风云四号卫星闪电辐射信号受观测几何因子的影响研究
地球静止轨道卫星闪电成像仪在对闪电和强对流天气的实时、连续观测方面独具优势.中国新一代静止气象卫星风云四号上计划首次搭载闪电成像仪,它将通过光学成像的方式,利用闪电放射能量峰值所在的近红外波段,对由闪电光源发出并经云体辐射到云顶的闪电信号进行实时、连续探测.为了对未来风云四号卫星闪电观测资料的特性进行预先研究,一个重要的途径就是通过建立光学波段的闪电辐射传输模拟算法,对闪电辐射的物理过程及卫星观测到的闪电辐射光学特征进行模拟研究.在针对风云四号卫星闪电成像仪观测资料特性的预先研究中,仪器的观测几何模式如何定量影响接收到的云顶闪电信号是一项重要而亟待关注的研究内容,它能够为闪电阈值的设置以及闪电观测资料的分析和应用提供非常有价值的参考信息.本文利用前期工作建立的风云四号卫星闪电辐射传输模拟算法,对风云四号卫星闪电成像仪观测到的由闪电引起的云顶辐亮度进行了模拟.在此基础上,针对在典型对流尺度雷暴云内发生的闪电造成的云顶辐亮度模拟结果,着重考察了在风云四号卫星闪电成像仪观测模式下,卫星观测角度、观测像元形变大小以及闪电在像元中的水平相对位置等观测几何因子对观测到的云顶辐亮度的定量影响.闪电辐射传输模拟需要的输入参数包括:云的几何形态和几何尺度;云的散射参数(云光学厚度、单次散射反照率、不对称因子等),闪电光源的几何结构及其相对于云的位置、闪电光源的发射强度(由闪电光源发射的光子数表示)等.模式的输出参数为云顶每个像元在卫星观测方向单位立体角内的光子数目.为了使模拟的输出值在数值上更为直观,本文以国外同类仪器算法中常用的闪电辐射能量密度阈值作为参考值,对模拟输出的出射光子数进行了转换处理,转换为实际意义上的卫星观测辐亮度.模拟结果表明,随着观测天顶角由小变大,被闪电照亮的像元在分布形态上变化不大,但在强度上有逐渐减弱的趋势,并且发生闪电的像元与周围相邻像元的亮度差别也逐渐减小.同时,在风云四号卫星标称的8km空间分辨率的情形下,云顶闪电辐亮度的分布形态及强度受闪电发生点在视场中的水平相对位置的影响非常显著.闪电越靠近视场中心,观测到的云顶辐亮度就越强,并且闪电所在的像元与周围未发生闪电像元的亮度差异就越明显.相反,远离视场中心的闪电,其引发的云顶辐亮度会弱一些,并且与周围未发生闪电像元的亮度差异变小,导致直观上从图像上看到的闪电发生的地点和范围变得模糊.不同观测角度下,8km分辨率时的辐亮度总体要超出12km和18km分辨率时辐亮度的一倍以上,后两者在数值上比较接近.另外,随着观测天顶角的增大,3种像元空间分辨率对应的云顶辐亮度值均呈现出平滑递减的趋势和规律.本文将不同观测天顶角下的辐亮度数值归一化到相对应的观测天顶角为0°时的辐亮度值,形成一个归一化比值,并且获取了云顶辐亮度归一化比值针对卫星观测天顶角(单位为度)的拟合回归结果,由此得到了云顶辐亮度归一化比值与卫星观测天顶角之间的定量化关系式.这将为未来风云四号星载闪电资料的应用提供非常有价值的参考信息.
闪电信号 云顶辐亮度 卫星观测 几何因子
胡丽琴
中国气象局国家卫星气象中心,北京100081
国内会议
天津
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2015-10-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）