風(fēng)云四號(hào)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(dòng)的特征分析以及雷暴活動(dòng)的監(jiān)測預(yù)警提供了大量的觀測資料。目前國家氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心公布的閃電探測數(shù)據(jù)是L2級(jí)事件,并沒有物理意義,因此將LMI的探測數(shù)據(jù)聚類到閃電是衛(wèi)星閃電數(shù)據(jù)應(yīng)用的第一步。在確定LMI的聚類算法時(shí),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(duì)聚類算法的影響。本文基于LMI觀測范圍內(nèi)不同區(qū)域的像元空間分辨率,通過聚類算法的參數(shù)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(wǎng)的數(shù)據(jù),分析了LMI在不同區(qū)域的探測性能,并在此基礎(chǔ)上,分析LMI與WWLLN匹配的閃電數(shù)據(jù)的特征分布,為云地閃的識(shí)別提供了參考依據(jù)。主要的研究方法及結(jié)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(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地球坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo),計(jì)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(duì)A、B兩個(gè)區(qū)域的閃電數(shù)據(jù)做事件到組和組到閃電的聚類參數(shù)敏感性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)像元空間分辨率對(duì)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(shí)間參數(shù)為2 ms,空間參數(shù)為相鄰格點(diǎn);而在組到閃電的聚類算法中,在不同空間分辨率區(qū)域,時(shí)間參數(shù)為330 ms,A區(qū)域的空間參數(shù)為25 km,B區(qū)域的空間參數(shù)為16.5km。(2)利用WWLLN和相當(dāng)黑體溫度TBB(Black Body Temperature)的同步資料了解LMI的探測性能,發(fā)現(xiàn)LMI和WWLLN在中國區(qū)域范圍內(nèi)探測到的閃電活動(dòng)密度分布有很好的一致性,LMI探測到的閃電的數(shù)量為WWLLN探測數(shù)據(jù)的3倍多。LMI閃電活動(dòng)主要分布在云頂亮溫低于-60℃的冷云區(qū),與強(qiáng)對(duì)流天氣過程有很好的對(duì)應(yīng)。(3)利用WWLLN探測到的閃電數(shù)據(jù)與LMI數(shù)據(jù)匹配時(shí),通過匹配閾值的時(shí)間和空間參數(shù)敏感性試驗(yàn),確定WWLLN和LMI星地探測系統(tǒng)的匹配時(shí)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(shí)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(shí)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(shù)據(jù),分析LMI探測到組的強(qiáng)度和大小,閃電的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、空間大小的等方面的光學(xué)特征差異,發(fā)現(xiàn)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(duì)云地閃進(jìn)行識(shí)別的參考依據(jù),同時(shí)也需要考慮不同區(qū)域閃電的特征差異。
【學(xué)位單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(duì)大氣中的閃電活動(dòng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)LMI 裝載于我國第二代靜止衛(wèi)星科研試驗(yàn)星 FY-4A 上，F(xiàn)Y-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(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域的需求，會(huì)在天氣監(jiān)測與預(yù)報(bào)災(zāi)等領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用，將在防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)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(gè)穩(wěn)定而又高性能用閃電光學(xué)成像技術(shù)對(duì)閃電活動(dòng)進(jìn)行觀測的閃電定位系統(tǒng)，由實(shí)時(shí)事件處理器 RTEP、數(shù)據(jù)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(qiáng)，但其在閃電信號(hào)中的輻射也更強(qiáng)，因此星載閃電成像儀選擇 7的中心波長，對(duì)閃電信號(hào)進(jìn)行光譜濾波。沖的上升時(shí)間快，持續(xù)時(shí)間短，大多數(shù)脈沖持續(xù)時(shí)間為 400～800 μ積分時(shí)間對(duì)于光學(xué)閃電成像儀是最適合的。但是受技術(shù)限制，目前秒鐘探測 500 幀，積分時(shí)間為 2 ms，積分時(shí)間內(nèi)像元點(diǎn)上光子的減少閃電脈沖的分裂，但對(duì)于一些活動(dòng)劇烈的閃電脈沖也無法區(qū)分 面陣輸出的原始數(shù)據(jù)中，將閃電信號(hào)從背景信號(hào)中提取出來是閃大難題，利用星上實(shí)時(shí)事件處理器 RTEP（RealTimeEventProcesso據(jù)處理的效率和精度。利用相鄰幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行背景估計(jì)，將實(shí)時(shí)幀值后，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度大于設(shè)定的事件閾值時(shí)，判斷探測到一個(gè)閃電事事件處理器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)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(fēng)云四號(hào)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(gè)聚類算法的參數(shù)的不同，以及事件到組的聚類基于 LMI 事件的像元坐標(biāo)系下的格點(diǎn)距離，而組到閃電的聚類基于地球坐標(biāo)系下的空間距離。在事件到組的聚類中，將每一個(gè)事件與現(xiàn)有的組內(nèi)的事件進(jìn)行比較，若事件間的時(shí)間和空間差小于給定的聚類參數(shù)，則這個(gè)事件將加入已有的組，若是大于聚類參數(shù)，則構(gòu)成一個(gè)新的組。同樣的，當(dāng)組與組之間的時(shí)間和空間距離小于組到閃電的聚類參數(shù)時(shí)，這些組也屬于同一個(gè)閃電。
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本文編號(hào)：2851748