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。     

FY-4卫星闪电成像仪的使命和挑战

作为我国首次研制和星载的卫星闪电成像仪,FY-4卫星闪电成像仪在仪器研制、测试和定标、资料处理等多个方面,面临严峻挑战.该文介绍了卫星闪电成像仪的发展进程和现状,卫星闪电探测的原理、方法以及闪电探测仪的结构等,探讨了FY-4卫星闪电成像仪的使命和技术指标,与已经上天的闪电成像传感器(LIS)和计划中地球静止轨道卫星闪电成像仪(GLM)的指标对比结果表明,FY-4卫星闪电成像仪的技术指标达到了当今世界卫星闪电探测的最高水平.分析了FY-4卫星闪电成像仪在诸多方面面临的巨大挑战,旨在引起人们的关注和重视.     

新一代气象卫星闪电探测仪

NOAA与NASA宣布,已经选定Lockheed Martin Space Systems Company of Palo Alto,Calif公司来设计与开发将搭载于新一代天气卫星的闪电探测仪,项目资金为96．7×10^5美元。这种新的地球静止闪电成像仪（Geostationary Lightning Mapper）可以探测西半球任何时间地点各种类型的闪电,探测结果可作为预报人员预报雷暴与龙卷风的指标。该探测仪将搭载2014年12月发射的NOAA新一代地球静止卫星GOESR。     

新型闪电电场变化测量仪的研究与初步应用

闪电电场变化测量系统是目前用于闪电物理研究以及闪电定位的重要手段之一, 提高测量系统的探测性能, 对于推动闪电物理以及闪电定位的研究具有重要作用。根据电磁感应原理, 研制出探测带宽为10 Hz~5 MHz的新型闪电电场变化测量仪。并进行了实验, 标定了测量仪输出信号与电场变化信号在频域上的数值关系。利用三套测量仪系统对南京多个强雷暴过程展开同步探测, 利用获取的数据反演了负地闪电场波形。对探测到的58次负地闪波形特征进行统计, 与国内外统计结果进行对比分析, 发现各个地区的负地闪预击穿过程和首次回击电场波形特征存在较大差异。      

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。     

闪电探测技术发展和资料应用

文中综述了闪电探测技术和方法的发展状况, 阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用, 探讨了我国闪电探测站网建设的技术和方法, 以及利用闪电探测资料开展雷电预警预报的方法与途径.闪电探测技术对雷电研究和雷电防护技术的发展非常重要, 特别是随着科学技术的发展, 闪电探测技术得到了快速发展, 这为雷电监测和预警提供了重要手段, 对减少雷电灾害具有重要作用.     

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。     

地球静止轨道闪电探测

利用高空NASAU 2飞机的探测资料与其他科学研究方法 ,开发了一种空间探测器。其空间分辨率为 10km ,检测效率 90 % ,具有昼夜映像地球静止轨道的云内和云对地放电的能力。这种闪电图像探测器 (LMS)可连续监视风暴。闪电探测器中新的固态马赛克聚焦平面和较强信号处理相结合 ,为检测微弱的背景受污染信号提供具有权威性的技术 ,并满足白天监测闪电。LMS的视场为10 .5° ,覆盖全美国大陆 ,大范围海域、中美洲、包括安第斯山脉及亚马逊河流域在内的南美大部以及热带辐合区的大部分地区。 2 0世纪 90年代中期LMS会随GOES卫星飞行。该文介绍LMS的特性和设计以及应用这种仪器进行科学研究的可能性     

从空间探测闪电的综述

从空间探测闪电 30多年的历史看 ,一些卫星闪电遥感仪器已提供了许多极有价值的资料 ,例如 ,闪电全球范围内发生的频率 ,其随纬度和季节的变化以及日变化 ,超级闪电的发生等等。这些资料在雷电灾害预警预防、强对流天气监测、某些军事目标的识别等业务和科研工作中得到了应用。本文是关于空间探测闪电的一个综述 ,主要介绍过去 35a一些星载闪电光学探测器 ,并给出由这些仪器观测资料分析所得到的一些重要结果。最后 ,对发展中国星载闪电探测器提出几点建议。     

FY-4A卫星闪电资料与ADTD闪电资料在四川省冕宁暴雨中的对比分析及数值模拟

FY-4A卫星闪电资料与地基ADTD(Advanced Direction and Time of arrival Detecting system)闪电资料对于研究暴雨等强对流天气具有一定的指示意义,通过对四川省冕宁暴雨个例的研究,对比分析了这两种闪电资料的差别,设计了将两种闪电资料引入数值预报模式的多组数值试验。结果表明：（1）两种闪电资料在不同地区有不同的探测效果,ADTD闪电资料范围更广且分散,FY-4A卫星监测到的闪电数量更密集、分布更集中;两种闪电资料在进入模式之后所转化成的代理雷达回波具有很好的一致性;对于低频次的闪电来说,ADTD闪电定位仪可能比FY-4A闪电成像仪探测效率更高。（2）引入任何一种闪电资料都对降水预报具有正效果,其中ADTD闪电资料的应用对于短时降水预报准确率的提高更为有效。（3）两种闪电资料对于云微物理量的调整作用,在不同的区域有不同效果,说明这两种闪电资料的分布不完全一致,揭示出这两种闪电资料具有一定的互补性。     

CMA_FEBLS低频三维全闪探测技术研究及观测10年进展

三维全闪探测已经成为了深入认识闪电物理机制和雷暴电活动规律的重要手段。中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)自主研发了低频电场探测阵列(LFEDA), 并持续开展了针对广东地区雷暴全闪电活动的综合观测试验, 在精细化三维定位算法和基于三维全闪数据的闪电放电过程研究方面取得了若干研究结果。(1) LFEDA具备雷暴电活动的无死时间捕获能力、优于百米的定位精度和一定的通道定位能力。(2)发展了基于简单脉冲特征的三维全闪定位算法, 并进一步将经验模态分解及衍生方法引入到闪电信号处理中, 提高了定位的精细化水平; 发展了融合到达时差和时间反转技术的定位方法, 提升了抗干扰能力、降低了对站网的要求。(3)实现了典型放电事件的电流波形反演, 获得了窄偶极性放电事件(NBE)、初始击穿脉冲(IBP)和爆发式脉冲簇(RBPs)的放电特征; 研究发现绝大多数闪电始发于IBP, 而作为始发的NBE则具有更大的孤立性、更大的相对幅度和更快的发展速度。(4)发现随着起始放电高度增加, 初始阶段持续时间和步长增加, 发展速度和脉冲丰度下降; 始发于强对流区时始发阶段通常有更大的速度和脉冲丰度。      

基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法

定位精度是评价雷电定位网络的重要指标之一,定位算法直接影响雷电探测结果的精度。雷电监测系统探测数据误差不可避免,传统定位算法不具备抗误差干扰能力,迭代计算易发散,定位结果精度不高。为了满足实际应用需求,提出一种新的雷电定位算法DG-LLA（DBSCAN and grid-search lighting location algorithm）,在定位计算中引入DBSCAN（density-based spatial clustering of applications with noise）方法与网格搜索方法。通过仿真与国家雷电监测网实际定位结果对比分析定位算法性能。结果表明:到达时间差（time difference of arrival,TDOA）法和Taylor级数展开法定位误差较大,仿真区域的均方根误差分别为982 m和668 m;定位中引入DBSCAN方法后,均方根误差明显减小为406 m,引入DBSCAN方法和网格搜索方法后,均方根误差减小为349 m;在相同回击数据条件下,算法DG-LLA与国家雷电监测网相比定位数量更多,回击数据的利用率从43.4%提升到51.5%,新增定位结果周围雷达回波特征较强,定位精度更高。     

基于线支持区域的闪电通道识别算法

提出了一种基于线支持区域的闪电通道识别算法 (LLSR),该算法首先应用对比度拉伸和高斯匹配滤波方法对闪电通道图像进行预处理,以增强闪电通道的对比度;然后自动检测出包含闪电通道的线支持区域,并用最小外接矩形包含这些区域;最后在各个矩形区域内分别使用最大类间方差Otsu阈值法进行分割,得到闪电通道识别结果。试验结果表明:LLSR具有良好的局部特性和自适应性,它不仅能自动提取低对比度闪电图像的通道,还能自动提取具有复杂背景闪电图像的通道,自动提取结果在视觉上与人眼观测结果一致。且定量评估结果表明:LLSR相比传统算法具有更好的分割精度。     

基于闪电数据的雷暴识别、追踪与外推方法

该文提出了一种新的雷暴识别、追踪与外推方法。该方法基于地闪数据,利用密度极大值快速搜索聚类算法实现雷暴的识别,采用Kalman滤波算法实现雷暴的追踪与外推。应用该方法处理了2013年的全国地闪定位数据,同时利用多普勒天气雷达等数据对选取的个例进行评估。结果表明:该方法能有效识别雷暴并对其进行实时追踪,且能有效处理雷暴分裂与合并的情况;算法具有较好的0~60 min的临近外推预报能力,各项性能指标整体与TITAN (Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis and Nowcasting) 算法接近,在30 min时效有更好的表现。该方法能够实时监测、预报全国雷暴发生发展状况,对于0~60 min临近预报具有一定参考价值。     

基于特征提取和集成学习的雷电预测能力提升

雷电是对人类社会有重大安全影响的自然灾害之一, 对雷电进行监测、预警是降低其危害的重要手段。利用广州市黄埔区的大气电场仪资料和闪电定位资料统计分析了反映雷电趋势的相关特征, 并从中提取预警因子探讨与电场仪探测范围内雷电事件的相关性, 基于基分类器BP神经网络, 分别通过Bagging和Adaboost的方法建立集成模型。试验表明, 在以30分钟为时间片的雷电事件预警中, 基于BP神经网络模型, 对比本试验提取的特征和其他研究提供的特征, 误报率和漏报率分别降低了16.83%和15.19%;集成方法比未集成的单一BP神经网络误报率最大降低了11.46%, 漏报率最大降低了4.73%, 说明了特征提取和集成学习的方法能有效提升模型在雷电预测中的准确率。      

地面电场资料在雷电预警技术中的应用

论述利用地面电场仪的探测资料对雷电预警预报的技术方法，以大气电场测量为基础，利用地面电场仪的组网，实现自动、连续、实时监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等，提供监测范围内雷暴强电荷活动中心的发生发展演变特征和整个雷暴过程中雷电活动位置和发展信息。同时结合闪电定位系统的观测，为雷电的监测和预报提供更充分的信息。     

3种阈值方法在闪电通道图像识别中的应用

该文实现了3种常见的阈值算法在闪电通道识别中的应用。针对某些闪电通道图像对比度较低的特点,首先对原始图像去除背景光照不均的影响并进行图像增强,再根据所处理的闪电通道图像的具体情况,选择全局自适应阈值法、局部自适应阈值法或基于Otsu自适应阈值的Canny算子对增强后的图像进行边缘检测,进而对闪电通道进行识别。对所提取到的闪电通道进行形态学和细化处理,最终提取到由连续的像素点序列表示的闪电通道。针对数字图像中闪电通道背景的不同特点,文中提到的3种阈值方法能够有针对性地对不同图像进行通道检测,在保证准确获得清晰边缘信息的同时,较好地兼顾了对弱边缘信息的提取,有效保证了对闪电通道的识别效果。     

闪电定位系统布网方案设计的技术探讨

以闪电定位系统的定位原理和误差分析方法的基础，利用系统布设客观分析软件的自动选站和误差计算功能，比较了以不同方式组成的闪电监测网在一定范围内的定位误差。结果显示，除了系统本身存在的方位和时间误差外，布设子站的数目、几何形状、站距的大小对定位精度的影响均非常明显，与系统采取的定位算法也有很大关系。同时，提出并采取“一子多主，多叉组合”的技术策略，以湖北省为例，对闪电定位系统布网方案设计进行技术探讨。     

A Comparison of the Characteristics of Total and Cloud-to-Ground Lightning Activities in Hailstorms

The region of Beijing-Tianjin-Hebei is covered by two different lightning detection networks: SAFIR (Systeme d’Alerte Fondre par Interferometrie Radioelecctrique) for total lightning, including IntraCloud (IC) flashes and Cloud-to-Ground (CG) flashes, and the ADTD (ADvanced TOA and Direction system; TOA denotes time of arrival) network of China for CG lightning. Fourteen isolated hail-bearing thunderstorms in this region were examined in this study, using the data of SAFIR and ADTD. The peak of lightning frequency, for both total lightning and CG lightning, was often observed in advance of the occurrence of hailstones on the ground, with a trend of a rapid increase of lightning frequency before the hail was reported. The average lead times of the two types of lightning jump before hail events were obtained (total lightning: 32.2 min; CG: 25.4 min) through the 2σ lightning jump algorithm. Additionally, in hailstorms with a high ratio of positive CG flashes, the diameter of hail was larger and the duration of hail was longer; when negative CG flashes dominated, the diameter of hail was relatively small. The comparison of the characteristics of total lightning and CG flashes in hailstorms in this study is expected to serve as a supplementary tool for hail forecasting.