双波段大气向下红外辐射云遥感数值模拟

为了将卫星多通道遥感技术应用到地基测云红外遥感中,利用SBDART(平面平行辐射传输模式)模式对双波段(10.3～11.3μm,11.5～12.5μm)大气向下红外辐射进行计算。分析了双波段辐射亮温差的特点,讨论了不同能见度、不同天空状况对两通道亮温差的影响,同时将利用实际测量的亮温差值所判断出来的天空状况与实际天空状况进行了对比。结果表明,在能见度较好时天顶方向辐射率变化比天边方向明显;在高能见度时一定天顶角范围内,可以利用不同天空状况亮温差不同的特点对云进行识别。     

FY-4A资料在乌鲁木齐机场浓雾天气监测中的初步应用

利用FY-4A多通道扫描成像辐射计(AGRI)所生成的多通道图像及L2级卫星云产品数据,结合地面观测实况资料,对2019年1月25—26日和3月17—18日发生于乌鲁木齐国际机场的两次持续性浓雾天气进行分析,结果表明:对于浓雾的监测,白天综合使用通道3(BD_(0.83μm))、通道6(BD_(2.2μm))、通道8(BD_(3.725μm))和通道12(BD_(10.8μm))能很好地显示雾区范围、雾顶云结构、雾区温度等特征,且云图能很好地表现雾的消散。夜间可以结合BD_(10.8μm)和BD_(3.725μm)的差(以下简写为BTD_(10.8μm-3.725μm))和BD_(10.8μm)图像,用于识别夜间雾区,BTD_(10.8μm-3.725μm)通道亮温差越大说明雾的浓度越强。FY-4 A卫星云顶高度和云分类产品对雾的微物理特征结构反应更为细致,对于夜间大雾监测有较好的效果,能够弥补可见光通道1～通道3、短波红外通道(BD_(2.2μm))和中波红外通道(BD_(3.725μm))仅能在白天使用的不足。     

葵花8号卫星在白云机场一次强对流冰雹中的监测应用

针对2019年2月21日强对流冰雹过程,采用广东省多普勒雷达拼图的组合反射率因子资料作参考真值,分别利用葵花8号卫星资料的11.2μm通道与7.0μm通道亮温差拟合和11.2μm通道、7.0μm通道分段拟合对雷达回波进行反演,发现在强对流(回波强度≥35 dBZ)识别上,11.2μm通道、7.0μm通道分段线性拟合比亮...     

基于地基微波辐射计观测的东营地区低能见度天气指示性分析

针对东营市2016—2017 年出现的27 个低能见度天气过程,利用 MP -3000A 型地基微波辐射计二级数据,计算过程影响期间逐10 min 的逆温层温差、逆温层厚度和低层相对湿度等物理量。 结合空气质量和能见度变化情况,按照雾和霾、雾、降水三类天气对 27 次过程进行分类研究,总结地基微波辐射计观测的温湿度量对低能见度天气的指示意义和参考指标。结果表明:(1)雾和霾共同影响导致的低能见度天气出现在冬半年,PM2. 5浓度越大通常对应的能见度越低;逆温层温差和逆温层厚度与能见度的相关系数分别为-0. 39 和-0. 45,逆温层温差增大指示能见度降低,逆温层厚度减小指示能见度升高。低层相对湿度在 90%以上时,能见度受雾影响通常小于 2 km;低层相对湿度在80%以下时,能见度受霾影响仍然维持在5 km 以下。(2)雾影响导致的低能见度天气多出现在冬半年,与 PM2. 5浓度无关;逆温层温差和逆温层厚度与能见度的相关系数分别为-0. 54和-0. 45。在逆温层生成和破坏阶段,逆温层温差变化幅度大,对能见度的指示性更强,而逆温层厚度变化幅度相对较小,多维持在 300 ~ 400 m 之间。低层相对湿度 90%以上时能见度通常小于5 km,当低层湿层消失后能见度升高至 5 km 以上。(3)降水影响导致的低能见度天气出现在夏季,多伴随短时强降水出现,强降水时段逆温层温差达到8 ℃ 以上,逆温层厚度为 500 m;强降水结束后,逆温消失,能见度转好。     

利用MODIS卷云通道对长江中游一次大雾过程的监测

利用MODIS卫星通道的红外特征,对2009年1月8—11日长江中游地区的一次大雾过程进行了分析。结果表明,由于云、雾、地表所处高度不同,位于水汽的强吸收带的MODIS卷云通道(1.38μm),在辐射传输过程中对水汽吸收的程度有一定的差异,从而导致MODIS接收到这些目标物的反射率差异较明显。其中雾与地表在1.38μm波段的反射率近似相等,而与云则有明显的差别。另外,通过31波段与20波段辐射亮温差的光谱廓线分析,发现云雾的亮温差要明显小于地表。     

EOS—MODIS卫星资料在北疆大雾监测中的应用分析

根据雾与云、积雪、裸地等地表物在可见光、长波红外和中红外波段的反射及辐射特性差异,利用MODIS卫星多通道多光谱探测数据,采用最佳波段组合法和量化判识指标法,对2006年3月8日到10日北疆大雾天气进行判识检验试验和动态监测分析。结果:发现较利于雾与背景(地物、云、雪)分离的最佳波段是可见光B0.65μm和近红外B0.85μm、短红外B1.64μm、中红外B3.7μm、热红外B11μm,综合判识就可以将云、雾、雪、裸地有效的区分;雾在夜间的有效温度在中红外波段比热红外波段低,可采用中红外和热红外波段的组合方法,根据两通道的亮温差进行雾的监测。     

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。     

基于“葵花8号”气象卫星的陇东南地区强对流识别跟踪技术研究

利用常规观测资料、区域自动站资料和“葵花8号”气象卫星资料，对2016年4—9月甘肃省陇东南地区出现的43次强对流天气过程展开分析，确立了强对流云团识别指标、追踪方法及预报指标，并对2018年部分个例进行了效果检验。结果表明：（1）利用卫星B13通道（10.4 μm）亮温值TBB≤238 K或B08通道（6.2 μm）与B13通道亮温差△TBB＜0 K双阈值作为强对流云团识别指标，可以准确识别出陇东南地区的强对流天气云团；（2）利用“逆向搜索法”、“面积重叠法”及对云团重心的计算，可以准确对强对流云团进行定位、追踪及移动路径外推预报；（3）建立的强对流天气落区判别指标对该地区短时强降水及冰雹落区具有一定的预报能力。     

FY-3C MWHS-Ⅱ辐射亮温在RMAPS-CA中的同化

中亚地区常规气象观测稀疏，同化极轨卫星FY-3C上的微波湿度探测器-Ⅱ(MWHS-Ⅱ)辐射率资料可有效减小该地区数值预报初始场的不确定性。本研究首次在中亚快速更新多尺度资料分析和预报系统RMAPS-CA中同化了FY-3C/MWHS-Ⅱ辐射率，评估了其同化效果。研究发现：（1）单个时次冷启动的同化时间窗口内，仅约有56%的辐射率资料通过了质量控制并被RMAPS-CA同化。（2）偏差订正整体减小了各水汽通道的背景场辐射亮温偏差，最大减幅出现在通道14，达0.5 K。通道14偏差订正前的观测辐射亮温和背景场辐射亮温间存在较大偏差，是其同化应用中需要特别注意的。（3）FY-3C/MWHS-Ⅱ辐射率同化整体提高了RMAPS-CA系统对高空温度、位势高度、高空风速等的中短期预报准确率。同时，使得2米温度和10米风速的预报准确率预报均方根误差分别平均减小了0.2 K和2 m/s。其同化有效降低了小雨预报的漏报率和空报率，小雨预报的TS评分提升了16%。降低了中雨和大雨预报的漏报率，三个量级降水预报的BIAS评分分别提升了18%、38%和36%。     

利用卫星红外多光谱监测沙尘的方法

利用沙尘与水云、冰云、下垫面对红外辐射的散射、吸收差异,研究了一种卫星监测沙尘方法。将TBD8.5-11(8.5μm减11μm亮温差)、TBD11-12(11μm减12μm亮温差)、T11(11μm亮温)转换成3基色,经伽玛校正合成彩色图,用于沙尘监测。在实际应用中的结果表明:此方法对弱沙尘敏感,能详细反映沙尘强弱、位置高低以及沙地和云等多种信息,明显优于常用方法,对于研究沙尘对云的影响具有重要意义。同时,该方法能够发挥卫星日夜不间断探测的优点,适合连续跟踪监测。     

利用TRMM卫星分裂窗通道对东亚地区夏季降水判识方法的探索

利用2005年9月东亚中低纬地区的63个时次的TRMM卫星资料,分析了降水云和非降水云的红外辐射特征。结果显示:10.8μm通道大部分非降水像元的亮温大于280 K,晴空像元的亮温更高;大部分降水像元的亮温小于280 K,降水越强亮温越低,强降水的亮温在260 K以下。非降水像元的分裂窗通道亮温差(BTD45)总的来说都高于1.5 K;降水像元的BTD45总的来说都小于3.0 K,强降水像元BTD45较低,一般在2.0 K以下。在此基础上,分析了中低纬度夏季6次的不同类型的大尺度短时强降水数据,得到了中低纬度夏季强降水过程中非降水云和降水云对应的红外辐射特征,并以此为依据,提出BTD45为3.0 K和10.8μm通道亮温260 K为降水识别阈值,二者结合,可以得到较好的降水判识结果。     

济南机场低能见度和低跑道视程对比分析

利用济南机场2010—2016年逐时地面观测资料和跑道视程资料,应用数理统计方法对低能见度(VIS≤800 m)、低跑道视程(RVR≤550 m)和≤400 m RVR出现的月、日特征及其之间的关系进行对比分析。结果表明11月至次年2月为三者频发期;一天中22:00—23:00(世界时)是三者频发期,其中低RVR现象在17:00—02:00尤为突出。低能见度和低RVR持续时间和出现次数成反比。雾和冻雾是造成低能见度和低RVR的主要视程障碍现象,降水对低能见度的影响大于对低RVR的影响。11月至次年2月,两者呈显著正相关,差值较小,3—10月没有明显的相关性,差值较大。一天之中两者23:00—15:00相关性较好,差值较小,16:00—22:00没有明显的相关性,差值较大。"冲突样本"多出现在3—10月雨后有轻雾或部分雾的16:00—22:00。低能见度和低RVR与22:00的相对湿度、温度露点差、风向、前一日能见度及6 h、12 h温差呈显著性相关;用最优子集回归方法分季节建立低能见度和低RVR的预报方程,经检验,两者TS评分达到一定水平。     

应用AMSU-B微波资料识别强对流云区的研究

微波遥感可以穿透云顶直接探测对流云内的冰态粒子分布,受冰晶粒子的强烈散射衰减作用,AMSU-B的3个微波水汽吸收波段亮温随冰粒子的增加而降低.由于探测权重高度不同,辐射传输过程中受冰粒子的散射影响也不尽相同,3个水汽通道之间存在亮温差异,这种差异与对流云的强弱密切相关.利用微波向量辐射传输模式(VDISORT)模拟了云雨粒子对微波水汽通道观测的影响,并利用2005年8月12日华北地区的对流天气过程,分析了AMSU-B通道亮温与对流强弱变化之间的对应关系.在此基础上,建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法.利用该方法对典型对流降水云团进行判识,结果显示,微波识别的对流云区可以较好地表征强降水的分布,其中的冲顶对流区与可见光云系的上冲云顶结构有着很好的对应.     

一种基于实景图像的低能见度识别算法

为了利用大量视频监控设备提高能见度数据采集密度,提出一种基于实景图像转换的、采用简单卷积神经网络分类提取能见度等级的算法。该算法假设视频设备水平安装且具备开阔视野, 对原始视频图像进行水平分块,提取各分块的梯度、饱和度和亮度信息组成新的图像,基于简单卷积神经网络建模。采用2019年9月—2020年12月上海洋山港气象站29668张视频图像进行训练,建立识别模型,并采用2021年1—5月5757张视频图像对模型进行测试。采用该算法建立的模型参考雾的预报等级(GB/T 27964—2011)将能见度分为5个等级进行检验,白天准确率为87.99%,夜间准确率为81.32%,优于直接采用AlexNet模型。对1000 m以下低能见度天气的识别准确率达95%以上。利用现有的视频摄像头,可有效弥补气象站点能见度仪数据不足的问题,在气象业务上有一定的应用价值。     

FY3极轨卫星资料在暴雨短时预报中的应用分析

利用常规观测、地面加密自动站降水资料以及FY3B极轨卫星资料,对2014年5月18日广西一次暴雨过程中暴雨云团的微波湿度计特征进行分析,得出以下结论:(1)广西中东部处受高空槽前西南气流影响,中低层水汽条件较好,低层有切变辐合,为中尺度对流系统的发生、发展提供了有利背景。(2)250m分辨率可见光通道云图上对流发展旺盛的云团有明显不均匀纹理结构,其中镶嵌着多个圆形的暗影,预示着云中伴有强降雨、雷暴大风等灾害性天气。(3)微波湿度计资料反映出暴雨云团从低层到中高层都有较高的水汽含量,50mm以上的强降雨区主要位于3个亮温低值中心的过渡区域,即对流云团合并处。高低层通道亮温差能反映云团对流的强弱程度,强降雨发生在微波亮温差的正值区,通道3与通道5的亮温差对6h强降雨落区有较好的指示意义。     

基于3种能见度方案山东地区雾天气预报试验研究

基于中尺度天气研究与预报(Weather Research and Forecast,WRF)快速更新循环(Rapid Update Cycle,RUC)模式系统,选取SW(Stoelinga and Warner)方案、RUC方案与FSL(Forecast Systems Laboratory)方案3种能见度方案,对2015年10月至2016年3月山东地区的25次雾天气个例进行预报试验,包括能见度的定量化预报和雾天气的有、无诊断预报,利用常规气象观测资料对预报结果进行检验评估,并分析不同能见度方案对雾天气预报效果不佳的原因,对RUC方案进行订正。结果表明:SW方案模拟的能见度平均绝对误差为9—12 km,RUC方案和FSL方案模拟的能见度平均绝对误差均为2—4 km。对于山东地区大部分雾天气预报试验,SW方案和FSL方案雾天气预报的确报率高于误报率,均对雾天气具有一定的预报能力;RUC方案雾天气预报的确报率和误报率均为0,对雾天气没有预报能力。综合山东地区能见度与雾天气的预报效果可知,FSL方案更适合作为WRF-RUC模式业务中雾天气的预报产品。模拟能见度对相对湿度的预报误差过于敏感、未考虑空气中的污染物对能见度的影响及计算公式未进行本地化订正是能见度方案对雾天气预报效果不佳的主要原因,订正后的RUC方案模拟的能见度平均绝对误差较原始方案减小,且提高了雾天气的预报效果。     

清河秋冬季雾变化规律及相关气象要素分析

利用清河国家气象观测站1960—2020年雾日数和2016—2020年逐时地面气象资料,分析清河雾的年、季、月变化规律和各等级雾在一日中生消变化规律、持续时长及与气象要素的相关性。结果表明：清河雾日数呈缓慢增长趋势,线性趋势率为099 d/10 a,秋冬季雾占总雾日的82%,是雾的高发季节;秋冬季浓雾和强浓雾的日变化规律基本一致,强浓雾出现频次最多,累计时间最长,特强浓雾出现频次最少;秋冬季雾的生成时间主要分布在后半夜到清晨,其次是19—20时,11—17时较少有雾生成,消散时间主要在09—12时;雾的浓度越高,持续时间越长,清河秋冬季雾持续时长在5 h以下占比最多,占48%。通过分析秋冬季雾的能见度和气象要素的相关性得出,能见度和相对湿度、10 min平均风速显著相关,当湿度大于90%时,10 min平均风速小于30 m/s时,更利于雾的生成和发展。     

北京高速公路大气能见度演变特征及其物理分析

根据首都国际机场高速公路专业气象自动监测站网所提供的高时间分辨率资料, 对大气能见度演变特征以及相应的物理因子进行分析。结论如下: (1) 大气能见度具有明显的日变化和逐月变化特征。就日变化而言, 能见度以14时最大, 但最低值出现时段却不一定。对于季节变化, 全年以夏季大气能见度状况最好。 (2) 无论是季节变化还是日变化, 高速公路上的大气能见度与气象要素之间都是复杂的非线性关系, 而不是简单的线性关系。通过对21个月中能见度最低月资料的分析表明, 大气能见度与湿度间呈明显的乘幂分布关系, 其与气温呈U型相关。但在月平均能见度最大月, 能见度则与湿度呈指数关系。 (3) 从物理上来看, 大气能见度与湿度的关系, 主要是通过水汽分子的Rayleigh散射和雾的Mie散射两个方面来表现; 风速则是由于压力阻力卷起大气气溶胶来影响大气能见度的; 而0℃附近温度影响大气能见度则主要是通过Bergeron三相过程。 (4) 200 m以下的低能见度基本上是湿度在100%的情况下发生的, 即都是大雾天气影响的直接结果, 但对200 m以上的低能见度则不同, 200～1000 m其间有一半是雾, 而1～4 km的能见度中不到三分之一是雾, 主要是由灰霾、 沙尘暴等天气现象造成。     

河南省2011年高速公路气象服务效益评估

以河南省高速公路为调查对象,成立调查评估小组,对河南省高速公路建设、运营、维护等环节受气象因子的影响情况进行咨询调查发现:影响河南省高速公路的主要敏感气象要素和天气现象为公路结冰、公路积雪(深度)、降雪、雾霾、冻雨、短时强降雨、闪电雷暴、最低气温、风力、日雨量、路面高温等.影响临界值分别是公路积雪深度2～5 cm,降雪为中雪,雾霾能见度200 m,短时强降雨为中雨量级,最低气温0～-4℃,风力7～9级,日雨量为大雨,路面高温50 ～54℃,最高气温40℃,路面低温0～-4℃,日温差10℃以上,沙尘天气能见度200 m.根据专家对气象服务贡献率等级的评估,得到气象服务对河南省公路交通行业效益的贡献率为1.16％.     

水汽,二氧化碳和臭氧的通量辐射率

本文利用COWTRAN—5计算了H_2O、CO_2和O_3的通量辐射率,计算结果与Staley和Jurica(以下简称SJ)辐射率表不同,特别在窗区有较大差异。 在H_2O转动带,在-70℃下当光学路程u>0.02gm·cm~(-2)(20°下u>0.8gm·cm~(-2))时SJ表中辐射率均偏小。在H_2O6.3μm振转带,S.J表与我们的结果相差不大。在窗区,我们计算结果表明小光程下辐射率随温度升高而减小,大光程下辐射率随温度升高而增大,而SJ表中辐射率始终随温度升高而增大,且当logu>0.3对其辐射率比我们的计算值大得多。 Sj表中CO_2辐射率偏小而O_3辐射率偏大。