基于FY-3D卫星的微波与光学陆表温度融合研究

目前还没有基于国产卫星的1 km分辨率的全天候陆表温度(LST)产品,FY-3D卫星提供了中分辨率成像仪(MERSI)Ⅱ型1 km分辨率晴空LST产品与微波成像仪(MWRI)25 km全天候LST产品,因此可结合两者优势开展全天候1 km分辨率LST的融合研究。基于地理加权回归(GWR)方法,选择海拔、FY-3D归一化植被指数和归一化建筑指数等建立GWR模型对FY-3D/MWRI 25 km LST降尺度到1 km,并与MERSI 1 km LST进行融合;同时针对MWRI轨道间隙,利用前后1天融合后的云覆盖像元1 km LST进行补值,可以得到接近全天候下的1 km LST。基于以上融合算法,选择了中国区域多个典型日期FY-3D/MERSI和MWRI LST官网产品进行了融合试验,并利用公开发布的全天候1 km LST产品(TPDC LST)对FY-3D1 km LST融合结果进行了评估。研究结果表明,基于GWR法的LST降尺度方法,可以有效避免传统微波LST降尺度方法中存在的“斑块”效应和局地温度偏低等问题;LST融合结果有值率从融合前的22.4%～36.9%可提高到融合后69.3...     

基于FY-3C微波辐射成像仪海表温度产品的偏差订正方法研究

提出一种针对FY-3C搭载的微波辐射成像仪(MWRI)海表温度产品的分段回归偏差订正方法,该方法通过引进气候态海表温度数据,建立与关联实测海表温度相匹配的回归模型,并通过对模型中关联变量的误差分析,选择最优样本进行分段回归,以实现对海表温度数据的重新估计。通过对MWRI海表温度数据的偏差订正试验表明,采用分段回归方法获得的订正结果无论在误差指标的空间分布还是时间序列上,都要明显优于采用传统概率密度函数偏差订正方法的结果。其中,采用概率密度函数方法订正后的海表温度产品误差标准差和均方根误差从订正前的0.9—1.0℃,减小到0.8℃左右,而采用分段回归方法获得相应的订正误差仅为0.6℃左右,订正效果有明显改善。     

FY-3A陆表温度反演及高温天气过程动态监测

采用FY-3A/VIRR数据,利用Becker局地分裂窗改进算法反演得到逐日陆表温度 (LST), 对2009年一次高温天气过程进行动态监测, 并分析不同下垫面的热环境变化。结果显示:此过程中可见光红外扫描辐射计 (VIRR) 陆表温度产品在敦煌辐射校正场地两次验证的误差为-0.17 K和1.77 K,与同时间过境的MODIS产品均方根误差为2.64 K,直方图对比陆表温度的频数分布基本一致;对高温天气过程监测发现,此次出现以华北的石家庄、郑州、北京等地和西北地区东部的西安等地为中心的两个陆表温度高值区, 部分地区达到了320.2 K以上;城市剖面资料证实城市热岛现象存在,并发现工矿用地的热岛效应不容忽视,主要是大面积的工矿用地周围植被破坏严重,地表增温更为显著。     

基于MODIS数据的乌昌地区地表温度反演

陆地表面温度是监测地球资源环境变化的重要指标之一,对于区域干旱预报、作物产量估算、数值天气预报等的研究都有重要意义。本文阐述了MODIS资料反演地表温度的原理,建立了基于MODIS资料、地理信息数据和地面气象站观测资料反演地表温度的统计模型。     

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。     

FY-3C/VIRR海表温度产品及质量检验

国家卫星气象中心FY-3C/VIRR（visible and infrared radiometer,可见光红外扫描辐射计）海表温度产品在云检测产品的基础上,采用多通道MCSST（multichannel SST）算法进行晴空区海温反演。该文详细介绍了海表温度产品算法、产品设计、质量控制及质量检验方法。FY-3C/VIRR海表温度产品包括5 min段原始投影海温和5 km全球等经纬度投影海温。设计逐像元的海温质量标识,将海温像元分为优、良、差3个等级,用户可根据应用目标选择海温的质量等级。与日最优插值海温OISST（optimum interpolation SST）相比,FY-3C/VIRR 2015年1月—2019年12月的5 min段海温质量检验结果表明：质量等级为优的海温,白天和夜间的偏差分别为-0.18℃和-0.06℃,均方根误差分别为0.85℃和0.8℃;白天海温均方根误差有季节性波动,夏季有的月份均方根误差大于1℃（如2015年7月、2016年7月和2019年7月）;在海温回归系数不变的条件下,夜间海温偏差的季节性波动与星上黑体温度相关显著。从一级数据质量、定位、业务运行状况等方面讨论引起海表温度产品异常的原因,为FY-3C/VIRR历史数据定位、定标和产品重处理及用户应用提供重要的参考信息。     

基于MODIS数据的金塔绿洲地表温度反演

地表温度(LST)是气象、水文、生态等研究领域中的一个重要参数.本文对MODIS数据的分裂窗算法进行了简要的介绍,并利用MODIS数据计算反演了地表温度所需的关键参数:大气透过率和地表比辐射率,然后运用分裂窗算法反演了金塔绿洲地区的地表温度,并与地面实测数据进行了对比分析.结果表明,这一方法能获得较合理的地表温度,符合金塔绿洲的实际地表状况.     

基于仿真的6.9 GHz通道亮温改进FY-3D MWRI海面温度产品

海洋表面温度SST（Sea Surface Temperature）是全球海洋和气候研究的重要参数之一,卫星被动微波遥感由于能够实现全天候观测而被越来越多的应用到SST研究中。中国的风云三号（FY 3）卫星搭载的微波成像仪（MWRI）缺少对SST更加敏感的7 GHz附近垂直极化通道,本研究将FY 3 MWRI与具有6.9 GHz通道的Aqua AMSR 2进行时空匹配,采用神经网络方法,利用匹配的FY 3 MWRI的通道亮温模拟仿真AMSR 2的69 GHz垂直极化通道亮温（6.9V）,通过引入仿真的6.9V来提高FY 3 MWRI SST的反演精度。结果表明：引入仿真的6.9V可以改进FY 3 MWRI SST反演精度,对35°～90°S之间海域的SST改进更加显著,主要由于6.9V对低SST的探测灵敏度更高且在低SST反演时受风速的影响较小导致的。如果FY3后续卫星可以搭载6.9 GHz通道,将可进一步提升低SST特别是两极SST的反演精度。     

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-3B/VIRR海表温度算法改进及精度评估

该文介绍了卫星观测海表温度 (SST) 算法的发展历程,给出了所用SST算法的回归模型,并在FY-3B/VIRR业务SST算法的基础上进行了改进。基于NOAA-19/AVHRR匹配数据集,进行多算法建模分析及精度评估,白天最优算法为非线性SST (NL) 算法,夜间最优算法为三通道SST (TC) 算法,最优算法的确定与NESDIS/STAR一致。建立2012年8月—2013年3月FY-3B/VIRR匹配数据集,并在此基础上进行多算法回归建模及精度评估,白天和夜间的最优均为NL算法,分析发现夜间TC算法采用匹配数据集版本2(MDB_V2) 时,3.7 μm通道存在类似百叶窗的条带现象。以2012年10—12月FY-3B/VIRR匹配数据集计算回归系数,以2013年1—3月独立样本进行精度评估,与浮标SST相比,NL算法白天和夜间的均方根误差分别为0.41℃和0.43℃。与日平均最优插值海温 (OISST) 相比,NL算法白天和夜间的均方根误差分别为1.45℃和1.5℃; 选择与OISST偏差在2℃以内的样本,NL算法白天和夜间均方根误差分别为0.82℃和0.84℃。     

Assimilation of FY-3D MWTS-Ⅱ Radiance with 3D Precipitation Detection and the Impacts on Typhoon Forecasts

Precipitation detection is an essential step in radiance assimilation because the uncertainties in precipitation would affect the radiative transfer calculation and observation errors. The traditional precipitation detection method for microwave only detects clouds and precipitation horizontally, without considering the three-dimensional distribution of clouds.Extending precipitation detection from 2D to 3D is expected to bring more useful information to the data assimilation without using the a...     

基于风云三号卫星微波资料反演我国地表土壤湿度及其对比

土壤湿度是联系陆地水循环和能量循环的纽带,是地表最重要的水资源,也是一个重要的气象预报因子。基于风云三号卫星微波资料,采用能量辐射传输模型反演了我国逐日地表土壤湿度(FY-3B),并估算了其系统误差;然后,与中国气象局农业气象站观测资料和ERA-Interim、NCEP再分析资料进行了对比分析。研究结果表明,FY-3B土壤湿度呈由西北地区向东北和东南地区逐渐增加的空间分布特征,与农气站观测资料和两套再分析资料基本一致;其系统误差与植被覆盖度密切相关,我国西南部植被茂密的地区系统误差较大。FY-3B土壤湿度的季节性变化与农气站观测资料在全国范围有较好的一致性,总体表现为冬季土壤湿度较高,随着春季气温升高蒸散发增加,土壤湿度逐渐降低;夏天雨季来临,土壤湿度回升。然而,FY-3B土壤湿度与ERA-Interim和NCEP再分析资料在东北部分地区和长江流域以南呈很强的负相关,这主要是由于季节性干湿变化的不一致性所致;这表明,ERA-Interim和NCEP土壤湿度再分析资料在这些地区存在较大的不确定性。     

Impact of land use changes on surface warming in China

Land use changes such as urbanization, agriculture, pasturing, deforestation, desertification and irrigation can change the land surface heat flux directly, and also change the atmospheric circulation indirectly, and therefore affect the local temperature. But it is difficult to separate their effects from climate trends such as greenhouse-gas effects. Comparing the decadal trends of the observation station data with those of the NCEP/NCAR Reanalysis (NNR) data provides a good method to separate the effects because the NNR is insensitive to land surface changes. The effects of urbanization and other land use changes over China are estimated by using the difference between the station and the NNR surface temperature trends. Our results show that urbanization and other land use changes may contribute to the observed 0.12℃ (10 yr)- 1 increase for daily mean surface temperature, and the 0.20℃ (10 yr)- 1 and 0.03℃ (10 yr)-1 increases for the daily minimum and maximum surface temperatures, respectively. The urban heat island effect and the effects of other land-use changes mayalso play an important role in the diurnal temperature range change. The spatial pattern of the differences in trends shows a marked heterogeneity.The land surface degradation such as deforestation and desertification due to human activities over northern China, and rapidly-developed urbanization over southern China, may have mostly contributed to the increases at stations north of about 38°N and in Southeast China, respectively. Furthermore, the vegetation cover increase due to irrigation and fertilization may have contributed to the decreasing trend of surface temperature over the lower Yellow River Basin. The study illustrates the possible impacts of land use changes on surface temperature over China.     

基于多源遥感数据的辽宁地表温度反演及空间分布研究

以辽宁地表温度为研究对象,采用普适性单通道算法,利用FY-3A/MERSI数据,并结合MODIS 1000 m分辨率数据,反演了2009年和2010年4-9月间10个时次晴空或局部晴空时的地表温度。结果表明：计算验证了模型的反演精度与同期NASA所发布MODIS地表温度产品的精度相当,其结果与相应的56个气象站点的实际观测数据相一致。多源遥感数据的综合应用,可获得较合理的地表温度反演结果;不同土地覆盖类型间地表温度的高低在相同时间内存在显著差异;研究期内,林地、水田、旱地和建设用地的NDVI与地表温度具有负相关性。综合利用遥感、地理信息系统技术,可以表征地表温度与土地利用类型以及地表温度与归一化植被指数(NDVI)之间的关系。     

利用FY-4A卫星光学数据对中国近地面PM2.5浓度的估算和检验分析

对FY-4A卫星的气溶胶光学厚度（AOD）产品进行检验,并根据卫星相关观测资料,通过改进后的PMRS方法,反演得到中国近地面PM_2.5质量浓度网格化分布。结果表明,FY-4A卫星反演不同站点AOD与地基观测网（AERONET）观测结果吻合较好,但存在一定的低估或高估现象,相关系数区间为0.54—0.87。将细粒子比（FMF）以0.4为界进行划分,FMF＞0.4时,拟合结果较FMF≤0.4时更接近于AERONET观测结果;但FMF≤0.4时,卫星反演的AOD稳定性优于FMF＞0.4时。通过引入AOD的大小,改进FMF＞0.4时对细粒子柱状体积消光比（VE_f）的估算算法,并通过改进后的PMRS方法对中国近地面PM_2.5浓度进行逐时反演,其反演结果和地面观测结果相关较好,其中,乌鲁木齐、石家庄和徐州观测点的相关系数均高于0.7,但数值上仍存在高估或低估,误差结果由多种因素决定。空间分布中,卫星反演的中国2019年近地面PM_2.5浓度月均值与近地面观测的结果有较好的对应关系,二者逐月演变趋势基本一致,基本可以反映出中国近地面大气细粒子的空间分布,特别是秋、冬季京津冀周边区域、汾渭平原等污染高值区均与地面观测对应较好。      

欧亚大陆夏季地表温度的气候特征及与大气环流的联系

采用1960—2010年NCEP/NCAR逐月再分析资料,利用经验正交函数(EOF)展开方法等,分析了欧亚大陆夏季地表温度变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:欧亚大陆夏季地表温度的均方差在高纬度地区大于在低纬度地区。欧亚大陆夏季地表温度最主要的特征是全区一致变化,除了青藏高原东侧为降温趋势外,其他地区为变暖趋势,其中40~65°N增温明显;其次,高纬度地区表现出"-+-"变化特征。西风环流指数的变化与地表温度的增温密切相关,而EU指数与中高纬度地区地表温度异常的分布类型密切相关。根据欧亚大陆夏季地表温度的气候特征和时空变化特征,确定了5个关键区。各关键区指数都有增温趋势,但是变化特征不同。不同关键区指数的异常所对应的环流形势异常均不相同,与不同关键区地表温度密切联系的环流因子也不相同。     

Turbulent variance characteristics of temperature and humidity over a non-uniform land surface for an agricultural ecosystem in China

This paper describes the application of the variance method for flux estimation over a mixed agricultural region in China. Eddy covariance and flux variance measurements were conducted in a near-surface layer over a non-uniform land surface in the central plain of China from 7 June to 20 July 2002. During this period, the mean canopy height was about 0.50 m. The study site consisted of grass (10% of area), beans (15%), corn (15%) and rice (60%). Under unstable conditions, the standard deviations of temperature and water vapor density (normalized by appropriate scaling parameters), observed by a single instrument, followed the Monin-Obukhov similarity theory. The similarity constants for heat (CT ) and water vapor (Cq) were 1.09 and 1.49, respectively. In comparison with direct measurements using eddy covariance techniques, the flux variance method, on average, underestimated sensible heat flux by 21% and latent heat flux by 24%, which may be attributed to the fact that the observed slight deviations (20% or 30% at most) of the similarity “constants” may be within the expected range of variation of a single instrument from the generally-valid relations.     

中小城市地表温度空间分异及其与下垫面关系的遥感影像研究

以Landsat TM 影像为主要数据源,采用单窗算法反演河南省南阳市市区的地表温度。在GIS支持下,研究全区地表温度的空间分异特征,并探讨了地表温度与下垫面特征的关系。结果显示：研究区内高温斑块主要集中在仓储区和商业与公共服务区,该类区域过高的LST对城市环境有明显的负面影响;拦蓄河流所营造的水体是面积较大的低温斑块,对改善城市热环境和中小型城市拦蓄河流措施有一定意义;研究区内LST的空间自相关性在不同方向上有明显差别,东-西方向和东北-西南方向上空间自相关的范围较大,这种格局与区内水体走向有关;地表温度与道路密度指数呈明显正相关。提出中小城市可在仓储用地和交通发达地段周边规划绿地和水体,以抑制热岛呈大面积连片分布。