基于ADTD的FY-4A卫星闪电探测性能分析

为评估风云四号A星(Fengyun-4A,FY-4A)的闪电探测性能,提出了基于星地闪电数据统计特征的匹配方法:选取较大时空窗口,进行星地数据匹配;对匹配数据的时间差和距离差进行概率统计,确定最合适的时空窗口。通过对我国2020年夏季(6—8月)FY-4A和地基闪电定位系统(advanced direction and time-of-arrival detecting system, ADTD)的闪电数据进行统计,确定时间间隔3.4 s,空间经纬度间隔0.6°作为星地数据一致性分析的时空窗口。基于此时空窗口开展了星地闪电数据的对比分析,结果表明,星地数据时间偏差平均值为1.3 s,空间偏差平均值为23.73 km;FY-4A闪电探测效率为19%,FY-4A探测效率具有明显的日变化特征,白天平均探测效率为7%,明显低于夜晚的31.1%,且白天12:00—14:00时探测效率最低,仅为2.3%;FY-4A闪电数据的光辐射强度日变化特征与太阳高度角的变化呈正相关,白天12:00—14:00时光辐射强度最大达到1 391μJ/m2/sr,比夜晚光辐射强度(124μJ/m2/sr)高一个量级,白天只有光辐射较强的闪电才能被FY-4A闪电成像仪(lightning mapping imager, LMI)捕获,进一步解释了白天闪电探测效率低的原因。

闪电探测技术

1 闪电探测的意义 云中的颗粒在积聚增大及相互作用的过程中,部分颗粒通过碰撞而带电。通常,较小的颗粒带正电,较大的颗粒带负电。在大气的上升作用及地球引力的作用下,云的上端积聚正电荷,而云的下端积聚负电荷。电荷的分离在云与大地之间及云内部形成了巨大的电能,有时高达几百万瓦。 电荷不断积累,直至电场使空气发生电离,在地面与云的下部或云层的不同部分之间产生放电。放电过程中,释放出巨大的能量,有时高达10^(12)瓦。当大气放电使大气温度达到20,000℃时,周围受到压缩的空气产生强大的冲击波,经过延迟,

卫星与地基闪电探测资料在闪电活动研究中的综合应用

利用闪电探测资料研究闪电放电特性及其活动特征,对于雷电灾害的监测和预警具有重要意义。卫星闪电探测不受下垫面条件限制,可观测覆盖区域内的总闪电,但无法区分云闪与地闪,地基闪电探测以定位地闪为主,且二者探测原理不同。本文分析了卫星与地基闪电探测在观测目标、定位精度和探测率等方面的差异;在此基础上,利用卫星闪电成像仪TRMM LIS与我国国家雷电监测网资料,提出一种结合星地同步闪电观测数据的闪电活动分析方法,该方法对两种资料中时空特性较为相近的探测单元进行匹配处理,通过聚类算法得到闪电信息;利用该方法分析了我国西南地区2008~2014年的闪电分布特征。结果表明:该方法可有效获得观测区域的闪电信息,且从气候与地形因素等方面可对分析结果给予解释;下一步结合静止卫星闪电探测资料,可从数据匹配误差上获得改进,同时可将多源闪电观测资料结合的方法扩展到更多应用。

静止卫星闪电探测中的虚假信号滤除

静止卫星闪电探测对强对流天气的实时监测和预警具有重要意义,然而大量虚假闪电信号的存在却对闪电探测结果造成了很大影响。文章主要研究静止卫星闪电探测中的虚假信号滤除算法,以提高闪电数据分析结果的准确性。根据虚假闪电信号产生的原因和形态特征,对现有滤除算法进行系统的分析、归纳和总结。研究表明,目前的算法有各自的针对性,不同算法通常针对特定的噪声源起到过滤作用。未来发展方向,一是从仪器本身特点及其工作环境出发,探索适合于我国静止卫星闪电成像仪的虚假信号滤除算法;二是设计更加通用高效的算法,保证闪电观测的实时性和连续性;三是重视算法精度评估,并以此不断改进和完善算法。

论闪电探测技术在雷电防护上应用

本文主要探讨了闪电探测技术和方法的发展状况,阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用。

闪电探测用超窄带通滤光片的研制

根据闪电探测的需要,利用Anderson局域的概念,以SiO2和Ta2O5为介质材料,设计出了带通位置为闪电特征峰的超窄带通滤光片。统计结果显示,该滤光片的峰位、半峰宽和透过率受每层膜厚随机涨落的影响较小。通过ZZSX-800型真空镀膜机对所设计的膜系进行实际镀制,获得了性能优良的超窄带通滤光片。

三维闪电探测系统研制

“三维闪电探测系统研制”是国家科技部科研院所技术开发专项，其目标是开发完整的三维全闪（云闪、地闪、云内特殊放电事件）探测和定位系统。采用闪电VLF/LF和VHF辐射信号同步联合分析的方式，采用时差定位技术，利用闪电波形匹配、脉冲匹配、时域相关和频谱分析等方法，实现对闪电辐射事件的三维探测。2007年主要开展了以下3个方面的工作：

三维闪电探测数据处理存储系统设计与实现

针对三维闪电探测系统接收处理的数据量相比二维闪电探测系统增加数倍,定位、回击与状态数据入库流程相较二维系统复杂许多的问题,使用Oracle数据库和PL(Procedural Language)/SQL(Structured Quevy Language) developer集成环境开发了三维闪电探测数据处理存储系统。通过设计三维闪电定位仪站点信息表存储站点基本信息;设计闪电定位结果信息表存储处理后的定位数据和回击数据;设计最新状态信息表存储定位仪的最近一条状态信息,用其可判断设备状态是否正常。通过湖北省三维闪电探测网构建实验平台验证系统功能和运行状况,结果表明,处理存储系统设计与实现满足三维闪电探测系统数据处理与存储功能的任务需求。

基于静止气象卫星平台的闪电探测

闪电探测具有很重要的现实意义,但是传统的探测方法不能满足需要。在对比以往的探测手段基础上,结合闪电探测中目标背景信号的特点,设计了结合四种方法为一体的探测手段,在此基础上建立了闪电探测系统的框架结构,该系统是由光学系统、焦平面、图像处理单元、背景存储单元等组成的、搭载在静止气象卫星上的闪电探测系统。说明了整个系统的组成结构和工作原理,确定了各个分系统的功能和相互的关系。

基于风云四号闪电成像仪的高原闪电探测分析

闪电是引起输电线路跳闸的重要原因之一,准确的探测及预测闪电发生区域对于保障电网安全稳定运行具有重要意义。本文利用风云四号闪电成像仪(LMI)数据对云南高原地区闪电探测效果进行评估,可以得出,云顶亮温与雷电发生区域存在着相关性,并通过统计得出LMI数据探测的闪电总数为地基闪电探测的30%左右。

地球静止轨道闪电探测

利用高空NASA U-2飞机的探测资料与其他科学研究方法，开发了一种空间探测器。其空间分辨率为10 km，检测效率90%，具有昼夜映像地球静止轨道的云内和云对地放电的能力。这种闪电图像探测器(LMS)可连续监视风暴。闪电探测器中新的固态马赛克聚焦平面和较强信号处理相结合，为检测微弱的背景受污染信号提供具有权威性的技术，并满足白天监测闪电。LMS的视场为10.5°，覆盖全美国大陆，大范围海域、中美洲、包括安第斯山脉及亚马逊河流域在内的南美大部以及热带辐合区的大部分地区。20世纪90年代中期LMS会随GOES卫星飞行。该文介绍LMS的特性和设计以及应用这种仪器进行科学研究的可能性。

基于多源资料的中国星载闪电探测数据质量控制技术

静止卫星轨道星载闪电探测,因独特的平台优势,可以连续获取较大视场范围内全部闪电活动的观测信息,是未来闪电探测技术发展的新方向。闪电成像仪(lightning mapping imager, LMI)是中国首次星载的闪电光学成像观测仪器,在较少先验知识的基础上,自主研发,各项技术指标处于国际前列。然而,LMI独特的数据聚类处理方案,使得其在数据质量控制与真实性检验等方面依然面临着诸多挑战。针对其广泛应用的L2级1 min定量Group数据(LMIG),基于闪电活动与强天气过程间的耦合关系,提出了基于多源气象资料的多层次数据质量控制技术,并通过与第三方数据的比对,对质控效果评估与优化,有效剔除了误差数据,提升了LMI数据的质量。研究结果为LMI数据的应用奠定了更加坚实的基础,同时也有助于促进中国星载闪电观测技术的探索和仪器性能的提升。

在卫星上进行闪电探测

本文介绍了闪电探测的相关内容,分析了闪电探测中的大数据量处理问题,提出了一些闪电探测中实时信号处理的方法。

基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析

2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在5—9月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为13—18时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在1~5 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。

风云四号A星闪电产品在一次强对流天气中的应用

一、引言闪电多发生于旺盛的积雨云中,是对流性天气系统发展到一定阶段的产物之一。研究表明,闪电数据能在强对流天气的短时预报中发挥重要作用,闪电的频数与对流强度都有一定正相关性,并可作为强对流天气的“示踪器”[1-2]。目前获取闪电观测资料的方式有两种:一种是基于辐射地磁场传播理论的地面闪电探测技术;一种是基于光学成像原理的卫星闪电探测技术[3]。本文针对2022年6月12日京津冀的强对流天气过程,将风云四号A星(FY-4A)探测到的闪电和地基闪电探测仪探测到的闪电进行比对和分析,探究星地闪电在京津冀一带强对流天气监测预警中的应用。

昼夜变化对FY-4A闪电成像仪探测性能的影响

为了探究昼夜变化对卫星闪电成像仪探测性能的影响,利用低频磁天线闪电定位系统与FY-4A闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)的闪电探测数据匹配方法,分析了2020年9月于广东省及其周边地区发生的4次雷暴过程,并阐明昼夜变化因素对LMI探测性能的影响。研究发现:地基与星载闪电探测的空间分布特征、时间变化特征具有较好的一致性,但是地基探测的闪电数量更多,闪电分布更加密集。闪电匹配率与卫星探测率在日出后3~4 h突然下降,于日落前2 h左右突然增加,匹配率与探测率的突然增加与减少是由昼夜交替时LMI探测闪电数量的快速变化引起的。昼夜变化对LMI的探测性能产生显著影响,夜晚的探测效率大约是白天的10倍。即使雷暴活动增强,白天匹配率和探测率依然相对较低。

风云四号闪电数据和湖南地区ADTD数据对比分析

为了比较LMI和ADTD闪电资料之间的相关性和差异,文章基于湖南省2022年ADTD数据和LMI湖南地区2022年闪电数据,对卫星和地基两套探测系统的闪电数据进行对应分析。结果表明:两者数据的匹配比例在月变化曲线上呈现双峰值特征,两者监测到的高频率闪电活动月份基本一致,匹配比例较为稳定的是春季,夏季的匹配度普遍高于春季;两者数据在日变化特征上保持了较好的一致性,呈现出单峰值分布的规律;湖南省云地闪比率值随纬度的变化不明显,平均值为1.96,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。

闪电定位探测与人工观测雷暴资料对比分析

利用宿州地区闪电定位自动观测资料和地面气象观测站的雷暴人工观测记录,分析该地区雷电分布特征,比较人工观测与闪电定位探测的雷暴日误差,分析产生误差的原因,探讨闪电定位资料中可作为雷暴日计算的阈值,从而为利用闪电定位资料来判断和统计雷暴日提供参考依据。

ADTD闪电定位探测仪常见故障分析

简述ADTD闪电定位探测仪的安装、调试的注意事项,对其中出现的问题进行总结,提出日常维护维修的要点及注意事项。

全球总闪电的天基光学实时探测技术综述

强对流天气是发生最频繁、影响最广泛的气象灾害,造成了巨大经济损失,严重威胁人民和社会安全,更是航空航天和信息通信等技术领域的重大威胁。闪电作为全球性强对流天气的典型要素,对强对流具有重要指示作用,因此闪电探测和强对流预警预报成为天基遥感的重要任务之一。系统地总结了闪电危害,闪电探测体系的发展历程和现状,天基闪电光学探测的技术难点、实现途径和发展现状;同时详细阐述了我国FY-4A闪电成像仪技术实现途径及在轨应用成果。FY-4A闪电成像仪利用时间滤波、空间滤波、超窄带光谱滤波、星上时空域多维融合点目标检测等多维技术实现了天基闪电光学探测载荷的研制与在轨应用,国内气象部门和众多科研院所利用FY-4A闪电成像仪的闪电探测结果实现了强对流灾害的精确预警预报,产生了重大经济效益与社会效益。最后,针对目前闪电探测体系存在的问题,分析了我国未来天基闪电探测系统的发展趋势,为我国后续闪电探测发展提供了参考。