卫星闪电成像仪闪电辐射传输计算研究

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。风云四号卫星闪电成像仪是我国首次自主研制的卫星闪电成像仪，也是全球第一批静止卫星闪电成像仪之一，其产品生成算法研究在国内尚属空白。本项目结合风云四号卫星闪电成像仪的观测几何和波长特征，在构建简化的闪电光源模型和雷暴云模型的基础上，利用Monte Carlo随机模拟和光子追踪技术，建立光学波段闪电辐射传输计算方法，使之能够模拟计算卫星闪电成像仪观测到的闪电辐射被云粒子散射照亮的云顶辐射信号，并根据模拟结果，给出符合实际应用需要的由闪电光源引起的云顶辐射分布和变化特征。本项目作为风云四号卫星闪电成像仪产品生成算法开发的核心组成部分，将为风云四号闪电成像仪产品生成算法提供正演计算等重要支撑功能以及应用于虚假闪电信号滤除、仿真计算等关键步骤的基础数据，并为未来风云四号闪电成像仪产品的分析和应用提供理论依据。

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。风云四号卫星闪电成像仪是我国首次自主研制的卫星闪电成像仪，也是全球第一批静止卫星闪电成像仪之一，其产品生成算法研究在国内尚属空白。该闪电成像仪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。本项目的研究目标主要是针对风云四号卫星闪电成像仪建立闪电辐射传输模拟算法，并在此基础上对风云四号卫星闪电成像仪观测资料特性进行预先研究，给出符合实际应用需要的由闪电光源引起的云顶辐射分布和变化特征，同时建立覆盖风云四号卫星闪电成像仪观测角度范围的闪电辐射模拟数据库，为未来风云四号闪电成像仪观测资料的分析和应用提供理论依据和基础数据。目前项目已经完成上述研究目标。项目结合风云四号卫星闪电成像仪的观测几何和波长特征，在构建简化的闪电光源模型和雷暴云模型的基础上，利用Monte Carlo随机模拟和光子追踪技术，建立了光学波段闪电辐射传输计算方法，使之能够模拟计算卫星闪电成像仪观测到的闪电辐射被云粒子散射照亮的云顶辐射信号。在此基础上，利用建成的闪电辐射传输物理算法，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，并对其辐射特征进行了研究。结果表明：基于Monte Carlo方法的闪电辐射传输模拟，可以从理论上揭示卫星光学波段闪电辐射观测与最重要影响参数之间的联系。在针对影响参数的研究中，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。项目着重考察了卫星观测角度、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，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关系，这将为未来星载闪电资料的应用提供非常有价值的信息。此外，项目建立了覆盖风云四号卫星闪电成像仪观测角度范围的闪电辐射模拟数据库，可以为风云四号闪电成像仪产品生成算法提供非常有价值的基础数据。