我国台风高发期东海和南海海区GIIRS/FY-4A温度反演廓线精度研究

基于欧洲中期天气预报中心再分析资料ERA5,对GIIRS/FY-4A温度反演廓线在我国台风高发期东海和南海海区的反演精度进行研究,结果表明:(1)东海海区,无云时GIIRS质量控制0的数据总体RMSE为1.71 K,150～450 hPa高度范围内RMSE小于1 K,450 hPa至近海面RMSE在2 K以内.质量控制...     

基于微波辐射计和探空的FY-4A温度廓线检验

选取2021年1月1日—2022年3月31日山东济南地区探空、微波辐射计和FY-4A的温度廓线,评估FY-4A温度廓线偏差特征。结果表明：10 km以下,FY-4A温度比探空偏小0.51℃,两者偏差的标准差为0.50℃;FY-4A温度比微波辐射计偏大0.53℃,两者偏差的标准差为0.75℃。FY-4A与探空在00：00(世界时,下同)和12：00的温度偏差趋势一致;相对于00：00,12：00的FY-4A与探空温度偏差的离散程度较小。有降水时,600 m高度以上微波辐射计与FY-4A的温度偏差逐渐增大,在1500 m高度附近偏差达到最大值(约为9.35℃),在3000~8500 m高度内偏差为1.35~5.10℃,偏差的标准差为1.41~4.99℃。有降水时,FY-4A与探空的温度偏差和标准差在不同高度上不同,偏差变化范围为-0.31~3.60℃。有云时,微波辐射计与FY-4A的温度偏差为-0.40℃,偏差的标准差为3.79℃;探空与FY-4A的温度偏差为0.31℃,偏差的标准差为2.66℃。相对于有云时,晴空背景下FY-4A与另外两种设备的温度偏差和标准差均较小。     

基于FY-4A温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析

选取2019年2月至2020年2月广西区域内出现强对流天气的时段,将区内6个探空站温湿廓线资料以及ERA5数据作为基准检验,分析了FY-4A卫星温湿廓线的误差情况,结果表明：(1)无云条件下FY-4A温湿度廓线的偏差相对较小。相对于探空数据,质量控制为0和1的样本均方根误差RMSE范围在1.04～4.16℃,总体RMSE为2.61℃,850～700 hPa、600～500 hPa以及250 hPa上误差较小,RMSE均小于2℃。FY-4A与ERA5温度廓线的差异分布与探空结果相近,RMSE范围为1.01～4.15℃,总体RMSE为2.19℃,925～400 hPa以及250 hPa上RMSE均小于2℃。(2)无云条件下FY-4A湿度廓线总体RMSE为61.06%,低值区位于900～700 hPa,平均约为20.51%。在500 hPa附近误差最大,可能与干空气入侵导致垂直方向上含水量突变有关。总体而言对流层低层误差较高层小。(3)个例中重构的T-Inp图能一定程度上还原大气上下层的温湿结构特征,但对于层结稳定度以及不稳定能量的定量估计还存在一定偏差。经质量控制后的温度数据较好地反映了冷...     

FY-3A气象卫星红外分光计温度廓线模拟反演试验

为了考察风云三号(FY-3)气象卫星红外分光计的性能, 以该仪器初样阶段的光谱通道特征和仪器响应函数为基础, 进行大气温度垂直廓线模拟反演。选用红外分光计15 μmCO₂吸收带的不同通道组合进行模拟反演, 结果表明:总体上红外分光计具有较好的大气温度反演能力, 窗区通道8的加入可有效提高近地面层温度反演精度;利用迭代算法反演大气温度时, 初估廓线对反演精度影响较大, 初估廓线与真值愈接近, 反演精度愈高;现有仪器通道灵敏度设计指标可满足大气温度反演基本要求, 如仪器灵敏度降低, 反演精度也随之降低, 提高仪器灵敏度, 有利于提高仪器的使用效果。     

基于FY-4A卫星数据的短时强降水监测预警指标

选取2018—2021年汛期短时强降水天气过程,利用相关性分析、箱线图法和极值统计法,尝试研究FY-4A卫星产品在短时强降水天气过程中的监测预警指标。研究表明：(1)FY-4A卫星多通道数据可以作为短时强降水监测预警的定量化指标予以应用。(2)筛选出相关性较好的13项产品统计出短时强降水的监测预警指标,其中赋值类指标4项,数值判别类指标9项(含辅助指标3项);初步设定13项指标中有9项达标时,短时强降水会发生。(3)在评估基础上完善了指标,监测预警效果有所提高,TS评分提高5.4%,空报率降低2.7%,漏报率降低1.9%。     

FY-4A GIIRS高时间分辨率温湿度廓线反演及其在台风中的应用

针对2020年第9号台风"美莎克"期间FY-4A 高光谱红外干涉式大气垂直探测仪GIIRS每15 min一次的目标区跟踪加密观测资料,用三维卷积神经网络算法反演的全天空大气温度、湿度廓线分析了台风处于生命史不同阶段时暖心结构和湿度场结构的演变特征。结果表明:卷积神经网络的深度机器学习算法可以用来反演全天空的三维大气温度和湿度垂直廓线,不光适用范围广(晴空和有云视场)、反演精度高,而且反演速度快。利用静止卫星平台高时间分辨率的特性,反演得到的温度、湿度廓线可以细致追踪台风处于发展、成熟和登陆等阶段时暖心结构和湿度场的时空演变特征。台风从发展阶段(热带风暴和强热带风暴)到成熟阶段至登陆消亡时,暖心首先出现在对流层中高层较薄的区域,随着台风强度的加强,深厚的暖心结构明显、强度增加,水平面积增大且垂直往下延伸。由于对流云中强上升气流的输送水汽正距平区逐渐上传至300 hPa,台风最强时密闭云区与四周下沉气流区比湿差高到8 K·kg^-1。暖心结构和高湿度中心随着台风登陆而逐渐消失。     

FY-4A/AGRI海表温度产品和质量检验

风云四号气象卫星A星(FY-4A)是我国第2代静止气象卫星首发星,搭载的先进静止轨道辐射成像仪AGRI是迄今为止我国静止轨道最先进的辐射成像仪。海表温度产品是FY-4A/AGRI基础定量产品之一,采用非线性海表温度算法在业务系统实时反演得到。以现场实测海表温度数据为参考,选择观测时间为30 min、观测空间距离为4 km的时空匹配窗口,对FY-4A/AGRI海表温度产品进行质量检验,评估结果表明：质量为优的像元平均偏差为-0.45~-0.42℃,标准差为0.81~0.88℃,相关系数在0.985以上。以Himawari-8/AHI海表温度数据为参考,按观测时间为1 h、空间距离为4 km的时空匹配窗口,对FY-4A/AGRI海表温度进行质量检验,质量为优的像元平均偏差为-0.26~-0.07℃,标准差为0.68~0.82℃,两者相关系数在0.985以上,达到0.001显著性水平。     

FY-4A产品在秦巴山区对流天气中的应用分析

以秦巴山区一次强对流天气过程为例,分析中国新一代静止气象卫星FY-4A多种产品的特征,揭示FY-4A产品在山区复杂地形下,应用于当地对流检测的效果。结果表明：FY-4A的云顶高度、云顶温度产品可以反映出对流初生、平移和成熟的特征,而云高、云温变率效果更加明显,还能有效区分对流成熟和减弱;FY-4A的对流初生产品和闪电产品没有检测到这次强对流天气,只有在对流云水平尺度较大、与环境背景对比明显时才有显示;FY-4A的云顶高度、云顶温度产品及其变率可以作为秦巴山区本地化对流检测和短时强降水预警的支持数据。     

FY-4A资料在乌鲁木齐机场浓雾天气监测中的初步应用

利用FY-4A多通道扫描成像辐射计(AGRI)所生成的多通道图像及L2级卫星云产品数据,结合地面观测实况资料,对2019年1月25—26日和3月17—18日发生于乌鲁木齐国际机场的两次持续性浓雾天气进行分析,结果表明:对于浓雾的监测,白天综合使用通道3(BD_(0.83μm))、通道6(BD_(2.2μm))、通道8(BD_(3.725μm))和通道12(BD_(10.8μm))能很好地显示雾区范围、雾顶云结构、雾区温度等特征,且云图能很好地表现雾的消散。夜间可以结合BD_(10.8μm)和BD_(3.725μm)的差(以下简写为BTD_(10.8μm-3.725μm))和BD_(10.8μm)图像,用于识别夜间雾区,BTD_(10.8μm-3.725μm)通道亮温差越大说明雾的浓度越强。FY-4 A卫星云顶高度和云分类产品对雾的微物理特征结构反应更为细致,对于夜间大雾监测有较好的效果,能够弥补可见光通道1～通道3、短波红外通道(BD_(2.2μm))和中波红外通道(BD_(3.725μm))仅能在白天使用的不足。     

应用FY-3A/MWHS资料反演太平洋海域晴空大气湿度廓线

发展Smith迭代算法,建立适用于微波波段的物理迭代算法。采用搭载于FY-3A卫星之上的微波湿度计亮温数据及矢量辐射传输模式,对我国西北太平洋海域晴空区域的大气水汽廓线进行反演计算。反演得到的水汽廓线与MODIS水汽廓线产品比较,单点结果表明,反演混合比廓线与MODIS水汽廓线趋势一致,下层水汽反演能力较中上层强;500 hPa水汽场反演结果表明,可基本反映水汽干湿中心分布情况,反演水汽混合比值与MODIS产品相比偏低。经统计所有气压层反演结果与MOD07水汽廓线产品相比偏差均控制在5.76 g/kg以内。      

湖北省一次罕见寒潮天气过程气温陡降分析

利用常规地面资料以及T213、自动站资料，对2005年3月10-11日发生在湖北省的一次罕见寒潮过程中两次气温陡降进行了成因和湿位涡诊断分析。分析表明，第一次气温陡降是由于地面强冷空气侵入暖槽，第二次气温陡降主要是高空冷平流下传和地面自西向东发展的降水导致；湿位涡湿斜压项MPV2的时空演变和强冷空气的发展、移动、气温陡降有很好的对应关系。     

FY-3A/MERSI数据在山东省农田干旱监测中的应用

干旱是影响社会发展和农业生产的主要气象灾害之一。利用中国新一代极轨气象卫星FY-3A上搭载的250 m中分辨率光谱成像仪(MERSI)数据,基于垂直干旱指数(PDI),结合山东省旱情统计数据,建立了适合山东省的PDI干旱指数分级标准,在此基础上对山东省2010~2011年秋冬季的干旱状况进行了监测,并将监测结果与同期的降水、温度和干旱监测资料以及19个国家级农气站的土壤相对湿度资料进行对比分析。结果表明:基于FY-3A/MERSI 250 m分辨率卫星资料计算的PDI能够客观反映山东省旱情的空间分布和动态发展过程。PDI与对应实地观测的10 cm、20 cm土壤相对湿度之间有较好的负相关性,且20 cm的土壤相对湿度较10 cm的土壤相对湿度与PDI的相关关系更稳定。因此,利用FY-3A/MERSI卫星资料监测山东省干旱状况具有可行性,适于在干旱监测业务中推广应用。     

FY-4A/LMI闪电与浙江三维闪电对比分析

为进一步加强星地闪电观测资料运用,本文基于2020年6—8月FY-4A/LMI闪电数据(LMIG)和浙江省ADTD-2C三维闪电定位数据,对比分析两套闪电数据的时空分布特征,并结合雷达和云顶亮温资料,分析了2020年7月15日浙江省雷暴过程两套闪电观测资料的演变规律。结果表明：2010年6—8月,浙江省LMIG与三维闪电比值为1∶44.43;两套资料闪电月分布和空间分布总体一致;就日分布而言,LMIG呈现双峰结构,三维闪电则为单峰结构。两套数据时间匹配窗口大于1.8 s、经纬度匹配窗口大于0.5°时,匹配率趋于稳定;与LMIG匹配的三维闪电高度主要集中在16 km以下,闪电强度主要集中在50 kA以下。2020年7月15日浙江省午后雷暴天气,LMIG与三维闪电比值为1∶25.44;LMIG首次闪电及峰值时间均滞后于三维闪电首次闪电及峰值时间;此外两套闪电资料时间演变与雷暴发展有较好的对应,空间变化与云顶亮温低值区也有较好的对应。     

基于FY-4A卫星探测区域模式背景误差和观测误差估计的长波红外通道选择研究

中国新一代静止气象卫星风云四号A星（FY-4A）上搭载的干涉式大气垂直探测仪GIIRS（Geostationary Interferometric Infrared Sounder）是世界上首台在静止轨道运行的高光谱红外探测仪器,拥有1650个通道,其中长波通道689个,中波通道961个。由于计算机存储能力、数据传输和变分同化时效性等限制,目前很难在业务环境中同化全部通道,并且多通道卫星信息往往存在一定的空间相关和光谱相似,故在实际应用中必须降低高光谱资料的通道维数,去除数据冗余和观测相关性,挑选出对特定目标起主要作用的通道子集,进而利用有限的通道来最大限度地提供观测信息。考虑GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）数值预报系统估计得到的FY-4A观测范围内的背景误差协方差矩阵,并且在GIIRS观测误差后验重估计的基础上,结合通道权重函数峰值和信息熵分步迭代法对其长波通道进行了通道选择研究和试验。结果表明,在给定选择通道个数时,权重函数法和信息熵方法得到的通道组合进行温度和湿度误差分析时误差整体比单一方法小,在给定通道个数（40个）少于单一方案（50个）时,误差分析结果相当。GIIRS最优通道选择的研究为该资料的同化应用建立了基础。      

基于FY-4卫星资料分析暴雨云系特征

本文利用FY-4气象卫星单通道云图和多通道组合,以2019年7月28日四川省眉山市的一次暴雨过程为例,分析暴雨云系的演变和微观物理性质等特征,结果表明：此次暴雨过程中出现两次对流云团的合并,云团的合并造成了暴雨区域和强度增大,属于多个对流云团多次合并,暴雨云团中有强烈的大尺度垂直上升运动,整层大气水汽充足,为强降雨提供了较好的水汽输送和动力条件。多通道RGB合成图能以色彩的形式有针对性地突出对流系统、冷暖气团、云粒子相态等属性,造成此次暴雨过程的对流云团主要为伴随强烈上升气流的由冰粒子组成的高层积雨云。FY-4气象卫星在暴雨等强对流天气监测中有着重要的作用,补充了常规天气资料分析的不足,为短时天气预报提供一种思路。     

一次昌吉地区春季强寒潮天气分析及数值模拟

先基于常规天气观测资料和美国FNL1°×1°逐6h再分析资料,对2014年4月23~24日昌吉地区一次寒潮天气过程进行分析和总结,而后利用WRF3.7中尺度数值模式对10米风场和地形作用进行分析,结果表明：（1）这次寒潮天气过程出现在欧洲高压脊东南衰退、西西伯利亚低槽东南下进入新疆爆发的大尺度环流背景下。（2）这次强寒潮过程的高位涡强冷空气来自欧亚北部和北极地区的平流层下部和对流层上部。（3）本次天气受西南水汽通道影响明显,从印度洋经过长途跋涉经过四川盆地以东地区,沿着西北方向在输送中绕过青藏高原,地形阻挡引起的损失相对较少,顺着甘肃地区到达41°N附近与北支带来的水汽相遇后向西输送进入昌吉地区。（4）低层强西北风急流向山脉辐合,造成暖湿气流在天山迎风坡强烈爬升,是暴雪发生的触发机制。通过地形敏感性试验表明天山地形的抬升作用减弱所引起的降水变小。     

Quality Assessment of FY-4A Lightning Data in Inland China

The Lightning Mapping Imager (LMI) equipped on the FY-4A (FengYun-4A) geostationary satellite achieves lightning positioning through optical imaging and has the advantages of high temporal resolution, high stability, and continuous observation. In this study, FY-4A LMI lightning event, group and flash data from April to August 2018 are selected, and their quality are assessed through qualitative and quantitative comparison with the ground-based Advanced Time of Arrival and Direction system (ADTD) lightning observation network data and the American International Space Station (ISS) lightning imaging sensor (LIS) data. The results show that the spatial distributions of FY-4A lightning are consistent with those of the ground-based ADTD and ISS LIS. The temporal variation in FY-4A lightning group frequency is consistent with that of ADTD stroke, which reflects that FY-4A LMI can capture the lightning occurrence in inland China. Quantitative statistics show that the consistency rate of FY-4A LMI and ISS LIS events is relatively high but their consistency rate is lower in terms of lightning group and flash data. Compared with the lightning observations by the ISS LIS and the ground-based ADTD, FY-4A LMI reports fewer lightning events in the Tibetan Plateau. The application of Tibetan Plateau lightning data requires further processing and consideration.     

基于FY-4A卫星遥感数据分析2021年3次沙尘暴特征

FY 4A上搭载的多通道扫描成像辐射计（AGRI）无论是时间分辨率还是空间分辨率与我国第一代静止气象卫星风云二号上搭载的扫描辐射计（VISSR）相比都有了明显的改进。本文基于FY 4A AGRI成像仪IDDI(红外差值沙尘指数)和新的昼夜沙尘遥感改进算法开展2021年中国北方沙尘过程连续遥感监测处理,并系统分析了2021年3个典型个例的沙尘暴特征和影响区域。结果表明：① 3次典型沙尘过程对我国北方各省份的影响面积总计最低达到260万km2以上,最高达到300万km2以上,4月14—17日的沙尘暴影响面积最大。②2021年沙尘高发区在新疆南部、甘肃河西走廊以北以及内蒙古西部。与2019、2020年同期相比,2021年我国北方沙尘发生频次更高、影响范围更大。③新一代FY 4A静止卫星对我国沙尘过程年际变化具备更加完整的监测能力。