利用IGRA2探空数据和COSMIC掩星资料对FY-3C掩星中性大气产品进行质量分析

根据IGRA2无线电探空数据和气象、电离层和气候卫星联合观测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate, COSMIC)掩星资料,对2015—2017年包含折射率、温度和比湿廓线在内的FY-3C掩星中性大气产品进行质量分析。结果表明:FY-3C掩星折射率廓线25 km以下整体无系统偏差,相对偏差标准差≤5%;温度廓线存在系统负偏差,标准差≥1.5 K;比湿廓线越趋地表质量越低,5 km下标准差≤1.2 g/kg。总体而言,FY-3C掩星数据质量较好,在2015—2017年间逐年提高,但在近地面和25km以上有待进一步提高。对2017年产品的进一步分析表明:就季节而言,折射率廓线和温度廓线质量均在冬季最差,比湿廓线质量在夏季最差;就纬度带而言,折射率廓线在低纬度带质量最差,温度廓线质量的分纬度带比较结果在不同高度范围存在差异,比湿廓线在低纬度带质量明显低于中高纬度带;此外,FY-3C掩星大气产品数据质量随昼夜和海陆变化也存在一定差异。     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

FY-3C无线电掩星折射率廓线的反演及验证

2013年,中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)无线电掩星观测的气象卫星FY-3C,其掩星数据产品已由国家卫星气象中心(national satellite meteorological center,NSMC)发布.基于FY-3C附加相位...     

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C（Fengyun-3C,FY3C）和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS（global positioning system）掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。     

FY-3C VIRR大气可降水产品生成和检验

风云三号C星(FY-3C)可见光红外扫描辐射计(VIRR)两个红外分裂窗通道数据生成的晴空大气可降水(TPW)产品已投入业务使用。本文介绍了该产品的生成方法,并从产品精度和稳定性两个方面评价产品质量。与MODIS Terra TPW的月平均数据对比,FY-3C VIRR TPW能正确反应大气可降水的全球分布。与2015年3月—4月的全球探空数据对比,FY-3C VIRR TPW均方根误差为5.36 mm,相对误差在水汽值大于30 mm时在20%以内,并且夜间产品精度优于白天。相比于MODIS红外TPW产品与探空数据的误差,FY-3C TPW精度略好。计算2015年1月至2016年7月FY-3C VIRR TPW产品相对探空数据的月均方根误差,19个月均方根误差的标准差是0.54 mm,小于同期MODIS Terra TPW均方根误差的标准差,说明FY-3C VIRR TPW产品在检验时期内更稳定。FY-3C VIRR TPW产品精度较高且质量稳定,具备广泛应用能力。     

山基GPS掩星反演大气对流层折射率系统组成及其程序实现

山基GPS掩星技术因具有较强的实用功能成为目前反演大气研究的热点。结合雾灵山山基GPS掩星试验数据,研究了山基反演大气折射率的主要组成部分,并详细介绍了几个模块的实现过程,最后用程序解算了一段掩星数据。     

利用COSMIC/GPS掩星干温及干压资料探测对流层顶的高度

从COSMIC/GPS无线掩星的折射率产品中分离出大气干温度和干压强。通过计算干温度随干压强变化的递减率(DTLR)来探测对流层顶的高度。选取2013年第346 d中58次掩星事件进行试算,并将DTLR试验结果同CPT(Cold Point Temperature)法和WMO(World Meteorological Organization)法确定的对流层顶以及无线探空产品和Era-Interim产品估算的对流层顶进行了比较和统计。验证结果表明,利用COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星干温度产品递减率变化探测对流层顶是可行的。     

利用COSMIC掩星折射指数分析全球大气边界层顶结构变化

基于小波协方差变换法,由折射指数廓线确定大气边界层顶高度,利用2007至2012年气候星座观测系统（Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate,COSMIC）掩星折射指数廓线分析全球大气边界层顶参数随地理位置、季节和日变化的特征,结果表明全球大气边界层顶结构受热力因素和大气动力因素的影响,具有明显随经纬度变化的特征。在大气动力因素主要影响下,30°S~30°N范围内陆域比海域的季节变化幅度更强。对全球大气边界层顶高度月均值和去季节性变化距平值的分析表明2008年和2011年大气边界层顶高度出现季节性异常。大气边界层顶气压与高度在全球呈负相关,而温度与高度在南北纬40°~90°呈正相关,30°S~30°N呈负相关。2012年全球大气边界层顶高度日变化幅度均值为0.37 km,同纬度海洋与陆地区域年平均边界层顶高度的日变化有一定相关性。     

风云三号卫星被动微波反演海洋上空云液态水含量

云液态水含量是气候和水循环研究的重要云微物理参数，也是目前气候变化研究中的最不确定因素之一。通过极轨气象卫星被动微波观测的光谱和极化特征能够实现对云液态水含量的直接测量，本文介绍了一种基于风云三号卫星微波成像仪（MWRI）观测亮温的全天候云液态水含量反演算法，利用快速辐射传输模式、云模型和大气廓线库建立MWRI模拟亮温库并训练反演系数的宽气候态物理算法可以保证算法系数在不同季节和不同地区的适应性。同时提出了一种基于观测增量（O-B）筛选晴空像元并对算法系数及比例因子进行订正的方法。利用统计直方图方法和卫星间交叉比对方法对反演产品精度进行了检验，统计直方图方法检验结果表明，FY-3C云水反演误差为0.028 mm，FY-3D为0.025 mm，与国外同类产品的精度相当；与低轨卫星微波辐射计GMI云水产品的交叉比对结果表明，两者具有较高一致性，均方根误差为0.0325 mm。FY-3C/3D CLW产品目前已经投入业务应用，上下午星组网能够一天内基本覆盖全球，实现全球云水分布监测。     

利用COSMIC掩星资料计算平流层大气风场方法分析

利用大气压强、温度、密度等与风场之间的关系,通过大气折射指数、高度及温度数据均可以推算出大气风场,选用2007年1、4、7和10月COSMIC掩星观测的压强和折射率、高度、温度等月平均数据,构建了三种推算大气风场的方法。从风场的纬度高度分布、经度纬度分布及纬圈平均纬向风在不同季节的特性等方面,将计算结果与ECMWF ERA-interim再分析风场结果进行对比,发现计算结果与模式风场基本一致,能够反映出中高纬度大气风场的变化规律,偏差随高度的增高而逐渐增大,1hPa等压面以下偏差在10m/s以内。采用不同掩星数据推算出的大气风场之间的彼此差别很小,折射率与温度资料推算的大气风场几乎相同,高度数据推算出的风场相对前两者偏差稍大,但一般不超过2m/s。     

Estimation of regional evapotranspiration over the North China Plain using geostationary satellite data

Data from the first operational Chinese geostationary satellite Fengyun-2C (FY-2C) satellite are applied in combination with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) satellite products for the assessment of regional evapotranspiration over the North China Plain. The approach is based on the improved triangle method, where the temperature–vegetation index space includes thermal inertia. Two thermal infrared channels from FY-2C are used to estimate surface temperature (Ts) based on a split window algorithm originally proposed for the MSG-SEVIRI sensor. Subsequently the high temporal resolution of FY-2C data is exploited to give the morning rise in Ts. Combined with the 16 days composite MODIS vegetation indices product (MOD13) at a spatial resolution of 5 km, evaporative fraction (EF) is estimated by interpolation in the ΔTs–NDVI triangular-shaped scatter space. Finally, regional actual evapotranspiration (ET) is derived from the evaporative fraction and available energy estimated from MODIS surface albedo products MCD43. Spatial variations of estimated surface variables (Ts, EF and ET) corresponded well to land cover patterns and farmland management practices. Estimated ET and EF also compared well to lysimeter data collected for the period June 2005–September 2007. The improved triangle method was also applied to MODIS products for comparison. Estimates based on FY-2C products proved to provide slightly better results than those based on MODIS products. The consistency of the estimated spatial variation with other spatial data supports the use of FY-2C data for ET estimation using the improved triangle method. Of particular value is the high temporal frequency of image acquisitions from FY-2C which improves the likelihood of obtaining cloud free image acquisitions as compared to polar orbiting sensors like MODIS.     

风云三号C星SEM高能粒子数据检验及应用

风云三号C星(FY-3C卫星)空间环境监测器(SEM)可监测轨道高度上的高能带电粒子(质子、电子和重离子)辐射环境及其引起的辐射剂量和表面充电等空间天气效应,是空间天气监测预警业务不可或缺的自主数据源之一。为验证FY-3C卫星高能粒子探测数据的有效性,需开展数据的定量检验工作。本文采用与同类卫星同类数据进行交叉比对的方式来进行检验。首先,根据一定的假设条件,对比对数据进行归一化处理,尽量消除不同卫星间观测时间、空间(星下点经、纬度和高度)、方向和能量范围等差异对高能粒子分布的影响,然后进行比对,最后计算比对数据间的相关系数、斜率和标准偏差等统计参数,并据此评价比对数据的一致性。通过空间天气平静期高能质子和高能电子与NOAA-18和FY-3B卫星数据的交叉比对可以看出,FY-3C卫星高能粒子数据与比对卫星数据具有较好的一致性。由于工作原理和技术指标相同,FY-3C与FY-3B卫星高能粒子数据的一致性更好,也证明了载荷技术状态的稳定性。通过对太阳质子事件和高能电子暴的观测实例证明,FY-3C卫星高能粒子数据能够准确地反映空间天气扰动事件的特征和强度。以上结果表明,FY-3C卫星高能粒子数据可信度较高,能够用于空间天气监测、预警以及研究工作。     

Snow Cover Monitoring in Qinghai-Tibetan Plateau Based on Chinese Fengyun-3/VIRR Data

Snow cover monitoring in the Qinghai-Tibetan Plateau is very important to global climate change research. Because of the geographic distribution of ground meteorological stations in Qinghai-Tibetan Plateau is too sparse, satellite remote sensing became the only choice for snow cover monitoring in Qinghai-Tibetan Plateau. In this paper, multi-channel data from Visible and Infrared Radiometer (VIRR) on Chinese polar orbiting meteorological satellites Fengyun-3(FY-3) are utilized for snow cover monitoring, in this work, the distribution of snow cover is extracted from the normalized difference snow index(NDSI), and the multi-channel threshold from the brightness temperature difference in infrared channels. Then, the monitoring results of FY-3A and FY-3B are combined to generate the daily composited snow cover product. Finally, the snow cover products from MODIS and FY-3 are both verified by snow depth of meteorological station observations, result shows that the FY-3 products and MODIS products are basically consistent, the overall accuracy of FY-3 products is higher than MODIS products by nearly 1 %. And the cloud coverage rate of FY-3 products is less than MODIS by 2.64 %. This work indicates that FY-3/VIRR data can be reliable data sources for monitoring snow cover in the Qinghai-Tibetan Plateau.     

FY-2C云分类资料估算日照百分率

日照百分率是地球辐射研究、太阳能资源评估等工作中使用的一个重要指标量。为探讨FY-2C静止气象卫星资料估算日照百分率的可能性,以江西省为例,采用了FY-2C静止气象卫星2007年整年白天逐小时云检测资料和同期江西省87个国家气象站逐小时日照时数资料,建立了北京时间8:00-17:00逐时多元线性回归和权重系数两种估算模型,估算得到了覆盖江西省范围的5 km空间分辨率的逐时日照百分率格点资料。另外,用反距离加权(IDW)和克里金法(Kriging)模型对全省8:00-17:00逐时的日照百分率进行5 km分辨率空间插值,以进行多种方法对比分析。将各模型的估算结果与未参与模型构建的17站实测资料进行对比分析后发现,基于FY-2C云检测资料的两种估算模型的平均绝对误差(MAE)和相对误差均比IDW和Kriging的小50%以上,且其均方根误差(RMSIE)均明显小于后两者,误差离散性亦更小。基于FY-2C云检测资料的日照百分率的两个估算模型中多元回归模型的平均绝对误差(MAE)为3.40%,平均相对误差为8.62%,略小于权重系数模型的3.47%和8.75%,两者的均方根误差(RMSIE)则相差无几,误差空间分布也较为一致;各时次两种模型的估算值多大于实测值,仅17:00的估算结果小于实测值,8:00和17:00的MAE、RMSIE、相对误差均明显大于其他时次。对试验结果进行综合分析得出结论:基于FY-2C云检测资料的两种日照百分率估算模型均明显优于传统的IDW和Kriging方法;就2007年资料而言,多元回归模型优于权重系数模型。     

闪电河流域农牧交错带微波遥感土壤水分产品评价

空间网格分辨率为9 km的SMAP (Soil Moisture Active and Passive)、0.1D (Degree)的ASCAT (The Advanced Scatterometer)、 25 km的FY-3B以及25 km ESA-CCI (European Space Agency-Climate Change Initiative)是较为广泛应用的卫星遥感土壤水分产品,对数据质量的评价是进一步应用于旱情监测、蒸散发估算等研究的前提。本研究基于2018年9月在闪电河流域内蒙古农牧交错带区域开展的碳、水循环与能量平衡遥感综合试验,采用近似同步的两种尺度观测数据即点尺度地面实测土壤水分数据以及面尺度(1 km×1 km)机载土壤水分数据,利用RMSE (Root Mean Square Error), MAE (Mean Absolute Error),R (Correlation Coefficient),Bias以及ubRMSE (unbiased Root Mean Square Error)等评价指标分别对SMAP, ASCAT, FY-3B, ESA-CCI土壤水分卫星遥感产品进行了评价。本研究利用机载土壤水分数据作为桥梁,实现了从点尺度地面实测土壤水分数据、至面尺度(1 km×1 km)机载土壤水分数据、再至粗格网面尺度(9 km×9 km、0.1 D×0.1 D、25 km×25 km)卫星遥感土壤水分产品的对比分析过程。利用地面观测值对机载观测土壤水分开展评价分析,发现在裸土区域,机载土壤水分数据与地面实测数据较为一致,RMSE, MAE, Bias, ubRMSE以及R值分别为0.033 cm~3/cm~3,0.030 cm~3/cm~3,-0.004 cm~3/cm~3, 0.033 cm~3/cm~3, 0.474。对卫星土壤水分产品的评价结果显示,SMAP的9 km土壤水分卫星产品与地面观测更为一致,其RMSE,MAE,Bias,ub RMSE以及R值分别为0.037 cm~3/cm~3,0.032 cm~3/cm~3,-0.008 cm~3/cm~3, 0.036 cm~3/cm~3, 0.507。SMAP, ASCAT, FY-3B以及ESA-CCI与机载土壤水分数据有更高的相关性,R值分别为0.735, 0.558, 0.558, 0.575。综上,闪电河流域实验区内的4种卫星遥感土壤水分产品中,SMAP产品与地面土壤水分、机载土壤水分数据均较为一致,其次是FY-3B与ESA-CCI。     

基于地球静止气象卫星的地表参数遥感研究进展

地表参数定量遥感反演是遥感科学研究的重要环节.21世纪以来,地球静止气象卫星数据在地表参数遥感反演中受到越来越多的重视.本文对利用地球静止气象卫星进行地表参数遥感反演研究的进展进行了综述.文章首先简单介绍了当前正在运行的欧盟Meteosat、美国GOES-R、日本葵花和中国风云静止卫星系统,随后详细总结了不同卫星系统估...     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。