有云时大气红外遥感及其反演问题 II. 反演试验研究

本文前一部分提出了用相邻视场同步反演法处理有云时的反演问题。在这部分中，我们将此方法应用到TOVS的模拟和实际观测资料反演中，并提出了一种“广义CO2分割法”来求取云高和云量的初始猜值。试验结果表明，相邻视场同步反演法反演精度明显优于单视场反演法的精度。另外，利用“广义CO2分割法”可以得到较好的云顶气压和云量的初始猜值。     

MODIS多光谱云相态识别技术的应用研究

介绍了卫星多光谱云相态识别的基本原理, 并给出了EOS/ MODIS云相态识别的流程。针对简单和复杂云场, 利用个例并结合无线电探空资料与MODI S三通道合成图肯定了多光谱云相态识别的合理性和实际效果。文中对几个特定天气系统(西南涡旋和西太平洋台风)下大面积云场相态分析的结果表明:多光谱云相态识别技术有一定应用价值, 且需要引入可见光技术来减少红外谱段对多层云覆盖和薄卷云的相态分析误差。     

山西两类暴雪过程的雷达产品特征比较及降雪量估测

利用山西大同站常规观测资料和多普勒天气雷达基数据,对山西两类暴雪天气过程(倒槽冷锋型和锢囚锋型,分别简称为"Ⅰ类"和"Ⅱ类")进行对比分析。结果表明,两类暴雪天气存在相似点:(1)当降水相态为雨或雨夹雪时,低层零速度线均呈现较明显的"S"型弯曲特征,零速度线形状的变化和0℃层亮带位置变化对相态转换具有明显指示意义;(2)由9点平均法绘制的两类暴雪的平均基本反射率因子垂直廓线也具有相似特征,即平均基本反射率因子垂直廓线强度在30～40 dBZ之间,因此可利用平均基本反射率因子垂直廓线定量估测降雪量级,并可判断0℃层亮带。但两类暴雪天气也存在明显差异:(1)Ⅰ类暴雪属于冷云降水,冷垫深厚,虽然低层强冷空气将水汽通道切断,但由中层偏南急流和西北气流径向辐合产生的动力抬升作用使得降雪维持并达到暴雪量级;Ⅱ类暴雪属于暖云降水,由暖切变线触发,冷垫不明显,锢囚锋和南风急流长时间维持是造成暴雪的主要原因。(2)Ⅰ类暴雪过程中出现明显的0℃层亮带且长时间维持,而Ⅱ类则没有明显的0℃层亮带。(3)Ⅰ类暴雪过程中,"S"型零速度线逆转成南北分布的直线时,表明低层暖平流减弱的同时有东风湿冷垫形成,此时降水相态由雨转雪;Ⅱ类暴雪过程中,零速度线由"S"型转为反"S"型时,表示冷平流入侵明显,此时降水相态由雨夹雪转为雪,零速度线再次明显顺转则指示降雪减弱趋于结束。     

渤海海效应暴雪云特征的观测分析

利用静止卫星 (GMS-5, GOES-9, MTSAT) 红外数据与CloudSat卫星云剖面雷达数据、NCEP FNL分析资料与常规观测资料,对2001—2010年发生的12次渤海海效应暴雪过程中云的演变特征、渤海热力作用与暴雪云团垂直结构及相态组成进行了观测分析。发现不同生成源地的暴雪云通常在渤海上快速发展,云中多存在水平范围可达100~300 km的密实条状或块状云团,其下对应主要降雪区域;暴雪云生成源地可分为渤海湾及莱州湾附近、渤海中部、辽东湾附近3种,暴雪云在海上移动主要受850 hPa风场影响;渤海暖海面与其上冷空气间的热量、水汽交换形成的不稳定层结条件,导致暴雪云进一步发展;暴雪云发展旺盛时期高度可达4 km,其冰水含量最大值达600 mg·m-3且主要集中在2 km高度附近,平均值可达303 mg·m-3,冰粒子有效半径最大值约为120 μm,平均值约为91 μm。     

基于云雷达资料的那曲对流云粒子相态识别研究

本文利用第三次青藏高原大气科学试验的Ka波段云雷达资料,结合微波辐射计和探空资料,提出了以模糊逻辑算法为框架的相态识别方法,并利用那曲两个典型对流云个例对方法效果进行了分析。通过与前人方法的对比和对不同相态粒子回波强度谱的统计,进一步验证了本文方法的可靠性。结果表明:利用雷达功率谱资料反演下落末速度并代替径向速度作为相态识别的参量之一,可提升对流云内粒子相态分类结果的合理性。零度层亮带和抬升凝结高度参量的使用,能够进一步优化相态识别的初步结果。固态云粒子的下落末速度远低于相同反射率因子的降水粒子,多模态/多谱峰的谱形态特征能够帮助识别混合相态粒子。     

2011年初湖南暴雪过程的成因和数值模拟分析

利用多种观测资料及NCEP再分析资料,对2011年1月1720日湖南一次大范围暴雪过程进行了诊断分析,并使用WRF模式对其云微物理特征及降水相态转换机制进行数值模拟,旨在探讨本次强雨雪过程降水相态变化和暴雪形成及其发展成因。结果表明：乌拉尔山前部南下的冷空气与来自孟加拉湾及南海的暖湿气流在湖南长时间交汇产生锋生强迫,在静止锋区上界形成强辐合上升运动,是湖南大范围暴雪天气持续的主要原因;强烈的上升运动和持续的水汽辐合为本次暴雪过程提供了动力、水汽条件,“冷空气楔”上爬升的暖湿气流维持时间较长,是持续性大范围暴雪产生的重要热力条件;WRF模式能较好地模拟降雪量级及强降雪落区。雪粒子的产生和发展不仅与液水比含量大小有关,还与其上空冰晶的含量及分布密切相关,雪的凝华增长、冰晶向雪的自动转化和雨水与雪碰并成雪可能是本次降雪发生、发展最主要的物理过程,冰雪粒子大值中心及强上升运动区对预报强降雪带位置有较好的指示作用。     

基于微雨雷达的降水参数反演和粒子相态识别

本文基于微雨雷达原始的后向散射信号,采用一种新的功率谱处理算法（RaProM算法）,在功率谱计算、噪声去除、退模糊等处理的基础上计算了雷达基本参量,并反演了液态降水参数,例如雷达反射率因子、雨强等,并对粒子相态进行识别。RaProM算法综合考虑粒子下落速度、等效雷达反射率因子、不同相态粒子的尺度特征以及是零度层亮带位置等信息,可识别的粒子相态包括雪、毛毛雨、雨、冰雹以及混合相态。选取了三个山东地区较为典型的个例对RaProM反演算法进行验证,即2021年7月2日典型层状云降水个例、2019年12月25日雨雪转换个例以及2018年3月4日零度层高度逐渐降低的降水个例。结果显示：粒子识别方法应用于典型层状云降水,垂直方向上不同相态粒子的分层较为明显,过冷层里的固态降水雪花、零度层附近冰水转换区的混合相态降水以及零度层以下的液态降水符合现有认识,验证了反演算法以及粒子识别算法的有效性。将结果进一步在雨雪转换降水相态识别中和零度层高度的检测,该反演算法均能得到较好应用,与同址同步观测的微波辐射计、云雷达、二维视频雨滴谱仪等观测结论一致。另外,与微雨雷达标准反演算法对比,RaProM算法的优势是...     

用极轨气象卫星垂直探测器资料计算四川盆地的风场

和统计法相比,物理反演法不需要常规探空资料,但是需要大气透过率方面的计算,而且对仪器、谱参数等各种影响因素要求较高,所以用它反演温度难度较大,我们在国家高性能计算中心（成都）的并行机上,尝试用物理反演法对垂直探测器资料进行了温度反演。     

用极轨气象卫星垂直探测器资料计算四川盆地的风场

和统计法相比,物理反演法不需要常规探空资料,但是需要大气透过率方面的计算,而且对仪器、谱参数等各种影响因素要求较高,所以用它反演温度难度较大,我们在国家高性能计算中心(成都)的并行机上,尝试用物理反演法对垂直探测器资料进行了温度反演.     

石家庄暴雪天气过程中相态转变的温度指标分析

利用1999—2017年石家庄国家基本气象观测站的降水实况资料,统计出暴雪天气过程,在分析其地面和高空影响系统的基础上,着重分析暴雪天气过程中温度场的变化特征。结果表明：暴雪天气过程的地面影响系统为冷高压和低压倒槽共存的形势,但高空系统存在差异;没有相态转变而以固态雪的形式出现的暴雪天气过程中,对流层中没有逆温层,整个对流层温度小于0 ℃,且700 hPa高度以下的中低空温度小于-5 ℃;有相态转变的暴雪天气过程中,925—700 hPa多存在逆温层,其存在有利于降水的维持和发展,850 hPa和925 hPa可视为特性层,850 hPa温度小于-4 ℃,925 hPa温度小于等于-2 ℃,0 ℃层的高度位于950 hPa以下,可作为预报雨或雨夹雪转雪的参考指标;地面气温大于0 ℃且小于1 ℃可视为过渡相态雨夹雪的地面气温临界值。     

基于CALIPSO卫星资料的京津冀地区MODIS卷云云顶高度订正

卷云在大气辐射中扮演着重要角色,对天气系统和气候变化产生重要影响。相比传统地基观测手段,卫星遥感更容易探测到高层卷云的信息,本文利用CALIOP主动遥感仪器可获取较为准确的薄卷云特性的特点,针对MODIS被动遥感探测器反演的薄卷云云顶高度的偏差开展订正研究。研究选取2013～2017年京津冀地区MODIS云产品,结合CALIPSO卫星的卷云云顶高度数据,基于交叉验证的方法得到线性拟合方案,对MODIS卷云云顶高度进行订正。订正后的MODIS与CALIPSO卷云云顶高度差值的分布区间由?3～2 km变为?2.0～2.5 km,峰值由?0.8 km左右变为0.2 km左右。订正效果随云顶高度和云光学厚度的不同有所变化,其中较低层卷云和光学薄卷云的订正效果更明显。     

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。     

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。     

MODIS遥感数据在我国台湾海峡海雾监测中的应用

海雾是一种常见的灾害性天气现象。以我国台湾海峡为示范研究区, 利用新一代卫星传感器MODIS的可见光和红外探测通道数据, 在分析海洋、中高云、低云和海雾等不同下垫面的MODIS光谱辐射特征基础上, 选择对海雾具有敏感反应的探测通道, 通过综合判识建立台湾海峡海雾遥感监测模型。利用该模型对2004-2007年我国台湾海峡海雾事件进行监测, 并用福建沿海5个地面气象观测站的能见度数据对监测结果进行验证分析。结果表明:基于MODIS数据的海雾遥感监测模型能够较准确地对台湾海峡海雾分布和发展过程进行监测, 从地面观测数据与卫星监测结果对比验证来看, 海雾监测的准确率可达80 %以上, 具有较高的业务化应用前景。     

天山西部地区冰雹云的卫星光谱特征及监测应用

针对冰雹灾害多发的新疆天山西部地区,利用2007年和2008年5一10月14次MODIS卫星过境资料,选取共计45个云系样本数,进行冰雹云、强对流云团和薄卷云的光谱特征提取和雹暴指数计算与分析。结果表明,冰雹云的热红外亮度温度（CH31、CH32、CH35）均〈240K,中红外波段反射率（CH20）相对较低〈30％,可见光和短红外波段反射率（CH1和CH6）均〉80％,雹暴指数≥0．35,得到了有利于冰雹云的卫星遥感客观判识指标。     

MODIS遥感数据格式及使用方法综合分析

针对当前MODIS遥感资料推广应用中数据产品使用者和开发者在实际工作中经常遇到数据格式和计算方法方面的问题,分析了MODIS遥感资料的数据格式,以及如何使用定标后的1B数据计算地球视场的光谱反射率和辐射率进而生成各种气象和环境监测应用产品,并给出了一个数据处理应用实例。     

MODIS遥感数据格式及使用方法综合分析

针对当前MODIS遥感资料推广应用中数据产品使用者和开发者在实际工作中经常遇到数据格式和计算方法方面的问题,分析了MODIS遥感资料的数据格式,以及如何使用定标后的1B数据计算地球视场的光谱反射率和辐射率进而生成各种气象和环境监测应用产品,并给出了一个数据处理应用实例.     

用三通道合成彩色图像进行云的分类解释判读

为更好地利用FY-3A气象卫星上中分辨率光谱成像仪(MERSI)资料高空间分辨率及多光谱的优势,细致分析云系在宏、微观方面的多重特征,首先利用平面平行辐射传输模式(SBDART)证明了MERSI的0.65,1.6 μm和11.25 μm通道能够分别反映云光学厚度、云粒子大小、云顶高度的信息,然后采用三通道合成彩色图像的...     

基于FY3\VIRR数据的积雪遥感监测方法研究 -以阿勒泰地区为例

以FY-3可见光与红外辐射计（VIRR）为主要数据,利用FY3\VIRR 1、6、10通道数据,以指数法和光谱阈值相结合的多光谱积雪监测算法对2013年阿勒泰地区卫星数据进行积雪监测处理。处理结果与MODIS积雪监测业务产品对比分析得出：利用FY3\VIRR可以实现对研究区的积雪遥感监测,监测结果与现有MODIS积雪监测业务产品较一致,具有可比性。     

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。