地球同步卫星资料的一种云地分离综合处理技术

利用多通道地球同步卫星资料,采用多通道阈值、基于晴空合成底图和云图时间序列的阈值和相似检测、有限区域动态阈值检测等方法,运用分步决策思路,对(60°S～60°N、45～165°E)区域内卫星云图分中高云和低云进行云地分离综合处理。经人工判断与自动云地分离结果对比分析表明,准确率达到90%以上。分析表明,考虑云和地(海)表在不同通道的亮温差异和随时间演变特点,建立并运用多种云地分离方法,有利于云地分离信息量的增加;提出的考虑云系分布时变特性的相似检测法,以及从有云和无云两个角度优先选择高可信度方法逐步检测,有利于云地分离准确率的提高。     

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。     

三维云场分布诊断方法的研究

利用2007-2008年Cloudsat云检测产品与ECMWF再分析资料的相对湿度进行统计分析,得出了中国云内外相对湿度判别阈值及其随高度的变化,提出了基于再分析资料的三维云场分布诊断方法,应用于实例三维云场诊断,并与卫星、雷达、地面云降水观测等资料进行了对比分析,得到的主要结论有:(1)Cloudsat云判别有效值20的云区位置与Cloudsat辅助产品给出的ECWMF再分析资料的相对湿度高值区有较好的时空对应;(2)不同高度范围的云内相对湿度都呈单峰型分布,峰值在相对湿度100%附近,晴空相对湿度受当地大气环境影响,各地各高度都有差别;(3)通过相对湿度对云区和晴空的TS评分测试,得出了诊断云区的相对湿度阈值及其垂直分布;(4)利用NCEP再分析资料对中国三维云场的分布进行个例诊断应用,与卫星、雷达和地面云降水观测的对比表明,云区附近的湿度梯度大,相对湿度阈值法诊断的云区总体比较稳定;(5)诊断的云区与上升气流区对应较好,云区和晴空的分布与卫星TBB观测大致对应,云厚(即云格点总数)与光学厚度和地面降水的分布比较一致;(6)云场垂直剖面可以清晰地看出其分布同天气系统的关系,诊断的云区与地面云观测比较一致,云层密实深厚的区域通常对应着地面降水;(7)单点的云垂直结构随时间演变与当地的雷达和地面云降水观测都比较一致。     

1995—2010年静止卫星云量数据检验和评价

对利用FY2和GMS静止气象卫星建立的东亚地区气候数据集(EAGSCDR FY2 and GMS Geostationary Satellite Climate Data Record over East Asia)进行了检验和评估,使用的检验源数据包括中国地面气候资料与国际卫星云气候计划ISCCP D2月平均云量数据集.对由上述3种不同观测手段得到的多年平均总云量的空间分布特征分析结果表明:3种资料的总云量分布形势有较好的一致性,但是在40°N以北地区,ISCCP和EAGSCDR得到的总云量在量值上高于地面观测值.用地面观测资料检验华南及长江流域EAGSCDR的云检测产品的结果表明,总的准确率为82.10％,总漏判率6.85％,总误判率为11.05％,秋冬季节准确率偏低.EAGSCDR与ISCCP云量都是由卫星资料处理得到的,二者差异主要来自算法的不同,检验结果表明,EAGSCDR中的云量产品精度优于ISCCP云量,并且其时间分辨率可达到1 h,空间分辨率达到5 km,由此可见,EAGSCDR的云产品比ISCCP云产品更有优势.     

利用MODIS资料对中国西部地区的云检测

许多运用卫星资料的工作首先要求将卫星观测区域内的云去除,而美国国家航空和宇宙航行局(NASA,National Aeronautics and Space Administration)的中分辨率成像分光辐射计(MODIS,Mod-erate Resolution Imaging Spectroradiometer)云检测产品MOD35_L2在光亮表面(如中国西部地区)上空存在较大误差。因而对于云检测结果敏感的工作(如反演气溶胶光学特性),如果简单的采用MOD35_L2,将给最终的结果带来误差。本文提出时间序列方法和MODIS第1(0.659μm)、3(0.470μm)、4(0.555μm)通道多通道方差方法与MOD35_L2中部分云检测方法相结合对中国西部地区进行云检测,得到了较好的云检测结果。     

基于CloudSat观测资料对WRF模式的冷锋降水过程云参数模拟效果检验

基于WRF数值模式,采用Lin微物理方案,对中国南方地区一次冷锋降水过程进行模拟试验,并用CloudSat观测数据对模式模拟的云量、云液态水和云冰水含量的垂直分布特征进行检验。结果表明:模式模拟云量的垂直分布范围小于CloudSat观测到的分布范围,模拟的云量在低空往往出现缺失,模式可以较好地模拟出CloudSat探测到的深对流云的分布,但对零散分布的小尺度云团模拟效果较差;模式模拟的云液态水分布范围也小于CloudSat观测到的分布范围,云液态水含量值略低于CloudSat观测值,对CloudSat观测的云液态水含量值较低的区域,模式往往不能模拟出云液态水的存在;模式模拟的云冰水垂直分布特征与CloudSat观测结果较为一致,特别是对冰水含量大值中心的位置模拟效果较好,但模式模拟的云冰水含量值远低于CloudSat观测值。整体来看,模式对云冰水垂直分布的模拟效果优于对云液态水的模拟,但Lin微物理方案对云液态水和云冰水的模拟还需进一步改进与完善。     

ISCCP产品和我国地面观测总云量差异

国际卫星云气候计划ISCCP是国际上较权威和客观的云气候性研究计划, 自1983年以来为研究全球云和辐射平衡、云水资源分布等提供了有价值的数据。在分析总云量卫星和地面两种观测方式差异的基础上, 研究了1984-2006年ISCCP D2产品和我国地面观测云资料数据集总云量空间及时间差异。尽管两套资料能一致揭示我国总云量的分布形势和气候变化特征, 但区域性差异仍比较明显。天基、地基数据可对比格点上, 全国平均而言总云量卫星观测结果比地面观测偏高8.46%, 华南地区差异最小、东北地区差异最大。气候变化趋势分析结果表明:近23年我国总云量呈减少趋势, ISCCP D2产品总云量每年减少速度为0.015%, 小于地面观测的总云量每年减少速度 (0.063%); 东北地区总云量缓慢增多, 而青藏高原、西北地区总云量减少。利用卫星和地面资料均以累积距平法检测出1984—2001年总云量减少、2002-2006年总云量显著增加。     

利用气温与云顶亮温差值检测云方法研究

利用2005年7-12月卫星资料、地面观测资料、探空资料和地形资料,统计分析了无云条件下气温与云顶亮温的差值,结果表明：无云情况下气温与云顶亮温差值平均为5.04℃,且具有较大的日变化性。由此提出了按时次分别求取阈值用以检测云。通过个例对比分析,初步得出该方法检测云具有以下特点：可用于全天候云检测;不受地形地貌等因素的影响;该云检测方法应用于反演计算,不仅反演的中、高云区域与实测的比较一致,而且反演的低云区域与实测结果也比较一致。     

基于MODIS遥感资料监测南海白天雾

根据现有雾遥感监测理论,采用多通道阈值判识法,基于MODIS资料进行南海白天雾监测。该方法利用MODIS的1、2、18、20、31通道数据,分离云、雾、海表的相关信息。满足RB1<20%、RB2<20%、RB1>RB2的象元判识为海表;满足RB1>55%、RB2>55%、TB31<273 K的象元判识为中高云;海雾和低云的分离指标IFC>20的象元判识为海雾。利用2011年1—4月广东沿海海雾实地观测结果对该方法进行验证,在13个样本数据中,有9个样本的卫星监测结果与地面观测结果一致,有3个样本地面观测有雾但卫星监测为低云,1个样本地面观测有雾但卫星监测为晴空洋面。主要是因为MODIS资料本身对云雾不具备穿透性,算法设计时只能假设单一视场中只有一层云雾,对于无云覆盖的雾区较易识别,但对于被云覆盖的雾区则只能将其判识为云区,但总体来说,该监测模型是有效的、可行的。      

不同云重叠参数对全球和东亚地区模拟总云量的影响

在国家气候中心全球大气环流模式BCC_AGCM2.0中引入一组基于CloudSat/CALIPSO卫星观测的、能够体现真实时空变化特征的云垂直重叠参数（抗相关厚度,L_cf）数据,以减小由云的重叠描述造成的辐射场的不确定性。对比了采用时空变化的云重叠参数和采用恒定云重叠参数的气候模拟结果,发现无论在全球还是东亚区域,采用基于卫星观测的云重叠参数对模拟的总云量都有一定程度的改进。采用时空变化的云重叠参数后,冬、夏两季全球平均总云量与云和地球的辐射能量系统（CERES）卫星资料的误差都减少了1.6%,其中热带对流区域总云量的正偏差和副热带地区总云量的负偏差都明显减少,这些有助于正确模拟不同区域间的能量收支差异。在东亚区域,采用时空变化的云重叠参数后,冬、夏两季的东亚区域平均总云量与CERES卫星资料的误差分别减少了1.8%和1.4%。综上所述,基于CloudSat/CALIPSO卫星资料计算得到的L_cf有助于改进大气环流模式对总云量的模拟,从而提高模式对辐射场的模拟精度。      

气象卫星高空间分辨率数据的云量计算与检验

该文利用国家卫星气象中心1998—2008年NOAA卫星的存档数据,在再定标和精定位等数据再处理基础上,利用自行研发的云检测算法及云量计算方法,生成空间分辨率为0.01°×0.01°、时间尺度为10年的逐日云量数据,并利用ISCCP和地面观测数据对计算得到的云参数进行数据质量评估。评估结果显示:利用NOAA数据的抽样云检测结果与ISCCP-DX数据相比,晴空像元检测率具有0.70左右的一致性;有云像元检测率具有60%左右的一致性。卫星计算的总云量与地面观测总云量间的月平均相关系数大于0.70。     

基于MODIS冬小麦长势监测研究

本文在对比分析MODIS NDVI与AVHRR NDVI的系统误差基础上,以MODIS/AVHRR卫星资料、地面农情观测资料为主要数据源,开发出淮北平原冬小麦长势监测旬、月MODIS NDVI比较模型和MODIS NDVI半定量监测指标模型,该模型在2005年检验应用中得到与实际较一致结果。     

利用NOAA卫星的AVHRR资料试分析云和雾顶部粒子的尺度特征

该文利用NOAA卫星的AVHRR资料的通道3（3.55～3.93 μm）数据中所包含的太阳反射光信息,分析了云和雾中粒子的大小分布状况。把分析结果与地面观测资料相对比,发现具有CH3反射率小值的云中大粒子区与降水区间存在一定的关系,CH3反射率大值区与大雾覆盖区之间具有良好对应性。     

20年时间序列海表温度数据集反演和评价

海表温度是研究海洋表面海气相互作用的一个至关重要的物理参数。为建立长时间序列海表温度数据集,在海表温度反演模型建立过程中还需要考虑卫星之间的差异、卫星仪器随时间的衰减、所采用反演算法模型建立过程中人的主观因素的影响等。为此,针对1989—2008年间NOAA/AVHRR数据特点,发展了统一的海表温度反演模型,并生成了20年时间序列海表温度数据集,空间分辨率达到1km。利用船舶浮标资料和OISST数据对该数据集进行了验证,验证结果表明该数据集均方根误差在1℃左右。最后针对1997/1998年厄尔尼诺事件,用反演的海表温度分析了西太平洋暖池区海表温度距平对这次事件的响应。     

用NOAA/AVHRR探测地表反射率和NDVI的订正及误差分析

NOAA/ AVHRR反射率和标准化差值植被指数 (NDVI) 资料在气象、水文等领域都有广泛的应用。但因为地表双向反射和大气对可见光和近红外辐射的影响, 即使在地表没有变化的情况下, 卫星探测到的反射率和NDVI也有很大的变化。在除云处理和NOAA-14/AVHRR衰减校准的基础上, 利用6S模式对NOAA-14/AVHRR可见光和近红外反射率及NDVI资料进行了大气订正, 并利用Roujean和Rahman模式在大气订正后进行了双向反射订正。大气订正使可见光反射率减小3.34(反射率单位), 近红外反射率增加3.43(反射率单位), NDVI增加了0.22, 分别占各自平均值的78.2%, 15.9%, 35.5%。双向反射订正对NDVI的绝对值影响不大, 但消除了反射率和NDVI的不规则变化, 订正后能够较好地反映森林植被的物候效应。对各订正参数进行了误差分析, 结果表明订正对太阳和卫星天顶角的误差最敏感。     

水物质对云雨区卫星微波观测模拟影响

受云和降水影响卫星资料在数值天气预报中的同化应用对于进一步改善数值预报效果具有重要作用, 这部分工作的开展要求快速辐射传输模式中能够较好地考虑各种水物质的辐射效应。使用美国卫星资料同化联合中心新近开发的快速辐射传输模式CRTM, 通过中尺度数值模式WRF的预报输出提供水物质输入, 分析水物质辐射效应对云雨区卫星微波观测模拟计算的影响。在WRF模式预报水物质的分布和天气系统配置合理并符合云物理基本特征的前提下, 水物质辐射效应的考虑极大改善了卫星观测模拟的效果。结合卫星各通道探测特性, 进一步分析各种水物质粒子对NOAA-16 AMSU A/B各通道卫星亮温模拟的影响和物理机理, 定量统计各类水物质对各卫星观测通道亮温计算偏差和偏差贡献的权重大小。分析结果表明:快速辐射传输模式中, 考虑水物质辐射效应为数值天气预报中云雨区卫星资料的同化应用提供了必需的基础条件。     

Detection of clouds and identification of their parameters from the satellite data in the daytime

A complex method for analysis of measurement data of the AVHRR radiometer of the NOAA satellite is presented, which allows detecting clouds, classifying their types, detecting precipitation zones, and estimating cloud and precipitation parameters in the daytime the year round in the midlatitudes. Tuning and testing of the method (threshold algorithms of classification) are carried out on the synchronous satellite and surface meteorological and radar data archive for central European Russia in 1998–2006. As a result of validation, characteristics are presented of reliability of satellite estimates of cloud amount, top height, maximum liquid water content in the cloud layer, and precipitation rate.     

3S技术在晚稻长势监测中的综合应用研究

以江西省为试验区，探讨用RS－GIS－GPS技术监测作物长势的方法和途径。针对丘陵山区地形复杂、地块不成规模的情况，在GIS支持下，将数字高程数据、土地利用分类数据与GPS定位观测数据相结合，对NOAA／AVHRR进行判读，提取反映双季晚稻长势的植被指数，用该指数与GPS定位观测资料及地理信息数据进行监督分类监测苗情，并用迭代自组织分析法进行无GPS定位观测资料时相应时相的NOAA／AVHRR的长势监测。研究结果表明，选用的地理信息数据（数字高程数据、土地利用分类）与GPS定位观测资料相结合提高NOAA／AVHRR数据的利用效果是适合的和切实可行的。     

2004年秋季江苏省干旱遥感监测研究

2004年秋季,江苏省绝大多数地区降水明显比常年偏少,丘陵及高岗地区受旱严重。为了直观获得全省干旱空间分布情况,采用“表观热惯量指数”方法,结合2004年11月8日NOAA/AVHRR资料反演的地表反照率和昼夜地表温度,生成了江苏省“表观热惯量指数”空间分布图,获取了全省干旱空间分布情况,并在2004年11月9—14日全省出现2—6 d的降水过程后,利用2004年11月18日卫星资料,及时分析了全省旱情缓解情况,取的了很好的监测结果。     

STUDY ON CLOUD CLASSIFICATIONS BY USING AVHRR,GMS-5 AND TERRA/MODIS SATELLITE DATA

This paper presents the automated pixel-scale neural network classification methods beingdeveloped at National Satellite Meteorological Center(NSMC)of China to classify clouds by usingNOAA/AVHRR and GMS-5 satellite imageries.By using Terra satellite MODIS imageries,anautomated pixel-scale threshold technique has been developed to detect and classify clouds.Thestudy focuses on applications of these cloud classification techniques to the Huaihe River and theChangjiang(Yangtze)River drainage basin.The different types of clouds show more clearly onthis cloud classification image than single band image.The results of the cloud classifications arethe basis of studying cloud amount,cloud top height and cloud top pressure.Cloud mask methodsare widely used in SST,LST,and TPW retrieval schemes.Some case studies about cloud maskand cloud classification in satellite imageries,which are related with the study of Global Energyand Water Cycle Experiment(GEWEX)in the Huaihe River and the Changjiang River drainagebasin are illustrated.