FY-4A闪电成像仪在干旱区应用评估及与多源数据对比

为加强多源闪电数据在干旱区的融合应用,利用新疆民航三维地基闪电探测系统(3-Dimension Lightning Location System,3-DLLS)、全球闪电定位网(World-Wide Lightning Location Network,WWLLN)和气象部门ADTD(Advanced Time of Arrival and Direction System)、FY-4A闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)等多源闪电资料,针对新疆地区2019年11次典型雷暴过程,开展FY-4A LMI探测性能的初步评估,并结合FY-4A云顶温度(Cloud Top Temperature,CTT)资料,详细分析2019年7月21日强雷暴过程的闪电特征,探寻CTT与闪电活动的相关关系。结论如下:(1)FY-4A LMI闪电“组”(LMI Group,LMIG)数量约为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,3-DLLS探测的闪电时空分布与ADTD重合度较高,而WWLLN的闪电定位与前两者在时空上存在一定偏差,这主要是各系统的探测原理(WWLLN主要探测的是强地闪,ADTD主要监测地闪回击,而3-DLLS探测的是全闪)及测站布局和数量不同所致。(3)在强雷暴过程不同发展阶段,闪电发生区域的FY-4A CTT值差异较大,初始阶段、旺盛阶段和消散阶段闪电区域对应的CTT值分别为260~280 K、230~240 K和240~260 K。

FY-4A/LMI闪电与浙江三维闪电对比分析

为进一步加强星地闪电观测资料运用,本文基于2020年6—8月FY-4A/LMI闪电数据(LMIG)和浙江省ADTD-2C三维闪电定位数据,对比分析两套闪电数据的时空分布特征,并结合雷达和云顶亮温资料,分析了2020年7月15日浙江省雷暴过程两套闪电观测资料的演变规律。结果表明:2010年6—8月,浙江省LMIG与三维闪电比值为1∶44.43;两套资料闪电月分布和空间分布总体一致;就日分布而言,LMIG呈现双峰结构,三维闪电则为单峰结构。两套数据时间匹配窗口大于1.8 s、经纬度匹配窗口大于0.5°时,匹配率趋于稳定;与LMIG匹配的三维闪电高度主要集中在16 km以下,闪电强度主要集中在50 kA以下。2020年7月15日浙江省午后雷暴天气,LMIG与三维闪电比值为1∶25.44;LMIG首次闪电及峰值时间均滞后于三维闪电首次闪电及峰值时间;此外两套闪电资料时间演变与雷暴发展有较好的对应,空间变化与云顶亮温低值区也有较好的对应。

一次TS型线状对流不同阶段LMI闪电特征分析

以2019年一次尾随层状(TS)型线状对流为研究个例,利用FY-4A闪电成像仪(LMI)观测资料、雷达组合反射率因子资料、地基闪电定位(ADTD)观测资料、FY-4A云顶亮温(TBB)资料和其他常规观测资料,对比分析LMI闪电数据在TS型线状对流3个不同演变阶段的数据可靠性及观测特征。结果表明:TS型线状对流不同演变阶段LMI观测的闪电具有一定的时空连续性,其分布与ADTD的闪电分布总体一致;对流发展阶段,LMI闪电位置略超前于TS型线状对流前导对流线,对未来0~1 h对流发展具有提前指示意义;对流成熟阶段,LMI观测的闪电与前导对流线位置较为一致,对线状对流发展具有监测意义;对流减弱阶段,LMI闪电一部分位于减弱的前导对流线中,另一部分位于其后侧尾随的积层混合云中。给出TS型线状对流不同演变阶段LMI闪电特征模型图,为LMI闪电产品在对流天气监测预警中的应用提供一定参考。

黄渤海地区FY-4A闪电成像仪(LMI)探测效果评估

基于大连和青岛地区地基三维雷电探测网数据,对FY-4A闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)在黄渤海地区的探测效率进行评估。结果表明:针对2019年大连地区4次强对流天气过程,绝大多数地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲发生在强回波区,回波强度为30 dBZ,强回波区的云顶高度超过9 km,FY-4A LMI探测到的组(group)数量与地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量之比平均值为0.2,变化范围为0.15~0.26;针对2019年青岛地区5次强对流天气过程,FY-4A LMI探测的group数量较少,其与地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲数量比值的平均值为0.34,变化范围为0.27~0.4,地基三维雷电探测网和FY-4A LMI测到的雷电活动的空间位置比较一致,都基本处于强对流核心区域。总体来看,FY-4A LMI在黄渤海地区的探测效率比较低下。

闪电成像仪虚警率和探测率模拟计算

在明确虚警率和探测率概念基础上,建立了虚警率和探测率与信噪比之间相互关系的定量模型,通过模拟计算给出信噪比对虚警率和探测率的影响.计算结果表明:要使虚警率控制在10%以内,信噪比应该达到5.0以上;要使探测率达到90%,信噪比应该达到5.2～5.7.

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。

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。

FY-4闪电成像仪实时事件处理器(RTEP)的FPGA设计研究

闪电是中尺度,特别是中-γ尺度天气系统研究的有力工具。闪电成像仪主要利用4种方法 组合来实现闪电信号的增强与探测。这4种方法是:光谱滤波、空间滤波、时间滤波、帧-帧背景去除。实时 事件处理器(RTEP)是实现帧一帧背景去除的最为有效的手段,它是提取闪电信号的重要途径。实时事件处 理器是一个实时数字信号处理系统,在2ms的时间内要完成12 bit量化的512×512个像素的信号数据处理, 探测出闪电信号。文章论述了实时事件处理器RTEP的必要性,实现原理,以及FPGA实现方案。

风云四号静止卫星闪电成像仪监测原理和产品算法研究进展

静止卫星闪电成像仪通过光学成像探测实现闪电定位,能够对闪电活动进行长时间连续监测,为中国地区强对流天气预警和区域闪电活动特征研究提供观测基础。结合国外静止卫星闪电成像仪研究现状,针对风云四号静止卫星闪电成像仪工作原理和产品算法进行了介绍。

闪电成像仪的实验室定标

闪电成像仪是对地静止的天底成像遥感器,被优化适于在白天和夜间探测和定位闪电。实验室定标是发射前的业务,其作用在于保证遥感器在轨运行的性能。文章着重讨论实验室性能定标。

一次强降水过程中FY-4A闪电成像仪观测特征分析

FY-4闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)能够对闪电活动进行连续不间断的观测,在强天气监测预警中具有很大的应用潜力。以2019年5月25日强降水过程为研究个例,利用FY-4 LMI资料、ADTD(advanced time of arrival and direction)系统资料、FY-4红外云图资料、雷达资料和其他常规观测资料,研究FY-4 LMI数据在不同性质、不同演变阶段对流系统的观测特征。结果表明:在对流迅速发展的初期,LMI闪电观测出现超前于ADTD闪电观测的特征,并且锋面降水阶段中这种超前特征持续时间更长一些;无论是暖区降水还是锋面降水阶段,当同时刻LMI闪电观测位于当前对流云团移动的前方时,未来1小时内LMI闪电分布区域出现明显的云顶温度变率,积云有发展趋势;当雷达反射率垂直剖面上最强回波出现向移动方向前倾结构时,LMI闪电观测往往出现在雷达观测对流系统移动方向的前方,此时LMI闪电观测对于对流系统发展演变有较好的提前指示意义;而当雷达反射率垂直剖面上最强回波出现准垂直结构时,LMI闪电观测往往与雷达观测对流系统较重合,此时LMI闪电观测对于对流系统发展演变的提前指示意义偏弱。

FY-4A闪电成像仪FPGA单粒子翻转防护

FY-4A卫星是我国首次星载闪电成像仪的静止气象卫星,其采用的可重载型FPGA芯片可连续在2ms时间,按像元完成针对400×600像元的多帧闪电信号数据处理,实时生成闪电数据及地标观测数据,并具有在轨软件上注更新配置功能。由于近地空间环境复杂,因此FPGA属于单粒子翻转敏感器件,需要采用多种手段进行单粒子翻转防护。在FY-4地面应用系统工程建设中,根据FPGA单粒子翻转对闪电探测产品所造成影响的不同,结合闪电事件数据逻辑关系、系统资源等情况,设计并在地面系统中部署了单粒子检测程序,实现了FPGA单粒子翻转异常自动辨识;根据闪电观测任务特点、闪电探测产品恢复时效性要求,同时采取自动判别与自动发令、动态刷新与定时刷新、软件复位与硬件复位等多种单粒子翻转防护综合措施,实现了FPGA单粒子翻转自动恢复。通过以上工作,目前FY-4A闪电成像仪已经有效地减少了单粒子翻转效应对闪电探测产品的影响。

基于贝叶斯推断的风云四号闪电成像仪中虚假信号滤除

多种原因使得风云四号A星(Fengyun-4A,FY-4A)闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)探测到的发光事件中包含大量虚假信号,且目前针对不同的噪声来源采用不同的滤除方法。因此,为寻求一种较通用的、能同时滤除不同来源虚假信号的方法,尝试采用贝叶斯概率推断对2017年8月8日京津冀地区一次雷暴过程中的LMI实测数据进行虚假信号滤除。首先,采用国际上惯用的卫星闪电聚类参数化方案,将时间间隔小于330 ms且空间间隔小于16. 5 km的事件认为是闪电引起的连续信号,不满足此条件的则视为孤立的虚假信号而被滤除。然后,根据连续信号的辐射强度和该位置处的背景亮度与孤立虚假信号之间的差异性,采用贝叶斯概率推断来滤除连续信号中的虚假信号。考虑到贝叶斯推断可能存在误差,进一步根据闪电时空连续性特征设计了信号再判断方法,尽可能地滤除虚假信号且保留真实闪电信号。最后,利用云顶亮温资料及全球闪电定位网(worldwide lightning location network,WWLLN)数据对滤除结果进行初步检验。结果表明:虚假信号约占所有信号的50%;滤除虚假信号后,90%以上的信号分布在云顶低于240 K的区域内,且与WWLLN闪击点具有较好的对应。这种同时考虑信号时空连续性及不同信号间特征量差异性的虚假信号滤除算法,为设计更通用高效的虚假信号滤除算法做出了尝试。

双镜头镶边处理的“风云四号A星”闪电成像仪在轨几何定标

风云四号A星FY-4A上搭载的新型闪电成像仪LMI能够从静止轨道高度监测和跟踪覆盖东亚大陆大部分地区的闪电活动。LMI使用双镜头设计,在轨成像过程中存在镜头分离误差与内外定向误差,高精度在轨几何定标是确保FY-4A/LMI数据应用的关键所在。使用在轨匹配的控制数据,采用镶边匹配处理技术将FY-4A/LMI内外定标参数与镶边参数一并求解,纠正FY-4A/LMI两个镜头之间指向上的不一致。实验结果表明,相较于直接定位、使用控制点进行分镜头几何定标,FY-4A/LMI使用双镜头镶边匹配处理算法,在轨几何定标的图像定位精度分别从13像元、2像元提升至1.5像元以内,镶边匹配几何定标方法已被广泛应用于FY-4A/LMI图像定位业务化系统的在轨处理。

风云四号A星闪电成像仪程序自动上注系统设计与实现

风云四号A星闪电成像仪是中国首个采用在轨接收大量遥控指令,进而实现程序上注的高轨气象卫星。FY-4-(01)批地面应用系统在建设中通过设计程序上注策略和部署程序自动上注系统,实现了任务时间表生成、指令发送、上注结果辨识、错误指令重发等全自动化功能。仿真结果表明该系统能满足卫星在稳定性和时效性上的需求,并有效缩短了上注时间。程序自动上注系统的研发与应用对未来风云系列卫星多星统一指挥测控任务的开展具有重要的意义。

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。

基于风云四号卫星LMI数据的黑龙江省闪电活动特征研究

FY-4A闪电成像仪(LMI)为亚太地区首次研制发射的同类载荷,可以实现对闪电活动的实时、连续监测和跟踪。利用2018—2021年6—9月LMI的闪电事件(Event)观测数据,分析了黑龙江省闪电密度和辐亮度变化特征,结果表明:黑龙江省闪电密度和平均辐亮度空间分布不均匀,闪电密度高值区主要分布在黑龙江省北部、中南部和西部;平均辐亮度高值区主要分布在黑龙江省北部、中部和东南部部分地区。黑龙江省东部和西部地区闪电密度和辐亮度呈反相关,西部闪电密度高但辐亮度较低,东部闪电密度低但辐亮度较高。闪电次数高发月份是6—7月,约占闪电事件总数的78.6%,闪电次数日变化呈现“双峰”,凌晨3时和傍晚16时为峰值时刻。闪电平均辐亮度随月份呈线性降低,且辐亮度月分布呈右偏态,日变化呈现“单峰”,峰值为中午12时左右。2018—2021年闪电事件辐亮度分布为偏态单峰型,0~20μJ/m^(2)/ster范围是高频率区间。

中国首台地球静止轨道闪电成像仪成功在轨

2016年12月11日，“风云四号”气象卫星成功发射，星上装载了由北京空间机电研究所负责研制的中国首台地球静止轨道闪电成像仪，它填补了我国在空基闪电探测方面的空白。

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。

我国首台地球静止轨道闪电成像仪成功在轨运行 全身“黑科技” 充满“抓闪电”超能力

2017年2月27日，中国国家气象局发布了风云-4卫星获取的全球首批地球静止轨道闪电探测影像。本次发布的闪电数据为2017年2月13日对澳大利亚西部天鹅谷（Swan Valley）地区一次强雷暴的全过程数据，该次探测完整再现了该地区强雷暴的产生-发展-结束全过程中的闪电发生情况，全过程持续约6h。