风云四号闪电成像仪聚类算法的研究及应用

论文摘要

风云四号闪电成像仪LMI（Lightning Mapping Imager）作为全新的静止卫星闪电探测系统,为我国闪电活动的特征分析以及雷暴活动的监测预警提供了大量的观测资料。目前国家气象卫星数据中心公布的闪电探测数据是L2级事件,并没有物理意义,因此将LMI的探测数据聚类到闪电是卫星闪电数据应用的第一步。在确定LMI的聚类算法时,需要考虑极轨卫星和静止卫星闪电成像仪的差异,即考虑像元空间分辨率对聚类算法的影响。本文基于LMI观测范围内不同区域的像元空间分辨率,通过聚类算法的参数化方案,确定了适合LMI观测区域的聚类算法;利用WWLLN（World Wide Lightning Location Network）闪电探测网的数据,分析了LMI在不同区域的探测性能,并在此基础上,分析LMI与WWLLN匹配的闪电数据的特征分布,为云地闪的识别提供了参考依据。主要的研究方法及结论如下:（1）通过卫星闪电成像仪的定位算法,将CCD（Charge-coupled Device）面阵像元的格点坐标转化为地球坐标系下的经纬度坐标,计算得到LMI的CCD面阵像元空间分辨率的大小。将LMI观测区域划分为像元空间分辨率为20 km的A区域,该区域范围为50°60°N,60°160°E和像元空间分辨率为8 km的B区域,该区域范围为15°50°N,60°160°E,对A、B两个区域的闪电数据做事件到组和组到闪电的聚类参数敏感性试验,发现像元空间分辨率对事件到组的聚类算法没有影响,A、B区域的事件到组的聚类时间参数为2 ms,空间参数为相邻格点;而在组到闪电的聚类算法中,在不同空间分辨率区域,时间参数为330 ms,A区域的空间参数为25 km,B区域的空间参数为16.5km。（2）利用WWLLN和相当黑体温度TBB（Black Body Temperature）的同步资料了解LMI的探测性能,发现LMI和WWLLN在中国区域范围内探测到的闪电活动密度分布有很好的一致性,LMI探测到的闪电的数量为WWLLN探测数据的3倍多。LMI闪电活动主要分布在云顶亮温低于-60℃的冷云区,与强对流天气过程有很好的对应。（3）利用WWLLN探测到的闪电数据与LMI数据匹配时,通过匹配阈值的时间和空间参数敏感性试验,确定WWLLN和LMI星地探测系统的匹配时间阈值为2 s,空间阈值为0.2°。受像元空间分辨率的影响,LMI在空间分辨率为20 km的A区域探测性能较差,与WWLLN的匹配率只有3%,两套系统的定位时间差为0.9 s,距离差为22 km;在像元空间分辨率为8 km的B区域,LMI与WWLLN的匹配率为13%,定位时间差为0.6 s,距离差为11 km。利用LMI与WWLLN匹配和未匹配的数据,分析LMI探测到组的强度和大小,闪电的强度、持续时间、空间大小的等方面的光学特征差异,发现闪电的辐射能量密度值和空间大小的差异特征,可以作为卫星闪电成像仪对云地闪进行识别的参考依据,同时也需要考虑不同区域闪电的特征差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 星载闪电探测系统的研究进展
•     1.2.2 地基闪电定位系统的研究进展
•     1.2.3 星地闪电探测数据的一致性研究
•   1.3 本文研究的主要内容及章节安排
• 第二章 资料介绍
•   2.1 风云四号闪电成像仪LMI（FY-4A LIGHTNING MAPPING IMAGER）
•     2.1.1 LMI探测原理
•     2.1.2 LMI闪电产品
•   2.2 全球闪电定位网WWLLN（THE WORLD WIDE LIGHTNING LOCATION NETWORK）
•   2.3 其它观测资料
•   2.4 本章小结
• 第三章 聚类参数化方案
•   3.1 聚类元素定义
•     3.1.1 事件（EVENT）
•     3.1.2 组（GROUP）
•     3.1.3 闪电（FLASH）
•   3.2 聚类算法
•   3.3 定位原理和空间分辨率
•   3.4 事件到组的聚类算法
•     3.4.1 事件到组的时间参数
•     3.4.2 事件到组的聚类空间参数
•   3.5 组到闪电的聚类算法
•     3.5.1 组到闪电的聚类时间参数
•     3.5.2 组到闪电的聚类空间参数
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于地基闪电资料的LMI闪电特征分析
•   4.1 基于WWLLN资料的LMI闪电特征分析
•     4.1.1 星地探测数据对比分析
•     4.1.2 匹配阈值的敏感性试验
•   4.2 LMI与 WWLLN定位结果差异分析
•   4.3 LMI探测到的组与闪电活动的特征
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 论文创新点
•   5.3 不足与展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈亚芳

导师: 张其林

关键词: 像元空间分辨率,聚类参数,匹配阈值,定位差异,闪电光学特征量

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P415.35

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000249

总页数: 60

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