FY-4A辐射产品在贵州山区的检验与订正

本文利用2018年3月12日—2019年2月28日近一年(2018年春季—冬季)贵州山区（从江、三穗、桐梓、贵阳、紫云、兴仁、威宁7站）地面太阳辐照度观测资料对FY-4A反演辐照度进行检验与订正分析。结果表明：（1）卫星反演辐照度取值范围比地面观测小,整体而言反演辐照度偏高,晴空条件下反演精度远高于云条件,正午偏差最小,下午偏差最大。（2）卫星反演辐照度与地面观测辐照度具有较为一致的日变化和季节变化,两者呈显著正相关,相关系数随海拔高度呈负相关。（3）平均偏差往往随着地面观测的增大而减小,当地面观测辐照度大于800 W?m-2时,反演辐照度往往偏小。（4）对地面观测辐照度进行阈值划后,用多元线性回归方法对反演辐照度订正,订正后的产品在贵州具有较好的适用性。     

FY-4A辐射产品在贵州山区的检验与订正

本文利用2018年3月12日—2019年2月28日近一年(2018年春季—冬季)贵州山区（从江、三穗、桐梓、贵阳、紫云、兴仁、威宁7站）地面太阳辐照度观测资料对FY-4A反演辐照度进行检验与订正分析。结果表明：（1）卫星反演辐照度取值范围比地面观测小,整体而言反演辐照度偏高,晴空条件下反演精度远高于云条件,正午偏差最小,下午偏差最大。（2）卫星反演辐照度与地面观测辐照度具有较为一致的日变化和季节变化,两者呈显著正相关,相关系数随海拔高度呈负相关。（3）平均偏差往往随着地面观测的增大而减小,当地面观测辐照度大于800 W?m-2时,反演辐照度往往偏小。（4）对地面观测辐照度进行阈值划后,用多元线性回归方法对反演辐照度订正,订正后的产品在贵州具有较好的适用性。     

基于概率密度匹配方法的FY-4A地表入射太阳辐射订正

研究以内蒙古地面辐射观测为基准,进行FY-4A逐时总辐照度在内蒙古地区的适用性评估,并尝试利用概率密度匹配方法(PDF)进一步对FY-4A逐时总辐照度进行订正,结果表明:(1)FY-4A总辐照度与地面辐射观测的相关性在季节上表现为春、夏、秋季三季明显高于冬季,在空间上表现为东部地区的相关性好于西部,误差方面具有明显的对低值辐射高估,高值辐射低估的非独立系统误差特征;(2)按季建立PDF模型,可以反映地面观测与FY-4A总辐照度在内蒙古地区稳定的概率密度分布特征,有效改善FY-4A总辐照度在内蒙古地区的适用性;(3)PDF方法在有效减小卫星资料系统误差的同时,还较好地保持了卫星资料原有的误差分布特征,并对云天辐照度的改进效果明显。     

基于卫星遥感的新疆地表太阳总辐射估算

为了实现地表太阳总辐射合理的精细化模拟,本文尝试将天文辐射分布式理论模型和总辐射气候学经验模型相结合,引入重采样后的FY-2G卫星遥感总云量资料,建立了基于卫星遥感数据的地表太阳总辐射估算模型,并以气象站点稀疏的新疆为例,完成年、季地表太阳总辐射的精细化空间模拟,同时对模拟结果进行分析和检验。结果表明:(1)新疆区域年天文辐射量由南向北递减,大致以天山为界,天山以南区域的年天文辐射量高于10 000 MJ·m^-2,天山以北低于9750 MJ·m^-2,三大山脉对天文辐射的影响非常明显;(2)基于条带状重采样后的FY-2G总云量建立的日照百分率模型,其模拟的新疆区域平均绝对误差14.4%,且空间分布更加客观;(3)新疆"单站单月式"地表太阳总辐射气候学估算模型中,相关系数在夏半年较高,冬半年略有下降,且a、b系数的互补关系较为稳定;(4)从地表太阳总辐射检验结果来看,全区地表太阳总辐射的均方根误差年平均3.08 MJ·m^-2,模拟结果夏半年好于冬半年,南疆好于北疆,其中乌鲁木齐误差最大;(5)新疆年地表太阳总辐射整体表现为由西北向东南逐渐增加的空间分布,南疆盆地的总辐射量高于北疆盆地,天山山区西部为低值中心,而春、夏季总辐射由西向东呈经向分布,秋、冬季则呈纬向分布。     

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。     

1961~2003年中国大陆地表太阳总辐射变化趋势

利用中国大陆30个气象站1961～2003年地表太阳总辐射观测数据,研究了辐射年总量和季节总量的变化趋势及其空间分布特征,并探讨了其原因。结果表明:1961～1989年中国大陆地表太阳总辐射总体呈减少趋势,减少约11%;1990～2003年间略有回升,但其均值仍比1961～1965年的均值低8.2%。大部分地区春夏两季减少明显,约占年减少量的55%～85%。对各站点观测数据的趋势分析表明,地表太阳总辐射随时间的变化大致可分为4种类型,其特征分别为:1961～2003年间持续减少(占总站点数20%);20世纪60年代初到80年代中期呈显著减少趋势,其后线性趋势不明显(占总站点数40%)或呈逐步增加趋势(占总站点数16.7%);1961～2003年间无显著变化(占总站点数23.3%)。这4种类型在空间分布上无明显的区域特征。日照时数减少是总辐射减少的主要原因,可以解释地表太阳辐射年总量变化的72%,日照时数随风速的增大而增加。     

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-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/AGRI传感器波段平均太阳辐照度计算及不确定性分析

传感器大气顶层波段平均太阳辐照度(Band-Averaged Extraterrestrial Solar Irradiance,BAESI)是表观反射率和星上辐亮度之间转换的重要因子,为了针对FY-4A/AGRI有关通道较为准确地计算这一数值,分别以韩国COMS/GOCI、美国GEOS-16/ABI、日本Himawari-8/9/AHI传感器为例,利用国际上常用的6条太阳光谱曲线与传感器光谱响应函数参与计算BAESI,并与各传感器BAESI标准值进行比较。结果表明,Kurucz计算结果平均绝对误差与均方根误差均最小,是最理想的太阳光谱曲线,此外,Kurucz计算值与各传感器各波段BAESI标准值的最大偏差均小于4.5%,最大偏差百分比及对应波段分别为-2.39%(GOCI-band3)、1.49%(ABI-band6)、4.28%(AHI-08-band6)、4.42%(AHI-09-band6)。因此选择Kurucz太阳光谱曲线参与计算FY-4A/AGRI传感器各波段BAESI值,给出相应结果,并分析了计算值的不确定性,解决了将表观反射率转换为辐射亮度的困难。     

复杂地形下山西高原太阳潜在总辐射时空分布特征

针对太阳辐射在不同区域及地形地貌条件下的差异,借鉴国内外太阳辐射最新研究成果,考虑地形和大气衰减因子及各种可能的影响因子,基于数字高程模型提取坡度、坡向以及地形遮蔽因子,建立了山西高原太阳潜在总辐射计算模型,进而利用纵跨山西南北的3个辐射观测站的5年逐日太阳总辐射晴空观测资料对模型计算结果进行了检验分析,检验结果表明模型适用可行.利用该模型计算分析了山西高原太阳潜在总辐射的时空变化以及地形因子影响下的变化特征,可望为区域小气候变化以及区域植被、农作物所应用的小气候指标提供重要的基础条件.     

南海中部的太阳总辐射特征研究

通过对南海中部的永兴岛的太阳总辐射观测资料进行分析，得出了关于南海中部的太阳总辐射特点的一些基本结论：大气的晴空透射率约为0．75；1990年代末期，3年平均云影响了约28％的最大可能总辐射能量；总辐射年平均值约为6763．7MJ／m^2a；3—8月月平均总辐射量维持在650MJ／m^2m左右，8～12月为下降阶段，1—3月为上升阶段。     

重庆强降水过程QPE/FY-4A估测降水精度研究

为检验风云四号A星气象卫星（FY-4A）定量降水估测（Quantitative Precipitation Estimation,QPE）产品在重庆地区的精度,针对重庆发生的两次区域暴雨过程,利用区域自动气象站实测降水资料,分析了QPE产品对强降水过程估测的时空偏差特征,并对其进行优化处理。结果表明：FY-4A卫星QPE产品能反映强降水的空间分布和强度,对其强度和落区变化趋势有一定的指示性;整体看,估测降水强度、范围均较实况偏大,估测强降水位置与实况有一定偏差,估测降水持续时间偏长。优化后的QPE产品与实测降水在强度和范围上基本保持一致,均方根误差均小于10,其估测准确率进一步提高。     

从FY-4A卫星遥感数据和GFS资料估算全天空状况下的地表长波辐射通量

本文介绍一种利用FY-4A成像仪遥感数据和全球预报系统(GFS)资料估算全天空地表长波辐射通量的反演方法。该方法通过辐射传输模拟和统计回归计算建立云天地表下行长波辐射通量的反演模式,并基于GFS资料处理云覆盖地区的地表上、下行长波辐射通量。这种全天空状况下两种通量的反演结合了FY-4A晴空地表长波辐射业务产品和本文反演模式处理的云天地表上、下行长波辐射通量。2018年9月1日的处理结果与Aqua/CERES同类产品相对比,精度为:RMSE=20.52 W·m^-2,R=0.9481,Bias=3.3 W·m^-2(夜间地表下行辐射通量对比);RMSE=25.58 W·m^-2,R=0.9096,Bias=5.4 W·m^-2(白天地表下行辐射通量对比);RMSE=10.97 W·m^-2,R=0.9762,Bias=-3.3 W·m^-2(夜间地表上行辐射通量对比);RMSE=19.97 W·m^-2,R=0.9283,Bias=5.0 W·m^-2(白天地表上行辐射通量对比)。这些结果表明本文发展的方法能够反演出精度较好的云天上下行长波辐射通量资料,为今后利用FY-4后续星处理生成全天空状况下的地表长波辐射通量产品奠定了理论基础。     

中国不同时间尺度地表太阳总辐射估算研究

利用全国95个气象站点逐日地表太阳总辐射和日照时数资料,通过最小二乘法拟合回归建立地表太阳总辐射气候学计算模型。通过对比分析以日值和月值为起点的地表太阳总辐射计算模型的精度,确定了全国不同省份和区域的不同时间尺度（月、季节、生长季和年）地表太阳总辐射计算模型,并探讨了经验系数a、b值的分布及变化特征。结果表明,以日值和月值为起点建立的月、四季、生长季和年地表太阳总辐射计算模型精度无显著性差异,相对误差均低于8.5%,但以日值为起点的计算模型a、b值变异性更小。在以日值为起点建立计算模型的前提下,全国各地a、b值自西北部向南部减小,且从四季到生长季再到年尺度,随着时间尺度增大,a、b值振幅减小。根据不同省份年地表太阳总辐射计算模型经验系数a、b值,全国可划分为新甘蒙地区、青藏高原地区和中东部地区3个区域,分别确定了每个区域四季、生长季和年尺度下地表太阳总辐射计算模型。各区域不同时间尺度地表太阳总辐射计算模型均通过了显著性检验（p<0.01）,其中青藏高原地区和新甘蒙地区模型相对误差低于8.0%,模拟精度较高。     

WRF模式模拟的地表短波辐射与实况对比分析

利用中尺度数值模式WRFV3对2009年1、4、8和10月进行了约4个月的逐日（0～36小时）到达地表短波辐射模拟,将输出结果转换成逐小时太阳总辐射,并以武汉站为例,与地表实测逐小时总辐射值进行对比分析。结果表明：（1）模拟结果与观测结果有较好的对应关系,4个月的日间模拟和观测值的相关系数均在0.8以上,均通过了置信度0.01的显著性检验。（2）日间各时刻模拟值与实况相比,平均预报误差早晚小,中午大;平均绝对误差变化趋势与平均预报误差相同,平均绝对百分比误差则一般早晚大,09—15时较小且变化幅度小,可信度高于其他时刻。（3）WRFV3模式对太阳总辐射,在各种气象条件下均有一定预报能力,尤其以晴天表现最佳。距直接使用模式输出的地表短波辐射结果作为光伏发电系统初值用于发电量预报还有一些误差,可以尝试采用误差订正等方法修订,提高数值预报结果的可用性。     

基于FY-4A的庐山云海特征及其成因研究

利用FY-4A卫星等资料分析了2019—2021年的19次庐山白天云海过程（12个传统云海和7个瀑布云过程）,研究了庐山云海特征及其形成机制,评估了卫星资料在云海识别中的应用。研究表明：FY-4A可见光云图可基本辨识庐山云海范围及宏观演变特征,但较难刻画出小尺度瀑布云的精细结构;FY-4A的云顶高度L2产品可用于庐山传统云海的识别,但较难识别瀑布云过程。非洋面海岛的庐山也存在云系尾流现象且频率较高（共3次过程）,由绕流作用形成的尾流云系呈逗号状分布,做规律性摆动但无连续涡旋;该尾流型云海形成的主要因素是庐山为相对周边孤立的椭圆形山体、冷高压底部的强北风低空急流、山腰逆温层。庐山云海发生时大多受地面高压控制且位于850 hPa的高湿区或边缘区域,该区域的弱下沉运动形成的逆温层和低空充沛的水汽有利于庐山云海形成及维持。     

云南山地太阳总辐射的分布式模拟

在前人研究的基础上,对太阳总辐射模拟模型进行了改进:利用MODIS的地表反照率产品,取代前人研究中的计算地表反照的经验公式,并且在更短的积分步长内进行计算,进而开发了复杂地形下太阳总辐射的模拟模型。应用1000 m分辨率的数字高程模型(DEM)数据以及常规气象资料和2个辐射站的实测总辐射数据对模型进行验证,结果表明:所建立的分布式太阳辐射模拟模型能准确地模拟云南的太阳总辐射,模拟值与实测值吻合非常好;云南年总辐射变化在3191~5858 J·m-2·s-1之间,四季的辐射差异不大,春季稍高,冬季次之,其次是夏季,秋季稍低,这可能是受夏季降水量以及云量较多的影响。在区域分布上,云南省境内多山,地面起伏较大,对总辐射的区域分布产生了较大的影响,如红河及南盘江两岸等,因遮蔽度较大,总辐射较低。太阳总辐射是陆地生态系统最基本也是最重要的能量来源,在小网格的尺度上进行精细化的太阳总辐射计算可以为多个学科的研究提供重要的基础数据,本研究为此提供了一个计算案例。     

基于L波段探空观测的FY-4A云顶温度产品评估及其在冬季降水相态判识中的应用

利用2019—2021年冬季上海宝山站L波段探空资料对FY-4A云顶温度(CTT)产品进行评估,分析发现,FY-4A的云顶温度产品能够较好地反映单层云的云顶温度,对双层云或多层云的云顶温度则普遍高估(平均高估幅度超过14℃);当探空观测到的云顶高度不超过6 km或云顶温度不低于-20℃时,FY-4A云顶温度产品误差较小,平均偏差约为3℃。根据2021—2022年冬季长三角地区地面站观测的降水现象统计云顶温度与降水相态的关系,并对典型个例进行分析,结果表明,云顶温度低是出现降雪的必要条件之一,绝大部分降雪出现在云顶温度低于-12℃的情况下。FY-4A的云顶温度产品时空分辨率高、精度尚可,可以辅助预报员判识雨雪落区,在雨雪转换过程的预报服务中有较大的应用潜力。     

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。