静止卫星闪电探测

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四. 云中闪电传输影响
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• 为探讨云散射是否对云顶闪电信号的位置 产生影响，模拟了云顶的光子分布．如图 ４可看出，当闪电光源位于云中心位置时， 光子也都集中在云顶的中心位置．因此， 云顶照亮区域的位置与闪电发生位置的经 纬度相同，闪电成像仪定位的云顶闪电可 代表云中或云间的闪电位置．
四. 云中闪电传输影响
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• 闪电脉冲的光谱和时间特征近似利用δ方程 描述．闪电脉冲振幅随时间变化的相对强 度表示为
其中，Ａ 为相对振幅，光谱幂指数为β，
ｔｐ为闪电达到峰值振幅的时间．闪电回击 一般会持续１５８±３３μｓ．
三. 云中闪电传输模型简介
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• 光子散射后，新方向用散射角和方位角表 示．假设光子在云粒子中的散射各向同性，
二. 卫星闪电探测基本原理
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• １９８２年Ｔｈｏｍａｓｏｎ研究了不同 形状、有限大小的云对闪电的影响，１９ ９４年Ｋｏｓｈａｋ使用多次散射的方法 处理闪电辐射传输的扩散模型．２００１ 年Ｌｉｇｈｔ使用蒙特卡洛方法模拟了Ｆ ＯＲＴＥ 卫星观测的闪电光学波形．２０
０２年Ｄｙｕｄｉｎａ也使用同样的方法 模拟了Ｇａｌｉｌｅｏ卫星观测到的木星 上发生的闪电．
三. 云中闪电传输模型简介
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• 因此，根据该模型，通过输入闪电在云中 发生的位置、闪电光源的初始强度，以及 云的光学厚度、大小、形状和云粒子平均 半径等特征参数，能够模拟计算每个从云 顶逸散的光子位置和时间．
四. 云中闪电传输影响
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• 由于发生闪电的云多是积雨云，顶部为冰 晶，中下部为水滴．当闪电发生时，时间 记为０，根据闪电发生的位置建立光子群， 输入光子的初始数量，其数量根据第三章 公式
二. 卫星闪电探测基本原理
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• 气象服务、航空航天等领域都需要准确的 闪电定位数据.地基闪电探测对于云中闪电 定位的准确性和稳定性相对较差，静止卫 星平台的光学闪电定位技术则弥补了这些 缺陷．
• 针对云中闪电传输和闪电定位需求，结合 我国静止卫星闪电仪的探测机理和仪器研 发，以及云间或云下闪电定位要求，该研 究将利用蒙特卡洛方法模拟云的不同特性 对闪电在云中传输的影响，并通过考虑云 高的影响来修正闪电订正模型．
每一个光子被散射后都存在一个散射角 α．α的分布形成相函数为ｐ（μ），μ ＝ｃ ｏｓα，被称为Ｈｅｎｙｅｙ－Ｇｒｅｅｎ ｓｔｅｉｎ相函数，即
其中，ｇ 被称为不对称因子，为所有散射 角的平均值，即ｇ ＝ 〈ｃｏｓα〉．
三. 云中闪电传输模型简介
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• 散射角α表示为
其中，ｒ为均匀分布在０到１之间的随机 数，在近红外到可见光波段，ｇ＝０．８ １－０．８８，ｇ 的取值与波长和云粒子 的大小有粗略的对应关系．
一. 闪电探测现状简介
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• 尽管建立相当密集的雷电监测网络，能较 准确地对其网络覆盖范围内发生的地闪进 行定位和计数．但是，由于观测点的局限 性，而且各观测点所使用的观测手段不尽 相同，对云中闪电探测精度远远小于卫星 探测.
一. 闪电探测现状简介
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• 在９０年代中期，美国先后发射了ＯＴＤ 和ＬＩＳ两个搭载在极轨卫星上的闪电光 学探测器．随后美国和欧洲的地球静止轨 道卫星闪电成像仪ＧＬＭ 和ＬＩ都在准备
静止卫星闪电探测
一. 闪电探测现状简介
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• 闪电是一种危险的、具有破坏性的大气现 象，是强对流活动的重要表征之一．
• 闪电的实时、连续观测，在航空气象安全 保障和军事气象保障等领域将发挥重要 用．
• 闪电活动在不同的时间和空间尺度上存在 相当大的差别，很长时间以来，对局地闪 电精度远远小于卫星探测特征的认识只能 基于地面观测．
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五. 结论
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• 根据静止卫星搭载闪电成像仪探测闪电的 云中光子辐射传输机理和云顶闪电探测过 程，分别建立了云中闪电传输模型和闪电 定位的云高订正模型，模拟分析了云中闪 电传输影响和闪电定位的云高影响，得到 的结果如下：
（１）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，持续 时间可能超过目前闪电成像仪设计的２ｍ ｓ成像积分时间，有些闪电需要连续几帧
三. 云中闪电传输模型简介
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• 方位角ϕ在（０，２π）之间均匀分布，满 足ϕ ＝２πｒ．根据每个光子每次散射的散 射角和方位角，散射后新位置的方向余弦 （ｕ′ｘ，ｕ′ｙ，ｕ′ｚ）通过散射前原位置 的方向余弦（ｕｘ，ｕｙ，ｕｚ）来计算，
三. 云中闪电传输模型简介
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• 这样，每个光子被散射后在坐标系中的新
四. 云中闪电传输影响
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• 如图２所示，当云的大小和光学厚度一样， 经散射后云的输出闪电能量大小，以及信 号延迟时间差别不大．在模型中将云的形 状改变为球形，几何厚度、光学厚度以及 闪电发生位置不变时，由图２可以看出球 状云的闪电输出能量最大，峰值最高．
四. 云中闪电传输影响
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四. 云中闪电传输影响
五. 结论
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图像才能被全部探测．
• （２）闪电到达云顶的能量受云的特征和 闪电发生位置的影响，但云粒子散射对云 顶闪电的水平位置影响不大，闪电成像仪 定位的云顶闪电可代表云中或云间的闪电 位置．
• 因此，开展静止卫星闪电探测云影响研究， 对于确定闪电成像仪成像积分时间要求， 以及不同时间序列闪电成像数据中闪电信 号的识别、闪电定位中的云高订正等都将 提供重要的技术支撑作用.
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四. 云中闪电传输影响
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• 云特性参数
为分析不同云特性参数对云中闪电光子散 射信号的影响，分别改变模型中云的大小、 光学厚度和云的形状来模拟计算．模拟中 分别使用宽５０ｍ，几何厚度３．２ｋｍ 的立方体、椭球和圆柱体形状，光学厚度τ ＝２００的云，闪电发生在云体中心位置， 即距离云顶１．６ｋｍ 处．
Ｌ（ｋｍ）有关，即
．
三. 云中闪电传输模型简介
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• 同时，光子在散射过程中也会被粒子吸 收．一个光子在整个散射过程中有１－ω０ 的概率被吸收，ω０为单次散射反照率．在 近红外和可见光波段，其值为１到０．９
９９９之间，可由散射粒子的半径来估计
（如下表）．但是，光子在散射过程中被 吸收的概率是非常小的．
闪电在云中发生的深度也对云顶闪电信号 产生影响．在模拟过程中，将闪电光源的 位置设定在相同云中不同位置．如图３所 示，闪电在云中的深度对脉冲的峰值能量 影响较大，深度越深，闪电脉冲的峰值越 小，水平位置的改变基本不造成影响．闪 电发生的位置对输出脉冲的持续时间和达 到脉冲峰值的时间影响都不大．
四. 云中闪电传输影响
四. 云中闪电传输影响
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• 如图1所示，由于云粒子的散射，闪电脉冲 达到峰值的时间延迟，整个脉冲时间延长 了三倍多，达到了近８００μｍ．当闪电成 像仪成像的积分时间为２ｍｓ时，尽管云 粒子造成了闪电时间延迟，但是由于闪电 发生在距离云顶比较近的地方，仍可在一 帧图像内被探测到．
四. 云中闪电传输影响
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• 当模型中输入宽５０ｍ，几何厚度３．２ ｋｍ，但光学厚度τ＝４００的立方体云时， 闪电依然在云中心位置发生时，如图２所 示，闪电云顶输出能量比之前相同体积， 但是光学厚度小一倍的云顶输出能量小了 很多，且输出信号的时间延长．
四. 云中闪电传输影响
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• 但是，当输入几何厚度为１０ｋｍ 的球状 云，闪电发生在其中心时，模拟结果如图 ２所示（为显示效果，该曲线横轴缩小了 ４倍），闪电云顶输出能量虽然大大减少， 输出时间却变得很长，其脉冲时间甚至达 到了３０００μｓ，已超过闪电成像仪一帧 图像成像的积分时间．
三. 云中闪电传输模型简介
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• 考虑一个非均质的有限云体，以云底部中 心为原点建立笛卡尔坐标系．设闪电发生 的位置为（ｘ，ｙ，ｚ）．根据多次观测 可知，尽管闪电的形状是分支结构，闪道 的长度在１～７ｋｍ 之间，但闪电的集合
分支结构在散射过程中基本已被抵消，在 计算过程中可被设置为一个点光源．
三. 云中闪电传输模型简介
三. 云中闪电传输模型简介
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• 气体分子、气溶胶等云粒子造成云中的闪 电光辐射发生多次散射．蒙特卡洛统计模 型用于模拟随机物理过程，从源释放光子 以及在介质中追踪光子．光子的吸收和散 射是一个随机的过程，在此过程中散射相 函数认为是变换概率函数，可在不同方向 上重新分布光子．因此，闪电的辐射传输 模拟从光子被发射开始，在每两个云粒子 之间路径的重复计算，直到被吸收或是逸 散出云外．云顶逸散的光子，只有进入卫 星闪电成像仪视场角内才能被探测．
四. 云中闪电传输影响
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• 由此可见，云的形状对卫星探测到的闪电 能量和时间具有一定的影响，云的形状越 接近于球形，光学厚度越小，体积越小， 可被探测到的闪电能量越多．同时也证明， 某些情况下，闪电脉冲持续的时间有可能 超过闪电成像仪一帧图像成像的积分时 间．
四. 云中闪电传输影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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• 云中闪电光源位置
位置表示为ｘ′＝ｘ＋ｕ′ｘ·ｓ，ｙ′＝ｙ＋ｕ
′ｙ·ｓ，ｚ′＝ｚ＋ｕ′ｚ·ｓ．这里，ｓ为光
子由散射前的位置移动到散射后的新位置
所经过的距离，满足伽马分布，即ｓ＝－
ｌｎ（ｒ）·Λ， 其中，Λ 为光子的平均自
由程．光子在云中的平均自由程是由云特
性决定的．光子在不同的云中具有不同的
平均自由程，与云的光学厚度τ和几何厚度
随时间而变化，作为输入的闪电脉冲．
四. 云中闪电传输影响
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• 云粒子散射
当云的形状为椭球体和立方体，几何厚度 为１０ｋｍ，闪电发生在距云顶０．４ｋ ｍ 的位置时，通过模拟计算得到散射到云 顶的闪电脉冲达到峰值的时间延迟．与输 入的闪电脉冲相比，输出到云顶的闪电信 号脉冲，其能量峰值锐减，且时间长．模 拟中，分别使用宽５０ｍ，几何厚度 ３．２ｋｍ的立方体和椭球形状，光学厚 度τ＝２００的云，闪电发生在距离云顶 ０．２ｋｍ处．