FY-2C云迹风资料同化应用对台风预报的影响试验研究

针对0505号台风“海棠”, 采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验, 利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品, 同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验。通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响, 并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验。结果表明: 同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度, 不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进; 风场预报模拟也有所改善。增加两例台风, 使用与“海棠” 相似的处理方法进行模拟试验, 并对模拟结果24小时降水分析与检验, 得到与“海棠”类似结论。因此, 经过合理性选择的云迹风资料的加入, 有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息, 从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果, 提高WRF模式的模拟预报能力。     

利用FY-2C卫星数据反演云辐射特性

本文利用FY-2C静止卫星提供的可见光、中红外和热红外观测数据, 开展了水云光学厚度、粒子有效半径和云顶温度的云参数遥感探测理论和反演方法研究。基于FY-2C可见光、中红外(3.75 μm)与热红外(11 μm)通道辐射率对云光学厚度、 云滴有效半径、云顶温度辐射参数的敏感性分析, 提出三通道同时反演云的光学厚度、云滴有效半径及云顶温度的迭代方案; 通过个例分析进行了云参数反演试验, 并将结果与MODIS的云反演产品进行了对比, 最后对反演误差进行了分析。主要结论如下:(1) 个例反演得到的云参数与各通道探测数据有着较好的对应关系, 迭代计算标准偏差在允许的计算精度范围内(<0.89%), 反演结果具有合理性; (2) 通过与MODIS云反演产品的对比可以看到, 两者云光学厚度、云滴有效半径的均值和直方图分布都非常一致, 而MODIS的云顶温度比FY-2C反演值要高, 考虑到FY-2C的 11 μm通道测量的辐射值与MODIS相比偏小, 因此认为我们的反演方法与MODIS方法的精度是相当的。     

FY-2E卫星资料在基于LAPS的台风三维云分析中的应用

LAPS(Local Analysis and Prediction System)采用物理初值化与三维变分约束相结合的方法,通过融合多源观测资料,发挥各种资料的优势,分析得到较为客观的三维云场,并可改善数值模式初始场。将FY-2E卫星可见光反照率和红外亮温资料引入LAPS,针对2014年6月登陆我国的台风"海贝思",设计不同水平分辨率的同化试验,研究台风三维云结构和初始场的改善情况。结果表明:1)LAPS云分析中引入卫星可见光反照率资料之后,总云量有显著的调整,能够较清晰地分辨出台风眼区、云墙和螺旋云带,卫星红外亮温资料在云顶高度的调整中发挥了重要作用,而且高分辨率的云分析结果有助于更好地分析出台风结构和强对流区域。2)LAPS物理初值化技术将卫星资料中的云结构和微物理信息添加到初始场中,一定程度上调整了数值模式初始场中垂直速度、云水、云冰和水汽场等变量的分布,提高了模式初值质量,对模拟和预报台风系统将会产生一定的影响。     

FY-2C云迹风资料时空分布特征分析

利用统计方法分析我国FY-2C静止卫星红外、水汽通道云迹风资料的数量和误差分布特征,通过分别统计昼夜、不同区域、冬夏季和不同年份的资料分布情况,得到以下主要结论:(1)云迹风资料在白天和黑夜80%以上的可用点资料都集中在200~300 hPa,但白天的资料总个数多于黑夜;误差统计结果表明在资料比较集中层次,昼夜的平均误差、标准误差和均方根误差变化趋势相近。(2)不同区域云迹风资料可用点的数量垂直分布差异不明显,而不可用点的数量分布差异很大;同时发现两个区域的3种误差表现出一定的区域性特征,高原地区的误差整体小于低海拔地区的。(3)冬夏季的统计结果表明云迹风资料在冬、夏季资料总个数及垂直分布变化不同,夏季资料个数多,且主要分布在200~300hPa,而冬季主要分布在100hPa和400hPa;误差统计结果表明夏季误差小、冬季误差大。(4)不同年份的数量统计表明:2005年和2008年的资料个数变化不大,但是IR1资料的数量垂直分布差异很大,而IR3的差异不明显;误差统计结果表明2008年云迹风资料的均方根误差整体比2005年的小。(5)在误差分析中发现,无论IR1资料还是IR3资料都存在一定的平均误差,但标准误差,即随机误差仍是产生均方根误差的主要原因。     

A Case Study of Impact of FY-2C Satellite Data in Cloud Analysis to Improve Short-Range Precipitation Forecast

Chinese FengYun-2C（FY-2C） satellite data were combined into the Local Analysis and Prediction System（LAPS） model to obtain three-dimensional cloud parameters and rain content. These parameters analyzed by LAPS were used to initialize the Global/Regional Assimilation and Prediction System model（GRAPES） in China to predict precipitation in a rainstorm case in the country. Three prediction experiments were conducted and were used to investigate the impacts of FY-2C satellite data on cloud analysis of LAPS and on short range precipitation forecasts. In the first experiment, the initial cloud fields was zero value. In the second, the initial cloud fields were cloud liquid water, cloud ice, and rain content derived from LAPS without combining the satellite data. In the third experiment, the initial cloud fields were cloud liquid water, cloud ice, and rain content derived from LAPS including satellite data. The results indicated that the FY-2C satellite data combination in LAPS can show more realistic cloud distributions, and the model simulation for precipitation in 1–6 h had certain improvements over that when satellite data and complex cloud analysis were not applied.     

利用TRMM卫星资料分析"桑美"台风云系特征

利用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪探测结果,结合天气图、FY-2c卫星云图、南昌多普勒雷达图,对"桑美"台风活动的大气环流、不同阶段云系特点,以及云中冰、水结构进行了分析.结果表明,"桑美"云系在洋面时有清晰的台风眼和云墙结构,螺旋云带范围较大,在云墙和螺旋云带处存在较强降水;临近登陆时螺旋云带和降水范围明显减小,但云墙处分布大量冰粒子和水粒子,云墙处对流极其强烈,中心区域强降水云系更为紧密;登陆后云墙结构消散,强度减弱."桑美"登陆后降水水平范围明显减小,且中心处的降水强度也要小于在洋面时,台风云顶高度明显小于在洋面时."桑美"登陆后在江西境内的对流降水样本比例和降水贡献率都远高于在洋面上,其中10～20 mm/h对流性降水贡献率达46.7%,导致江西局部产生大暴雨.     

利用FY-2C静止卫星资料反演云粒子有效半径的试验研究

为充分发挥FY-2C静止卫星在人工影响天气和气候领域的重要作用，基于SBDART辐射传输模式，利用该卫星通道4（3．5～4．0μm）的探测数据，反演了云粒子有效半径，并与TERRA上MODIS的相应产品做了比较。结果表明，FY-2C和MODIS资料能一致地反映云粒子有效半径分布的主要特征，但反演的粒子大小存在差异。反演算法、卫星分辨率及选取通道的不同可能是造成两种资料间差异的主要原因。     

FY-2C卫星资料在热带风暴“范斯高”预报分析中的应用

运用FY-2C卫星云图及其相关定量资料TBB,对热带风暴"范斯高"的强度、路径及降水进行了综合分析,归纳出"范斯高"发生发展中云系的一些特征,从而判断其强度变化和移动方向;在降水方面,黑体亮温(TBB)场和降水量有很好的对应关系,TBB场清晰地揭示了"范斯高"的降水分布特征,即五指山以北出现强降水,其中西部最强,而南部降水较弱。     

用FY-2C/D卫星等综合观测资料反演云物理特性产品及检验

云的宏微观物理特性参数无论对天气、气候还是人工影响天气的研究和业务都有十分重要的应用价值.基于FY-2C/D静止卫星遥感观测,融合高空和地面等其它观测资料,研发了近10种云宏微观物理特性参数的反演技术方法,并实现业务化运行.简单介绍反演得到的云顶高度、云顶温度、云过冷层厚度、云暖层厚度、云底高度、云体厚度、云光学厚度、云粒子有效半径和云液水路径等近10种云宏微观物理参数产品的物理意义、反演技术方法和业务流程等;对主要云参数产品,利用最新获得的Cioudsat云卫星实测结果进行了对比检验和可用性分析;将反演产品同MODIS反演的同类产品进行对比分析,发现两者具有较好的一致性.     

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。     

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。     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

风云二号02批气象卫星数据处理中心软件工程方法

数据处理中心是风云二号02批静止气象卫星地面应用系统的核心业务处理系统之一。该文描述了风云二号02批卫星的业务特征;对科研阶段研制的数据处理中心应用软件在稳定业务运行方面尚有的欠缺做出分析;根据软件工程的再工程理论,提出使用逆向工程方法,进行数据、代码、接口和文档的重构;对数据处理中心的业务流程进行构造,对业务系统进行逻辑层次的结构设计。     

利用FY-2F快速扫描资料分析对流初生阶段的云顶物理量特征

基于FY-2F静止气象卫星提供的2015年5—9月的高分辨率数据,通过温度阈值法识别出深、浅对流后,分析和比较了深、浅对流在对流初生(convective initiation,CI)至发展阶段中云顶高度、云顶快速降温率(cloud top cooling rate,CTC)以及多通道差值等云顶物理量特征的变化异同。结果表明:深、浅对流在CI阶段的云顶物理量特征具有相似变化特征,即云顶高度均在短时间内快速上升,CTC值均先减小后增大;深、浅对流差异表现为深(浅)对流云顶上升高度能(不能)超越水汽层高度;深对流CTC最低值较浅对流CTC最低值更低。基于CI阶段深、浅对流的CTC最低值的差异,通过个例验证,表明利用深、浅对流CTC最低值的差异,可以在识别出CI的基础,判断出CI是否发展成为深对流,从而能提前做出预警。     

FY-2G地表温度反演产品改变模式初值对一次台风暴雨模拟的影响

为探讨地表温度初始场在台风暴雨模拟中的重要性,以2015年第13号台风"苏迪罗"为例,分别用FY-2G卫星反演的陆表温度、海表温度产品替换NCEP资料初始场,进行数值模拟试验。对模拟结果进行分量级降水TS评分和预报正确率检验,并对比分析了各试验方案2 m温度场、感热通量和潜热通量场、900 h Pa流场和850 h Pa垂直速度场间的差异。结果表明:使用FY-2G卫星反演的陆、海表温度产品作模式初始场均能不同程度地改善降水模拟效果,但改善程度随时间降低,24 h后其改善作用已较小;陆表温度试验对小雨和中雨量级的预报质量均有提高,而海表温度试验仅提高了小雨量级的预报质量。进一步分析表明,陆表温度试验主要通过改善陆表温度初始场影响感热通量和潜热通量的分布,进而减小台风东北部低层温度正异常,使该区域气旋性环流减弱、垂直速度减小,有效抑制了虚假对流出现,最终达到改善降水预报质量的效果;海表温度试验原理与陆表温度试验类似,但对降水预报质量改善不明显,仅在广东南部沿海地区降水模拟效果较好。     

FY 2双星亮温归一化及其在台风个例中的应用

针对台风业务应用中发现FY-2D和FY-2E双星观测存在亮温差过大的问题,本文以2010年台风鲇鱼（Megi）为例,利用2010年10月17日1030-1230UTC的FY-2D／E红外1通道数据,提出了双星亮温归一化的解决方法,结果如下：（1）采用CDF（Cumulative Distribution Function）匹配法对双星亮温进行归一化处理,可有效利用FY-2D和FY-2E双星观测结果。个例分析表明,经归一化处理以后,双星的PDF（Probability Distribution Function）分布更趋一致,甚至在很多地方出现重合,归一化效果良好。在台风定强分析,如ADT（Advanced Dvorak Technique）算法中,归一化处理可作为数据预处理的一部分内容,不影响后面的算法和流程。（2）以MTSAT为基准,经CDF匹配法对FY-2D和2E的TBB分别进行归一化处理,将使得FY-2的亮温与MTSAT具有可比性,便于比较国内外的台风定强分析结果和算法差异。     

基于FY-2C红外资料进行夜间云检测的方法研究

应用2007年4月30日20时至5月1日03时的FY-2C红外亮温资料、地面云观测资料以及地理海拔高度资料,详细分析了无云条件下红外亮温与地理海拔高度之间的关系特征。通过建立夜间无云条件下红外亮温与地理海拔高度之间对应关系的标准数据库,以此为判据实现了有云区和无云区的分离,云检测个例结果表明正确率可达88%;将无云区误判为有云区的百分比为4%,同时将有云区误判为晴空区的百分比是8%。在云区的云检测正确率为82%;在无云区的云检测正确率达到92%。在业务化应用和适用性分析中,以5月1日00时资料建立的判据,分别对5月2日至5日00时整个区域进行云检测试验,分析结果表明其总体准确率与5月1日00时的基本接近但稍高,达到92%。在云区的判识正确率提高到93%,从而导致总体准确率稍微提高;而在无云区的判识效果与5月1日00时的一致为92%。     

基于FY-2C卫星资料估算四川地面降水方法研究

应用2006年6月6日00时(北京时)至7日06时四川地区的自动站降水资料和FY-2C静止卫星红外亮温资料,共3854对样本,分析发现1小时内的最低红外亮温和红外亮温增量两因子能很好地表征地面1小时累计降水量,且能有效地进行四川地面1小时降水估算,并由此建立了估算降水方法.通过对2006年8月27日13-19时,2006年8月28日04-16时两个时段估算降水结果的初步检验来看,其均方根差都小于2.0mm,随着最低亮温的增加,其均方根差也越小.由此可见,基于FY-2C静止卫星1小时内最低红外亮温和亮温增量来估算四川地面1小时降水是可行的,且效果较好.     

在台风业务系统中使用卫星云导风资料的试验

在国家气象中心台隐数值预报业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料,进行两项预报试验。第一项是把卫星云导风资料作为观测资料进行最优插值客观分析;第二项是将云导风资料加入到轴对称的人造台风模型风场上,使之产生非对称风场。试验结果表明：卫星云导风资料作为观测资料进入模式后对减小台风路径预报误差效果明显;用云导风形成人造台风模型非对称风场可进一步提高台风路径预报精度。     

FY-1C资料在云顶粒子热力学相态分析中的应用研究

中国发射的FY-1C极轨气象卫星有10个探测通道,包括可见光、近红外和红外波段.在对云顶粒子热力学相态进行数学模拟分析的基础上,利用FY-1C资料对实例进行了分析研究.结果表明FY-1C的通道6(1.58～1.64μm)适于探测云顶粒子的热力学相态.