FY-2C高时间分辨率扫描数据在强对流云团监测中的应用研究

利用我国首次获取的静止气象卫星平均10 分钟观测间隔的高时间分辨率数据对2011 年6 月28 日～29日发生的一次强对流云团特征进行分析。Hovm?ller 分析图清晰地展示出在高时间分辨率观测条件下云团中心冷核的演变特征。高时间分辨率卫星资料与地面降水量进行联合分析,可推知对流云团中冷核的演变与地面小时降水量大值的落区间有很好的一致性;10 分钟雨量资料联合前推1 小时内7 次平均10 分钟观测间隔的卫星红外1通道亮温,分析可知地面雨量较大时,云顶像元亮温具有持续降低或维持低温状态的特点。反映出在对流性强降水中,冷且具有一定稳定性的云顶是产生大降水的主要特征。研究结果显示,静止气象卫星的高时间分辨率观测可很好地捕捉到强对流云团发展的演变特征,利用FY-2C 静止气象卫星红外1 通道亮温、红外1 通道与水汽通道亮温差在高时间分辨率观测中的时差特征变量,可实现对强对流云团初生的有效监测,为强对流云团的预测预报提供支撑。     

利用多种卫星研究台风“艾云尼”宏微观结构特征

利用FY-2C静止卫星、TRMM卫星和Cloudsat卫星分析了台风"艾云尼"的发展演变过程以及台风眼区、外围雨带降水和云的宏、微观结构特征。结果表明,台风发展的不同阶段、不同位置及台风降水的垂直廓线具有不同特征,台风降水云系的5 km高度存在不连续的亮带结构并且亮带以上云系发展较为旺盛,台风云系中的冰水含量和冰粒子数浓度等微观物理参量分布特征对分析台风降水具有一定的帮助。多个卫星的共同观测可以为深入研究台风内部结构、发展演变及降水提供重要的观测实事。     

FY-4A云导风在GRAPES_RAFS中的同化应用评估

云导风资料具有较高的时空分辨率特性,是数值天气预报中重要的非常规观测资料之一。2016年12月我国第二代静止气象卫星风云四号首颗试验卫星(FY-4A)成功发射。依据国家卫星气象中心提供的2017年8月FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风测试数据,选用美国国家环境预报中心的FNL全球分析资料为参考场,对比分析云导风资料观测分布及偏差特征。评估结果表明,FY-4A云导风测试数据分布稳定,水汽通道云导风资料观测数明显多于红外通道;红外通道云导风资料偏差和均方根误差最小,水汽通道云导风资料在高层偏差较大。基于GRAPES_RAFS系统,选取2017年第13号台风天鸽做24 h预报试验。个例试验结果表明,同化FY-4A云导风资料对模式高度场和风场分析有一定调整作用,特别是同化FY-4A水汽通道云导风资料,对强降水落区和强度预报有所改善。     

CloudSat卫星及其在天气和云观测分析中的应用

介绍了2006年4月28日成功发射的第1颗以对云层特性进行全球主动遥感测量CloudSat卫星的观测仪器、工作参数、运行方式、数据产品及“A—Train”卫星群等基本概况。CloudSat卫星主要有效载荷是94GHz（3mm波）云雷达,它可以“切开”云层,获得许多有关云的最新气象数据,主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。介绍了CloudSat卫星已获得的典型天气和云的初期观测结果：从首次观测的云三维图片,可以清楚地看到南极洲上空风暴云的垂直剖面结构特征;从首张获得降雪云的垂直剖面图像可以得到降雪云层的发展状态以及结构特点;使用CloudSat统计数据可分析全球水凝物的分布特征。将TRMM卫星上的测雨雷达与CloudSat卫星上的云雷达联合观测研究,可以获得从薄云到浓厚云及降水的精细垂直结构特征。通过下载的CloudSat观测资料,对我国典型台风和层状云系等两类不同天气条件下云的宏微观结构特征等进行了初步分析,可以看到台风眼区附近云系的垂直结构随台风发展不同阶段的演变;从层状云系的垂直剖面可以清楚地发现云层的内部分层结构及不同相态的垂直分布特征等。     

用静止气象卫星云图对西太平洋副热带高压进退的个例研究

本文利用静止气象卫星GMS-5的红外卫星云图的云系特征结合天气形势分析了1997年7月副高的一次进退过程,并以9711号台风的红外云图对副高进退过程进行分析,结果表明,副高西侧积雨云、西北侧云系边缘的反气旋性云系、副高内部一些小的积云块以及台风对副高的南北进退具有指示意义,通过对云系影响副高进退的成因的详细分析,提出利用卫星云图云系特征对副高进退进行预报的方法,为气象卫星资料应用于副高进退预报的研究提供新的依据。     

基于风云四号成像仪云产品的视场偏差订正和影响分析

新一代静止气象卫星成像仪具有高时、空分辨率的优势,成像仪的云观测资料被广泛应用于气象领域的各项研究中。由于卫星的观测方式和地球曲率导致其存在视场偏差,与其他资料联合应用时需要考虑其影响。针对风云四号A星成像仪的视差问题,首先使用模拟的云顶高度和实际的卫星天顶角进行敏感性分析,结果证实云顶高度越高或者卫星天顶角越大则视差越大, 尤其对具有更高空间分辨率的成像仪,视差影响更需要被重视。随即分别使用CALIPSO云层数据和3套台风最佳路径集来检验视差订正前、后的多通道扫描辐射成像仪（AGRI）云检测产品和台风中心定位的精度,结果证明所用的视差订正方法是有效的,并指出在静止气象卫星资料的精确定量应用中,视差不可忽视。      

白天和夜间通用的卫星遥感沙尘判识算法构建与验证分析

Himawari-8是日本发射的新一代静止气象卫星,与前一代的MTSAT-2相比,在时间、空间分辨率上都有了很大提升,特别是红外通道数量从4个增至10个,为红外遥感沙尘提供了新的观测数据。本研究利用Himawari-8的红外观测数据,发展了仅用红外通道的沙尘全天候判识算法,可以实现对白天和夜间的连续监测。算法在前人基础上去除了可见光通道,同时引入更多红外通道来进行云检测和沙尘判识。由于一日之中,地表温度发生变化,因此针对白天和夜间设置了两套不同的判别阈值,来保证算法的全天适用性。最后通过两次沙尘事件对沙尘判别结果的分析和检验表明,遥感判识结果与地面气象站和PM_(10)观测较为一致,说明了只用红外通道全天候判识沙尘的可行性。     

静止和极轨卫星陆表温度产品的改进方法

针对天气、气候和生态环境监测对较高空间分辨率静止气象卫星陆表温度及全天候极轨卫星陆表温度的需求,分别发展静止气象卫星陆表温度空间降尺度和极轨气象卫星陆表温度云下重构算法,并对其进行改进处理。其中,静止气象卫星陆表温度空间降尺度模型充分利用静止气象卫星高时频和多光谱观测的优势,基于同一卫星同一遥感器所观测的陆表温度和相关通道亮度温度的日变化特征建立非线性统计回归模型,同时考虑下垫面类型的影响,方法应用于我国静止气象卫星风云四号A星(Fengyun-4A,FY-4A)先进的静止轨道辐射成像仪(advanced geosynchronous radiation imager,AGRI)陆表温度的降尺度,结果表明,所发展的降尺度模型不仅可以将FY-4AAGRI的陆表温度由4 km降尺度到2 km,而且可以较好保持降尺度前陆表温度精度,降尺度前后陆表温度均方根误差最大为1.35 K。极轨气象卫星陆表温度云下重构则发展了DINEOF模型,并基于土地利用数据(Land-Use,LU)进行结果的二次订正,实现极轨气象卫星陆表温度的全天候获取,方法应用于极轨气象卫星FY-3D中等分辨率光谱成像仪(med...     

FY-4A AGRI热红外通道辐射定标的精确外场评估

Fengyun-4A(FY-4A)卫星是2016年12月11日发射的我国新一代对地静止气象卫星,它配备了先进的成像仪和测深仪,可提供高时空和光谱分辨率的探测信息,用于天气气候相关的监测、预警和预报。多通道扫描成像辐射计(AGRI)是FY-4A卫星平台挂载的关键辐射成像仪器,重点用于云观测,并利用高时间分辨率的特征进行天气过程追踪。AGRI的红外辐射通道具有全光路的星上红外定标系统,与FY-2上的红外可见自旋扫描辐射计(VISSR)相比,无论在定量标定、成像速度和空间分辨率方面均有了显著改善。FY-4A AGRI的在轨运行状态和星上辐射定标水平的精确评估,对红外通道产品应用具有重大意义。     

基于GRAPES四维变分的静止轨道微波观测系统模拟试验研究

地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力，因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星“风云四号”系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求。基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案，开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验，理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响。试验基于GRAPES全球四维变分同化系统，同化静止轨道微波模拟观测资料，以2018年台风“玛利亚”和“山竹”为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响。试验结果表明，对于静止轨道微波资料同化应用，提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能。      

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。     

利用静止卫星窗区红外亮温反演晴空区风场的初步研究

云导风反演明显的局限是在晴空区无法获取风场。为克服这种局限,提出利用静止卫星红外图像资料反演晴空区风场的方法—时间序列差值法,利用LOWTRAN7对其进行可行性分析,并应用云导风实验系统CWIS进行晴空区导风实验。结果表明：实验结果与NCEP资料低空风场有很好的一致性。因此,在传统的“云导风”基础上,增加晴空区卫星导风,可为卫星遥感资料在台风、梅雨和强对流等天气系统分析预报中的定量应用提供更多的卫星风矢。     

FY-4A GIIRS高时间分辨率温湿度廓线反演及其在台风中的应用

针对2020年第9号台风"美莎克"期间FY-4A 高光谱红外干涉式大气垂直探测仪GIIRS每15 min一次的目标区跟踪加密观测资料,用三维卷积神经网络算法反演的全天空大气温度、湿度廓线分析了台风处于生命史不同阶段时暖心结构和湿度场结构的演变特征。结果表明:卷积神经网络的深度机器学习算法可以用来反演全天空的三维大气温度和湿度垂直廓线,不光适用范围广(晴空和有云视场)、反演精度高,而且反演速度快。利用静止卫星平台高时间分辨率的特性,反演得到的温度、湿度廓线可以细致追踪台风处于发展、成熟和登陆等阶段时暖心结构和湿度场的时空演变特征。台风从发展阶段(热带风暴和强热带风暴)到成熟阶段至登陆消亡时,暖心首先出现在对流层中高层较薄的区域,随着台风强度的加强,深厚的暖心结构明显、强度增加,水平面积增大且垂直往下延伸。由于对流云中强上升气流的输送水汽正距平区逐渐上传至300 hPa,台风最强时密闭云区与四周下沉气流区比湿差高到8 K·kg^-1。暖心结构和高湿度中心随着台风登陆而逐渐消失。     

静止轨道微波探测器视场偏差特征分析

现有的极轨微波仪器有着较强的穿云能力,空间分辨率较低,故目前而言,国内外鲜有针对微波探测器的视差分析研究,但若未来在静止轨道上搭载空间分辨率较高的静止轨道微波探测器,则微波视场内的视差问题不容忽视。针对未来发展的静止轨道卫星微波探测器,利用辐射传输模式CRTM模拟该类仪器的亮温,并分析其受视场内云影响所产生的视场偏差,结果表明空间分辨率越高,视差问题越明显;天顶角越大,云顶高度越高,视差越大。除此之外,以台风和高云的个例对实际情况中微波探测仪内视差误差进行了展示,说明静止轨道微波仪器尽管有较高的时间分辨率,但是因为视差的存在,仍然会对台风预警的准确性产生影响。      

中尺度强暴雨云团云特征的多种卫星资料综合分析

针对2002年6月23—27日发生于江淮地区的一次中尺度强暴雨过程，利用FY-1D，EOS和NOAA卫星的可见光、红外、微波通道遥感观测、反演资料，从相态、光学厚度、垂直结构等各方面分析云特征，并将分析结果与同时段地面雨量观测进行对比分析，发现云光学厚度大且云顶粒子为大粒子、冰相态是此次降雨过程中云团的主要云特征，地面雨量的大小与云光学厚度密切相关，两者间基本呈正相关关系；稳定少变的大光学厚度云或云光学厚度显著增大均可带来强的地面降水。微波资料可以很好地体现降雨云团的垂直结构。分析结果显示，卫星遥感对揭示中尺度强暴雨云团的云特征，具有很好的指示作用。     

基于多种底图的云检测

利用静止卫星红外和短波红外通道资料的特点,生成了红外亮温底图与红外减短波红外差异底图,并充分利用这几种底图的特性,结合时空相似性检测来进行云检测的校正,实现了用动态阈值技术进行云检测.分析表明,红外亮温底图对于中高云系的检测效果较好,差异底图对于中低云系的检测效果较好,通过时空不同性测试可以将误检为云的晴空重新识别出来.算法取得了较好的检测效果.     

FY-2A与GMS-5红外通道遥感数据的辐射定标

该文通过辐射传输模拟计算和匹配数据统计分析实现了FY-2A和GMS-5红外通道间的辐射定标.以辐射定标为基础将FY-2A红外通道和GMS-5红外A通道的遥感资料融合应用, 可以得到时间分辨率更高、空间视野更为广阔的静止卫星遥感资料.