成方法见表 3。R为两个水汽通道差值（图 1a）。两个水汽通道均反映了对流层中高层水汽信息，但在对流层高层WV7.3 μm通道对水汽的透射性比WV 6.2 μm通道更高，因此WV 7.3 μm通道更多的为对流层中下层水汽信息，两个水汽通道插值图像中，白色区域为发展旺盛的高云，云顶低的云和稀薄的卷云不明显。因此，在RGB图像的红通道，深厚的云系为红色。G为中红外和远红外通道差值（图 1b）。IR 3.9 μm通道在白天包含了红外辐射和太阳光反射，反射能量取决于云中粒子的大小，当云中冰粒子小时，反射越强，在具有强烈上升运动的对流云中小冰晶粒子较多。在两个通道差值图像中，太阳反射为主要信息。在RGB图像的绿通道，小冰晶粒子云为绿色。B为近红外和可见光通道差值（图 1c）。IR 1.6μm通道的反射取决于云粒子的相态和尺寸，当粒子大时，反射小，当云为冰相态时，由于冰粒子吸收太阳光，反射较小。VIS 0.64 μm通道反射和光学厚度有关。在两个通道差值图像中，具有大粒子的深厚的冰云为深颜色，低云和陆表为白色。因此，在RGB图像的蓝通道，低云和陆表为蓝色。在该RGB合成图像中，深厚的（红色）具有强上升运动的小冰晶粒子云（绿色）表现为黄色。红色为深厚的降水云系，蓝色为陆地/海洋或低云。

由于FY-4A/AGRI和Himawari-8/AHI仪器的通道设置有差异（表 2），本文参考日本Himawari -8 / AHI白天强对流风暴RGB合成方法并做了参数调整，计算R通道的水汽通道由Himawari - 8 / AHI的WV 6.2 μm ~ WV 7.3 μm转变为FY-4A / AGRI的WV 6.5 μm ~ WV 7.2 μm，计算G通道的IR 3.9μm ~ IR 10.4 μm转变为IR 3.8μm ~ IR 10.8 μm，如果完全依据Himawari-8/AHI算法获得白天对流风暴产品效果较差（图 1d）。通过多次调整参数，华北及周边FY-4A RGB合成白天强对流风暴产品计算方法见表 3。

由于所用到6个通道数据的空间分辨率不同（表 2），VIS 0.64 μm通道为500 m，IR 1.61 μm和IR 3.80 μm通道为2 km，其他3个通道为4 km，计算时把数据均插值处理为2 km。利用上述方法获得的图像如图 1e、f所示，修订后白天对流风暴产品较好地突出了强烈上升运动的雷暴云区。FY - 4A多通道白天对流风暴RGB合成产品可有效识别小尺度冰粒子相态的强上升运动雷暴云（图 1e、f中的黄色区域），可应用于强天气短时临近预报。

2.2 FY-4A白天对流风暴RGB产品较可见光图像的优势

FY-4A多通道白天对流风暴RGB合成产品图像中黄色区域可反映具有强烈上升运动的小冰晶粒子对流云，对于识别可见光图像中高反射厚积云区域中强降水或强天气落区具有监测优势。

2018年8月8日早上，北京和河北东部出现短时强降水，由00—01时1 h累计降水量（图 2）可知，强降水出现在北京东部及邻近的河北东部，部分区域1 h降水量超过5 0 mm，最大1 h降水量为123 mm。FY- 4A三通道合成可见光真彩色图像（图 3）显示，00时北京西部和东部有两处发展深厚的云团，云顶信息表明两者差异较小（图 3中红色箭头处），均表现为密实的对流云。但白天对流风暴RGB合成产品（图 1e、f）显示00时和01时北京东部呈现黄色，为强上升雷暴云团，而北京西部和西北部的对流云团为暗红色，降水较弱。白天对流风暴产品和强降水落区关系匹配密切，表明FY-4A多通道RGB白天强雷暴产品较可见光图像具有监测优势。

3 FY-4A监测闪电在华北地区的分布特征 3.1 FY-4A闪电和地面观测闪电对比分析

利用2018年6月闪电数据进行分析，2018年6月有效FY-4A闪电事件产品共26 853个时次，通过时间匹配地基闪电，华北附近区域（111° ~ 126°E，34° ~ 44°N）累计的闪电频次随时间分布如图 4。由于观测方式不同，FY-4A闪电事件总频次约为地基闪电频次的10倍。6月大部分时间内，两类闪电数据1 min累计闪电频次总数变化趋势基本一致，6月下旬，时间T1和T3处地基闪电活动频次相对偏高，时间T2处地基闪电活动频次相对偏低。这表现出两类数据既有一致性也存在差异性。

2018年6月13日，华北和黄淮等地出现强对流天气，通过对比分析6月13日00—10时累计闪电频次分布（图 5）可以看出，在此次强雷暴天气过程中，卫星监测的闪电总体较多。由卫星监测闪电和地面监测闪电分布趋势可知，卫星监测闪电在北京、河北北部和中部、天津等地（华北北部）和山东北部闪电总数基本一致，而地基观测闪电总数华北北部明显小于山东北部。由FY-4A气象卫星TBB发展演变（图 6）可知，00—05时，华北北部自西北向东南有对流活动，TBB低值区为-50 ~ -40 ℃，对流云团的生消较快，属于较小尺度的对流云团。而山东中北部对流云团的TBB值在-58 ~ -50 ℃之间，且云团尺度较大，自北向南推进，该区域的雷暴云团较华北北部对流较强。研究表明，在雷暴的发展阶段，通常首先出现云内闪电，云地闪电活跃一般滞后于云内闪电峰值5 ~ 10 min且没有云内闪电活跃，云地闪电更多地出现在雷暴的成熟阶段^[29]，因此，华北北部卫星观测闪电相对较多与该区域对流频繁生消产生的云内闪电活动有关。

华北北部对流相对较弱，且有多个中小尺度对流云团更迭，因此在每个对流云团发展阶段云内闪电活动频繁（卫星监测闪电），由于其强度相对较弱，地基闪电探测仪观测云地闪电活动不明显。由华北北部平均TBB和区域总闪电数据时间演变（图 7）同样可以看出，卫星监测闪电在00：40—00：50、01：10、02：20和03：30左右出现几个峰值，特别是在区域平均TBB持续降低的前2.5 h（00：00—02：30），总闪电数较大，地基闪电定位观测显示地闪频次高峰出现在02：30—04：30，总体较气象卫星观测的闪电晚，当区域平均TBB开始升高时（04：30左右），气象卫星和地基闪电探测的闪电均开始减弱，卫星闪电减弱更迅速。

山东中北部对流相对较强，其新生对流的发展出现在较大中尺度对流系统前进方向的南侧，低于-50 ℃强对流区域范围较大且维持时间较长（图 6）。区域平均TBB时间序列（图 7）显示，平均低于-30 ~ -20 ℃ TBB自04时开始一直持续到10时，07时开始缓慢减弱。卫星监测区域累计闪电显示出多个活跃期，05—08时较强。地面观测云地闪电02—08时都维持较强的状态。08时之后卫星观测总闪电和地面观测云地闪电均开始减弱，09时开始该区域基本无闪电活动。

因此，卫星闪电探测仪对雷暴云团初生阶段的云内闪电有很好的探测效果。与地基闪电仪探测相比，既有区域分布的一致性，也有闪电活动次数和闪电发生时间的差异性。这表现出不同观测仪器和观测方式对同一雷暴系统观测所揭示的不同特征。

3.2 2018年4—9月华北及周边闪电活动特征

利用FY-4A闪电成像仪1 min闪电事件产品，分析华北及周边4—9月月累计闪电频次分布（图 8）。2018年4月，卫星监测闪电主要分布在河北东北部、辽宁中北部，整体闪电活动较弱；5月，山西东部、河北西北部和山东半岛闪电活跃；6—8月闪电活动整体较强，其中6月大值区出现在山西、河北中北部、北京、天津、山东半岛、莱州湾和辽宁西南部，7月大值区出现在山西北部、北京和河北东北部，而8月山西中北部、河北、天津、山东南部和辽宁西部均为闪电活跃区。研究表明，华北及周边5—6月对流已开始活跃^[19]，5—6月对流具有热对流特征，主要发生于午后山区，傍晚达到最强，生命史短，但强度大且常伴有冰雹和强风，而7—8月对流和大范围暴雨天气相关，属于湿对流。近50年冰雹研究^[20]也表明，华北冰雹活动最强为6月。气象卫星闪电探测仪既能监测弱对流产生的闪电，也能较好地反映出大范围暴雨活动伴随的闪电活动。

4 FY-4A产品监测2018年6月13日冰雹过程 4.1 冰雹监测实况

2018年6月13日凌晨至下午，华北和黄淮出现大范围的冰雹天气。由中国气象局决策服务信息共享平台气象灾害管理系统灾情直报信息（表 4）可知，00—01时，冰雹主要出现在北京北部及邻近的河北丰宁、山东北部的德州和滨州，05—08时山东出现多县市的冰雹天气，07时山东省冰雹天气最为剧烈，11县（市、区）出现冰雹，07时山东潍坊出现多处冰雹。逐小时冰雹灾害分布如图 9。

4.2 FY-4A白天对流风暴RGB产品和闪电产品应用

FY-4A RGB白天对流监测产品（图 10）显示：00—01时河北北部、北京东北部、天津、渤海湾、山东北部有对流风暴活动（图中黄色区域），对应着00—01时河北丰宁、北京平谷和密云、山东滨州和德州的冰雹天气。FY - 4A闪电事件监测产品（图 11）显示：00—02时2 h累计闪电事件频次大值也出现在上述地区，河北丰宁2 h闪电频次出现30次以上。03—07时山东北部对流快速发展南压，影响河南东北部和山东北部，形成一条强对流云带，造成强天气，06—08时冰雹也主要发生在山东北部，与对流风暴图像中黄色区域一致。06—08时2 h累积闪电事件频次大值区也呈现带状分布，位于山东北部、河南东北部和莱州湾。对流风暴产品的黄色区域、闪电事件高频次区域和冰雹发生区域有较好的对应关系。

由00—11时累计FY-4A监测闪电活动频次可以看出有两个密集区（图 11c），分别为北京和河北北部（图 11c中红色方框）、山东和莱州湾附近（图 11c中蓝色方框）。两个区域总闪电频次时间序列（图 12）表明：北京和河北北部的闪电事件集中出现在00—04时（红线），最大1 min闪电事件活动频次为100次左右，1 min闪电频次变化显著，06时后闪电活动明显减弱。山东和莱州湾附近00—11时都有闪电活动，02—04时相对较弱，总频率在40次以下，04：40左右该区域闪电活动增强，07：30左右快速增强，高闪电活动频次一直持续到09时左右，区域最大闪电活动频次超过180次。该区域闪电活动频次快速增加的07：30左右对应着山东北部的冰雹活跃时间（表 4和图 9）。

4.3 雷暴云团中小尺度结构分析

由FY-4A对流风暴产品、闪电事件产品和冰雹观测可知，07—08时山东中北部对流活动最为活跃。选取07—08时冰雹发生较密集地区（119.0°E，36.5° N）分别作垂直剖面。利用LAPS输出数据沿119.0°E的云量、纬向风和垂直风表明，07时36.5°N位于上升和下沉运动的交界附近，南侧36.0°N附近为弱下沉运动，北侧37.0° ~ 39.5°N附近为强上升运动，上升气流到达的高度在38.0°N附近超过400 hPa。34.0° ~ 37.0° N区域的对流层中层（600 ~ 400 hPa）出现上升和下沉运动交替的垂直环流，700 hPa以下的低层35° ~ 36°N区域为偏南气流和弱上升运动，对应着自北向南移动的云带南侧初生对流云，该处的云顶高度（650 hPa左右）较北侧38.0°N（425 hPa左右）处偏低。850 hPa以下的低层37.0° ~ 39.0°N区域出现气旋式垂直环流，在低层强上升区的北侧出现补偿下沉气流，07时沿119°E山东省冰雹集中分布于36° ~ 38°N附近（图 13），位于云带南侧新生对流的较弱上升和下沉气流中以及强烈发展雷暴云团南侧的强上升气流中。

由于36.5°N位于南侧新生对流云北侧弱下沉气流中，沿36.5°N剖面可以看出，西侧117°E附近为偏西风和上升运动，东侧120°E以东700 hPa以上为下沉运动，云顶较低。07时沿36.5°N山东省冰雹集中分布于118° ~ 120°E附近（图 13），该区域为偏西风和弱下沉气流。

5 结论与讨论

本文利用FY-4A气象卫星数据，分析了白天对流风暴产品的生成方法、图像特征及应用优势，分析了卫星闪电事件产品和地面闪电探测产品在华北地区分布异同。另外，以强雷暴天气过程实例分析了上述两类产品在华北强雷暴天气中的应用。主要结论如下。

1）FY-4A多通道扫描辐射成像仪RGB合成白天对流风暴产品的参数选择为R：WV 6.5 μm ~ WV7.2 μm，-30 ~ 0 K，gamma ＝ 1.0；G：IR 3.8 μm ~ IR10.8 μm，-20 ~ 65 K，gamma ＝ 1.0；B：IR 1.61 μm ~VIS 0.64 μm，-80% ~ 20%，gamma ＝ 1.0。修订后的参数可识别具有强上升运动的对流云区，图中表现为黄色，较单通道卫星图像具有监测优势。

2）FY-4A闪电探测仪闪电事件产品和地面闪电探测仪闪电产品在区域分布上具有一致性，卫星闪电活动次数为地面探测闪电活动次数的几至十倍。卫星能够监测对流生成初期活跃的云内闪电，地面闪电探测仪监测的闪电提前于地面探测闪电。对活跃的较弱对流云团或生成和消亡快速更迭的区域，卫星监测到更多的闪电活动。而地基闪电探测的闪电主要出现在对流发展到一定阶段的强对流云团的发展期。因此，卫星闪电探测仪对雷暴云团初生阶段的云内闪电有很好的探测效果，与地基闪电仪探测既有区域分布的一致性也有闪电活动次数和闪电发生时间的差异性。表现出不同观测仪器和观测方式对同一雷暴系统观测所揭示的不同特征。

3）2018年6月13日华北和黄淮一次强雷暴天气过程中，多地出现冰雹天气，FY-4A白天对流风暴产品的黄色区域、闪电事件高频次区域和冰雹发生区域有较好的对应关系。白天强对流风暴产品图中黄色为强上升运动区。区域闪电活动频次快速增加对应着冰雹活跃时间。冰雹出现在初生对流的弱上升和下沉气流中以及强烈发展对流云的上升运动气流中。

文中给定的FY-4A白天对流风暴产品RGB合成方法适用于华北及邻近区域夏季对流，受区域和季节的影响，对流发生时用来计算该产品的6个通道辐射值也会有差异，为了获得更好的识别效果，需要调整计算方法表 3中的范围和gamma系数。另外，由于FY-4A闪电探测仪为我国气象卫星首次搭载的新仪器，其反演的闪电事件产品算法和产品精度还在不断改进，对该数据在强天气中的应用方式方法以及和其他观测数据的联合应用还值得深入分析和研究。