静止与极轨气象卫星监测沙尘的融合算法研究

为了综合应用静止气象卫星与极轨气象卫星沙尘监测的结果,更好地进行沙尘信息的判识,采用改进的证据理论方法,进行静止卫星FY-2D/2E红外差值沙尘指数(infrared difference dust index,IDDI)产品与极轨气象卫星FY-3A沙尘强度指数(dust strength index,DSI)沙尘监测产品的融合处理,划分沙尘发生过程中的有沙尘暴发生区、无沙尘暴发生区及可能沙尘暴发生区。融合结果与气象站点观测结果的对比分析表明,本算法可以将静止气象卫星与极轨气象卫星遥感沙尘监测结果进行较好地融合,更好地划分沙尘暴发生的区域,对于沙尘暴过程的监测、评估和分析有重要的参考价值和指导意义。     

“灿鸿”减弱为温带气旋过程中卫星云图特征分析

正1引言卫星观测具有较大的空间覆盖率和时间分辨率,可以快速对大范围环流系统的分布做出全面的监测,已经成为监测和预报业务中的重要手段之一。目前,FY-2G已经投入业务应用,并提供半小时一次的卫星图像,可以更细致地分辨系统的发展演变。利用卫星云图资料分析台风,主要针对于台风的发生发展、强度、移动路径及其产生的暴雨等天气     

FY-4卫星资料在青藏高原地区积雪判识和雪深反演中的应用

青藏高原积雪监测在地球辐射平衡、全球气候变化和生态环境等方面有重要作用,对气候预测、雪灾预测等具有重要意义。FY-4(风云4号)卫星数据具有高时空分辨率的优势,基于FY-4A(风云4号A星)构建积雪监测方法与模型,不仅拓展了静止卫星应用领域,也丰富了积雪监测应用的手段。FY-4的高时间分辨率为积雪监测的研究提供了分钟级数据,对积雪与云的变化掌握的更为细致,但用于积雪监测的波段,因分辨率不高容易导致错判与漏判。本文基于2020年小时级野外地面雪深观测数据、风云3号D星积雪覆盖产品(FY-3D_SNC)数据,构建了基于归一化积雪指数(Normalized Difference Snow Index,NDSI)的FY-4A卫星积雪判识方法,提出了雪深监测模型与等级划分指标。结果表明:NDSI≥0.20是青藏高原地区FY-4A卫星积雪判识的适用阈值,无论有云或无云条件,其漏判率均低于8.0%。地面站点验证结果表明,积雪判识准确率达83.33%以上。空间范围内直接剔除云区后,积雪判识经混淆矩阵验证准确率在82.48%以上。因此,FY-4A卫星在青藏高原地区具有积雪监测的能力。虽然FY-4A卫星对超过10 cm以上雪深不具备区分能力,但可以较好地识别10 cm以下浅雪雪深,相关系数达到0.745,通过了0.001显著性水平检验。据此建立的FY-4A卫星0~10 cm雪深等级指标,总体分级精度达到87.50%。FY-4A卫星雪深反演方法在青藏高原地区对0~10 cm浅雪雪深有较好的估算能力。     

FY 4A卫星数据可视化及应用

2016年12月11日我国发射了FY-4A新一代静止气象卫星,其高时间和空间分辨率能够加强航空气象中的监测应用,为了更好地应用FY-4A卫星的各类观测产品,本文利用Python语言实现对FY-4A卫星AGRI观测仪器所探测的2km、4km分辨率的全圆盘和中国区域可见光、红外图像资料及7.8km分辨率闪电监测资料进行解码并可视化显示出图,将绘制的卫星图像与国家卫星气象中心网站对外开放的卫星云图进行对比。结果表明:两者显示较为一致,可以用于航空气象业务。Python语言语法简练,对于卫星HDF和NC格式数据读取速度快,Python的Numpy工具包基于矩阵的运算能快速处理卫星观测数据,Basemap库中多种投影方式可供业务应用,值得推广。     

利用静止气象卫星红外通道遥感监测中国沙尘暴

气象卫星的红外窗区通道 (8~12 μm) 对于通常大气气溶胶几乎没有响应, 但对于较大颗粒且浓度较强的沙尘气溶胶, 尤其是沙尘暴有明显的信号反应。空气中的沙尘在红外分裂窗通道表现出两个特征:一是对地表发射到空间的红外信号产生衰减, 造成卫星探测到的地气系统亮温降低, 这就是所谓的红外差值沙尘指数IDDI; 二是沙尘粒子在红外分裂窗两个通道的比辐射率不同, 11 μm比12 μm的比辐射率低, 从而造成这两个通道的亮温差是负值。基于这两个特征和沙尘多通道光谱聚类法, 针对静止气象卫星观测数据进行了沙尘暴卫星遥感监测业务算法开发, 输出沙尘暴监测产品和红外差值沙尘指数产品, 这一算法不仅用于已经退役的GMS-5卫星, 而且应用于正在运行的静止气象卫星FY-2C, 它还为沙尘暴的定量或半定量遥感提供参考借鉴。     

蒙古气旋产生强沙尘暴的诊断分析

利用MICAPS资料、FY-2C红外卫星云图和2.5°×2.5°NCEP再分析资料,对2008年5月25日至28日大范围沙尘暴过程进行了天气动力诊断和物理量场分析。结果表明,强沙尘暴主要出现在冷平流前的温度梯度密集区和涡度梯度密集、陡峭区。在这次强沙尘暴过程中,暖平流是蒙古气旋发生、发展的重要热力因子,大气热力不稳定和强风是起沙的动力;500 hPa阶梯槽快速东移是飚线产生的触发系统;对流风暴是引发强沙尘暴主要因素。蒙古气旋的发展加大了冷锋前后的气压和温度梯度,为对流风暴的发生提供了热力不稳定条件。700 hPa冷平流爆发性下沉、南下,为强沙尘暴的产生提供了强大动力。     

风云气象卫星“一带一路”热带气旋监测能力与最新进展

面向风云卫星服务“一带一路”倡议,我国风云气象卫星在轨运行的静止和极轨两个系列6颗卫星,已经联合组成了服务“一带一路”星座布局,建立了风云卫星应急减灾数据服务机制。本文对利用FY-2H、FY-4A和FY-3C/D开展的“一带一路”热带气旋监测方法以及最新进展进行了概述,列举了2018年和2019年影响力较大的连续致灾热带气旋、跨海域热带气旋,以及双/三/四个热带气旋共存的典型个例。结果显示在基于风云卫星开展的“一带一路”热带气旋监测业务中,将热带气旋发生演变的原理与气象卫星不同仪器观测原理相结合,在热带气旋生命史不同阶段根据所关注的不同侧重点,分别对应应用风云气象卫星不同观测仪器,对于热带气旋全生命史监测预报有重要意义。     

FY-3A卫星近海面气象要素在冬季夜间海上能见度分析中的应用

对FY-3A气象卫星大气温度湿度廓线资料进行夜间大雾低能见度分布反演计算,并运用美国LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析与预报系统,与FNL再分析资料多要素反演数据进行多源要素融合分析。FY-3A卫星反演得到的大雾低能见度分布,经与Micaps(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System)系统地面天气图, FY-2E地球同步卫星红外云图,要素统计气象年鉴记录等对比检验,显示反演的低能见度区范围及强度合理。尤其是对海上缺乏常规观测资料网的海域,提供了夜间海上能见度分布信息。进一步地通过LAPS系统对比卫星资料、再分析资料、以及卫星与再分析资料融合的3种方案结果,显示将卫星监测资料与FNL再分析资料的融合效果,对单来源资料反演的大雾低能见度分布有较好的改善。融合后对卫星资料而言,卫星轨道盲区已经弥合,其次,获得了海上低能见度区分布的信息,对海上和沿海雾区能见度的强度得到合理改善。对于FNL再分析资料,原有的各项要素强梯度被合理平滑。低能见度范围也有调整改善。重要的是海上大雾低能见度区的分布,得到FY-3A卫星信息和数值模拟信息的互相验证与信息综合,可信度增强。     

MODIS沙尘暴判识方法与业务系统

为了利用MODIS资料对沙尘暴的范围和强度进行定量判识,应用2002--2004年多次MODIS资料,通过对沙尘暴、云、雪和沙漠光谱特征的分析,构建了定量判识沙尘暴范围和强度的两个沙尘指数.利用2002-2007年数次沙尘暴过程对沙尘指数的判别效果进行检验,表明构建的两个M()DIS沙尘指数能够有效地监测沙尘暴的范围和强度,且方法简单,适用于业务应用.针对目前西北沙尘暴遥感监测业务服务以定性图像为主,服务产品较为单一的问题,对MODIS沙尘暴判识方法进行业务化,并结合GIS进行沙尘暴影响范围的分析,开发研制了自动运行的MODIS沙尘暴监测和影响评估业务系统.系统具生成沙尘暴MODIS影像图、沙尘暴范围和强度遥感监测图、沙尘暴影响土地类型图、全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表等功能,为沙尘暴定量和精细服务提供了丰富的产品.     

新疆喀什一次秋季罕见强沙尘暴天气成因分析

利用NCEP资料、区域自动站观测资料、FY-2E卫星云图资料,对2010年9月5—6日发生在喀什地区的一次强沙尘暴天气的成因进行了分析,结果表明:造成喀什地区强沙尘暴天气的主要原因是喀什地区受乌拉尔山至中亚高压脊控制,强冷空气从新疆东部进入塔里木盆地,在盆地东部产生偏东大风,卷起塔克拉玛干沙漠及戈壁沙尘西进,由于喀什地区特殊的地理位置,沙尘在喀什地区堆积造成沙尘暴天气;前期新疆天山以南地区高温少雨,干土层增厚土质疏松,为沙尘天气的加强提供了有利的物质条件;塔里木盆地东西部高低空显著的热力差异,利于低层冷空气由东向西移动而产生偏东急流;前期塔里木盆地东西部测站明显的温压差异为沙尘暴的发生提供了有利的热力和动力条件。     

一次飑线引发的大风强沙尘暴诊断分析

利用常规探测、地面加密观测、T213数值预报产品和FY-2c/2d红外卫星云图资料,对2008年5月2日河西走廊东部飑线引发的大风强沙尘暴过程进行了天气动力诊断和中尺度分析.结果表明:飑线引发的强风暴是产生强沙尘暴的根本原因.河西走廊东部处在不稳定大气层结中,500hPa阶梯短波槽为飑线提供了大尺度环流背景;700hPa变形场是飑线的触发系统;地面热低压的发展加大了冷锋前后的气压和温度梯度,为对流发展提供了热力不稳定条件;高空急流对于飑线的生成、发展具有重要的作用.     

FY-3E: The First Operational Meteorological Satellite Mission in an Early Morning Orbit

Fengyun-3 E(FY-3E),the world’s first early-morning-orbit meteorological satellite for civil use,was launched successfully at the Jiuquan Satellite Launch Center on 5 July 2021.The FY-3E satellite will fill the vacancy of the global early-morning-orbit satellite observation,working together with the FY-3C and FY-3D satellites to achieve the data coverage of early morning,morning,and afternoon orbits.The combination of these three satellites will provide global data coverage for numerical weather prediction(NWP)at 6-hour intervals,effectively improving the accuracy and time efficiency of global NWP,which is of great significance to perfect the global earth observing system.In this article,the background and meteorological requirements for the early-morning-orbit satellite are reviewed,and the specifications of the FY-3E satellite,as well as the characteristics of the onboard instrumentation for earth observations,are also introduced.In addition,the ground segment and the retrieved geophysical products are also presented.It is believed that the NWP communities will significantly benefit from an optimal temporal distribution of observations provided by the early morning,mid-morning,and afternoon satellite missions.Further benefits are expected in numerous applications such as the monitoring of severe weather/climate events,the development of improved sampling designs of the diurnal cycle for accurate climate data records,more efficient monitoring of air quality by thermal infrared remote sensing,and the quasicontinuous monitoring of the sun for space weather and climate.     

用FY-1C/CAVHRR数据估算巢湖蓝藻叶绿素的含量

以巢湖为实验区，以气象卫星FY－1C／CAVHRR数据为信息源，通过遥感监测值与（淮）同步湖区实地采样叶绿素α(chl-α)含量的对比分析，建立基于FY－1C／CAVHRR数据的叶绿素α含量遥感估算模型。研究表明，FY－1C气象卫星可用于内陆大面积湖泊湖面叶绿素含量的遥感监测，在动态监测方面有明显优势，可作为现有湖泊水质采样观测的补充手段。     

风云二号卫星地球观域修正算法

风云二号静止气象卫星在获取图像时, 必须使扫描辐射计的观域对准地球。卫星在轨道上受到各种摄动力的作用, 使轨道和姿态改变, 扫描辐射计的地球观域随之发生变化。卫星扫描辐射计对地球观域的偏差会影响图像定位的精度, 因此对准观域的工作是日常业务工作的一部分, 不仅在卫星定点之初启动观测时, 而且在业务运行的过程中, 都需要通过地面遥控指令进行修正。该文提出了一种风云二号静止气象卫星扫描辐射计地球观域修正量和调整方向的算法, 以替代人工目测卫星原始云图进行的卫星观域调整控制决策。这种算法的实施可以提高风云二号气象卫星云图获取作业的可靠性。     

Fengyun Meteorological Satellite Products for Earth System Science Applications

Following the progress of satellite data assimilation in the 1990s, the combination of meteorological satellites and numerical models has changed the way scientists understand the earth. With the evolution of numerical weather prediction models and earth system models, meteorological satellites will play a more important role in earth sciences in the future. As part of the space-based infrastructure, the Fengyun (FY) meteorological satellites have contributed to earth science sustainability studies through an open data policy and stable data quality since the first launch of the FY-1A satellite in 1988. The capability of earth system monitoring was greatly enhanced after the second-generation polar orbiting FY-3 satellites and geostationary orbiting FY-4 satellites were developed. Meanwhile, the quality of the products generated from the FY-3 and FY-4 satellites is comparable to the well-known MODIS products. FY satellite data has been utilized broadly in weather forecasting, climate and climate change investigations, environmental disaster monitoring, etc. This article reviews the instruments mounted on the FY satellites. Sensor-dependent level 1 products (radiance data) and inversion algorithm-dependent level 2 products (geophysical parameters) are introduced. As an example, some typical geophysical parameters, such as wildfires, lightning, vegetation indices, aerosol products, soil moisture, and precipitation estimation have been demonstrated and validated by in-situ observations and other well-known satellite products. To help users access the FY products, a set of data sharing systems has been developed and operated. The newly developed data sharing system based on cloud technology has been illustrated to improve the efficiency of data delivery.     

风云三号气象卫星数据传输体制分析

风云三号气象卫星 (FY-3) 是我国的新一代太阳同步轨道气象卫星, 其星-地数据传输体制采用了国际空间数据系统咨询委员会 (CCSDS) 推荐使用的先进在轨系统 (AOS) 规约和数据结构, 采用R-S编码和卷积编码级联的编码方式, 使用了L波段和X波段同时广播的方式。该文分析了FY-3星地数据传输体制, 将FY-3的传输体制与国外同类卫星传输体制进行了比较分析, 给出了FY-3的传输体制与风云一号 (FY-1) 的差别, 在此基础上提出了我国下一代气象卫星地面站建设的基本策略。     

广域网加速在FY-3气象卫星数据传输中的应用

风云三号 (FY-3) 极轨气象卫星数据传输系统需通过广域网链路,将海量卫星观测数据从卫星接收站快速传送到资料处理中心。该文研究广域网加速技术,解决广域网链路中传输气象卫星海量观测数据延迟高、带宽利用低等难题。文中针对FY-3气象卫星观测数据传输量大、时效要求高的特点,分别分析了数据压缩、数据缓存和协议优化3种不同加速技术对卫星数据的传输优化效果,并根据分析结果提出了一种适用于气象卫星数据的广域网传输加速架构。该架构结合3种不同加速技术设计了TCP代理模块、数据段索引模块和HS-TCP传输模块以及相应算法分别实现了数据压缩与缓存和协议优化等功能。通过测试和实际运行表明:在该加速架构下卫星数据广域网传输速率提高了50%~243%。     

区域扫描模式下风云二号气象卫星姿态求解方法

针对风云二号气象卫星区域扫描模式下姿态求解问题,提出了分别基于区域观测图像、姿态预报和粗-精姿态关系模型3种不同的卫星姿态求解方法,并分析了它们的适用条件。利用FY-2E卫星获取的2013年7月8—14日的图像进行模拟分析,姿态计算结果表明:利用基于区域观测图像方法求解的姿态对区域观测云图进行定位,误差保持在2.5个红外像元以内,该方法适用于连续区域观测情况;利用基于预报的姿态求解方法对未来24 h内区域观测云图进行定位,平均误差达到1个红外像元,该方法适用于临时启动区域观测时前24 h的区域云图定位。利用粗-精姿态关系模型方法求解的姿态对区域观测云图进行定位,最大误差为4.9个红外像元,前24 h平均误差为3.6个红外像元,该方法可以在无精姿态数据时对区域观测图像进行应急定位。