基于卷积神经网络的西北太平洋夜间海雾/低云卫星检测方法研究

使用Himawari-8静止卫星数据,基于CALIPSO卫星云底高度结合云雾水平均匀性特征提取海雾/低云标签,并使用全卷积神经网络与全连接条件随机场相结合的模型(Fully Convolutional Network and Conditional Random Field, FCN-CRF),提出一种夜间海雾/低云卫星检测方法。经过建立与训练模型,使用CALIPSO卫星的海雾/低云观测检验FCN-CRF模型和双通道差值法的结果。FCN-CRF模型表现良好,其检出率(probability of detection, POD)为0.611,虚警率(false alarm ratio, FAR)为0.174,临界成功指数(critical success index, CSI)为0.541,Hanssen-Kuiper技能分数(Hanssen-Kuiper Skill Score, KSS)为0.436,Heidke技能分数(Heidke Skill Score, HSS)为0.577,整体优于双通道差值法。     

一次典型高压型海雾过程中海上大气波导的数值模拟

2009年4月9—12日黄海海域发生了一次受高压系统影响的海雾过程。利用卫星观测与探空数据、WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)对此次海雾过程及相伴的大气波导进行了观测分析与数值模拟。海雾与波导发展可分为3个阶段:(1)大气波导先于海雾存在于黄海海面;受高压下沉影响,黄海上空存在逆温层和较强的湿度梯度,表现为较强的贴海表面波导和非贴海表面波导。(2)海雾始于高压西部,并随高压系统逐渐东移减弱,向黄海北部扩展;辐射冷却虽然使雾顶附近逆温增强,但海雾的机械湍流使其顶部湿度梯度减小,雾顶附近对应弱悬空波导或波导消失。(3)高压系统影响使干空气下沉到雾区导致黄海海雾消散;雾顶附近逆温仍存在,同时湿度梯度增大,黄海上空逐渐变为非贴海表面波导。本研究结果表明:高压系统不仅极易为波导的发生提供有利条件,而且有利于海雾的生成,在海雾演变过程中主要是雾顶水汽梯度的变化导致了波导类型及强度的变化。     

2010年2月一次冬季黄海海雾的成因分析

利用青岛浮标观测、自动气象站观测、Micaps站点观测、L波段雷达等观测数据,New Generation SST,OI-SST和NCEP提供的FNL和CFSR再分析数据。并利用中尺度模式WRF对这次冬季海雾进行诊断分析。得到以下结论:(1)观测表明,这次海雾首先在黄海北部生成,是由于冷暖空气在黄海海域交汇,增大相对湿度,形成混合雾。在22日12:00时(UTC)之后,暖平流北上,冷平流消失。海雾逐渐转成平流冷却雾。青岛出现的海雾是从黄海发展过来的,并且为平流冷却雾。(2)在黄海,冷暖空气混合增大相对湿度,生成混合雾。与后期的平流冷却雾相比,混合雾的高度明显偏低。(3)海温异常偏低。在2010年2月渤海大面积结冰,海温偏低可能与融冰有关系。(4)模式结果表明,混合雾与冷水域的关系密切。平流冷却雾与冷水域的位置基本一致。混合雾和平流冷却雾都受海温影响较大。混合雾雾区变化很大,因为冷空气在移动过程中变性,不利于混合雾生成。冷海面对平流冷却雾起着很关键的作用。这次冬季海雾与春夏季黄海海雾的不同点在:这次海雾的发生机制不同于典型的春夏季黄海海雾。春夏季典型的黄海海雾主要是平流冷却雾,而这次冬季海雾在生成上首先是混合雾,后来转为平流冷却雾。     

基于20年卫星遥感资料的黄海、渤海海雾分布季节特征分析

目前对海上雾分布的认识多基于沿岸测站和海上船舶、浮标观测,但这些数据非常稀少,且存在代表性和数据质量方面的问题,因此一直缺乏对海雾分布更全面、清晰的了解。卫星遥感数据空间均一、覆盖范围广、质量一致,具有对无云条件下大范围、离岸海雾监测的优势。本文通过分析算法检测出的1989-2008年黄渤海海雾及云的频数、分布百分率信息,得到了黄渤海海雾季节变化的较全面特征。除印证其他资料或研究的结论外,还发现:(1)黄海海雾频数随季节变化的幅度较渤海明显;(2)黄海、渤海海域存在冬季海雾多发时段;(3)海雾生消过程中有覆盖区变化的东传特征;(4)春夏雾季中存在黄海中部和西朝鲜湾两处海雾多发区,其中西朝鲜湾也是全年海雾最多的海域。另外,在样本充足的情况下,通过对检测出的低云、中高云覆盖百分率和海雾频数的分析统计,还能估算出黄海、渤海部分季节20年海雾发生的平均概率。     

黄海海雾数值模拟中多普勒雷达径向风数据同化试验

基于WRF(Weather Researchand Forecasting)模式及其3DVar(3-DimensionalVariational)模块,发展了一套多普勒雷达径向风数据的同化方案。针对2次黄海海雾个例展开了一系列同化效果对比数值试验,详细分析了同化雷达径向风数据对雾区产生改进的原因。研究结果表明:(1)仅同化常规观测数据不足以纠正初始场中海上大气边界层湿度偏干的状态,导致海雾模拟失败或雾区严重偏小,因此在同化多普勒雷达径向风数据之前,必须先同化从海雾卫星观测中提取的湿度信息;(2)同化多普勒雷达数据不仅显著地直接改进了近海面大气流场,而且会间接改善温度场,从而进一步提高海雾的模拟效果——2次海雾个例模拟雾区的ETS(Equitable Threat Score)评分改进率分别达到66.7%与62.1%;(3)黄海海雾数值模拟中首先要改进海上大气边界层的湿度与温度层结,在此基础上进一步改进近海面大气流场十分必要。     

基于多种机器学习模型的夏季北冰洋海雾卫星检测方法研究

利用2014—2018年6—9月Aqua/MODIS提供的光谱数据、海面温度数据及其他辅助数据,基于CALIOP L2 VFM产品中云底高度提取的海雾、云和海表标签,建立3类样本数据集。结合使用K折交叉验证法、网格搜索法和粒子群优化算法训练随机森林（random forest,RF）、支持向量机（support vector machine,SVM）、多层感知机（multilayer perceptron,MLP）和全卷积神经网络（fully convolutional network,FCN）4种不同的机器学习模型,对比模型在北冰洋夏季海雾检测中的表现。结果显示,RF、SVM、MLP和FCN均表现出一定的海雾检测能力,检出率（probability of detection,POD）均超过70%。其中,FCN表现出最稳健的综合性能,POD达到79.91%,虚警率达到较低的24.90%,关键成功指数达到63.17%。     

一次海雾过程大气波导形成机理的数值研究

依据船舶导航雷达与沿岸气象探空观测数据得知,2005年6月1～3日黄海海域发生了1次大范围波导现象;进一步结合卫星云图与沿岸测站水平能见度观测,发现此次波导伴随1次明显的平流海雾过程。利用WRF模式对此次海雾与波导过程进行了数值模拟,发现:(1)海雾始于黄海中部,绝大部分海雾的雾顶由于弱逆温、湿度梯度较小而不存在波导;(2)雾区随其北部低压的逐渐东移而向东扩展,呈现西部薄、东部厚的结构,雾体顶部由于存在逆温与湿度锐减而形成了波导,混合均匀的雾体则成为波导基础层,薄雾顶部为非贴海表面波导,而厚雾顶部则为悬空波导;(3)雾区受低压西部冷空气的影响向南消退,波导基础层逐渐变薄乃至消失,雾体之上的逆温与湿度锐减层随之下降,非贴海表面波导被强度较弱的贴海波导所替代。分析结果表明:黄海平流海雾与波导有密切的联系,海雾形成及其发展改变了海洋大气边界层的温度与湿度垂直结构,从而导致了波导的发生与演变,大气波导可认为是海雾的"副产品"。     

黄海平流海雾的观测分析

利用大量的地面站点观测、卫星监测和非常规观测资料,统计分析了海雾的时空分布特征、卫星云图特征及影响黄海海雾的气象和水文因子.结果表明,黄海海雾随时间和空间而变化,在空间分布上,雾频随着纬度增高而增加;海雾与海上风速的大小和方向有密切关系;海雾出现与海表温度、气-海温差、露点温度有关;海流是影响海雾形成的水文因素之一;海雾是大气处在稳定层状态下的一种凝结现象,有海雾不一定有逆温,但是逆温层的消散却为海雾的消散提供了有利的依据.     

一次春季黄海海雾和东海层云关系的研究

结合多种观测数据和数值模拟结果对2011年3月12—13日的一次黄海海雾过程进行分析。观测数据分析表明:此次黄海海雾过程与东海层云之间存在密切的联系。地面高低压位置为水汽从层云区向北输送提供了有利的环流条件;黄海上空天气尺度下沉运动,加强了海洋大气边界层(MABL)层结的稳定性,MABL顶自南向北高度降低,有利于水汽在向北输送过程中不断向海面聚集;下沉导致的干层以及逆温层对海雾的发生发展起重要作用。模式结果进一步证明天气尺度下沉运动与MABL内的下沉在29°—30°N附近同位相叠加,使得该海区上空的下沉运动明显增强,边界层高度迅速下降。下沉可能会导致气块温度升高,云滴蒸发,来自层云区的水汽随流场向北向下输送逐渐接近冷海面凝结成雾,近海面水汽的平流输送使海雾进一步向北发展。本研究为海雾预报提供新的参考思路。     

利用动态阈值方法改进的风云二号卫星海雾检测技术

有效的观测是提高对海雾认知和预报水平的关键因素,卫星数据是当前最可行的观测数据源,但需要高质量的观测数据和精细的检测技术。本文为提高风云二号海雾检测水平,在现有卫星观测数据条件下借鉴了动态获取云雾阈值的思想,定制设计了一套从获取动态检测阈值到温度、纹理、噪声检测等步骤的黄渤海海雾检测方法流程。对黄渤海白天海雾检测结果的检验表明,虽然对于秋、冬非海雾季月份的效果还有待提高,但在春季海雾季已接近国际同类产品水平。同时该技术方法也需要继续搜集实例,进一步优化阈值获取方案。     

西太平洋副热带高压对黄海夏季海雾年际变化的影响

基于2004—2018年的地面观测数据和大气再分析数据,探究了西太平洋副热带高压(简称西太副高)对黄海夏季海雾年际变化的影响.结果表明:1)黄海夏季海雾雾日数存在明显的年际变化;多雾年偏南水汽通量输入可以达到少雾年的2.54倍,水汽通量净收支约是少雾年的2.76倍.2)在对流层中低层,多雾年的水汽输送存在2个通道,分别...     

GOES9云图在黄海海雾区域识别中的应用

海洋雾霾天气由于其特殊的发生环境,很难用常规站网方法来监测和预报。本文尝试在MM5模式下,用GOES9卫星的可见光云图和地面探空站资料,对2005年3月9日黄海区域的一次海雾进行研究。首先判定海雾类型,通过对云图的处理和多幅多次不同时刻可见光云图和地面能见度观测值的比较,确定雾区对应的可见光反照率为0.13,然后将此值应用到黄海2005年5月31日的海雾过程中去。结果证明:可见光云图上确定的雾区与沿海地面站实际能见度观测能很好的吻合起来。     

春季黄海海雾中的激光衰减特性研究

海雾严重影响舰艇航行,而且在雾中舰载激光武器和激光雷达的工作效能受到制约。因此,研究激光在雾中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。基于WRF中尺度气象研究模式,对2015年3月28日-4月1日的海雾过程进行模拟分析,发现使得海雾维持的是黄海南部输送来的暖湿气流,随后一个很强的冷高压使得风向转北,干冷平流切断了水汽输送,破坏了逆温层结构,海雾消散。考虑到春季黄海海雾产生和消散的天气形势,在海雾刚产生时,下风区的激光衰减系数小;海雾维持过程中,海雾雾区的外围衰减系数小;海雾快要消散时上风区衰减系数小。研究发现,海雾可以使得10.6μm红外激光的探测距离大大减小,在浓雾情况下,探测距离仅为正常情况下的2%。     

海雾对沿海地区的影响程度初探——2008年春季两次黄海海雾过程分析

利用多种观测资料、再分析资料和WRF模式,对2008年4月29-30日和5月2-3日两次黄海春季海雾进行对比分析,研究黄海海雾影响沿海地区的因素。分析表明：（1）两次海雾过程均属于平流冷却雾过程。在低层水平方向上,合理的高、低压配置,使气流持续地从暖湿海面输送到冷海面上,有利于形成深厚的海雾,进而在海风的作用下影响沿海地区。在垂直方向上,边界层内上干下湿的结构有利于海雾的发展与维持。（2）边界层内稳定持续的逆温层结构,使水汽在逆温层内累积,有利于海雾的发展与维持。雾顶的长波辐射冷却作用以及雾层内适度的湍流有利于海雾的发展与维持;而低层风速增大会引起机械湍流的迅速增长,进而导致海雾消散。（3）海雾影响明显时,对应黄海海域上空的暖平流较强,水汽通量较大,暖湿平流来源于较暖的海面。反之,对应黄海海域上空的暖平流较弱,水汽通量较小,暖湿平流来源于较冷的海面。     

黄海雾季开始日期的确定及其年际变化

根据山东省14个气象站1979—2007年4次/d的大气能见度观测资料、NCEP/NCAR再分析资料、JRA等资料,提出了黄海雾季开始时间的以候为时间尺度的标准,并对影响雾季开始的可能因素进行了分析。结果表明:黄海气候平均雾季开始在第20候,从此候开始,盛行风向、湿度平流、温度平流、大气层结等都有利于海雾的产生;不同年份雾季开始的时间有差别,导致不同年份雾季开始早晚的主要原因是海-气温差、湿度、盛行风;黄东海海温正(负)距平,且东海北部黄海南部海温正(负)距平比黄海北部海温正(负)距平强度更大时,黄海北部雾季开始时间较早(晚)。海-气温差<0℃是海雾季节开始的先决条件,但对海雾季节开始的早晚没有明显的影响。黄海反气旋对大气层结的稳定有一定的贡献,有利于雾的形成和维持。逆温对于雾季的形成和维持有重要作用,但逆温强度与雾季开始的早晚没有直接关系;逆温层的高度可能影响海雾季节的发生,雾季开始偏早年逆温层更接近地面。     

一次黄海海雾的数据同化试验与形成机制研究

选取2012年4月14日的一次存在东西2片雾区的黄海春季海雾为研究对象,借助WRF(Weather Research and Forecasting)模式,采用循环3DVAR(3-Dimensional Variational)数据同化方案,考虑了湿度控制变量的背景误差协方差CV6,进行了AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)卫星温度与湿度廓线数据的同化试验,并基于同化试验结果探讨了此次海雾的形成机制。同化试验结果表明:同化AIRS卫星温度与湿度廓线数据后,模式能成功再现海雾的形成过程,特别是东西2片雾区之间的晴空区的存在,这归功于AIRS数据的同化能够显著改善海上大气边界层的温湿结构、影响海雾的低层高压的范围与强度;机制分析揭示:东西2片雾均为典型的平流冷却雾,但二者厚薄和气团来源不同;海上高压控制黄海西岸陆地的暖空气入海,受低海温的冷却作用降温先形成逆温层,然后逆温层底部生成了较薄的西侧雾区;来自黄海中部的空气向东北移动至朝鲜半岛西部海域,高压下沉增温形成一个顶部较高的稳定层,从而生成较厚的东侧雾区;高压中心下沉区内,近海面风速小使得机械湍流弱,空气增温与海温暖舌共同作用下使得近海面气海温差小,海雾无法生成导致了晴空区的存在。     

黄海海雾短时临近预报中云水路径的EnKF同化研究

在海雾的短时临近预报中,初始场的水汽凝结状态扮演着重要角色。为了改进初始场的云水含量,本文提出直接同化雾体云水信息的思路。针对2011年5月一次大范围的黄海海雾,借助EnKF (Ensemble Kalman Filter)方法,尝试进行了极轨卫星反演云水路径数据的同化试验。结果表明:(1)通过利用EnKF将云水混合比增加到背景场和分析场的控制变量中,构建云水观测数据与背景场之间的关系,实现云水路径数据的直接同化是可行的;(2)同化云水路径可显著改善海面气温与湿度状态,大幅提高海雾预报效果;(3)EnKF能够基于集合体动态统计流依赖的背景误差协方差是其取得良好同化效果的主要原因。值得指出的是,受集合样本误差的影响,需要特别关注云水含量与风之间的相关关系。     

CALIPSO卫星资料的春夏季黄海海雾高度特征分析

利用2007—2018年CALIPSO卫星数据对春夏季黄海海雾的高度特征进行了统计,并借助MTSAT可见光卫星云图、"葵花8号"可见光卫星云图和KMA地面天气图对控制海雾产生的天气形势进行了分析,进一步讨论了各天气型下黄海海雾的高度特征。研究结果表明:(1)黄海海雾的平均雾顶高度是211 m,海雾高度最大值为370 m,大多数黄海海雾雾顶高度介于100～400 m;(2)7月的海雾雾顶高度高于其他月份,为260 m;(3)控制黄海海雾生成发展的主要天气型有入海变性高压型和大陆低压低槽东移型,入海变性高压控制下的弱偏南风区域的雾顶高度相对较高,大陆低压低槽控制下的槽前风速稍大区域的雾顶高度偏高。     

日本以南海域一次锋面雾过程分析

利用4种观测资料及HYSPLIT-4模式对2012年6月17—19日发生在日本以南海域严重影响船舶航行安全的一次海雾过程进行了观测分析及数值模拟。结果表明:(1)此次海雾事件为典型的锋面雾过程,雾区始终处在副热带高压后部、大槽前部。前期雾区范围与锋面的发展移动密切相关,后期台风外围的卷吸作用是海雾消散的主要因素;(2)海雾发生前气海温差值约为2℃,为海雾形成提供了有利条件,近地面逆温层的存在也为海雾的发生提供了助力;(3)HYSPLIT-4模式对气粒的追踪结果表明,此次海雾过程的水汽来自东南方向,水汽向北输送过程中受副热带高压的影响不断下沉,在稳定层结条件下最终凝结成雾。     

青岛地区海雾分布及大气边界层条件分析

青岛地区海雾多发,观测表明海雾对沿海地区影响范围不尽相同,特别是海雾影响内陆的机理尚缺乏研究。本文利用观测资料及数值模式统计了青岛地区4月-7月海雾分布特征,并对不同影响范围海雾典型个例进行对比分析,结果表明:海雾发生日数自沿海向内陆递减。胶州湾沿岸雾日数比黄海沿岸明显减少,胶州湾东北部的雾日数要少于胶州湾西北部。海雾多发生于高空形势稳定,低层偏南流场的天气条件下。大气边界层内逆温层的的范围大致影响着海雾的分布。只影响沿海的海雾,地面为偏南风,风速在3~8 m/s之间,内陆风力减弱不明显。500 m以下大气边界层内风速切变大。湍流作用使海雾向内陆推进过程中倾斜抬升为低云,地面雾区减弱。能够影响内陆地区的海雾,多出现在地面风力较弱的情况之下,大部分在1~3 m/s之间。500 m以下大气边界层内风速切变小,大气边界层内湍流强度不强,使沿海到内陆的逆温层能够始终维持,沿海海雾在弱南风影响下延伸影响内陆地区。