FY-4卫星闪电成像仪设计与实现

介绍了我国第一台探测闪电的空间光学遥感仪器——风云四号(FY-4)卫星装载的闪电成像仪的设计与实现。给出了空间光学闪电探测原理。FY-4A星闪电成像仪采用小F数透射光学系统,用双镜头拼接实现大视场覆盖;采用高稳定度超窄带多腔干涉滤光片实现闪电信号滤波,以高速多抽头大光敏元CCD器件为敏感元件获取闪电与背景图像,由实时事件处理器在积分时间内按像元完成焦面数据的多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码;采用与闪电事件一致的视场分辨率进行空间滤波,降低云层、陆地和海洋等背景信号对闪电信号的影响。研制的闪电成像仪由闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒和闪电配电盒组成,设计了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种工作模式。FY-4A星闪电成像仪研制中突破了闪电成像仪分系统总体、超窄带滤光片应用、高帧率CCD器件、实时事件处理器,以及闪电成像仪实验室标定与验证等关键技术。闪电成像仪的指标与国际同类仪器相当。至目前为此在轨测试表明:该闪电成像仪能实现对不同强度闪电事件实时探测,具备对强对流天气过程完整监测和跟踪能力。展望了后续我国闪电成像仪技术的发展和应用需求。

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。

气象卫星闪电识别系统的设计与实现

设计了一种能够完成帧-帧背景去除算法的闪电识别系统,用于实时识别闪电事件并编码。该系统将闪电成像仪拍摄到的高速图像数据分成8个区域,用8个相同的子系统分别完成各个区域的闪电探测;在每个子系统中利用7片静态随机存储器(SRAM)以流水读写的方式完成7帧背景评估,并利用该方法实现7帧数据的帧-帧背景去除算法。实验结果显示,该系统可以完成2.88Gbps高速数据流的接收,背景信号评估和去除,并且可实时识别闪电事件。这些结果表明该系统能够完成气象卫星闪电识别的任务。

FY4A的LMIE闪电数据对云信息初始化的影响及数值试验

为更好的研究FY4号卫星(FY4A)的LMIE闪电事件资料的应用,在GRAPES_Meso模式的云分析系统中首次引入了LMIE闪电事件资料,建立了LMIE闪电频率与雷达反射率的转换关系,采用松弛逼近(nudging)方式对三维云内信息初始化应用,通过2019年5月25日一次强降水过程及为期半个月的批量试验,重点分析了引入LMIE数据对模式计算的雷达反射率、云微物理变量和降水预报的影响。数值试验结果表明:LMIE计算回波与实况雷达回波具有一致性,LMIE闪电事件资料能够较好的捕捉到强降水信号,对飑线的预报具有指示作用;LMIE资料能够有效提高初始时刻水成物(云水、云冰、云雪等)的总量,使其水平分布基本与实况雷达回波和降水分布一致,其垂直分布也与实况降水中心更为吻合;对比降水结果可以得到在加入LMIE闪电资料后,能够有效降低漏报率,并且模式在短时间尺度就可以响应出与实况更为接近的降水预报,消除或减弱了数值模式的Spin-up现象,提高短临预报准确率。

贵州中西部冰雹云闪电活动特征及对降雹指示作用研究

利用VLF/LF三维闪电监测资料、CINRAD/CD雷达资料和地面降雹观测资料,对贵州中西部冰雹云闪电特征进行分析。结果表明:高原台地威宁平均POP和Z值均高于斜坡过渡带区域,两者平均POP值均高于贵州10 a(2006—2015年)平均POP统计特征值。斜坡过渡区域内总闪峰值平均为22次/5 min,威宁总闪峰值平均为13次/5 min。斜坡过渡带区域2σLFCR闪电跳跃信号和闪电频次峰值提前量平均为20 min和13 min,威宁2σLFCR闪电跳跃信号和闪电频次峰值提前量平均为33.7 min和29 min。2σLFCR闪电跳跃信号指示降雹优于闪电频次峰值信号,在实际中可以综合利用闪电2σLFCR跳跃信号与峰值信号识别降雹。

云闪辐射脉冲序列的丛集特征

根据2002年夏季那曲地区野外观测的宽带干涉仪资料,应用变异系数CV、Allan因子分析(AFA)和Fano因子分析(FFA)等统计方法,对33个云闪辐射脉冲事件序列的时间丛集特征进行了分析。结果显示,放电过程呈现强的分形丛集性,变异系数平均为5.2,AFA和FFA标度指数αAF及αFF平均分别为1.42和0.81;同时发现,初始强K脉冲前CV增加到明显>1。