一次锋面气旋云系中强对流云团的识别

利用NOAA-16/AMSU-B微波亮温资料和GOES-9光学遥感资料对2004年6月16日一次锋面气旋云系中的强对流云团进行识别, 尝试了NOAA-16/AM SU-B微波两窗区通道亮温、3个微波水汽通道间亮温差, GOES-9红外亮温阈值、水汽和红外通道亮温差、红外和水汽通道亮温多光谱逐个修改聚类等方法, 通过比较各种方法的识别结果, 分析各种识别技术的特点, 同时采用地面常规观测资料进行叠加, 对识别方法进行了验证。结果表明:微波对强对流云团均能较好识别, 但89 GHz通道亮温受地表影响较大, 不能很好剔除过冷水体, 150 GHz通道亮温与微波水汽通道间亮温差的识别结果较一致, 3个微波水汽通道间亮温差对阈值的依赖性相对较小; GOES-9红外亮温阈值因其随时空变化对识别结果会造成较大差别, 而水汽和红外通道亮温差对强对流云团能进行较好定位, 但识别范围较小, 多光谱逐个修改聚类方法对积雨云的识别效果较好, 且和NOAA-16/AMSU-B识别结果有较好的对应关系; 地面常规观测资料的叠加结果也说明, 多波段遥感资料对强对流云团的识别结果与当时的天气现象及积雨云状均有较好的对应关系。     

TRMM/TMI资料在热带气旋强度估计中的应用研究

利用2007—2009年热带降雨测量卫星（TRMM）的微波成像仪（TMI）观测到的亮温资料,计算9个通道（10、19、37、85 GHz的水平和垂直极化通道及21 GHz的垂直极化通道）的亮温和极化修正温度（PCT）在不同范围内的最大值、最小值、平均值和区域阈值与热带气旋强度之间的关系。结果表明：亮温信息可较好地反映热带气旋的强度,单个参数与热带气旋最大风速的相关性最好可达到0.83,线性拟合的均方根误差接近业务误差;低频通道的亮温相对于高频通道可更好地估计海上热带气旋强度;位于台风中心0.5°～1.5°度范围之间的亮温与气旋强度的相关性较好,圆形区域的相关性好于圆环区域;对于位于海上的热带气旋,区域亮温的最小值与热带气旋强度的关系最好;低频通道（除10 GHz外）,阈值位于260～280 K区间的亮温与热带气旋强度的相关性较好。     

基于FY-4A的一种自适应阈值对流云提取算法

以台风"利奇马"带来的强对流天气过程为例，利用FY-4A气象卫星先进静止轨道辐射成像仪的水汽与红外窗区通道亮温数据，对照全国气象雷达组合反射率拼图数据中反射率因子大于35 dBZ的对流云区域，设计了一种自适应阈值对流云提取算法。结果表明：（1）FY-4A气象卫星使用水汽—红外窗区亮温差法提取对流云，其最佳阈值为-2 K，使用该阈值可最大程度地减少卷云噪声干扰，同时可最大化提取对流云的准确率与识别率。（2）该算法通过控制水汽—红外窗区亮温差大于-2 K区域所占云团面积比使其大于80％提取较为完整的对流云，且可进一步过滤卷云等噪声。自适应阈值对流云提取算法原理清晰，操作简单，具有良好的拓展性，可为强对流天气的短临预报等研究提供参考。     

台风"杜鹃"的AMSU卫星微波探测资料分析

由于微波具有穿透云的能力,AMSU卫星探测资料得到了越来越广泛的应用。利用AMSU多个通道的资料,对2003年台风“杜鹃”过程进行了分析。通过比较AMSU-B（89GHz和150GHz）与GOES-9的台风结构图像可以发现微波具有较强的垂直探测能力;在AMSU-B的5个通道中,通道2（Ch2）亮温值的大小能够最好地反映热带气旋螺旋雨带冰晶层的深厚程度,从而判定螺旋雨带的强度;Ch2的亮温分布与雷达的强降水回波有较好的对应关系;利用AMSU-A温度反演资料能够清晰地揭示热带气旋的暖心结构、地面风速和中心气压与250hPa温度距平的关系,以及强降水的落区等。结果表明：AMSU资料作为一种新的卫星微波探测资料,在热带气旋的结构、螺旋雨带的强度及其降水强度的分析预报中具有一定的应用价值。     

我国东南沿海FY-2C卫星图像上多光谱云分析技术

为了对我国东南沿海地区的云类型/下垫面进行客观定量检测,从云的光学特性出发,利用卫星图像上各种云型/下垫面呈现出的光谱特征,结合白天正午样本集,分析云的光谱特征差异,提出一种利用通道亮温和通道间亮温差及反照率等,识别发展较强的对流云、高中低混合多层云、中低层水云、薄高云和晴空的方法。通过样本采集、绘制散点图、检测试验,建立FY-2C云类型/下垫面识别流程,给出白天及夜间适合的检测判据。结果表明:强对流云团的光谱特征最显著,其判别相对简单,采用单通道或通道间亮温差即可获得较好的判别效果,但也存在对密实卷云错判的情形;与天气过程相联系的高中低混合多层云光谱特征也比较明显,较易识别,但高中低混合多层云和厚卷云以及发展较强的对流云光谱特征存在相似之处,在一些云层边界或交界处还是存在一些错判;暖水云和薄卷云的判识对可见光通道依赖性较强。经过多光谱云分析,可间接确定云相态,并可为其它云参数（云顶高、光学厚度及有效粒子半径等）的反演提供有利信息。      

基于红外窗区与水汽通道对流云团识别方法研究

卫星观测与辐射传输分析证明,对流云团红外水汽与窗区亮温差(brightness temperature difference,BTD)具有显著特征,利用对流云团BTD红外亮温特征可以识别对流云团。基于对流云团BTD特征建立的全球对流识别系统(global convection diagnostic,GCD)算法通过设立一个BTD单阈值检测对流云团的有无,但是它不能进一步量化对流云团强度。本文利用FY-2GVISSR红外观测数据与CINRAD CAR(CAPPI of reflectivity)雷达观测数据进行对比研究,结果表明:BTD/CAR具有较好线性正相关关系;BTD不仅可以用于识别对流云团的存在,还可以进一步量化对流云团强度;BTD作为对流云团识别因子优于IRW(infrared window)亮温法。基于BTD/CAR相关关系可以实现基于静止卫星红外水汽和窗区观测的对流云团识别与定强。     

“5·6”四川盆地对流云团特征及触发机制

利用FY-2卫星资料、NCEP再分析资料和常规观测资料,分析研究了2016年5月6日四川盆地暴雨对流云团的特征及其形成机制。结果表明:四川盆地对流云团易发生在青藏高原东侧边坡陡峭地形带,初生对流云团的云顶亮温低于-45℃,边缘最大温度梯度为15~20℃,水汽-红外通道亮温差值介于-5~0℃,分裂窗-红外亮温差值介于0~2℃。强降水出现在红外和水汽亮温快速下降到最低值、水汽-红外通道差值达0℃附近、分裂窗-红外亮温差为正值和温度梯度达0℃后的几小时内,最大雨强出现在强对流云团成熟后开始迅速减弱的初始阶段(即云顶亮温开始回升的阶段)。较大范围的强降水由发展成熟的云顶最低亮温约为-70℃的对流云团产生,主要出现在红外亮温低于-50℃的区域,集中在红外亮温-65℃~-60℃、水汽亮温为-65℃~-60℃的云顶较为平滑的次低值中心区域内,并不与云顶最低亮温中心相吻合。机制分析表明,对流云团生成区域均受偏东风影响,且形成于高的对流不稳定能量条件下,发展于高湿区,近地层冷空气扩散南下与气旋式流场中的辐合共同触发对流在辐合线以北生成,而中层垂直风切变的加强、中低层暖平流和高层冷平流的发展促使对流云团发展旺盛。     

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.     

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。     

基于FY-3C/MWTS-II数据估计西北太平洋热带气旋强度

文章利用FY-3C新型微波温度计(MWTS-Ⅱ)数据估计发生在西北太平洋的热带气旋强度。首先对与热带气旋最强暖核位置相重合的通道5~8进行临边订正,取得了较好的效果,订正偏差均小于各通道的探测灵敏度;之后利用热带气旋微波亮温距平分布分析了热带气旋在对流层中、上层的增暖特征,发现热带气旋中心的增暖强度、形状特征与热带气旋的强度相关,强度较强的气旋中心增温较强,其暖核结构清楚而完整;最后利用通道6和通道7最强亮温距平中的最大值建立了热带气旋强度估计模型,独立样本检验的标准偏差为13.0 hPa,进行扫描角度修正后的标准偏差为12.0 hPa,引入纬度因子后的标准偏差为11.1 hPa,估计精度得到一定程度的改善。     

2018年登陆热带气旋“温比亚”影响中国黄淮中部强降雨分析

利用中国气象局上海台风研究所热带气旋最佳路径数据、MICAPS常规资料、NCEP 1°×1°再分析资料和FY-2G相当黑体亮温资料,分析2018年8月17日02时至19日14时因登陆热带气旋“温比亚”影响中国黄淮中部连续2 d多的暴雨成因。结果表明：中国黄淮中部短时强降雨站次多、强度大,除了对流云的前或后边界、“列车效应”、核心区与它们之间的合并能导致短时强降雨之外,非对流云也可导致强降雨。17日黄淮中部及以南,暴雨偏在“温比亚”移动路径右侧,中层倒槽偏在低层倒槽西侧有利于触发黄淮中部强降雨。18日暴雨主要中尺度影响系统为“温比亚”北侧中、低层倒槽和偏东风急流,以及热带气旋本体环流和弱冷空气。水汽925 hPa辐合、400 hPa辐散加大,中低层温湿能量增加,是黄淮中部暴雨增幅的原因,风的垂直切变加大对强降雨具有较好的指示作用。18日20时开始渤海北岸西南风高空急流形成,低层倒槽东侧偏南气流加强北上,高、低空环流耦合导致山东北部等地暴雨发展,黄淮中部降雨则明显减弱。     

西南低涡对流云团及其降水的一些特征

基于FY-2C静止卫星红外和水汽通道资料,简单分析了发生在四川盆地的西南低涡暴雨云团生消过程,给出了一些有意义的云团生命特征。同时,结合相应的地面自动站降水资料,详细分析了卫星红外和水汽通道云顶亮温与对流云团降水之间的关系特征,结果表明:对于一完整对流降水过程,1小时内最低水汽亮温和水汽亮温增量能很好地描述地面1小时累计降水特征。然而,用静止卫星红外或水汽通道亮温来表征的云团降水特征是非常复杂的。尽管具有相同的最低云顶红外或水汽亮温,但对不同的对流过程其总体降水量级趋势不一样。而且,对于同一对流过程的不同发展阶段,即使出现云顶红外或水汽亮温一样,但其地面降水特征也是不一致的。甚至是对于同一时刻具有相同最低红外或最低水汽亮温特征的云,其降水落区与量级都不尽相同。正是这些复杂的降水特征,使得西南低涡对流云团的降水估算具有很大的难度。      

气象卫星资料在估测热带气旋强度方向的应用进展

在常规观测资料稀少的热带洋面上,气象卫星是监测热带气旋的主要工具.基于可见光和红外的Dvorak技术通过一系列经验规则,将热带气旋在卫星云图中表现出来的云系结构特征及特定的参数同其发展强度联系起来,但它无法得到气旋内部辐射信息.相对而言,波长较长的微波能穿透热带气旋中高层云系,反映出与热带气旋强度相关的暖核辐射信息.介绍了国内外利用Dvorak技术和星载微波技术估测热带气旋强度的研究进展,指出它们在应用中存在的优势和不足,同时展望了该领域在未来的发展方向.     

半透明云风矢量高度算法中云下背景辐射的估计

半透明云风矢量高度指定是卫星风矢量算法的重要部分,需要来自半透明云体的辐射和云下背景辐射两个变量。云下背景辐射发生在云层下面,未被卫星直接观测到,为了在半透明云风矢量高度指定算法中更精确地获得云下背景辐射,使用风矢量附近无云区的红外/水汽散点图,估计云下背景辐射。分析表明:在追踪区域里存在无云区的情况下,追踪区的最高红外亮温可代表红外通道的背景辐射;而水汽通道的背景辐射,却在红外亮温高值区段内水汽亮温相对较低区段。追踪区内找不到无云区时应扩大搜索范围,找到无云区后可估计云下背景辐射。在半透明云风矢量高度指定算法中使用云下背景辐射估计的改进算法前后,计算FY-2气象卫星进行风矢量,并将结果与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）分析场进行对比表明,在半透明风矢量高度指定算法中使用云下背景辐射估计,FY-2气象卫星风矢量误差明显降低。     

基于卫星遥感的热带气旋定强技术综述

热带气旋大部分时间活动在常规观测缺乏的海洋上,卫星遥感作为大范围对地观测的主要技术,为热带气旋强度估算(定强)提供了重要支撑。近年来,热带气旋定强技术的资料应用逐渐从单通道数据拓展到红外、水汽、微波等多通道数据,建模方法也从人为特征提取的线性模型发展到自动特征工程的非线性深度学习模型。在未来,多通道和多卫星资料的融合应用依旧是重点,将人为定义的特征因子与深度学习方法相结合、在静止卫星上搭载微波探测仪器等预计会带来定强精度的新突破。      

APPLICATIONS OF THE CLOUDSAT TROPICAL CYCLONE PRODUCT IN ANALYZING THE VERTICAL STRUCTURE OF TROPICAL CYCLONES OVER THE WESTERN PACIFIC

Cloud profiling radar (CPR) onboard CloudSat allows for deep penetration into dense clouds/precipitation. In this study, tropical cyclones (TCs) are classified into three stages as developing, mature, and decaying. The circular TC area with the radius of 500 km is divided into five regions. The vertical structure characteristics of 94 Western Pacific TCs at different stages in different regions from June 2006 to February 2014 are statistically quantified using the CloudSat tropical cyclone overpass product (the CSTC Product). Contoured frequency by altitude diagrams (CFADs) of radar reflectivity show an arc-like feature and exhibit opposite distributions with a boundary at 5 km. Bright bands are found at this altitude, indicating melting layers. Deep convective (DC) clouds have the largest occurrence probability in the inner region, while Ci clouds occur more frequently in the outer region at 10-15 km. As clouds have the second largest vertical scale after DC clouds. Distributions of Ac, Cu, and Ns clouds at different stages have few distinctions. As the altitude increases, the ice effective radius and the distribution width parameter decrease while the particle number concentration increases. Moist static energy (MSE), cloud thickness (CT), liquid water path (LWP), ice water path (IWP), water vapor (WV), and rain rate (RR) all diminish along the radial direction and are significantly larger at the mature stage. The average value of MSE at the developing stage is larger than that at the decaying stage.     

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。     

Subpixel fractional cloud cover and inhomogeneity effects on microwave beam-filling error

Using synthetic geometrical clouds and radiative microwave model, we examine the possibility to correct the estimations of liquid water path (LWP) or rain rate with cloud cover measurement. This information may be gotten by co-localized measurements of microwave and infrared/visible measurements on new satellites (TRMM, ADEOS 2, …). In a first step, the effects of fractional cloud cover on microwave brightness temperatures (TB) are investigated in three typical cases of nonprecipitating and precipitating (stratiform and convective) clouds. The beam-filling error (BFE) on brightness temperatures may be analyzed with the known spatial variability using 1D or 3D radiative transfer model. Relationships between BFE and subpixel cloud fraction (CF) are discussed according to the cloud type. We tested several parameters that characterize the horizontal cloud inhomogeneity within a radiometer field of view. BFE was found very sensitive to cloud type and inhomogeneity and is maximum for raining cloud with open spatial structure. In order to account for the uncertainty introduced by the spatial distribution, dependence of BFE on textural-based parameters is also discussed using homogeneity, entropy and an indicator of CF horizontal gradient.     

Passive microwave and infrared structure of mesoscale convective systems

Summary The precipitation structure of mature Mesoscale Convective Systems (MCS) is examined in both the midlatitudes and the tropics using SSM/I microwave measurements, geostationary satellite observations, and ground-based radar observations. Discussion includes qualitative comparisons between midlatitude and tropical MCS cases, with particular emphasis on the delineation of convective and stratiform regions and the characterization of microwave polarization difference temperatures in the MCSs. Implications are given regarding the importance of the vertical precipitation structure on top of the atmosphere (TOA) microwave temperatures and for rain retrieval algorithms using measurements from space.Some of the principle findings include the ability of passive microwave brightness temperature measurements to distinguish stratiform and convective regions of MCSs for both tropical and midlatitude cases and over land and ocean backgrounds. Convective regions typically had low differences between the vertical and horizontal brightness temperatures while the stratiform regions have larger differences, and these differences are likely related to the spatial microphysical variations in the upper levels of the precipitation region. Several cases were found in midlatitudes and one case in the tropics where the lowest infrared (IR) brightness temperatures were displaced into the anvil region and were not colocated with the coldest microwave temperatures. Life cycle dependence of the displacement is suggested, but the SSM/I measurements with a maximum of twice daily coverage over the same location were inadequate to answer this question.With 10 Figures