基于TRMM的热带气旋降水云系多谱段辐射特征分析

利用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪和可见光/红外扫描仪的探测资料,以2006年第8号台风"桑美"为例,研究了热带气旋在海面上强烈发展时期的降水云系多谱段辐射特征,研究结果表明:可见光资料反映了云的厚度信息,红外(亮温)资料反映云顶高度信息,可以较好地反映台风云系所表现台风的外观,但对台风云系覆盖下的细节特征的探测能力则有限.微波有很强的穿透性,能揭示台风云系中各种粒子的三维分布特征.微波通道亮温与PR降水的相关远大于可见光和红外遥感的效果.不论是可见光、红外还是微波亮温,与高层降水的相关系数绝对值总大于其与低层降水的相关系数.可见光和近红外波段的辐射率与降水正相关,相关系数随频率减小而减小;中红外和两个红外分裂窗区的亮温与降水呈负相关,相关系数的绝对值随频率减小略有增大.TMI低频通道的亮温与降水正相关,相关程度随频率减小略有减小;TMI高频通道的亮温与降水负相关,相关系数的绝对值随频率减小而减小.     

基于光学厚度和有效半径的白天降水云识别方案

基于卫星资料观测和反演降水是当前监测全球尺度降水的主要方式,而其中一大难题就是如何将降水云与非降水云在像素尺度进行有效分离,这也是准确反演地表降水量的基本前提.为建立一套适用于常见星载可见光/红外探测仪器的降水云识别方法,本文利用热带测雨卫星( TRMM)可见光/红外辐射计(VIRS)和测雨雷达(PR)的融合观测资料,...     

气象卫星资料在估测热带气旋强度方向的应用进展

在常规观测资料稀少的热带洋面上,气象卫星是监测热带气旋的主要工具.基于可见光和红外的Dvorak技术通过一系列经验规则,将热带气旋在卫星云图中表现出来的云系结构特征及特定的参数同其发展强度联系起来,但它无法得到气旋内部辐射信息.相对而言,波长较长的微波能穿透热带气旋中高层云系,反映出与热带气旋强度相关的暖核辐射信息.介绍了国内外利用Dvorak技术和星载微波技术估测热带气旋强度的研究进展,指出它们在应用中存在的优势和不足,同时展望了该领域在未来的发展方向.     

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。     

《无线电频谱需求增加下的主动遥感发展战略》评介

正无线电频谱(Radio Spectrum)是频率介于0Hz和300GHz之间的电磁波谱,其中0.3~300GHz范围的波谱被称为微波,微波是科学界主动遥感主要使用的频谱范围。相比,被动遥感使用的波谱范围更为宽泛,即包括微波波段,也包括频率大于300GHz的可见光、红外、热红外等波段。同可见光、红外相比,微波的波长更长,因此微波能够穿透云层、雾、沙尘等,并且不受大气散射的干扰,几乎在所有天气和环境条件下都可以检测到微波能量。这也是主动遥感大都采用微波     

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

大面积水体上空星载微波辐射计的干扰识别

卫星微波仪器接收的来自地气系统的被动热辐射与主动传感器发射的信号相混合,被称为无线电频率干扰 (RFI),在主动及被动微波遥感探测领域已成为越来越严重的问题。海洋表面反射的静止通讯、电视卫星下发信号是干扰海洋上星载被动微波辐射计观测的主要来源。该文以先进的微波扫描辐射计AMSR-E为例,采用双主成分分析方法对美国陆地上大面积水体、附近洋面和中国海岸线附近的RFI进行识别,研究表明:美国附近洋面区域星载微波辐射计18.7 GHz通道观测主要受静止电视卫星DirecTV的干扰,由于海表反射引起的RFI非常依赖于静止卫星和星载被动仪器的相对几何位置,只有当闪烁角θ(观测视场镜面反射的静止电视卫星信号方向与视场到星载仪器方向之间的夹角) 较小时卫星观测易受到污染。美国海洋区域较强RFI分布在五大湖区域,离内陆越近RFI越强,东西海岸RFI较强,而整个南海岸干扰相对较弱。中国海岸线附近AMSR-E 6.925 GHz通道观测受RFI影响,而18.7 GHz通道观测未受到干扰。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明:(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0~2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

基于可见光——红外图像信息融合的云状识别方法

云状的正确观测对降水测报具有指示性意义,云状自动识别技术是气象要素自动化观测领域的难题之一。本文基于全天空可见光成像仪采集的云图与中红外热像仪获取的云图结合,对天空云状进行分类和测量。结果表明:通过在北京、杭州和丽江气象台站采集的大量云图,从云图特征和降水指示性方面将云状划分为Clear、C_H、C_L、C_B及C_M共5类。选取14个色彩和纹理特征值作为云状计算参数,采用552张云图作为训练样本,信息分类利用特征值加权最小距离算法,对于5类500个被测样本进行云状的判别。对应自拟的标准云状分类,平均准确率为82%。基于可见光—红外图像信息融合的云状识别方法结合了可见光图像色彩信息丰富的特点及红外图像可以降低雾霾干扰的优势,对比单一可见光传感器云测量,准确性有所提高。本文在可见光与红外图像传感器等多种云观测设备的信息融合方面进行了有益的尝试。     

广州夏季地基微波辐射计红外传感器观云性能分析

为进一步评估地基微波辐射计红外传感器的观云性能,收集了2017、2018两年5—7月布设在广州野外雷电实验基地的一台MWP967KV型地基微波辐射计红外传感器与一台K/LLX502B型激光测云仪观测的云底高度数据,并利用人工观测的天空状况、云状数据进行分类,在不同云类、天空状况下对地基微波辐射计红外传感器云识别和观测云底高度的性能进行分析。结果表明:①地基微波辐射计红外传感器具有良好的云识别能力,准确率达80.4%,由于观测视角的原因,未能识别出有云存在主要发生在"多云"情况下。②地基微波辐射计红外传感器与激光测云仪所测云底高度相关系数为0.63,有着较好的一致性。③因为观测原理不同,地基微波辐射计红外传感器所测云底高度总是高于激光测云仪,且两部仪器在低云阴天时所测的云底高度一致性要优于中、高云多云。综上所述,地基微波辐射计红外传感器用来识别云、观测云底高度具有一定的可行性,尤其是在低云、"阴天"条件下,有着较好的观云性能。     

基于热带测雨卫星探测的东亚降水云结构特征的研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(TRMMPR)、微波成像仪(TMI)、可见光和红外辐射计(VIRS)、闪电成像仪(LIS)对降水云的综合探测结果,结合全球降水气候计划降水资料(GPCP)和中国气象台站雨量计观测资料,分析了东亚降水分布特点,并比较了TRMMPR与GPCP及地面雨量计观测结果的差异;揭示了中国中东部大陆、东海和南海对流降水和层云降水平均降水廓线的季节变化特征及物理意义,以及TMI高频和低频微波信号对地表降水率变化的响应特点;通过对中尺度强降水系统、锋面气旋降水系统和热对流降水系统的个例分析,探明了降水结构及其与闪电活动的关系、降水云顶部信息与地表雨强之间的关系。     

评估FY-3A微波湿度计O-B对云的识别能力

应用FY-3A微波湿度计2010年1月份的Level-1c观测亮度温度O,NCEP GFS 6 h的预报场作为背景场,用RTTOV 9.3版本辐射传输模式模拟的亮度温度B以及美国NOAA-18 MHS业务微波地表和降水产品,研究了双权重质量控制算法对FY-3A MWHS 通道3至5云和降水视场的识别能力。研究表明双权重质量控制算法判断的负观测增量O-B的离群点中,大多数都受云和降水影响。通道3约占60%,通道4约80%,通道5超过80%。当降水率大于0.2 mm·h^-1时,通道3负离群点可识别超过60%降水云,随着降水率增大识别率超过80%。而通道4对大于0.2 mm·h^-1的降水的识别率超过90%。通道5负离群点几乎可以剔除100%的降水影响资料。在目前还没有MWHS自身云检测产品的条件下,双权重质量控制算法可剔除大部分云和降水影响视野。     

青藏高原墨脱地区云降水综合观测及初步统计特征分析

为加深对雅鲁藏布大峡谷水汽通道入口处云和降水三维结构及微物理特征的认识,在第二次青藏高原综合科学考察研究专题和国家重点研发计划项目的支持下,中国气象科学研究院于2019年在西藏墨脱地区建立了野外观测试验基地,开展了水汽、云和降水的综合观测,先后布设了先进的Ka波段云雷达、微波辐射计、X波段双偏振相控阵雷达、降水现象仪、K波段微雨雷达等设备,获取了高时、空分辨率的云和降水的宏、微观数据。文中简单介绍了此次观测的情况,并利用云雷达2019年的观测数据和降水现象仪2019年6月至2020年6月的观测数据对云的宏观特征及雨滴谱特征进行了统计分析。从云的宏观特征来看,该地区云的发生率较高,云廓线占2019年云雷达观测廓线的67%,降水云廓线占总云廓线的45%。旱季和雨季云底高度的频率分布在垂直方向均有两个高值区,分别为0—1 km和2—3 km,且超过40%的云底高度低于1 km,这可能是墨脱降水云较多造成的。接近60%的云顶高度在4—7 km。总的来说,墨脱地区以中云和低云为主,云通常在下午到晚上形成,早上到中午慢慢消散;从雨滴谱分布特征来看,该地区平均的雨滴谱谱宽和大雨滴的浓度随雨强的增大而增大,降水以中、小粒子为主,中、小粒子浓度超过粒子数浓度的99%。对流云降水的特点是粒子直径较小,而数浓度较高。粒子质量加权平均直径（D_m）的范围在1.0—1.6 mm（平均1.38 mm）,标准化截距参数（lgN_w）的范围在3.6—4.5（平均4.01）,表现出海洋性对流降水的特征。此外,该地区降水的lgN_w呈现双峰特征,分别对应于对流云和层状云降水。      

近年来云降水物理和人工影响天气研究进展

回顾和总结了中国科学院大气物理研究所近5年(2003～2007年)的云降水物理和人工影响天气研究,内容涉及云和降水物理研究、云和降水数值模拟研究、人工影响天气研究和云化学研究等诸多领域。随着国家和社会对人工影响天气需求的日益增加,云降水物理仍是重要的研究方向,会随着观测和理论研究的发展而取得突破性进展。     

GAME-TIBET青藏高原云和降水综合观测概况及初步结果

对中日合作青藏高原能量水分循环试验项目中云和降水的多普勒雷达观测使用的气象观测仪器和获取的资料等情况进行了总结,并给出了那曲地区水的日变化,不同 雨量计测量降水的对比分析,风速对测量降水影响,多普勒雷达资料的个例分析及云的数值模拟的等初步结果。     

微波成像仪通道对降水云参数响应的数值模拟研究

由于降水云类型和结构等的差异,将导致微波信号出现不同的响应,因此基于星载微波仪器观测结果对降水云参数进行反演仍是目前国际上的难题之一。为了解层云和对流云等两类降水云的TMI微波信号特点,本文以相应的结构模型为基础,利用微波辐射传输模式MWRT分别模拟了不同下垫面和降水云参数条件下的TMI各通道微波亮温,并分析了各种组合通道信号,包括反映发射信息的极化差D(洋面)及反映散射信息的高频极化校正亮温PCT85(洋面)和高低频率垂直极化差VFD(陆面)的变化情况,以此从理论上探讨可能的降水反演方法。研究结果表明:在洋面,D和PCT85均随降水率的升高而减小,其中D_(10)和PCT85都能很好地反映降水率的变化,但分别受地表状况和云体性质(冻结层高度和霰粒大小)的影响较大;D_(19)和D_(37)虽然对下垫面状况和冻结层高度都不甚敏感,但随降水率的增加,存在极化丧失现象,因此不适合反演降水。在陆面,较高频取85 GHz的VFD与降水率有很好的对应关系,随降水率的增长而增大,其中VFD37-85受地表状况影响最小,但受云体性质影响较大;37 GHz对液态水变化敏感,其发射效应易混淆散射信号,故较高频取37 GHz的VFD10-37和VFD19-37不适合研究降水与微波信号之间的关系;层云与对流云存在有无霰粒的差异,会对微波散射性质造成影响,导致PCT85和VED对层云降水率的响应要高于对流云。     

2014年青藏高原云和降水多种雷达综合观测试验及云特征初步分析结果

加密外场试验可提供云降水物理过程新的数据。2014年7月1日—8月31日,第3次青藏高原大气科学试验项目组在那曲开展了水汽、云和降水的综合观测,使用了中国最先进的Ka波段毫米波云雷达、Ku波段微降水雷达、C波段连续波雷达和激光雷达,并配以微波辐射计、雨滴谱仪等设备,获取了高时空分辨率的云和降水宏微观垂直结构特征数据;利用C波段双线偏振雷达与新一代天气雷达配对,进行双多普勒雷达观测,获取青藏高原对流云三维风场和降水粒子相态的结构和演变数据。文中简单介绍了本次试验的情况,并利用这次观测的云雷达数据对那曲地区夏季云的云顶和云底高度、云厚、云量、云层数等特征的日变化进行了初步统计分析,对不同类型云的宏观特征进行了讨论。结果表明:本次外场试验首次成功获取到了多种雷达的云观测数据。那曲地区夏季云主要集中在6 km(距地面高度,下同)以上和4 km以下;总云量、高云的云顶、云量和云厚等云的统计参数有明显的日变化,10时(北京时)为云发展最弱的时段,20时云发展最为旺盛;初生的积云和层云常常出现在3 km高度上,这一高度上常常存在明显的上升气流;深对流系统高度可达16.5 km,同时存在上升气流和下沉气流,对流中可能存在过冷水。这些数据和初步结果为进一步开展高原云和降水机理、云和降水物理过程参数化方案研究及卫星反演结果的订正提供了基础。     

AVHRR卫星资料在层状云降水区判识中的应用

利用美国新一代极轨气象卫星AVHRR资料 ,分析了新增加的 1 58～ 1 6 4μm近红外 3A通道资料在地面降水区判识中的作用及降水云和非降水云的图像特征。发现通道 1可见光通道反射率与通道 3A近红外通道反射率的差值能够较好地反映地面降水的信息 ,并给出了与地面降水几率的关系。探讨了应用可见光、近红外通道资料综合识别地面降水区的方法 ,实例验证具有较高的判别精度     

祁连山区降水的大气特征分析

利用祁连野外试验站观测资料,引入客观反映高空大气云和降水的表示方法,分析了祁连山区降水的大气特征。结果表明,高层冷云和低层暖云是祁连山区形成降水的主要云系,高层冷云由天气尺度系统决定,而低层暖云则由地形阻挡和加热等作用形成。在不同的天气系统下,地形对降水的作用不同。在西南气流影响下易形成谷风环流,从而增强降水;在西北风...     

辽宁地区不同降水云系雨滴谱参数及其特征量研究

利用位于辽宁省沈阳市和辽阳市的Parsivel（Particle Size and Velocity）激光雨滴谱仪观测到的雨滴谱资料按照积雨云降水系统、积层混合云降水系统和层状云降水系统分析雨滴谱特征量和谱参数的平均特征及随时间的演变特征。结果表明:Gamma分布拟合谱参数N₀和λ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序减小,谱参数μ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序增大;直径小于1 mm的降水粒子对数浓度的贡献最大,直径大于1 mm的降水粒子对雷达反射率的贡献最大;M-P分布的谱参数N₀与雨强I具有幂函数关系,并且随着雨强I的增大而增大,谱参数λ与雨强I具有指数函数关系,随着雨强I的增大而减小。