雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

基于电磁卫星的闪电哨声波智能检测算法的研究进展

闪电哨声波作为探索空间物理环境的重要媒介,淹没在海量的电磁卫星数据中.近年来随着计算机视觉和深度学习等人工智能技术的发展,从电磁卫星的存档数据中自动检测闪电哨声波的算法取得了一定的效果.本文对近年来闪电哨声波智能检测算法的文献进行了整理和总结.首先,阐述闪电哨声波在电磁卫星数据中呈现的时频特征和类型;然后,介绍了闪电哨声波智能检测算法的流程并从闪电哨声波的特征提取、分类和定位三个方面对主要的智能检测算法进行归纳、总结和评述;其次,简述了闪电哨声波智能检测模型的评价指标;接着,在张衡一号(ZH-1)卫星的磁场数据上对三种典型的闪电哨声波智能检测算法进行复现,并对三种算法的优缺点进行了较深入的分析;最后,对基于电磁卫星的闪电哨声波智能检测的研究领域进行总结和展望.     

不同卫星载荷探测NDVI性能差异分析及变换参数确定

提出了一种多卫星载荷探测归一化差异植被指数(NDVI)的差异定量分析与改正新方法.该方法集成PROSPECT模型、SAIL模型和MODTRAN大气辐射传输模型来模拟不同卫星载荷的遥感信号,使用遥感模拟信号而非实际卫星图像进行NDVI差异分析和改正.信号模拟中考虑了传感器光谱响应和大气条件的影响,对国内外的30种卫星载荷探测NDVI的差异进行了定量分析.最后,针对不同卫星载荷探测NDVI之间存在的差异,利用模拟数据建立了地面能见度分别为10,23,50km大气条件时30种国内外主要卫星载荷NDVI值间的相互转换关系.本文方法对多载荷NDVI应用分析具有一定的理论及实用意义.     

气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文在已有的三维雷暴云起、放电模式中加入了一种经典的气溶胶活化参数化方案,结合一次长春雷暴个例,进行了雷暴云起放电数值模拟试验.研究显示气溶胶浓度改变对雷暴云微物理、起电及放电过程都有重要影响.结果表明:(1)污染型雷暴云中气溶胶浓度增加时,云滴数目增多,上升风速加强;云中冰晶与霰粒子数浓度增加但尺度减小;(2)相对于清洁型雷暴云,污染型雷暴云非感应起电过程弱,感应起电过程强,起电持续时间长;(3)污染型雷暴云中首次放电时间延迟,闪电持续发生的时间长,总闪电频次增加,正地闪频次增加明显.     

云顶以下臭氧对TOMS反演臭氧总量的影响及反演方法的理论研究

目前紫外后向散射反演臭氧总量的所有算法,都将云考虑成不透明的Lambertian反射体,并假定云顶有效反照率不随波长的变化而变化.然而本文通过模拟计算发现,由于云散射、瑞利散射、臭氧吸收三种作用的综合结果,云顶的有效反照率是与波长相关的,即使光学厚度比较大的云,辐射也可由云顶继续向下传输,因而会受到云顶以下臭氧吸收的影响.用V7方法进行反演,模拟计算结果表明：云的出现使得云顶以下,特别是云内光程增强,导致紫外波段的臭氧吸收衰减增大,所以反演出的臭氧总量值比真实值偏大,本文称这种现象为“云吸收效应”,并讨论了该效应的影响因子.最后,在辐射传输模拟的基础上建立一套反演算法,大大减弱了“云吸收效应”的影响.     

张衡一号感应磁力仪数据闪电哨声波自动识别

张衡一号卫星感应式磁力仪(Search Coil Magnetometer,SCM)探测到了大量的低频电磁波动数据.本文探索从中自动识别闪电哨声波(Lightning Whistler,LW)的算法,相关结果对进一步研究空间天气闪电事件的时空变化规律具有重要研究意义.首先,以20 s的时间窗提取SCM原始波形数据,再对其做短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)得到时频图;接着,以LW在时频图中呈现明显的L形态特征为依据创建LW时频图像数据集,该数据集包括316个LW时频图,8000个非闪电哨声波的时频图;再对时频图像进行灰度化处理和尺度缩放处理以降低计算维度,同时增强闪电哨声波特征;通过设计模糊卷积核,对图像进行卷积计算以滤除大量阶跃边缘信息的影响;基于LW的形态特征设计L形态卷积核,对图像进行卷积处理以进一步增强图像中的L形态特征.最后,将增强后的L特征图输入支持向量机(Support Vector Machines,SVM)进行分类识别.大量数据处理实验结果表明:本文提出的闪电哨声波自动识别方案有效,其识别效果在精度、召回率、F1值(F1 score)和接受者操作特性曲线面积(Area Under Curve,AUC)指标上均达到94％以上.     

星地闪电探测系统在中国区域探测数据对比分析

根据传感器所处位置的不同,闪电观测资料的获取主要有地面观测和卫星观测两种方式,二者各有优势,对两类资料质量的评估与对比是重要的研究课题.为此本文将我国气象部门国家级地基闪电监测网络——国家雷电监测网与低轨道卫星闪电探测器LIS(Lightning Imaging Sensor)在2009—2015年获取的中国区域资料作为研究对象,基于敏感度试验,确立了星地观测数据匹配的原则、方法和时空窗口阈值,提出了星地匹配比例MP(Match Percent)的定义并从年份、季节、昼夜三个维度对比研究了中国区域星地闪电观测数据的特征,分析了二者定位误差的统计规律和分布比例,讨论了影响因素.本文的工作为星地多源闪电观测数据的质量控制与融合分析提供基础,也为新近发射的我国首枚静止轨道平台闪电成像仪的地面真实性检验和算法修正提供数据和技术储备.     

地球空间双星探测计划

地球空间双星探测计划包括两颗小卫星,将分别运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地赤道区和近地极区.双星计划的主要科学目标是用高分辨率的仪器在近地空间的主要活动区探测场和粒子的时空变化;研究磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴的触发机制及磁层空间暴对太阳活动和行星际扰动的响应过程;建立地球空间环境的动态模式.为了实现科学目标,赤道卫星和极区卫星上各载有9台探测仪器.赤道卫星的轨道是:近地点550km,远地点60000km,倾角约2.5°;极区卫星轨道是:近地点350km,远地点25000km,倾角约90°左右.为了使双星计划与欧空局ClusterⅡ相配合,赤道卫星计划于2002年12月发射,极区卫星计划于2003年6月发射.双星计划与ClusterⅡ相配合,可形成地球空间6点探测计划,这将成为21世纪初国际上重要的地球空间探测计划.     

基于智能语音技术的闪电哨声波自动识别

闪电哨声波是一种重要的电磁波动,了解其传播特征及传播过程有助于揭开圈层电磁耦合机理.从卫星观测资料识别闪电哨声波通常需要将原始电磁波形进行滤波处理再转化为时频图像,最后采用目视方法识别图像中的色散状形态,整个过程消耗大量人机时间和内存资源,不能满足张衡一号(ZH-1)卫星观测的海量电磁场数据处理的需求.针对该问题,鉴于...     

基于毫米波雷达、无线电掩星和探空仪资料的云边界高度对比研究

为准确评估基于相对湿度廓线法反演云边界高度的有效性,以CloudSat和CALIPSO联合探测结果为基准,对2008年1月至2009年1月COSMIC无线电掩星和探空仪的云底高与云顶高反演结果进行定量对比验证,结果表明:CloudSat、掩星和探空仪检测到高云的比例差异较大,掩星和探空仪云检测效率相近,但云检测质量掩星优于探空仪,云层沿高度的发生概率同样掩星与CloudSat具有更好的一致性;陆地与海洋地区掩星和探空仪云底高反演精度大于云顶高,且反演精度与云层高度有关,二者对不同类型云的边界高度具有不同的反演优势,云底高发生概率掩星和探空仪与CloudSat都有很好的一致性,但云顶高概率掩星与CloudSat的吻合程度更好;CloudSat云边界高度随纬度升高而减小,其与掩星和探空仪的反演偏差同样是低纬大于中高纬,且具有不同的季节分布特点.此外,三者检测的底层云中低云所占比例从冬季到夏季逐渐减小,顶层云中云顶高于10 km的比例从冬季到夏季却逐渐增加.     

卫星观测到的全球闪电活动及其地域差异

闪电活动在时间和空间尺度上都有很大的可变性. 本文利用热带降水测量计划（TRMM）卫星上携带的闪电探测系统获取的闪电定位资料首次对一些典型地区的闪电活动进行了对比分析. 研究发现不同地区的闪电活动无论在闪电频数或放电强度方面都有很大的差别，海洋上的闪电活动频数与陆地上的闪电活动频数可相差几十倍；不同地区闪电活动的多少不仅取决于该地雷暴日数的多少，更重要的还取决于该地每次雷暴过程闪电频数的多少；不同地区的闪电放电强度有随闪电频数增加而减小的趋势. 进一步研究还表明，不同地区闪电光辐射能的不同可以用对流最大不稳定能量（ECAPE）来解释，闪电放电强度与ECAPE之间存在非常好的线性正相关；而闪电活动频数对ECAPE的响应则与闪电光辐射能不同，二者之间没有发现明显的相关.     

用宽带干涉仪观测云内闪电通道双向传输的特征

利用闪电宽带干涉仪系统对闪电的观测表明，地闪和云闪的云内闪电通道都存在双向发展的特征. 闪电在云中负电荷区域初始激发以后，在通道两端发生向不同方向同时发展的击穿过程. 这两种击穿过程均产生较强的辐射，且辐射频谱特征十分相似，表明云内闪电通道两端发生的击穿过程可能均为负击穿过程. 相应电场变化表明闪电通道双向发展期间伴随着负电荷的向上转移. 这一观测事实与Kasemir早期提出的闪电通道双向发展的概念有一定的差异.     

The Influence of the Acoustic-electric Coalescence on Phase and Mass Transfer of Supercooled Drops

The objective of this work is to study the influence of electrical discharge on the evolution of the cloud droplet spectra using a 1-D cloud model. It is shown that droplet motion and the electrical effects produced by lightning may cause a rapid and effective droplet coalescence process, with noticeably more phase transfer from liquid toward frozen water. As a measure of the drop spectra changes, we investigated variations of the radar reflectivity factor and the mass-weighted mean diameters at five temperature levels (0, −5, −10, −15, and −20C) with 15 combinations of the initial conditions. The model simulations suggest that about where the lightning occurred, after a few seconds, the initial unimodal spectra of supercooled water drops can be transferred to the bimodal spectra of unfrozen and frozen water drops. The number of newly created frozen drops is a few orders less than unfrozen water drops, but can still be very important for further transformations due to gravitational coagulation and other microphysical processes, e.g. glaciation. The results indicate that the procedure established to describe processes related to the electrical discharge and droplet spectra transformations can be used within a 3-D mesoscale model. It is concluded that the outcome can be also used to explain some of the physical characteristics inferred from polarimetric radar observations.     

区域闪电活动对地面相对湿度的响应

全球闪电活动表现出明显的地域差异,温度和湿度是造成这种差异的基本气象因素.本文利用美国全球水资源和气候中心提供的1995～2002年全球闪电资料和NCEP气象再分析资料,研究了区域闪电密度对地面相对湿度(RH)的响应.发现在平均相对湿度RH<72%的经度带里闪电密度与RH呈正相关.而在RH>73%的经度带里,闪电密度与RH呈负相关;在RH>74%的赤道地区闪电活动与RH呈负相关, 而在RH<72%的中高纬地区闪电密度与RH呈正相关.得到结论：当地面相对湿度过大时,相对湿度的增加不利于闪电活动的发生;而当相对湿度较小时,相对湿度的增加有利于闪电活动的发生.地面相对湿度的临界值域约为72%～74%.此结论在不同经、纬度的几个典型区域均得到了验证,并探讨了过大的相对湿度抑制闪电活动发生的可能原因.     

Electromagnetic Methods of Lightning Detection

Both cloud-to-ground and cloud lightning discharges involve a number of processes that produce electromagnetic field signatures in different regions of the spectrum. Salient characteristics of measured wideband electric and magnetic fields generated by various lightning processes at distances ranging from tens to a few hundreds of kilometers (when at least the initial part of the signal is essentially radiation while being not influenced by ionospheric reflections) are reviewed. An overview of the various lightning locating techniques, including magnetic direction finding, time-of-arrival technique, and interferometry, is given. Lightning location on global scale, when radio-frequency electromagnetic signals are dominated by ionospheric reflections, is also considered. Lightning locating system performance characteristics, including flash and stroke detection efficiencies, percentage of misclassified events, location accuracy, and peak current estimation errors, are discussed. Both cloud and cloud-to-ground flashes are considered. Representative examples of modern lightning locating systems are reviewed. Besides general characterization of each system, the available information on its performance characteristics is given with emphasis on those based on formal ground-truth studies published in the peer-reviewed literature.     

Ocean surface current retrieval at Hangzhou Bay from Himawari-8 sequential satellite images

Ocean surface currents play a key role in the earth's climate. They affect virtually all processes occurring in the ocean and can also directly affect many important socio-economic activities. Himawari-8 meteorological satellite has an international advanced geostationary orbit imager sensor, AHI, with high time resolution and spatial coverage, Himawari-8 can be used to observe the subtle changes in marine environments. In this study, we used Himawari-8 data received from the Joint Receiving Station for Satellite Remote Sensing of Xiamen University to retrieve coastal currents in Hangzhou Bay. Particularly, the Maximum Correlation Coefficient(MCC) and the Generalized Hough Transform(GHT) methods were used to retrieve them respectively. The retrieved sea surface currents are analyzed and verified by the numerical model data of the Taiwan Strait current forecasting system(TFOR). The results show that(1) the Himawari-8 satellite data can be used to effectively estimate the ocean current;(2) The results of the two methods are in agreement with each other, and the error in the current measured using the GHT method is smaller in the Yangtze estuary and offshore areas, where the turbidity characteristic front is stronger.     

山西前兆台网雷电预警数据入库设计及实现

为有效发挥山西前兆台网雷电预警电场数据的实时性、实用性,基于java语言开发研制了前兆台网雷电预警入库软件。入库软件的功能主要包括雷电预警数据接收、数据转发到平台、数据格式转换并入库、雷电预警数据查询浏览等。通过该软件可以实时对台站雷电预警系统进行监控,高效分析雷电数据,加强对台站周围测点地震观测仪器的防雷保护。     

Correlations between deep convection and lightning activity on a global scale

Satellite observations of cloud top temperature and lightning flash distribution are used to examine the relationship between deep convection and lightning activity over the tropical regions of the northern and southern hemispheres. In agreement with previous work, the analysis of the results shows that, in the summer of both hemispheres, the lightning activity in continental deep convective storms is more intense than that in marine deep convective storms by a factor of between 7 and 10. Furthermore, it was observed that on average the daily lightning rate per 1°×1° grid cell for the southern hemisphere (SH) is about 20% greater than that of the northern hemisphere (NH), which can be attributed to a larger fractional cover by deep convective clouds in the SH. By using a set of independent indicators, it is shown that deep convection and lightning activity over land are well correlated (with correlation coefficients of 0.8 and 0.6 for NH and SH, respectively). This suggests the capacity for observations to act as a possible method of monitoring continental deep convective clouds, which play a key role in regulating the Earth’s climate. Since lightning can be monitored easily from ground networks and satellites, it could be a useful tool for validating the performance of model convective schemes and for monitoring changes in climate parameters.