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。

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。

基于FY-4A LMI的贵州及周边区域闪电活动特征分析

【目的】为开展星载闪电活动特征分析。【方法】采用FY-4A闪电成像仪资料,以贵州省及其周边区域为例,分析闪电频次分布及辐亮度分布特征。【结果】研究区域闪电频次集中分布在一年的中的4—8月,一天中的19时—次日05时,空间分布呈现显著的地域性差异,整体南部高于北部;辐亮度日变化呈现与频次相反的单峰型变化,白天高于夜间,空间分布整体呈现西部高于东部、北部高于南部的特征;LMI闪电辐亮度值与雷电流强度密切相关,聚类后的LMI“组”数据一致性较好,“事件”与“组”频数比介于3~4之间,在空间尺度上与一次闪击或者K过程相符。【结论】研究结果为今后在业务中使用该资料提供参考。

基于GNSS水汽与FY-4A闪电资料的降水阈值模型研究

以河北省为例,综合GNSS水汽与风云四号气象卫星(FY-4A)闪电资料,开展降水阈值模型研究,确定降水阈值判断影响指标。设置候选阈值集范围,使用临界成功指数(critical success index,CSI)确定各影响指标的阈值。通过FY-4A闪电资料获取最佳阈值选取模型,对另外3个站点应用最佳阈值选取模型验证研究模型的有效性。结果表明,融合GNSS水汽与FY-4A闪电资料的降水阈值模型正确率约为60%~80%,而误报率控制在20%~40%之间。该模型具有较高的正确率与较低的误报率,可为降水预报提供参考。

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。

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。

FY-4A白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用

我国第二代静止气象卫星FY-4A观测能力较之前有明显提升,在天气特别是对流性天气监测和预测中具有较强的应用潜力。利用FY-4A气象卫星多通道扫描辐射成像仪(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)和闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)数据开展研究,分析了反演产品在强雷暴天气中的应用。研究表明,扫描辐射成像仪多通道组合白天对流风暴红-绿-蓝(red-green-blue,RGB)合成产品可以突出具有强上升气流的对流性雷暴云,较单通道及多通道可见光合成产品具有监测优势;闪电成像仪产品较地面闪电探测闪电产品能够探测到更多的闪电,对新生对流和较弱对流产生的闪电监测具有优势;在华北和黄淮一次强雷暴天气过程中,白天对流风暴RGB合成产品能够监测云系发展的过程,卫星监测闪电活动频数和冰雹活动一致性较好。

FY-4A卫星闪电资料在台风飑线天气监测中的应用能力分析

为更好地开展风云四号气象卫星(FY-4A)闪电资料的业务化应用提供参考,结合地闪和多普勒雷达数据,对受2018年第22号台风"山竹"影响、于9月17日晚间在江西境内形成的台风飑线过程,对比分析了2种闪电资料的空间分布和时间演变差异,以及两者的频数与45 dBz以上强回波面积的时间演变特征,分析了卫星闪电与TBB低值区和地面大风位置的关系.研究结果发现:地闪的位置多超前于卫星闪电,两者的时间变化趋势基本一致,但卫星闪电的变化幅度远较地闪显著;卫星闪电基本位于TBB≤-72℃处及邻近区域;在对流强烈影响阶段,尽管卫星闪电频数的波动较大,但仍与强回波面积有同步增大的特征;伴随的雷暴大风大都发生在卫星闪电密集区的前沿,且偏于移动方向一侧,与相同时段的地闪相似,表明它们对判识雷暴大风的可能发生位置有较好的辅助作用.

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。

FY-4卫星应用和发展

介绍了我国新一代静止气象卫星风云四号(FY-4)卫星应用及其发展。给出了FY-4卫星装载的先进静止轨道辐射成像仪、静止轨道干涉式红外探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪4种主要观测仪器,以及卫星的观测能力和提供的定量化产品,并与我国现有的业务卫星风云二号(FY-2)卫星和国际同期在轨静止气象卫星性能进行了比较。FY-4光学卫星系列与美国GOES-R、日本Himawari-8/9卫星和欧洲MTG卫星性能相似,属于与国际同期发展的先进静止气象卫星。给出了FY-4A星获得的图像和数据。列出了FY-4A星的基本定量产品,给出了使用的仪器、数据特性、物理意义,以及应用领域、方法和范例。描述FY-4卫星提供的定量化产品及其在数值天气预报、气候、生态环境、专业气象服务、人工影响天气、空间天气监测预警等领域的应用,并介绍了FY-4A星在轨测试期间的部分应用。对FY-4后续业务卫星发展进行了展望。

FY-4A卫星数据可视化及应用

2016年12月11日我国发射了FY-4A新一代静止气象卫星,其高时间和空间分辨率能够加强航空气象中的监测应用,为了更好地应用FY-4A卫星的各类观测产品,本文利用Python语言实现对FY-4A卫星AGRI观测仪器所探测的2km、4km分辨率的全圆盘和中国区域可见光、红外图像资料及7.8km分辨率闪电监测资料进行解码并可视化显示出图,将绘制的卫星图像与国家卫星气象中心网站对外开放的卫星云图进行对比。结果表明:两者显示较为一致,可以用于航空气象业务。Python语言语法简练,对于卫星HDF和NC格式数据读取速度快,Python的Numpy工具包基于矩阵的运算能快速处理卫星观测数据,Basemap库中多种投影方式可供业务应用,值得推广。

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。

超强台风“利奇马”(1909)的闪电活动特征

利用风云四号A星(FY-4A)装载的闪电成像仪探测到的闪电实时定位资料和中央气象台提供的台风定位资料,分析了2019年第9号超强台风“利奇马”的闪电时空演变特征。结果表明:“利奇马”在强台风阶段的日平均闪电密度最大,其次是超强台风阶段。处于增强阶段(△V>0 m·s^-1)时的闪电活动强于减弱阶段(△V<0 m·s^-1),气旋强度稳定时(-5 m·s^-1≤△V<5 m·s^-1),闪电活动最弱。台风成熟以后闪电密度基本呈现出三圈结构。闪电的空间分布具有不对称性,在台风移动方向左侧的闪电数量明显多于右侧。台风外围雨带中的闪电远远多于台风中心发生的闪电,台风中心发生的闪电所占比例不到总数的1%。在台风两次增强阶段均出现闪电的爆发,在台风最强阶段也有较多的闪电发生。在台风最强时期的前半段,眼壁闪电数明显爆发至最大,在台风减弱阶段,眼壁闪电发生很少。

湖北一次连续风暴中两次强对流卫星雷达特征及与闪电关系

2018年5月17—18日,湖北省一次连续强风暴过程中先后出现了不同类型的强对流天气。利用FY-4A卫星、雷达和地基闪电观测等资料,对相似环境背景下17日夜间鄂西北强对流(第1阶段,下同)和18日上午鄂东强对流(第2阶段,下同)的环境背景和天气系统特征等差异进行分析,提炼卫星雷达和闪电资料对分类强对流的预报依据。(1)此次连续强风暴是副高稳定维持,西南涡东移,暖式切变线触发形成的,强对流出现在副高外围西南气流和低涡东侧的辐合区中,第1阶段短波快速东移后中高层转为冷平流,上干下湿的层结利于冰雹和大风出现,第2阶段则处在槽前暖湿气流中,湿层深厚,探空对流有效位能CAPE中等强度,出现持续性强降水的概率较大。地面中尺度涡旋促使强对流发展维持,18日冷空气南下是第2阶段雷电密集的主要原因。(2)鄂西北强对流正闪比例较大,正闪峰值时刻和降雹时刻几乎一致,零星地闪分布在强回波外侧35~50 dBZ回波中,≥60 dBZ强回波中并未观测到地闪,鄂东强对流闪电频次较多,以负闪为主,密集的负闪分布在35~55 dBZ强回波区,零星正闪和强回波外围25~35 dBZ层状云对应,以上雷达特征对分类强对流预警都有很好的指示意义。(3)FY-4A闪电成像仪资料LMI、云顶亮温TBB低值区和二维地闪探测位置吻合,LMI总闪和二维地闪随TBB低值中心移动,冰雹和对流性大风的TBB更低,分布在230 K以下,强降水则在250~270 K。

FY-4闪电资料在厦门强降水监测预警中的应用

FY-4上的闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)从静止轨道平台对视场覆盖范围内的闪电进行连续不间断的观测,闪电资料为监测预警强对流天气提供了重要信息。为研究FY-4闪电资料监测预警强对流的能力,以2018年5月7日厦门暴雨为研究个例,利用FY-4闪电资料、FY-4亮温资料、厦门市自动气象站降水资料以及地面闪电定位网监测数据,研究闪电数据在强降水监测预警中的应用。结果表明:FY-4闪电资料与地基闪电进行数据融合,有效减少了天基与地基闪电产品各自数据的不完整性、不确定性和误差;闪电的移动轨迹与对流云团的移动轨迹相符,且在云团移动轨迹的前方;温度梯度较大的区域和深对流内,闪电强度较强;闪电强度与雨强成正比,且闪电频数峰值多出现在降水峰值前45 min左右。

基于静止卫星探测的夏季青藏高原云分布及其日变化分析

我国新一代静止气象卫星首颗卫星风云四号先进成像仪AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)具有更多的观测波段、更高的光谱分辨率和更高的时空分辨率,能够以较小的卫星天顶角获取完整的青藏高原观测图像,但尚未开发利用青藏高原地区的风云四号卫星云产品开展相关研究。本文基于FY-4A/AGRI提供的青藏高原地区像元级云图像,研究分析夏季青藏高原地区云分布及其日变化的特征和规律。研究发现高原南部和东南部区域云出现频率远高于高原其他地区;高原地区云频具有明显的昼夜变化,最高云频发生在12:00(当地时间,下同),最低云频出现在04:00;高原南部地区云频具有日出后增长速度最快、增长幅度最大、最先达到最高值的特征;当高原云频在当地正午达到最大值时,极高云频沿主要山脉分布,具有明显的地形依赖特征;云顶最大频率高度超过12 km的区域集中在雅鲁藏布江河谷及其北侧,念青唐古拉山脉附近,以及横断山脉东界以西地区;云顶最大频率高度日变化与云频的日变化存在显著不同。本文同时就青藏高原复杂地形对云分布和日变化的强烈影响进行了讨论。