基于NOAA/AVHRR卫星资料的北京地区霾识别研究

利用2008—2013年NOAA/AVHRRlB卫星资料和气象观测资料,应用米氏散射理论、图像色彩处理技术、频数分布图和可见光通道表观反射率阈值技术,开展了北京地区霾的遥感识别研究,并在京津冀地区进行了应用。研究结果表明:易于识别的霾在NOAA/AVHRR遥感图像上一般以1、2、1波段或4、2、1波段进行红、绿、蓝三通道假彩色合成.图像颜色以灰色、紫色和蓝色三大系列为主;一般仅靠遥感图像难以识别霾与轻雾,但借助先验知识、周围环境和图像色彩.可在一定程度上区分霾与轻雾;NOAA/AVHRR图像的第一波段表观反射率作为光谱指标可以对霾进行较好识别,反射率识别指标值分别为:冬季0.15～0.32,春季0.15～0.30,夏季0.14～0.30,秋季0.14～0.32;指标对霾的有效识别准确率为82%。利用上述建立的颜色指标和光谱指标可以较好地对2013年1—3月发生在京津冀地区的雾霾进行有效监测。     

AVHRR卫星资料在层状云降水区判识中的应用

利用美国新一代极轨气象卫星AVHRR资料 ,分析了新增加的 1 58～ 1 6 4μm近红外 3A通道资料在地面降水区判识中的作用及降水云和非降水云的图像特征。发现通道 1可见光通道反射率与通道 3A近红外通道反射率的差值能够较好地反映地面降水的信息 ,并给出了与地面降水几率的关系。探讨了应用可见光、近红外通道资料综合识别地面降水区的方法 ,实例验证具有较高的判别精度     

大气气溶胶光学厚度的卫星双通道遥感方法

提出了一种在晴空条件下,均匀下垫面上利用ＮＯＡＡ－１４极轨卫星甚高分辨率辐射计（ＡＶＨＲＲ）可见光和近红外两个通道观测的反射率资料,遥感整层大气气溶胶光学厚度的双通道方法,该方法把气溶胶散射的波长关系加以推广,把近红外通道的光学厚度均值引入了可见通道,使单个通道中地表反射率和大气因子参数化的误差得以抵消,从而极大地提高了反演精度（〉９０％）。     

基于TRMM的热带气旋降水云系多谱段辐射特征分析

利用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪和可见光/红外扫描仪的探测资料,以2006年第8号台风"桑美"为例,研究了热带气旋在海面上强烈发展时期的降水云系多谱段辐射特征,研究结果表明:可见光资料反映了云的厚度信息,红外(亮温)资料反映云顶高度信息,可以较好地反映台风云系所表现台风的外观,但对台风云系覆盖下的细节特征的探测能力则有限.微波有很强的穿透性,能揭示台风云系中各种粒子的三维分布特征.微波通道亮温与PR降水的相关远大于可见光和红外遥感的效果.不论是可见光、红外还是微波亮温,与高层降水的相关系数绝对值总大于其与低层降水的相关系数.可见光和近红外波段的辐射率与降水正相关,相关系数随频率减小而减小;中红外和两个红外分裂窗区的亮温与降水呈负相关,相关系数的绝对值随频率减小略有增大.TMI低频通道的亮温与降水正相关,相关程度随频率减小略有减小;TMI高频通道的亮温与降水负相关,相关系数的绝对值随频率减小而减小.     

利用卫星资料研究云对地面净辐射的影响

采用2002年1月、2月、7月、8月每日8～16时(北京时间)的GMS-5卫星云图资料以及相同时次的漠河和郑州两个辐射站的地面净辐射资料，通过读取红外1、红外2、水汽和可见光云图上的卫星计数值，并将卫星计数值按照GMS-5定标表转换成亮度温度和反射率，最终形成一套利用卫星资料研究云对地面净辐射影响的数据集。采用统计的方法将地面净辐射与影响地面净辐射的各因子：太阳天顶角、地面及云面反射率等有关因子进行拟合，发现地面净辐射与这些因子之间有很好的相关性，特别在引入卫星红外通道亮温值减水汽通道亮温值这一因子后，在有云状况下，拟合的相关系数有较明显的提高，原因可能是这一因子包含了云分类的信息，这一方法的提出为利用卫星资料研究云对地面净辐射的影响提出了一个新的思路。     

卫星遥感人工增雨作业条件 II:层状云

通过卫星多光谱资料的定标,利用可见光反射率、3.7 μm和11 μm辐射亮温,反演了云顶粒子有效半径、云顶温度等云特征参数.运用图像合成技术,建立了反映云宏、微观特征的RGB合成图.利用发展的多光谱云微物理综合分析方法,通过极轨卫星分析了不同过冷层状云及其降水特征,结合增雨假设,总结出适宜人工增雨作业的卫星判据为:云厚大于1.5 km,云顶温度-5～-15℃时,有效半径小于25 μm;或云顶温度-15～-25℃时,有效半径小于15 μm.利用可见光反射率、云顶温度和有效半径多阈值建立人工增雨播云等级和分级显示.通过静止卫星跟踪云系演变,进一步确定播云部位和作业时机,指导人工增雨作业.     

基于MODIS云产品的AIRS云相态的识别和云量产品的检验

选用中国中东部(95～130 °E, 20～60 °N)午后同一时刻相对应的AIRS与MODIS各15景样本数据,将MODIS在红外波段上四种基于亮温的云识别算法对AIRS晴空像元和云像元中不同的云相态进行区分,分别统计出AIRS不同类型像元中这四种云识别算法的亮温差异,根据AIRS在晴空、水云和冰云三种不同相态下亮温的差异,确定出其阈值,实现AIRS晴空和云相态识别。在此基础上,对AIRS不同云相态下反演的有效云量进行检验和改进。结果表明:运用亮温阈值法对AIRS进行云相态识别能够较好地反映AIRS的晴空和云相态特征,云相态分布与MODIS云相态产品对应效果较好,特别在云边缘区域。对AIRS不同云相态下反演的有效云量进行对比和误差分析后发现:当水云有效云量较高、冰云有效云量较低时,AIRS反演的有效云量误差较大。在误差分析的基础上,提出了AIRS有效云量的偏差订正算法,对AIRS反演的有效云量具有一定改进,为AIRS云产品的应用提供参考依据。      

基于IASI双二氧化碳通道的一种不同高度云检测算法

利用红外高光谱探测仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer,IASI）在二氧化碳吸收带的长短波红外通道对云反应程度的不同来探测云。依据不同通道的权重函数峰值高度和云不敏感层高度将IASI长短波红外通道进行配对,成功配对的长短波红外通道晴空亮温之间建立线性回归模型,即通过长波红外通道亮温可以线性回归得到配对的短波通道亮温,将短波通道的晴空回归亮温和观测亮温之差定义为云指数。权重函数峰值高度位于383 hPa的云指数空间分布和云成分为冰的空间分布较为一致,尤其在赤道和低纬度地区。权重函数峰值高度位于790 hPa的云指数空间分布和低云云顶气压也有较好的一致性。     

基于风廓线雷达资料的亮带识别订正算法研究

在降水过程中,固态降水粒子下落穿越0℃等温线的融化效应会引起雷达反射率因子增大,产生亮带。文章基于北京房山地区的边界层风廓线雷达的探测资料,对2014年8—10月四次典型的层状云降水和以层状云为主的混合性降水过程进行特征统计,提出了适用于该季节、该地区的0℃层亮带自动识别订正算法,并使用这种算法对一次层状云为主的混合性降水天气过程进行了识别研究,通过与探空资料、多普勒天气雷达资料的对比检验,结果表明该算法可以有效识别该季节、该地区的0℃层亮带,通过亮带订正,融化区的回波强度高值区得到了有效抑制,原亮带高度附近回波强度廓线的显著弯曲消失,融化区之外的回波强度基本没有变化。     

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.     

用三通道合成彩色图像进行云的分类解释判读

为更好地利用FY-3A气象卫星上中分辨率光谱成像仪(MERSI)资料高空间分辨率及多光谱的优势,细致分析云系在宏、微观方面的多重特征,首先利用平面平行辐射传输模式(SBDART)证明了MERSI的0.65,1.6 μm和11.25 μm通道能够分别反映云光学厚度、云粒子大小、云顶高度的信息,然后采用三通道合成彩色图像的...     

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。     

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。     

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。     

图割模型在卫星云图云检测中的应用

提出一种基于图割模型的卫星云图云检测方法。利用FY-2C卫星云图的长波红外通道和可见光通道的云图提取了10个灰度特征和80个Gabor纹理特征,再用主成分分析方法（principal component analysis,PCA）降维到9个主成分。将这9个主成分构成的特征作为每个像素的特征,建立相似度矩阵,再利用改进的NormalizedCuts模型进行分割,将云图分成了晴空区域和有云区域。与地面观测结果相比,平均一致率达到86．51％,表明将Gabor纹理特征和灰度特征相结合并利用改进的Normalized Cuts模型对卫星云图云检测有比较好的效果。     

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。     

雾的气象卫星遥感光谱特征

从大气辐射传输理论入手，用频谱分析方法研究了气象卫星遥感图像上云雾的可见光和红外光光谱特征，阐述了雾在NOAA各通道的光谱响应特征及相关指标。根据云雾的不同顶部结构，分析了云雾反射可见光的非朗伯特性。根据瑞利(Rayleigh)准则，解释了低太阳高度角时可见光对云雾具有更强的识别作用，指出雾与云相比，具有更强的方向性反射特点，当卫星处于云雾层的镜面反射方向时，雾区具有更强的亮度，即反射率高于云区；反之．雾区则相对较暗，指出可见光在云雾识别方面具有重要作用。通过分析云雾层的不同红外光谱特点，给出了一些云雾识别与分类的指标，说明了通道组合方法对云雾识别的重要作用，为云雾分类提供了依据。通过时间动态的频谱分析，给出了判断大雾成熟期的光谱特征，对判定大雾的发展与消散具有重要意义。     

用多谱阈值法进行GMS-5卫星云图云型分类的研究

介绍了利用GMS-5卫星云图资料获得晴空、半透明云或碎云和高、中、低云的方法。基于最优回归统计法得出多谱阈值与等压面温度的统计关系，利用MM5中尺度数值预报模式的预报结果计算动态变化的多谱阈值，使云判别阈值能适应不同的天气。实际资料试验表明：多谱阈值法是一种可行的云判别和支分类的方法。该方法能较准确地区分云与晴空、判别出高云和低云，对半透明云或碎云及中云也有一定的判别能力。该方法基本能应用于实时云分类 业务。     

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。