風云四號閃電成像儀LMI(Lightning Mapping Imager)作為全新的靜止衛(wèi)星閃電探測系統(tǒng),為我國閃電活動的特征分析以及雷暴活動的監(jiān)測預警提供了大量的觀測資料。目前國家氣象衛(wèi)星數據中心公布的閃電探測數據是L2級事件,并沒有物理意義,因此將LMI的探測數據聚類到閃電是衛(wèi)星閃電數據應用的第一步。在確定LMI的聚類算法時,需要考慮極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星閃電成像儀的差異,即考慮像元空間分辨率對聚類算法的影響。本文基于LMI觀測范圍內不同區(qū)域的像元空間分辨率,通過聚類算法的參數化方案,確定了適合LMI觀測區(qū)域的聚類算法;利用WWLLN(World Wide Lightning Location Network)閃電探測網的數據,分析了LMI在不同區(qū)域的探測性能,并在此基礎上,分析LMI與WWLLN匹配的閃電數據的特征分布,為云地閃的識別提供了參考依據。主要的研究方法及結論如下:(1)通過衛(wèi)星閃電成像儀的定位算法,將CCD(Charge-coupled Device)面陣像元的格點坐標轉化為地球坐標系下的經緯度坐標,計算得到LMI的CCD面陣像元空間分辨率的大小。將LMI觀測區(qū)域劃分為像元空間分辨率為20 km的A區(qū)域,該區(qū)域范圍為50°~60°N,60°~160°E和像元空間分辨率為8 km的B區(qū)域,該區(qū)域范圍為15°~50°N,60°~160°E,對A、B兩個區(qū)域的閃電數據做事件到組和組到閃電的聚類參數敏感性試驗,發(fā)現像元空間分辨率對事件到組的聚類算法沒有影響,A、B區(qū)域的事件到組的聚類時間參數為2 ms,空間參數為相鄰格點;而在組到閃電的聚類算法中,在不同空間分辨率區(qū)域,時間參數為330 ms,A區(qū)域的空間參數為25 km,B區(qū)域的空間參數為16.5km。(2)利用WWLLN和相當黑體溫度TBB(Black Body Temperature)的同步資料了解LMI的探測性能,發(fā)現LMI和WWLLN在中國區(qū)域范圍內探測到的閃電活動密度分布有很好的一致性,LMI探測到的閃電的數量為WWLLN探測數據的3倍多。LMI閃電活動主要分布在云頂亮溫低于-60℃的冷云區(qū),與強對流天氣過程有很好的對應。(3)利用WWLLN探測到的閃電數據與LMI數據匹配時,通過匹配閾值的時間和空間參數敏感性試驗,確定WWLLN和LMI星地探測系統(tǒng)的匹配時間閾值為2 s,空間閾值為0.2°。受像元空間分辨率的影響,LMI在空間分辨率為20 km的A區(qū)域探測性能較差,與WWLLN的匹配率只有3%,兩套系統(tǒng)的定位時間差為0.9 s,距離差為22 km;在像元空間分辨率為8 km的B區(qū)域,LMI與WWLLN的匹配率為13%,定位時間差為0.6 s,距離差為11 km。利用LMI與WWLLN匹配和未匹配的數據,分析LMI探測到組的強度和大小,閃電的強度、持續(xù)時間、空間大小的等方面的光學特征差異,發(fā)現閃電的輻射能量密度值和空間大小的差異特征,可以作為衛(wèi)星閃電成像儀對云地閃進行識別的參考依據,同時也需要考慮不同區(qū)域閃電的特征差異。
【學位單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P415.35
【部分圖文】：

閃電成像儀 LMI（FY-4 Lightning Mapping Imager電成像儀 LMI（Lightning Mapping Imager）是我國首次研制星上的閃電觀測儀器,是可以對大氣中的閃電活動進行連續(xù)監(jiān)LMI 裝載于我國第二代靜止衛(wèi)星科研試驗星 FY-4A 上，FY-4A氣象衛(wèi)星,于 2016 年 10 月發(fā)射升空，其上裝載的多種探測儀利、農業(yè)、林業(yè)和環(huán)境等領域的需求，會在天氣監(jiān)測與預報災等領域得到充分的應用，將在防災減災建設中發(fā)揮重要作衛(wèi)星中姿態(tài)測量與控制精度最高的，衛(wèi)星的測距以及定軌高度衛(wèi)星的高性能為閃電成像儀 LMI 提供了一個穩(wěn)定而又高性能用閃電光學成像技術對閃電活動進行觀測的閃電定位系統(tǒng)，由實時事件處理器 RTEP、數據格式器和儀器控制等部分組成

外區(qū)的中性氧（O）和中性氮（N）的光譜線[58]，雖然 777.4 nm 的更強，但其在閃電信號中的輻射也更強，因此星載閃電成像儀選擇 7的中心波長，對閃電信號進行光譜濾波。沖的上升時間快，持續(xù)時間短，大多數脈沖持續(xù)時間為 400～800 μ積分時間對于光學閃電成像儀是最適合的。但是受技術限制，目前秒鐘探測 500 幀，積分時間為 2 ms，積分時間內像元點上光子的減少閃電脈沖的分裂，但對于一些活動劇烈的閃電脈沖也無法區(qū)分 面陣輸出的原始數據中，將閃電信號從背景信號中提取出來是閃大難題，利用星上實時事件處理器 RTEP（RealTimeEventProcesso據處理的效率和精度。利用相鄰幀的數據進行背景估計，將實時幀值后，當信號強度大于設定的事件閾值時，判斷探測到一個閃電事事件處理器輸出的數據進行虛假事件的濾除和定位后，就得到了 L事件。

圖 3-1 事件到組以及組到閃電聚類算法流程圖上圖給出了風云四號閃電成像儀聚類算法的流程圖，事件到組的聚類和組到閃電的聚類原理是一樣的，區(qū)別在于兩個聚類算法的參數的不同，以及事件到組的聚類基于 LMI 事件的像元坐標系下的格點距離，而組到閃電的聚類基于地球坐標系下的空間距離。在事件到組的聚類中，將每一個事件與現有的組內的事件進行比較，若事件間的時間和空間差小于給定的聚類參數，則這個事件將加入已有的組，若是大于聚類參數，則構成一個新的組。同樣的，當組與組之間的時間和空間距離小于組到閃電的聚類參數時，這些組也屬于同一個閃電。
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本文編號：2851748