FY-4A白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用

我国第二代静止气象卫星FY-4A观测能力较之前有明显提升,在天气特别是对流性天气监测和预测中具有较强的应用潜力。利用FY-4A气象卫星多通道扫描辐射成像仪(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)和闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)数据开展研究,分析了反演产品在强雷暴天气中的应用。研究表明,扫描辐射成像仪多通道组合白天对流风暴红-绿-蓝（red-green-blue,RGB）合成产品可以突出具有强上升气流的对流性雷暴云,较单通道及多通道可见光合成产品具有监测优势;闪电成像仪产品较地面闪电探测闪电产品能够探测到更多的闪电,对新生对流和较弱对流产生的闪电监测具有优势;在华北和黄淮一次强雷暴天气过程中,白天对流风暴RGB合成产品能够监测云系发展的过程,卫星监测闪电活动频数和冰雹活动一致性较好。     

FY-4卫星闪电成像仪的使命和挑战

作为我国首次研制和星载的卫星闪电成像仪,FY-4卫星闪电成像仪在仪器研制、测试和定标、资料处理等多个方面,面临严峻挑战.该文介绍了卫星闪电成像仪的发展进程和现状,卫星闪电探测的原理、方法以及闪电探测仪的结构等,探讨了FY-4卫星闪电成像仪的使命和技术指标,与已经上天的闪电成像传感器(LIS)和计划中地球静止轨道卫星闪电成像仪(GLM)的指标对比结果表明,FY-4卫星闪电成像仪的技术指标达到了当今世界卫星闪电探测的最高水平.分析了FY-4卫星闪电成像仪在诸多方面面临的巨大挑战,旨在引起人们的关注和重视.     

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卫星数据可视化及应用

2016年12月11日我国发射了FY-4A新一代静止气象卫星,其高时间和空间分辨率能够加强航空气象中的监测应用,为了更好地应用FY-4A卫星的各类观测产品,本文利用Python语言实现对FY-4A卫星AGRI观测仪器所探测的2km、4km分辨率的全圆盘和中国区域可见光、红外图像资料及7.8km分辨率闪电监测资料进行解码并可视化显示出图,将绘制的卫星图像与国家卫星气象中心网站对外开放的卫星云图进行对比。结果表明:两者显示较为一致,可以用于航空气象业务。Python语言语法简练,对于卫星HDF和NC格式数据读取速度快,Python的Numpy工具包基于矩阵的运算能快速处理卫星观测数据,Basemap库中多种投影方式可供业务应用,值得推广。     

黄渤海地区FY-4A闪电成像仪(LMI)探测效果评估

基于大连和青岛地区地基三维雷电探测网数据,对FY-4A闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)在黄渤海地区的探测效率进行评估.结果表明:针对2019年大连地区4次强对流天气过程,绝大多数地基三维雷电探测网探测的雷电脉冲发生在强回波区,回波强度为30 dBZ,强回波区的云顶高度超过9 km,...     

一次TS型线状对流不同阶段LMI闪电特征分析

本文以2019年一次尾随层状（TS）型线状对流为研究个例，利用FY-4A闪电成像仪（LMI）资料、雷达组合反射率因子资料、地基闪电定位资料（ADTD）、FY-4A云顶亮温资料（TBB）和其他常规观测资料，对比分析了LMI闪电数据在TS型线状对流3个不同演变阶段的数据可靠性及观测特征。结果表明：TS型线状对流不同演变阶段的LMI闪电观测具有一定的时空连续性，LMI闪电分布与ADTD闪电分布的区域总体较为一致，但数量多于ADTD闪电数量，并多位于TBB≤240K的对流云中，LMI闪电数据可信度较高；对流发展阶段，LMI闪电观测大部位于TS型线状对流移动方向的前方，位置超前于前导对流线，对未来0-1小时内对流发展具有提前指示意义；对流成熟阶段，LMI闪电观测与前导对流线位置较为一致，对线状对流发展具有监测意义；对流减弱阶段，LMI闪电一部分位于减弱的前导对流线中，另一部分位于其后侧尾随的积层混合云中。最后，给出了本次TS型线状对流不同演变阶段LMI闪电观测特征示意图，为LMI闪电产品在对流天气监测预警中的应用提供一定参考。     

FY-3A中分辨率光谱成像仪图像地理定位方法

风云三号A星 (FY-3A) 中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 采用45°镜旋转扫描,形成垂直于卫星飞行轨迹的360°连续圆周扫描方式,多元探测器并扫的技术。该研究依据这种扫描特性,给出了适用于FY-3A MERSI遥感图像地理定位的方法;定义了完善的坐标系及坐标系转换关系,根据MERSI观测几何、卫星空间位置和姿态、仪器空间位置和指向建立了探测器像元观测矢量与地面位置之间关系的模型;通过地形校正消除地形起伏带来的定位误差;在FY-3A地面应用系统中业务运行的同时,通过一定数量的地面控制点分析,将定位误差等效为遥感仪器安装误差,修正了MERSI的仪器指向角度。实验结果表明,使用该方法对MERSI遥感图像地理定位精度达到250 m像元级,满足MERSI图像的高精度定位要求。     

基于高光谱资料对FY-1C/1D气象卫星进行交叉定标

介绍了利用AQUA卫星高光谱AIRS资料对FY-1C、FY-1D气象卫星热红外通道进行交叉定标的方法及定标结果。首先利用卫星轨道预报软件预报出AQUA与FY-1C以及AQUA与FY-1D卫星交叉点,再对交叉区域卫星资料进行像元投影和像元匹配,像元匹配包括时间、观测角度、环境均匀性等检验。以AIRS探测结果作为辐射基准,利用其观测值和FY-1卫星热红外通道光谱响应函数进行光谱匹配,最终得到FY-1卫星热红外通道的准真值并与FY-1卫星的业务产品进行比较分析。对FY-1C、FY-1D两年多卫星资料进行多次交叉比对,结果表明FY-1C通道4比AIRS观测亮温低1.3K左右,通道5低3.6K左右;而FY-1D通道4比AIRS观测亮温低0.3K左右,通道5低3.6K左右。这个准真值与FY-1观测的计数值进行再定标得到新的定标系数。     

FY-4A卫星闪电资料与ADTD闪电资料在四川省冕宁暴雨中的对比分析及数值模拟

FY-4A卫星闪电资料与地基ADTD(Advanced Direction and Time of arrival Detecting system)闪电资料对于研究暴雨等强对流天气具有一定的指示意义,通过对四川省冕宁暴雨个例的研究,对比分析了这两种闪电资料的差别,设计了将两种闪电资料引入数值预报模式的多组数值试验。结果表明：（1）两种闪电资料在不同地区有不同的探测效果,ADTD闪电资料范围更广且分散,FY-4A卫星监测到的闪电数量更密集、分布更集中;两种闪电资料在进入模式之后所转化成的代理雷达回波具有很好的一致性;对于低频次的闪电来说,ADTD闪电定位仪可能比FY-4A闪电成像仪探测效率更高。（2）引入任何一种闪电资料都对降水预报具有正效果,其中ADTD闪电资料的应用对于短时降水预报准确率的提高更为有效。（3）两种闪电资料对于云微物理量的调整作用,在不同的区域有不同效果,说明这两种闪电资料的分布不完全一致,揭示出这两种闪电资料具有一定的互补性。     

我国风云四号气象卫星与日本Himawari-8/9卫星比较分析

从观测仪器种类、观测波段设置、观测时空分辨率、仪器灵敏度、仪器定标精度、数据服务能力等六个方面比较和分析了我国风云四号(FY-4)试验星与日本Himawari-8/9卫星的水平和差距。从观测仪器种类方面来看,Himawari-8/9卫星只装载了辐射成像仪(AHI),FY-4试验星除装载一台与AHI性能基本相当的扫描辐射成像仪(AGRI)外,更将首次在静止轨道上同时实现红外干涉式高光谱探测和闪电探测;观测波段设置方面,FY-4试验星搭载的AGRI与Himawari-8/9 AHI基本相当;时空分辨率方面,AHI略优于AGRI;仪器灵敏度方面,AHI和AGRI在发射波段基本一致,AHI在反射波段明显优于AGRI;仪器定标精度方面,AHI和AGRI基本相当;数据服务能力方面,FY-4试验星仍然采用传统的卫星直接广播和借助通信卫星转发两种模式,而Himawari-8/9以互联网云服务为主,可按需灵活调配服务内容和性能且运维成本较低。     

星地多源闪电资料在新疆地区的应用分析

根据2019年7月20日新疆大部分区域出现局部强对流天气过程,利用ADTD、LLS、WWLLN、风云四号卫星闪电成像仪组产品LMIG、大气电场多源闪电观测资料,对比分析这5种资料在新疆地区的应用情况。结果表明:LLS地闪探测效率最高,LMIG和WWLLN地闪探测效率较低;ADTD、LLS、WWLLN三者定位结果在时间和空间上对应基本一致,仅探测效率有所差别。新疆地区部分LMIG数据存在时间和空间上的偏差,使用前需要利用相关资料进行数据检验。卫星全天空、实时监测,可以弥补新疆南部(简称南疆)地面观测站覆盖不到的区域,两者可互为补充。     

四川省FY-4A卫星反演大气水汽总量评估分析

为了解我国新一代静止气象卫星FY-4A辐射成像仪（AGRI）反演大气水汽总量（LPW）产品在海拔高度差异较大区域的适用性,利用2019和2020年6月20日~7月31日四川省11个探空站点观测数据计算大气水汽总量（TPW）,对FY-4A LPW进行评估分析。结果表明：FY-4A LPW整体平均偏差为负值,对研究区内大气水汽总量存在低估,低估主要集中在0~4.5 cm的水汽低值区;FY-4A LPW与探空TPW相关性较好,最大相关系数达0.95,在四川地区较为可靠;海拔高度对FY-4A LPW可靠性有直接影响,FY-4A LPW和探空TPW相关系数大小与海拔高度呈负相关。     

FY-4A AGRI热红外通道辐射定标的精确外场评估

Fengyun-4A(FY-4A)卫星是2016年12月11日发射的我国新一代对地静止气象卫星,它配备了先进的成像仪和测深仪,可提供高时空和光谱分辨率的探测信息,用于天气气候相关的监测、预警和预报。多通道扫描成像辐射计(AGRI)是FY-4A卫星平台挂载的关键辐射成像仪器,重点用于云观测,并利用高时间分辨率的特征进行天气过程追踪。AGRI的红外辐射通道具有全光路的星上红外定标系统,与FY-2上的红外可见自旋扫描辐射计(VISSR)相比,无论在定量标定、成像速度和空间分辨率方面均有了显著改善。FY-4A AGRI的在轨运行状态和星上辐射定标水平的精确评估,对红外通道产品应用具有重大意义。     

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。     

闪电定位资料与目测雷暴日的对比分析

对比分析了2006—2008年4—8月江苏省气象局闪电定位系统数据和6个地面观测站雷暴数据,通过计算测站有雷暴记录同时闪电探测网有闪电记录的比例和有地闪记录同时有雷暴记录的比例,得出两种观测数据的一致性较好;同时以目测资料为准,借助雷达数据判别分析了闪电定位系统的漏测率和误测率,表明省气象局闪电定位系统探测数据有效。江苏省水体分布广泛,南北地形差异较大,闪电分布也不同,本文针对不同地形地貌利用两种观测数据计算了适用于各个地区的地闪密度公式。     

风云四号A星闪电成像仪程序自动上注系统设计与实现

风云四号A星闪电成像仪是中国首个采用在轨接收大量遥控指令,进而实现程序上注的高轨气象卫星。FY-4-(01)批地面应用系统在建设中通过设计程序上注策略和部署程序自动上注系统,实现了任务时间表生成、指令发送、上注结果辨识、错误指令重发等全自动化功能。仿真结果表明该系统能满足卫星在稳定性和时效性上的需求,并有效缩短了上注时间。程序自动上注系统的研发与应用对未来风云系列卫星多星统一指挥测控任务的开展具有重要的意义。     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

目前人们对超级单体云团降水回波结构的认知仍有限。本文采用GPM (Global Precipitation Measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和微波成像仪GMI (GPM Microwave Imager)的探测结果,结合FY-4A静止卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)的热红外10.8μm通道观测结果、探空站的温湿风观测结果及欧洲天气预报中心再分析数据,利用雷达回波剖面和回波反射率因子概率密度随高度分布的方法,分析了2018年5月重庆地区超级单体云团的降水结构特征。结果表明:该超级单体云团由西北向东南运动的冷空气与暖湿空气交汇而引发;超级单体云团内存在对流降水和层状降水等次尺度系统;强降水区位于云贵高原与四川盆地交界处至盆地的西南部;超级单体暴雨云中冰相粒子多;对流降水的回波顶高度超过12 km,且最大回波强度多数位于地面上空4—5 km;对流降水比层状降水拥有更高的降水粒子浓度,而粒子大小却小于后者;对流降水的粒子尺度随着高度下降而明显增大,反映了其明显碰并增长过程。     

基于LabVIEW图形化语言的云降水粒子图像回放软件

利用机载云降水粒子成像仪进行飞机入云观测是云微物理研究的一种重要探测手段。机载云降水粒子成像仪对所采集到的云粒子图像信息先进行压缩处理后再传入电脑进行存储。后续的粒子图像信息回放,需要借助专门的软件才能实现,为实现对云降水粒子图像信息的回放,在分析云降水粒子图像数据格式的基础上,利用图形化语言LabVIEW编写了粒子图像数据的解压缩程序,并采用消息队列和JKI状态机的组合形式进行软件架构的系统设计,最终开发出云降水粒子图像回放软件。该软件可实现对云降水粒子成像仪的粒子图像数据进行读取与显示,还可对粒子图像信息进行提取和存储,可辅助云降水物理的研究。     

FY 3A三个通道资料反演水云有效粒子半径的研究

基于水汽吸收波段云的反射率主要依赖于云粒子大小的原理,利用SBDART辐射传输模式和FY-3A极轨气象卫星可见光红外扫描辐射计(VIRR)的通道3(3.7μm)、中分辨率光谱成像仪(MERSI)的通道6(1.64μm)和通道7(2.13μm)所提供的探测数据进行了水云有效粒子半径的反演和比较。发现,1.64、2.13和3.7μm三个通道均能定最反演有效粒子半径的大小,其中1.64和2.13μm通道对大粒子的敏感性较高,3.7μm通道在光学厚度较小时敏感性好。三个通道的有效粒子半径反演产品与MODIS有效粒子半径产品具有较好的相关性。     

FY-2G卫星冬夏云量产品偏差分析

开展卫星反演云量的精度评估是业务应用的基础,也是充分发挥卫星观测效益的前提。利用同类卫星产品EOS Aqua/MODIS云产品,选取2015年6月和12月共80个个例,包括43个白天个例,37个夜间个例。采用交叉比对方法对FY-2G云量产品进行相对偏差分析。结果表明:FY-2G与Aqua/MODIS计算云量总体趋势相当,无论从时间分布（白天和夜间）还是季节分布（6月和12月）上看,FY-2G与Aqua云量相对偏差较为稳定,FY-2G反演云量小于Aqua/MODIS反演云量。匹配个例中FY-2G平均云量为72.81%,Aqua/MODIS平均云量是76.19%,两者相关系数为0.74。两者绝对偏差小于5%的像元比例为72.34%;云量偏差绝对值小于15%的像元比例为79.51%。FY-2G与Aqua/MODIS云量偏差主要来自各自卫星的观测能力与所采用的云检测算法。与具有36个探测通道、星下点最低空间分辨率为0.01°×0.01°的Aqua/MODIS观测数据相比,FY-2G所具有的5通道、星下点最高空间分辨率为0.05°×0.05°的观测数据会出现对云,尤其是破碎云和薄卷云的漏检。两种具有不同时空属性的数据在匹配处理时采用的不同算法也会在比对分析中引入偏差。