风云四号卫星闪电辐射观测辐射传输模拟与研究.pdfVIP

应征分会场的编号（S13：雷电物理、监测预警和防护） 风云四号卫星闪电辐射观测的辐射传输模拟研究 * 胡丽琴 （中国气象局国家卫星气象中心，北京，100081） 摘 要 我国下一代地球静止轨道气象卫星风云四号上将首次搭载闪电成像仪，对闪电和与之密切关联的强对 流天气进行实时、连续观测。风云四号卫星闪电成像仪基于闪电放射能量峰值所在的近红外波段，采用光 学成像方式，通过捕捉由闪电光源发出并经云体多次散射后的上行辐射信号，来实现闪电探测。为了在风 云四号卫星上天后充分利用星载闪电观测资料，需要对闪电的辐射过程以及闪电成像仪观测到的云顶闪电 信号的辐射特征进行研究。与太阳等自然平行光源不同，闪电光源具有瞬时、非稳态、非平行等特点，利 用基于Monte Carlo 方法的随机模拟和光子追踪技术可以求解这类光源的辐射传输问题。 本文借鉴用于求解以太阳光作为平行稳态自然光源的三维Monte Carlo 辐射传输算法，来形成对非稳 态闪电光源发出的光子在雷暴云中的多次散射过程的基本追踪方法，在此基础上，结合风云四号卫星闪电 成像仪的观测几何和波长特征，建立了光学波段闪电辐射传输模拟算法，可以模拟得到风云四号卫星闪电 成像仪观测到的由闪电光源发出并经过雷暴云的多次散射到达云顶的辐射信号。针对简化的闪电光源和雷 暴云模型的初步模拟结果显示：基于风云四号卫星闪电成像仪的像元水平分辨率，在典型的点状闪电光源 及垂直线状闪电光源的情况下，云顶仅有少数像元被闪电辐射照亮，照亮的范围及强度与闪电光源在云中 的垂直位置密切相关；发生闪电的像元与周围直接相邻的像元相比，其辐射强度值平均相差两个量级以上； 对于同样发射强度的闪电光源，其辐射到云顶的能量强度会随着观测天顶角的增大而减小，且这种变化幅 度在闪电光源中心距云顶较远时更为显著。尽管上述分析是基于简化的闪电光源和雷暴云模型的初步结果， 但仍然反映了影响云顶闪电辐射的最重要的参数。下一步工作计划在算法中实现对闪电光源和雷暴云模型 的更细致的考虑（如具有一定分布且随时间变化的闪电源，具有合理的几何和微物理分布的雷暴云等），并 通过研究闪电源和雷暴云的不同特征对观测到的闪电辐射的影响，为星载闪电资料在强对流天气分析方面 的应用提供理论依据。 关键词：闪电辐射传输，Monte carlo 方法，星基闪电观测。 1 引言 闪电是发生在大气中的一种瞬时放电现象，在现代社会中可以造成较大危害。自然界中 的闪电活动和暴雨、台风、冰雹等强对流天气系统关系密切。这些强对流天气具有强度大、 破坏力强、水平尺度小、生命史短等特点，长期以来，对强对流天气的监测和预警一直是气 [1] 象预报中的难点 。强对流天气事件往往都伴随有强烈而密集的闪电发生，因而闪电也被人 们称作是强对流天气的“示踪器”。鉴于闪电对强对流天气的这种独特的指示作用，以及静 * 本文内容已投稿至《地球物理学报》，正在进行复审当中。 止卫星观测平台突出的时空覆盖优势，近些年来，发展地球静止轨道卫星闪电成像仪，以实 现对闪电和强对流天气的实时、连续观测，成为国际上闪电探测的一个重要发展方向和趋势 [2,3,4]。迄今为止，全球还没有静止轨道卫星闪电成像仪发射上天的先例，但 OTD（Optical Transient Detector，搭载于 Microlab-1 卫星上）和 LIS（Lightning Imaging Sensor， 搭载于TRMM 卫星上）等低轨道光学闪电成像仪的成功运行，为发展地球静止轨道卫星闪电 成像仪提供了技术和经验上的准备。相比于OTD 和LIS 这样的低轨道卫星闪电成像仪，地球 静止轨道卫星闪电成像仪被认为是最有效的闪电观测手段，它可以在整个可见的地球圆盘范 围内对闪电和与之相关的雷暴云进行连续的观测，因此具有无与伦比的优势。目前，除了美 国和欧洲均计划在其下一代静止气象卫星（分别为GOES-R 卫星和MTG 卫星）上搭载闪电成 像仪外，我国正在研制中的新一代地球静止轨道气象卫星风云四号（FY-4 卫星），也计划于 2015 年前后携带闪电成像仪发射上天，成为计划中的全球第一批地球静止轨道卫星闪电成 [5] 像仪之一 。 和LIS 等光学闪电成像仪的仪器设计和观测原理类似，风云四号卫星闪电成像仪采用光 学成像的方式，利用闪电放射能量峰值所在的近红外777.4nm 波段，通过捕捉由闪电光源发 [6] 出并经云体多次散射后的上行辐射信号，来实现闪电探测 。在未来风云四号卫星上天后， 如何更好地解释和应用闪电观测资料，强烈依赖于人们对闪电在大气和云中的辐射传输过程 以及闪电成像仪观测到的云顶闪电信号辐射特征的认识。为此，需要建立光学波段闪电辐射 传输计算方法