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...     

用GPS定位数据研究L波段雷达数字探空仪系统的测高误差

我国高空站网已普遍推广L波段雷达-数字探空仪系统,但业务上作为测风使用的L波段雷达设备的探测精度只经过了近距离静态目标的标定,缺乏相关的动态检验.为了解该系统的动态探测性能,作者在数字探空仪上增加了GPS定位模块,以获得的GPS高度数据作标准,分析了2006年5月至6月上海和南京探空站23份施放记录,结果表明: L波段雷达设备由于水平标定精度不够,造成测高误差较大,100hPa高度以下最大系统误差达到几百米,而且每个站的误差带有系统性,但利用GPS高度数据与雷达测得高度的对比分析结果,来修正雷达仰角参数后,大幅度提高了L波段雷达的测高准确度,系统误差在100hPa高度以下不超过40m.因此在高空探测业务上以GPS定位资料作为L波段雷达定标的参考标准具有可行性.     

基于闪电聚类方法的西北太平洋区域雷暴活动特征

利用2010-2018年全球闪电定位网(WWLLN)观测资料,采用基于闪电密度的空间聚类算法(DBSCAN)建立了西北太平洋地区雷暴数据集,研究了该区域雷暴的时空分布特征,并进行海陆差异对比.研究结果表明,在合理设定DBSCAN参数阈值的条件下,基于WWLLN闪电聚类的雷暴与天气雷达观测在时空分布和过程演变上具有一致性...     

L波段电子探空仪相对湿度误差研究及其应用

为了提高高空大气探测数据准确度, 我国从2002年1月开始推广使用L波段雷达-电子探空仪探测系统, 用携带碳湿敏元件的数字式电子探空仪代替用肠膜测湿元件的59型探空仪进行相对湿度探测。但大量的实测探空资料表明:相对湿度探空曲线仍然存在较大误差。利用能测到-30℃低温的高精度湿度校准设备在-30~30℃试验温度范围内对碳湿敏元件进行大量静态测试, 在进一步了解碳湿敏电阻校准线随温度变化的特征基础上, 结合实际探空资料, 修正工厂的相对湿度订正原理和公式, 从而可以提高碳湿敏电阻在高湿端的测量准确度, 提高判断云层垂直位置的准确性, 进而提高L波段探空仪温度测量的精度。     

时间差闪电监测网的误差分析和布局优化

在时间差闪电定位算法的基础上, 采用蒙特卡罗模拟方法, 实现了对闪电定位误差的定量评估。详细分析了闪电定位系统中测站数目、布站方式和站址基线长度3个因素对定位结果的影响。研究表明:定位误差与测站数目、布站方式和基线长度有密切关系。当测站数目一定时, 矩形加中心站的布站方式定位结果较好; 当布站方式一定时, 测站数目越多定位误差越小; 在仪器允许的探测范围内, 基线越长, 覆盖区域越大, 定位误差越小。闪电定位误差的定量分析研究, 为闪电监测网的站址选择、子站布设等实际工作提供了重要参考依据。     

基于KNN的地基可见光云图分类方法

云图的自动分类是实现地基云自动化观测的技术保障。该文探讨了一种先将云图分为积状云、层状云和卷云3大类的分类方案,通过对3大云类和晴空这4种天空类型的纹理特征、颜色特征和形状特征进行分析,选取了21个特征参量,并采用K最近邻分类器 (K-Nearest Neighbor,KNN), 在不同的K取值情况下对这几类天空类型进行了分类识别。结果表明:新的分类方案是可行的,且当纹理特征、颜色特征和形状特征结合使用时获取了比单独利用纹理特征、颜色特征和形状特征以及它们两两组合时更好的识别效果。当K=7且使用21个特征参量时,KNN算法对积状云、层状云、卷云和晴空的识别最好, 识别正确率分别为91.1%,74.4%,70.0%和100.0%,平均正确率为83.9%。     

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。     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。     

Thunderstorm and Lightning Activities over Western Pacific, Northern Indian Ocean and South China Sea Along with Their Adjacent Lands

The Lightning Imaging Sensor (LIS) and Radar Precipitation Feature (RPF) data are used to investigate the activities and properties of lightning and thunderstorms over a region including the Western Pacific, northern Indian Ocean and the South China Sea along with their adjacent lands. The lands feature significantly more frequent lightning flashes and thunderstorms than the oceans, especially the open oceans. The highest densities of lightning and thunderstorm occur over the Strait of Malacca and the southern foothills of the Himalayas. Over the ocean regions, the Bay of Bengal and the South China Sea are characterized by relatively frequent lightning and thunderstorm activities. Larger average spatiotemporal size and optical radiance of flashes can be found over the oceans; specifically, the offshore area features the most significant flash duration, and the open ocean area is characterized by the greatest flash length and optical radiance. The smallest average values of flash properties can be found over and around the Tibetan Plateau (TP). The oceanic thunderstorms tend to have a significantly larger horizontal extent than the continental thunderstorms, with the former and latter having the average area of the regions with radar reflectivity larger than 20 dBZ, generally over 7000 km2 and commonly below 6000 km2 , respectively. The TP thunderstorms show the smallest horizontal extent. Meanwhile, the oceanic thunderstorms exhibit greater 20 dBZ but smaller 40 dBZ top heights than the continental thunderstorms. The average flash frequency and density of the oceanic thunderstorms are typically less than 5 fl min–1 and 0.3 fl 100 km–2 min–1, respectively; in contrast, the corresponding values of continental thunderstorms are greater. It is explored that the regions associated with strong convective thunderstorms are more likely to feature small-horizontal-extent and low-radiance flashes.