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LMI（Lightning Mapping Imager）是我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。本文针对其广泛应用的L2 级 1 分钟定量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。本文的工作,为LMI数据的应用奠定了更加坚实的基础,同时也有助于促进我国星载闪电观测技术的探索和仪器性能的提升。     

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。     

温湿层结对雷暴云起电过程及闪电活动的影响

为了探究环境温湿配置对雷暴云微物理、电过程及闪电的影响,本文利用法国三维非静力中尺度数值模式Meso-NH,通过改变该模式初始各层的环境温度和相对湿度,对南京地区雷暴云云微物理过程及闪电活动的发生情况进行了模拟。研究发现:大气低层、中低层环境温度和湿度的改变对雷暴云中对流强度,电场强度及分布,4种水成物粒子(雨、冰晶、雪、霰)的分布及其所带电荷量和总闪电数造成了较大影响;在低层和中低层增湿对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于增温;在中层和中高层,降温对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于降湿。结果表明,对低层、中低层大气环境温湿层结的影响能显著地改变雷暴云的云微物理过程,影响起电和放电,并剧烈地改变闪电活动的强度。     

卫星云分类产品在低纬高原强雷暴过程中的闪电特征分析

利用卫星云分类产品资料和云南省地闪资料,对云南省4次强雷暴过程进行分析,得出:对于闪电产生时,积雨云生成0~1h,开始有闪电活动;对于强闪电时段,积雨云也是发展阶段,积雨云面积不断增加,形状为椭圆形或带状,而且闪电均发生在积雨云移动发展方向的边缘区域;对于闪电减弱阶段,积雨云也逐渐减弱,面积不断减小,在闪电结束时,积雨云的面积发生剧减或者积雨云面积剧减且积雨云发生断裂.同时强闪电活动与积雨云的发展移动有一定的对应关系,主要是闪电的移动、发展与积雨云的移动发展基本保持一致,这样可以用云分类资料来判别闪电的发展减弱,进行闪电监测及预警.通过强雷暴个例分析,把云分类产品也加入到闪电分析资料中,拓宽闪电预警的资料使用,同时也是云分类产品资料在低纬高原的适用研究.     

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.     

东北较高纬度地区夏季闪电与雷暴相关参数的关系研究

利用VLF/LF闪电定位系统数据,并结合多普勒雷达以及卫星云图资料,对2009~2010年较高纬度东北地区夏季的闪电与雷暴相关参数的关系进行了研究.结果表明:闪电多发生在雷达回波强度大于40dBz的区域,雷暴发生闪电时其30dBz雷达回波最大高度大于6km;在雷暴的演变过程中,闪电的峰值时间略滞后于30dBz雷达回波最大高度的峰值;闪电频数和30dBz雷达回波最大高度存在指数增长关系;闪电主要发生在云顶红外温度在210~240K的区域,在消散阶段,雷暴云云顶高度降低、红外温度较高.     

大连地区闪电定位资料的初步分析

利用大连地区2004-2006年SAFIR3000闪电定位系统定位资料,分析了该地区闪电的月变化、雷暴日的月变化、闪电强度、闪电密度等特征。结果表明,大连地区云间闪和云地闪的数量月变化呈双峰分布,雷暴日的月变化呈单峰分布;雷电流强度多数分布在＋50到-150KA范围内,电流强度绝对值大于100KA的强雷电主要集中在负闪电区域;大连市区、旅顺口区、瓦房店市西部和陆海交界处是闪电频发的重灾害地带,闪电多发区与当地环境有很大关系。     

“20060717”低纬高原强雷暴天气过程分析

 利用雷电定位系统、多普勒天气雷达等监测资料和MICAPS 1°×1°客观分析场,对发生在云南省低纬高原2006年7月17日强雷暴天气过程进行分析,结果表明:低层辐合区和高低层之间风向切变为此次强雷暴天气过程提供了有利的环流背景,同时台风减弱形成的低压辐合区外围的高能高湿、强烈热力不稳定和中低层上升运动为雷暴天气的形成提供了有利的环境条件;闪电定位网共监测到33 125闪电回击,闪电高密度出现在滇中,在0.1°E×0.1°N面积上24 h最大达594次,闪电最高峰出现在16:00~17:00之间;此次强烈雷暴过程是由多普勒天气雷达上探测到3条中尺度对流系统(MCS)先后自东向西或自东北向西南影响云南省造成的,回波强度在40~55 dBz之间,风辐合、逆风区、垂直风切变、大的径向速度维持等中尺度特征有利于对流回波的发展,引起强雷暴天气和雷电现象的发生.     

地面湿度对雷暴云电过程影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

地面湿度对雷暴云电过程的影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

卫星闪电定位校正

从卫星资料处理出发，分析了雷暴云在多通道卫星云图上的基本特征，提出了利用多通道数字化卫星云图判识雷暴云的方法。在判识出雷暴云的基础上，对其中心进行定位，并利用其定位结果，对闪电定位仪测得的闪电资料进行校正，以提高闪电定位仪的定位精度及卫星资料判别雷暴云的正确率。初步分析表明，利用卫星定位对闪电定位进行校正，对闪电资料的定位精主工有较大的提高，得到了较好的结果。     

青藏高原东部地区雷暴及其地闪活动特征分析

为进一步了解青藏高原地区雷暴及其地闪特征,对2013～2017夏季(6～8月)青藏高原东部地区典型强雷暴过程的地闪和雷达资料进行了综合分析,重点研究了24次以负极性闪电为主的强雷暴过程,分析表明:所有雷暴最大回波顶高均超过7 km,第一次地闪为正地闪的雷暴其组合反射率和回波顶高明显高于第一次地闪为负地闪的雷暴过程。以地闪极性和频数差异将雷暴分为负地闪雷暴、正地闪雷暴、多地闪雷暴三种类型。负地闪雷暴过程中闪电数量较少且大多发生在雷暴成熟阶段;正地闪雷暴过程中闪电数量在几十次左右,主要发生在成熟阶段后期和消散阶段;多地闪雷暴在初始阶段、成熟阶段和消散阶段都有闪电发生,但主要集中在成熟阶段和消散阶段。三类雷暴强反射率中心移动距离和移动速度也有不同,地闪数量多的雷暴比地闪数量少的雷暴有更长的移动距离,负地闪雷暴较正地闪雷暴有更快的移动速度。     

Lightning activity on the central Tibetan Plateau and its response to convective available potential energy

Lightning flash activities on the central Tibetan Plateau have been studied by using the satellite-based Lightning Imaging Sensor(LIS)database from January 1998 to July 2002.The lightning activity shows a clear diurnal variation on the central Plateau.The peak lightning activity appears at about 17:00 which is 3 h earlier than that in Jingxhou,Hubei in the same latitude belt nearby,indicating that the lightning activity is a sensitive indicator of solar heating on the Plateau.The lightning discharge is weaker on the Plateau than Jingzhou.Hubei and other low-altitude continental regions because of the lower convective available potential energy(CAPE)on the Plateau.The CAPE on the Plateau is 12 times lower than that in Jingzhou,Hubei,and 20 times lower than that in the sea-level region,such as Guangzhou and Florida.However,the sensitivity of lightning activity to CAPE changes on the Plateau is up to 30 times more sensitive than other prominent low-altitude regions.     

2008年云南省雷电活动及雷电灾害特征分析

利用云南省2008年雷电定位网监测的地闪资料和全省16个州(市)的雷电灾害资料,对云南省2008年雷电活动及雷电灾害的时空分布特征进行分析.结果表明:2008年云南雷电活动频繁且持续时间较长,滇西南雷电日最多且开始较早结束较晚;2008年全省平均地闪密度值较高,负地闪占绝对优势,正地闪比例随季节呈现先减小后增大特征;负地闪电流的空间分布与密度分布具有负相关特征,正地闪电流表现为北部电流高于南部;雷电灾害的特征是滇西南、滇中为雷电灾害事故和雷灾造成人员伤亡人数最多区域,滇西北最少;雷电灾害事故主要发生在6～9月;5:00～12:00是雷电活动和雷电灾害相对较少时段;16:00～22:00是雷电活动和雷灾频发时段;2008年我省雷电灾害的频繁程度并不完全取决于雷电活动分布、人口密度和经济发展状况,而可能与更多的因素有关.     

扎鲁特旗雷电活动特征分析

本文利用扎鲁特地区2个站点1971-2007年37年逐日雷暴统计资料,建立雷暴日数及雷暴次数的时间序列.通过趋势分析等统计方法对扎鲁特地区的雷暴特征进行分析,得出了扎鲁特地区雷暴分布的地理特征、年代际及年际变化特征、月际变化特征、日变化特征、初雷和终雷日及持续期变化特征等结果.     

近33 a珠海市雷暴日数的时间变化特征

基于珠海市近33a雷暴日资料,利用Morlet小波分析、累积距平和M-K突变检验等方法对珠海市雷暴日的演变趋势、周期变化和突变特征等进行全面分析,结果表明:(1)珠海市雷暴日有明显的季节变化特征,表现为夏半年偏多,冬半年偏少;(2)雷暴日的年际变化表现为下降-上升-平缓的演变特征,而且在各个时间尺度上都有明显的周期变化;(3)四季雷暴日的年际变化不同,春季、秋季和冬季均有不同程度下降趋势,而夏季为上升趋势,并通过99%的信度检验;(4)四季雷暴日在不同时间尺度上的周期变化不同,春季周期振荡在4～6a的时间尺度最为剧烈,夏季在6～8a的时间尺度上,秋季从高频到低频都有明显的周期振荡,冬季各个频率上的周期振荡都较为明显,2000年之后周期振荡有转弱的趋势;(5)M-K突变检验表明夏季雷暴日在1994-1995年有突变现象。研究结果有助于了解珠海地区雷暴的变化特征,对科学防御雷暴灾害、科学规划和设计雷电防护等有重要作用。     

3-D lightning location solution and precision analysis of cloud flash

Using the spatial coordinates of detection stations and the time of arrival of lightning wave, the observation equations can be expressed. For the large lightning detection network, the least square method is used to process the adjustment of observation data to find the most probable value of lightning position, and the result is assessed by the mean error and dilution of precision. Lightning location precision is affected by figure factor. The conclusion can be used in the design of location network, data processing, and data analysis. Biography: ZHANG Ping (1968–), female, Ph.D. candidate, Lecturer, research direction: lightning detection and 3S technology.     

云闪定位算法研究及其精度分析

为了减少云闪对各种空间飞行器和电子设备造成的损失,同时研究雷暴活动物理机制以及云闪时空分布规律,开展云闪定位算法研究具有重要意义。概述了闪电定位原理及其基本方法,结合测向测时差联合定位法,研究了VHF频段云闪四站定位算法原理,并且分析了对定位精度造成影响的主要因素。在解决测角精度问题方面重点介绍了基于均匀圆阵的二维ESPRIT算法。最后利用Matlab仿真了不同云闪高度和测角精度情况下的定位误差分布图,为提高云闪定位精度提供了坚实的理论依据。