收藏本站
《吉林大学》 2012年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

静止卫星闪电成像仪数据预处理关键技术研究

杨莹  
【摘要】:闪电是自然界最为壮观和重要的大气现象之一,与全球变化许多因素密切相关。利用闪电频数和降雨率的统计关系可以预报降雨;利用风暴正地闪特征可以预报强风暴中超级单体的产生、演变、龙卷风和雹暴的产生和消亡;还可以预报台风等强烈的天气现象。全球变暖模拟中,云量的分布和结构受低空间分辨率和相对简单的对流参数的限制,区域和全球的闪电观测数据可解决这种限制。 现已建立了一些密集的雷电监测站网,虽然能较准确地对其附近发生的闪电进行定位和计数,甚至可测量闪电光谱和无线电信号,但由于其布点的局限性,很难给出全球范围的闪电分布图像,卫星观测则弥补了这方面的不足。美国发射光学瞬闪探测仪(Optical Transient Detector, OTD)后发射了闪电成像仪(LightningImaging Sensor, LIS),至今仍正常工作,其数据是现应用最广泛的闪电数据。但由于其搭载在低轨道卫星上,受轨道周期的限制,闪电探测能力不足。静止轨道卫星闪电成像仪可以从静止轨道平台对视场覆盖范围内的闪电进行连续不间断的观测,是闪电探测最有效的手段。 美国计划2014年发射静止卫星GOSE-R上携带闪电成像仪GLM,我国即将发射的静止轨道气象卫星风云四号的有效载荷也包括闪电成像仪。在闪电仪数据预处理算法研究方面,我国从未开展过,美国同类研究也正在进行之中,属于科学技术前沿。因此,本论文研究了静止卫星闪电成像仪数据预处理中的关键技术,可对我国未来风云四号卫星的闪电成像仪地面系统建设提供一定的技术支撑。 本文结合LIS数据、闪电的物理特征、中国地区闪电时空分布,通过对闪电信号的模拟、噪声的模拟以及闪电脉冲辐射传输模拟,分析了云对静止卫星闪电成像仪探测到的闪电信号的影响。通过SKT模拟开发闪电定位订正模型,得出云顶高度对闪电定位的影响。在模拟数据的基础上开发闪电数据生成算法,通过像素滤波算法、闪电聚类算法、粒子滤波等滤除闪电探测中产生的虚假信号,生成闪电数据产品。 对1998年~2010年的LIS闪电数据进行再分析,生成闪电密度数据集,对闪电密度数据进行EOF分析,得到中国地区闪电的时空分布特征。并与降雨量台站数据经克里金插值后生成的格点数据进行SVD分解,分析闪电和降雨的相关关系。研究得出,我国闪电密度分布呈显著的区域性差异。高闪电密度带包括山东中西部地区、广东、广西、贵州、四川南部以及海南岛中北部;海洋的闪电密度相对较低;闪电密度分布具有一定的纬向特征,北回归线及其北部地区具有相对较高密度值。中国陆地闪电密度跟离海洋的距离也有关系,在海陆过渡带处达到峰值后呈总体下降的趋势,越远离海洋值越小。闪电和降水具有很高的相关性,当中国地区的闪电密度增高(降低)时,相应的降雨量也会增加(减少);降雨量增加(减少)时,闪电密度也会增高(降低),降雨量受闪电密度的影响比闪电密度受降雨量的影响要大。气象场距平选择的时间尺度越大,闪电密度和降雨量的相关性越高,但在同一地区,相关系数的值一直很稳定。 由于没有静止卫星闪电数据,在数据预处理技术研究中需要模拟代理数据。首先使用STK软件模拟闪电仪视场覆盖区域。在了解闪电基本电结构、放电过程以及卫星闪电探测方法的基础上,通过建立闪电云中辐射传输模型模拟静止卫星闪电成像仪探测到的云顶闪电信号特征。建立LIS数据数理统计模型,模拟闪电成像仪探测到的闪电信号数据。并通过分析LIS探测中产生的虚假闪电信号,结合蒙特卡洛方法,模拟虚假闪电信号。在以上工作的基础上结合探测区域闪电频率分布,生成代理数据。 利用云中闪电传输模型和闪电定位的云高订正模型,研究云对静止卫星的闪电探测影响。云对闪电探测的影响包括云粒子散射对云顶闪电脉冲的影响,以及云顶高度对闪电定位的影响。研究得出得出云的体积、光学厚度、形状,甚至闪电在云中发生的位置,都会对云顶输出闪电能量的大小和持续时间产生影响,使有些闪电需要连续几帧图像才能被全部探测到。经纬度订正值与云高为正相关关系。云高变大,图像边缘像元位置偏差就变大。云顶高度影响的经向偏差以中心经线为对称轴,向东北和西北方向逐渐扩大;而其纬向偏差则随着纬度的增加而增加。在静止卫星闪电成像仪探测闪电定位时,必须进行闪电定位的云高订正。 闪电成像仪探测到的数据中,包含着大量的虚假闪电信号,必须设计滤波算法将其滤除。在模拟数据的基础上,通过分析研究LIS闪电探测产生的虚假信号,结合静止卫星闪电探测的特点,开发基于像素级别的闪电滤波算法。 像素级滤波不能完全过滤虚假闪电信号,而且,闪电产品的生成必须要对探测像素级别数据进行聚类。为了数据产品的生成和继续滤除噪声,在分析闪电时空特征的基础上开发闪电成像仪的聚类算法。使用该算法对LIS数据中Event聚类,聚类结果与数据中Group和Flash基本符合。但在进行聚类处理时,部分噪声也被聚类到2级数据中,因此需进行粒子滤波。粒子滤波的理论是保留时间和空间上聚聚集的Flash,剔除孤立的Flash,最大限度保留真实的闪电,最小限度接受噪声,使得错误发生地可能性最小。滤波处理算法保留了拒绝的Flash,以备将来将这些Flash能给重新参加到闪电数据的检验和计算中。使用模拟数据在一定程度上对于算法的精确性和准确性有影响,在进行室内外闪电实验和测试卫星发射后,可根据实验数据做适当的调整。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 郄秀书,R.Toumi,周筠珺;青藏高原中部地区闪电活动特征及其对对流最大不稳定能量的响应[J];科学通报;2003年01期
2 张廷龙,郄秀书,袁铁,熊亚军,张彤;青藏铁路沿线闪电活动的时空分布特征[J];高原气象;2004年05期
3 马明,陶善昌,祝宝友,吕伟涛;1997/1998ElNio期间中国南部闪电活动的异常特征[J];中国科学D辑;2004年09期
4 王易秋,石定朴;利用闪电资料分析冷锋过程的中小尺度系统[J];气象;1991年07期
5 于怀征;张民凯;陈志超;袁安芳;;山东省闪电活动与降水关系的研究[J];现代农业科技;2009年20期
6 张腾飞;许迎杰;张杰;段旭;尹丽云;;云南省闪电活动时大气相对湿度结构特征[J];应用气象学报;2010年02期
7 曾晓梅;;新一代气象卫星闪电探测仪[J];气象科技;2009年01期
8 赵丽娟;牛生杰;张羽;于华英;徐峰;;雷州半岛盛夏闪电活动特征及其与降水的联系[J];高原气象;2009年03期
9 胡先锋;张文;石春玲;;胜利油田主体地区闪电活动气候特征[J];山东气象;2010年04期
10 Frederik R. Mosher;郑志超;;国家强风暴预报中心(NSSFC)对1988年闪电资料的评价[J];气象科技;1990年06期
11 王义耕;陈渭民;刘洁;;TRMM卫星观测到的华南地区的闪电时空分布特征[J];热带气象学报;2009年02期
12 冯桂力;胡先锋;李采莲;王洁;;青岛地区闪电活动气候特征[J];陕西气象;2009年S1期
13 于怀征;赵玉洁;张文琴;袁安芳;;山东省雷电活动的时空变化特征[J];山东气象;2009年04期
14 左迎芝;朱睦正;宋佰春;袁安芳;陆桂荣;;鲁南地区闪电与温湿度的关系分析[J];现代农业科技;2010年08期
15 王义耕;刘洁;王介君;麦博儒;陈倩;;卫星观测的西南地区闪电的时空分布[J];大气科学学报;2010年04期
16 王俊芳;曹冬杰;卢红;王东方;;西藏羊八井地区的闪电活动特征[J];高原气象;2011年03期
17 郑栋,张义军,吕伟涛,孟青,何平;大气不稳定度参数与闪电活动的预报[J];高原气象;2005年02期
18 杨水泉;熊晓洪;;利用LIS/OTD格点资料分析西南地区闪电活动的气候分布特征[J];广西气象;2006年S3期
19 王艳;张义军;马明;;卫星观测的我国近海海域闪电分布特征[J];应用气象学报;2010年02期
20 郑栋,孟青,吕伟涛,张义军,柴秀梅,马明;北京及其周边地区夏季地闪活动时空特征分析[J];应用气象学报;2005年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张正国;邓宁文;刘丽君;;广西地区闪电时空分布特征分析[A];第27届中国气象学会年会人工影响天气与云雾物理新技术理论及进展分会场论文集[C];2010年
2 柴贾然;肖稳安;王学良;;武汉市闪电活动与地面降雨的相关性分析[A];第28届中国气象学会年会——S3天气预报灾害天气研究与预报[C];2011年
3 柴贾然;王学良;肖稳安;;我国中部五省闪电活动季节性对比[A];“推进气象科技创新,提高防灾减灾和应对气候变化能力”——江苏省气象学会第七届学术交流会论文集[C];2011年
4 柴贾然;肖稳安;王学良;;武汉市闪电活动与地面降雨的相关性分析[A];“推进气象科技创新,提高防灾减灾和应对气候变化能力”——江苏省气象学会第七届学术交流会论文集[C];2011年
5 冯桂力;王庆华;胡先锋;;闪电活动与强对流参量的相关性分析[A];第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C];2011年
6 周方聪;吕伟涛;陈绿文;马颖;殷启元;张义军;;2009-2010广州高建筑物上自然闪电的普通摄像观测和资料分析[A];第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C];2011年
7 钟万强;张赛忠;;全球闪电研究进展综述[A];第八届长三角气象科技发展论坛论文集[C];2011年
8 马明;张义军;;闪电活动与气候变化关系研究进展[A];2009第五届苏皖两省大气探测、环境遥感与电子技术学术研讨会专辑[C];2009年
9 胡先锋;张文;石春玲;;胜利油田主体地区闪电活动气候特征[A];山东气象学会2010年优秀学术论文评选活动优秀论文集[C];2010年
10 胡丽琴;;风云四号卫星闪电辐射观测的辐射传输模拟研究[A];第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 杨绮薇;在电光中成就辉煌[N];中国气象报;2010年
2 钱红岭;闪电怎样为人类所用[N];大众科技报;2004年
3 本报记者 宋学智;我市“奥运气象”渐成气候[N];青岛日报;2005年
4 科学时报记者 王进东;寒区旱区环境与工程研究所冰原旱土探天机[N];中国气象报;2006年
5 记者 刘垠;我国迎来雷电灾害高发期[N];大众科技报;2009年
6 吴鸣;粤鲁鄂赣出重拳防御雷电灾害[N];中国气象报;2006年
7 郑菲通讯员 胡绍萍;预报员专项全部通过结题验收[N];中国气象报;2008年
8 裴云云实习生 陈志霞;我区进入雷暴多发季节[N];宁夏日报;2008年
9 薛德友;安全“罩住”大兴安岭北部林区[N];中国气象报;2008年
10 记者 王素琴;财政部批复55项公益性气象科研专项[N];中国气象报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 杨莹;静止卫星闪电成像仪数据预处理关键技术研究[D];吉林大学;2012年
2 吕凡超;东北和江淮地区NBE的多站观测与对比研究[D];中国科学技术大学;2013年
3 刘恒毅;闪电云内放电过程的宽带干涉仪观测研究[D];中国气象科学研究院;2012年
4 张文娟;热带气旋闪电活动特征及其与气旋特性演变的关系研究[D];中国气象科学研究院;2013年
5 易笑园;渤海西岸两类强对流系统的结构演变及闪电活动特征的诊断研究[D];南京信息工程大学;2013年
6 郑栋;闪电活动与降水的相关关系研究[D];中国科学院研究生院;2008年
7 曾庆锋;雷暴云地面电场特征和基于多源观测资料的雷电预警研究[D];南京信息工程大学;2013年
8 张少卿;地闪回击脉冲电磁场空间分布规律研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
9 李家启;基于LLS的重庆地区雷电活动规律及其风险评估研究[D];南京信息工程大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈夺;闪电信号模拟及闪电仪数据处理方法研究[D];吉林大学;2011年
2 丁同禹;闪电脉冲电磁场及其耦合效应的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
3 柴贾然;武汉地区闪电活动与温湿条件的相关性研究[D];南京信息工程大学;2012年
4 王晨曦;雷暴中垂直气流特征与闪电活动关系研究[D];中国气象科学研究院;2014年
5 朱润鹏;闪电资料同化方法和应用研究[D];兰州大学;2013年
6 石玉恒;雷暴雷达回波特征与闪电活动的相关关系[D];中国气象科学研究院;2011年
7 李京校;基于SAFIR资料的北京及周边地区闪电特征分析[D];南京信息工程大学;2011年
8 周康辉;基于干涉仪原理的甚高频雷电单站警报装置[D];中国气象科学研究院;2012年
9 陈聪;基于卫星资料的闪电、NO_x及O_3时空分布特征及相关性分析[D];南京信息工程大学;2012年
10 杨美荣;基于TRMM卫星对强对流天气中闪电活动、雷达反射率及冰散射的研究[D];兰州大学;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978