新疆博湖地区大气向下红外辐射特性及其对云识别应用的研究

为加强新疆戈壁地区云的自动观测,利用辐射传输模式SBDART和新疆博湖地区历史气候资料,分析了当地大气向下红外辐射对大气影响因子的敏感性和利用全天空红外辐射进行云识别分类的可行性,并提出了一种基于典型云族红外阈值的云分类方法。结果表明：（1）水汽、云、天顶角、能见度等对中红外波段向下红外辐射值都有较大影响;（2）当能见度较差时,气溶胶对向下红外辐射的贡献不可忽略,并由于局地气溶胶辐射特性难以确定,因此是利用天空向下红外辐射进行云识别时的一个不确定因素;（3）根据8～14μm波段不同云族的辐射特性差异分析,阈值法是进行云识别和云族区分的有效方法。但该方法应用效果的好坏依赖于实测探空数据和历史气候数据的有效性及准确性。     

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。     

地基双波段测云系统及其对比试验

针对地基测云系统中云在可见光波段与红外波段中表现出的不同特性,用双站数字式云高仪所测云高进行标校,结合地面实时观测天顶红外辐射亮温及地面环境参数,分析地面到云层底大气对红外辐射亮温的影响,从中发现利用天空红外辐射亮温来遥感云底高度的可行性,研发地基双波段测云系统。该系统以对流层大气的垂直温度递减率为理论基础,建立云层底到地面的温度递减梯度参数K,根据递减梯度参数反演天顶方向的云高。该算法不依赖于探空数据,通过实时定标形式得出符合仪器所在地的云底高反演公式。通过与维萨拉激光云高仪CL31进行数据对比分析得出,地基双波段测云系统反演结果具有较高的准确性。     

地基可见光/红外全天空成像仪数据融合

采用60m基线的双站可见光成像仪和扫描式红外成像仪构建地基双波段全天空测云系统,双站可见光成像仪根据双站测距原理准确地获取云底高,通过全方位立体扫描获取全天空可见光云图,扫描式红外成像仪基于大气辐射传输原理测量云底亮温,反演云底高度,通过全方位立体扫描获取全天空红外云图。结合双站可见光成像仪测得云底高,对大气温度垂直递减率进行实时订正,提高扫描式红外成像仪反演云底高精度,达到双波段云底高数据融合目的;基于小波变换多分辨率分析的图像融合技术,对全天空可见光和红外云图进行图像融合,提高能见度低、以及雾、霾等天气条件下云量计算准确度;最终实现昼夜云高、云量同时观测。     

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FY-2E红外和水汽波段对强对流云团的识别和演变研究

使用FY-2E静止气象卫星的红外1(10.3~11.3μm)和水汽波段(6.3~7.6μm)时序图像,对强对流云进行识别和短时预测。亮温阈值法是将强对流云和其他高云区分开的常用方法,但是合适的亮温阈值是随着时间和空间而变化的,过高的阈值会将许多卷云包括进来,太低的阈值会排除掉云顶发展还不是很高的强对流云。水汽波段所在的位置是水汽的一个强吸收带,而高度在400 h Pa上下的大气层是水汽波段的一个强吸收层,大气在垂直方向上的对水汽波段辐射吸收的分布模式使得卫星接收到的水汽波段辐射主要来自于400 h Pa以上的大气中高层,而卫星接收到的红外波段辐射主要来自于大气中低层,两个波段间辐射来源的差异使得不同光学厚度的高云的辐射观测值在红外—水汽光谱空间中的分布具有明显差别,并且这种差异具有时空的稳定性。本文将一定范围内的云团的象元测值在红外—水汽光谱空间中的分布的拟合直线斜率作为强对流云识别的依据,结果表明相对于亮温阈值法,本文的识别方法不仅能够较好地区别卷云和强对流云,同时也能更有效地识别未达到旺盛阶段的对流云。在对强对流云进行识别后,根据相邻时间段的卫星图像,利用交叉相关法反演得到强对流云团顶部的位移矢量场,并根据后向轨迹法对强对流云团位置形状进行短时预测,预报结果在短时间内(0~1 h)较好,并且对面积较大的云团的预报效果要优于较小的对流云团。此外文中还利用逐半小时的云顶黑体温度(Temperature of Black Body,TBB)资料分析了云顶亮温的分布变化,得到了整个强对流过程的演变特征。     

气象卫星遥感热源点强度估算方法初探

所谓热源点强度指的是气象卫星观測的含有火点像元中亚像元火点面积大小和温度高低的程度。极轨气象卫星AVHRR辐射计具有中红外、热红外及近红外通道，而高温热源点（即火点，如林火、草原火等）在不同红外波段发射辐射率有较大差异。根据高温热源点在不同红外波段（中红外、热红外和近红外波段）的黑体辐射特性和AVHRR通道特点（波长、空间分辨率、亮温动态范围等），可以利用多个红外通道资料估算亚像元火点面积和温度。对于由中红外3.7μm通道和热红外11μm通道混合像元表达式建立的二元非线性方程组，可利用牛顿迭代法求解火点亚     

基于红外实时阈值的全天空云量观测

红外测温传感器在旋转平台控制下定时对全天空进行扫描,拼接全天空红外辐射亮温图像。利用天空中的云点与非云点在红外波段中表现出的不同特性,考虑不同仰角方向天空中云点与非云点的温度差异,结合地面环境参数,实时拟合天顶到水平区间内晴空时刻的温度阈值函数,利用阈值分割方式得出全天空云分布及云量信息。该方法可以有效减少地面环境参数及太阳光照对云图的影响,能够全天实时运行。将利用该方法获取的数据分别与人工观测数据及典型天气条件下可见光测云结果进行对比,结果表明该系统在云量观测方面具有一定的先进性和准确性。     

基于葵花8号新一代静止气象卫星的夜间雾识别

基于葵花8号新一代静止气象卫星的高时空分辨率多通道数据,利用3. 9μm与11. 2μm通道亮温差法(BTD3. 9～11. 2)和3. 9μm伪比辐射率法(ems3. 9)开展了中国地区夜间不同等级雾的识别,确定了各站点和网格点上对不同等级雾两种方法的参数最优阈值;并利用地面站点观测资料和CALIPSO星载激光雷达产品对陆地和海上雾的识别结果进行了验证。结果表明:(1)通道亮温差法和3. 9μm伪比辐射率法均可以较准确地识别出不同等级的雾,3. 9μm伪比辐射率法准确率略优;随能见度的下降,两种方法识别准确率都明显提升,虚警率明显下降。能见度小于50 m时,通道亮温差法(3. 9μm伪比辐射率法)识别雾的击中率HR、虚警率FAR和KSS评分分别为0. 89(0. 90)、0. 15(0. 15)和0. 74(0. 75)。(2)剔除云影响后,4个雾等级下两种方法对雾识别的HR和KSS评分均有明显提升,FAR均有明显下降。能见度小于1 000 m时,剔除云后通道亮温差法(3. 9μm伪比辐射率法)的HR由0. 71(0. 74)提高到0. 81(0. 85),FAR由0. 27(0. 28)降低到0. 12(0. 13),KSS评分由0. 44(0. 46)提高到0. 69(0. 72),KSS评分提高0. 23(0. 26)。(3) 3个个例分析表明,基于通道亮温差法、3. 9μm伪比辐射率法以及RGB合成图均可清晰识别出大部分雾区,雾区和非雾区的BTD_(3. 9～11. 2)(ems_(3. 9))差异明显,强浓雾区BTD_(3. 9～11. 2)(ems_(3. 9))约为-5℃(0. 75);基于葵花8卫星海雾的识别结果与CALIPSO星载激光雷达VFM反演产品一致。     

不同观测分辨率强台风云系的遥感特征

静止气象卫星的快速区域扫描是监测不同天气过程的有利手段。以获取的风云静止气象卫星快速区域扫描数据为基础,选取2011年台风梅花(1109)及2012年台风海葵(1211)的观测数据,采用Hovm(o|¨)ller分析图、变异系数等参数,研究不同时空分辨率观测数据对台风云系结构特征参数监测的敏感性影响。分析结果表明:可见光通道10 min观测时间间隔配以1.25 km空间分辨率可以很好地反映云系演变特征,在相同观测时间分辨率条件下,降低空间分辨率会对云系结构特征的提取有较大影响;在相同空间分辨率条件下,观测时间分辨率的降低对云系结构及演变特征的分析影响较小;基于变异系数的分析说明云像元特性在60 min的观测时间间隔下发生了较大变化,如果以60 min为观测时间间隔将会失去较多的云像元变化特征。水汽通道不同观测时间的变异系数差值小于红外通道1,说明云像元在红外通道1的特性演变对观测时间的敏感性高于水汽通道,提高观测频率可获取更多的云像元红外通道1的辐射特性。     

MODIS数据云相态反演在一次暴雪过程中的应用

该文选取新疆阿克苏地区2006年11月22—24日的EOS/MODIS卫星遥感资料,同时选取相关气象站的观测资料,应用三光谱云相态反演法,对阿克苏地区暴雪云团的变化过程进行了研究,通过三光谱亮温差点聚图对云相态变化的分析,清晰地展示出该天气系统的发生、发展到最终暴雪形成过程中的物理机制。反演结果与实际气象观测情况相一致;表明三光谱云相态反演法在理论和实际应用方面具有一定优势。     

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ERA5的快速辐射传输模式与FY-4A成像仪观测结果的偏差分析

2016年12月发射升空的FY-4A是中国第二代静止轨道气象卫星,该星上搭载了可提供东半球近实时高分辨率卫星观测数据的扫描辐射成像仪——AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager）。在其观测数据应用于大气参数反演或同化前,数据偏差的定量化分析是一个必要环节。采用快速辐射传输模式RTTOV（Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder）,基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5个全球再分析数据产品（ERA5）对AGRI的7个红外通道（通道08—14）进行了模拟,并利用MODIS云检测产品对模拟结果进行了晴空筛选,以期得到一些对AGRI的定量应用有价值的偏差分析结果。观测-模拟（O-B）的偏差分析结果显示:海洋和陆地上,通道10（7.1 μm）存在明显大于其他红外通道的系统性偏差,这很可能来源于ERA5在对流层中层对水汽的高估。通道08为近红外短波通道,地表反射作用影响强烈,陆地上存在较大的平均偏差,而海洋上平均偏差小于0.4 K。通道14在ERA5近地层气温偏高及定标偏差的影响下,海洋存在接近1 K的平均偏差;陆地上存在2 K左右的平均偏差。其余各红外通道在海洋和陆地上的平均偏差分别在0.6和1.3 K以下。偏差影响因子分析结果显示:地表海拔高度、观测天顶角对偏差也存在一定程度的影响;海洋上偏差分布存在季节变化可能来源于再分析资料中海表温度估算的季节性误差。      

Fog detection using geostationary satellite data: Temporally continuous algorithm

A fog detection algorithm that uses geostationary satellite data has been developed and tested. This algorithm focuses on continuous fog detection since temporal discontinuities, especially at dawn and dusk, are a major problem with current fog detection algorithms that use satellite imagery data. This is because the spectral radiance at 3.7 μm contains overlapping emissive and reflectance components. In order to determine the radiance at 3.7 μm under fog conditions, radiative transfer model simulations were performed. The results showed that the radiance at 3.7 μm obviously varies with the solar zenith angle, and the brightness temperature differences between 3.7 μm and 10.8 μm are completely dissimilar between day and night (positive and varying with the angle during the daytime, but negative and constant at night). In this algorithm, a dynamic threshold is used as a function of the solar zenith angle. Moreover, additional criteria such as infrared, split-window channels, and a water vapor channel are used to remove high-level clouds. Also, the visible reflectance (0.67 μm) channel is used in the daytime algorithm because visible channel images are very practical for confirming a fog area with the high reflectivity and the smooth texture. The clear-sky visible reflectance for the previous 15 days was also employed to eliminate the surface effect that appeared during dawn and dusk. As the results, fog areas were estimated continuously, allowing the lifecycle of the fog system, from its development to decline, to appear obviously in the resulting images. Moreover, the estimated fog areas matched well with surface observations, except in a high latitude region that was covered by thin cirrus clouds.     

利用地面遥感仪器对土壤水分的监测试验

在陇东黄土高原对西峰农业气象试验站内的裸地、生长茂盛的小麦、玉米地、草地4类地物进行了CE312热红外辐射计及CE313可见光、近红外辐射计的同步观测和土壤水分的实测,试验观测数据的初步分析结果表明:热红外辐射计各通道的亮温变化与土壤水分的变化呈非线性相关,由于影响各地物亮温的因素较为复杂,主要表现为对裸地的监测效果较好,在有植被覆盖的情况下关系不明显。此外通过比较各地物亮温与植被指数发现二者有较好相关性。实践证明,利用地面遥感监测土壤水分从理论上是可行的,可进一步通过亮温和植被指数来建立试验区的土壤水分监测模型。     

气象卫星亚像元火点面积和亮温估算方法

该文给出了利用极轨气象卫星AVHRR多个红外通道资料在不同火点强度条件下估算亚像元火点面积和温度的方法，包括利用牛顿迭代法求解不同红外波段（如:中红外3.7 μm通道和热红外11 μm通道，或短波红外1.6 μm通道和热红外11 μm通道）混合像元表达式建立的二元非线性方程组, 得到亚像元火点面积和温度；通过建立亚像元火点面积和温度与11 μm混合像元亮温增量和11 μm与12 μm混合像元亮温增量差异的关系，以查表方式获得对于相同红外波段不同通道（如11 μm和12 μm通道）亚像元火点面积和温度估算值。