基于风云四号成像仪云产品的视场偏差订正和影响分析

新一代静止气象卫星成像仪具有高时、空分辨率的优势,成像仪的云观测资料被广泛应用于气象领域的各项研究中。由于卫星的观测方式和地球曲率导致其存在视场偏差,与其他资料联合应用时需要考虑其影响。针对风云四号A星成像仪的视差问题,首先使用模拟的云顶高度和实际的卫星天顶角进行敏感性分析,结果证实云顶高度越高或者卫星天顶角越大则视差越大, 尤其对具有更高空间分辨率的成像仪,视差影响更需要被重视。随即分别使用CALIPSO云层数据和3套台风最佳路径集来检验视差订正前、后的多通道扫描辐射成像仪（AGRI）云检测产品和台风中心定位的精度,结果证明所用的视差订正方法是有效的,并指出在静止气象卫星资料的精确定量应用中,视差不可忽视。      

基于卫星资料的大连地区强对流天气闪电活动特征

利用FY-4卫星云顶亮温（Cloud Top Temperature,CTT）资料和雷达回波资料,分析了2019年6-9月大连地区的闪电活动特征,重点分析了该地区2019年9月4日的一次强对流天气闪电活动特征与雷达回波及CTT之间的相关性。结果表明：此次过程雷暴起始于大连东南方向。在雷暴初始阶段,以云闪为主,云闪高度主要集中在7-12 km。闪电活动主要集中在雷达回波强度>30 dBz的区域,对应的云顶高度超过了8 km。闪电活动与FY-4卫星CTT之间存在较好的相关性,闪电主要发生在CTT为240-250 K左右区域。对2019年5-8月大连地区雷达与闪电活动进行量化分析,发现闪电活动主要集中于雷达组合反射率39.38 dBz附近区域,对应的云顶高度为8.21 km。     

基于Aqua/CERES数据的辽宁省云宏微观特征及其与降水的相关性研究

利用2014—2015年的云和地球辐射能量系统CERES Aqua Edition 4A SSF的云产品以及地面小时降水数据,对辽宁地区(38.5°N—43.5°N、118.5°E—126°E)云宏微观特征参量的时空分布进行分析,并研究各参数与降水的相关性,建立基于云光学厚度(COD)与云水路径(CWP)的降水云识别指标。结果表明,夏季云层发展旺盛,云量(CF)、COD、云顶高度(CTH)以及CWP值均较高,平均值分别为62.7%、17.9、6.5 km和252.1 g·m~(-2),而冬季云参数的值最低,分别为48.3%、7.0、3.4 km和106.2 g·m~(-2),仅云粒子有效半径(ER)显著高于其他季节。受地形影响,西部地区(122°E以西)的成云条件较东部差,除CTH较高外,其他云参量均较东部偏低。除云顶气压(CTP)和云顶温度(CTT)外,CF、COD、CWP和ER均随降水强度的增加而增加,说明云层越深厚降水强度越大,云含水量越高,粒子尺度越大。筛选出的与降水强度相关性最高的COD与CWP作为降水云识别因子,利用TS评分及HSS评分方法,选取评分值最高时对应的COD和CWP作为降水云的识别阈值,分别为35和415 g·m~(-2)。     

基于模板匹配的云底高度估计

本文提出一种将主动卫星遥感云底高数据扩展到被动遥感卫星视场的新方法。在分析云顶高度(CTH)和云水路径(CWP)对云垂直分布影响的基础上,提出用CTH和CWP两项参数为基的模板匹配法,结合加权最近邻插值估计云层厚度,并用成熟的CTH反演产品减去云层厚度,得到云底高度(CBH)。然后引入小波去噪的方法抑制对云底高度估计的局部高频涨落。与基于云类型的估计方法相比,该方法在20~300km范围内与其估计效果相当,且在170~240km范围内误差更小。考虑到基于云类型的估计方法在CloudSat卫星和MODIS云分类结果上存在差异,本文方法的适用性更好。     

FY-2C静止气象卫星资料对不透明云云顶气压的反演研究

采用红外窗区通道法尝试对FY-2C静止气象卫星图像上的不透明云的云顶气压进行反演,并结合MODIS反演产品和CloudSat/CPR雷达探测产品对反演结果进行对比分析。结果表明:（1） 对于厚实密蔽的云层,不透明云云顶气压的反演结果与MODIS反演结果一致性较好,特别是对于发展较强的对流云和厚实密蔽的多层云,易满足云层比辐射率近似为1的条件,可近似看作黑体;（2） 对于单层云和光学厚度不够厚的云层,反演结果更接近辐射中心,尤其是对于锋面云带暖水云上空覆盖卷云的情况,由于FY-2C对于薄卷云的检测不如MODIS细致,导致反演结果与MODIS和CloudSat存在一定偏差。      

一次飞机增雨作业的云参数变化响应分析

本文利用FY－2C静止卫星资料,以2013年5月8日四川盆地一次飞机增雨作业为例,反演了云顶温度、云顶高度、云粒子有效半径、液水路径、云光学厚度等云物理量参数,结合自动气象站资料和探空资料等,对此次飞机增雨效果进行了物理检验。结果表明:作业前,云顶温度－13℃,云粒子有效半径10μm,云体较厚,含有丰富的过冷水,具有较好增雨潜力;作业后,作业区云层增厚,云顶温度降低,云粒子有效半径增加至25μm,云顶冰晶化,冰水转化过程加快,产生了较多的降水,降水量增幅明显;作业后,对比区降水不充分,各云物理参数无明显变化。      

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。     

基于Himawari-8卫星的云参数和降水关系研究

基于日本Himawari-8卫星的云产品,对中国中东部地区2017年夏季(6—8月)每日08—17时的降水资料进行了分析,重点讨论了云光学厚度(COD)、云顶粒子平均尺度(CPS)、云顶温度(CTT)三个云参数与降水的关系。试验表明,降水概率与云参数相关性较高,存在随着COD增加、CPS增加、CTT减小而增加的明显趋势。但是,单个云参数与降水强度相关性则较低;COD、CPS、CTT与小时降雨率的相关系数分别为0.2315、0.1823、-0.2235,均为弱相关。如果综合考虑联合两个或三个云参数形成小时降雨率分布矩阵,则降水过程能得到更为清晰的体现。2017年8月28日的个例表明,相比纯粹基于红外的算法,三参数方法可以明显提高小时降雨率的估计精度。     

“桑美”台风云相态的MODIS资料分析

利用卫星遥感资料对"桑美"台风进行分析,MODIS的多通道资料在确定台风中心、分析云的相态及区分高低云等方面提供了重要的监测信息。探索了臭氧与台风云顶温度的关系,得出以下结论:利用MODIS通道31的光谱特性可以判定台风的中心,利用BTD8.5-11和BTD11-12检测的云相态结果合理,通过散点图能够找出高云和低云的大致区域,并利用通道35和通道27得到验证;臭氧与台风云顶温度具有较好的相关性,臭氧通道的信息对于区分云的结构及性质具有指示意义。     

云顶参数与降水间关系的统计分析和数值模拟

利用FY2C静止卫星云顶物理参数及地面加密雨量观测等,结合MM5中尺度非静力数值预报模式,综合分析了典型层状云降水过程的云系演变和结构特征,揭示了云顶参数与单站雨强之间并不是简单的量化统计关系：即降水大,每小时降水量与云顶高度、有效粒子半径是较好的正相关,与云顶温度是较好的负相关;反之则不尽然,云顶高度高、云顶温度低、有效粒子半径大却不一定降水大。并用模拟结果分析解释了形成这种现象的机理。     

基于FY-2G数据的青海省云宏微观特征参量时空分布研究

利用FY-2G静止卫星数据反演的云宏微观特征参量（简称“云参量”）,对2018—2020年青海全省及3个子研究区云参量时空分布特征进行分析。结果表明：云顶高度（cloud top height,CTH）、云顶温度（cloud top temperature,CTT）、过冷层厚度（overcooled layer depth,OLD）、云光学厚度（cloud optical depth,COD）、云粒子有效半径（effective radius,ER）及液水路径（liquid water path,LWP）6个云参量全省区域年平均值分别为3.8 km、-9.7℃、2.0 km、7.1、7.1μm及63.7 g·m-2。纬度相同的柴达木盆地、青海东北部除CTT外,其余云参量月变化大致呈双峰双谷分布,峰值基本出现在5、11月,谷值基本出现在8、9月及12、1月,三江源各云参量大致呈单峰分布,峰值基本在11月。各云参量年平均值空间分布均呈沿地形和山脉走向分布的特征,除CTT外,其余云参量高值区与高大山脉相对应、低值区与沙漠盆地及低海拔地区相对应,柴达木盆地在四季均存在一低值区,夏季低值区范围最...     

基于CALIPSO卫星资料的京津冀地区MODIS卷云云顶高度订正

卷云在大气辐射中扮演着重要角色,对天气系统和气候变化产生重要影响。相比传统地基观测手段,卫星遥感更容易探测到高层卷云的信息,本文利用CALIOP主动遥感仪器可获取较为准确的薄卷云特性的特点,针对MODIS被动遥感探测器反演的薄卷云云顶高度的偏差开展订正研究。研究选取2013～2017年京津冀地区MODIS云产品,结合CALIPSO卫星的卷云云顶高度数据,基于交叉验证的方法得到线性拟合方案,对MODIS卷云云顶高度进行订正。订正后的MODIS与CALIPSO卷云云顶高度差值的分布区间由?3～2 km变为?2.0～2.5 km,峰值由?0.8 km左右变为0.2 km左右。订正效果随云顶高度和云光学厚度的不同有所变化,其中较低层卷云和光学薄卷云的订正效果更明显。     

FY2C/D卫星反演云特性参数与地面雨滴谱降水观测初步分析

针对2008年4月11-12日一次北方层状云降水过程,将FY2C/D静止卫星反演的云参数和地面同时段的雨滴谱仪的观测资料进行联合分析,发现反演得到的一些特征云参数对地面降水有一定的指示意义:一般降水发生前,云系发展,云顶抬升,云顶温度和云黑体亮温都降低,云光学厚度增大,云参数先于地面降水变化,两者大概相差2小时。其中,云光学厚度与地面降水量和降水粒子数关系密切,其相关性比云顶高度、云顶温度和云黑体亮温的相关性都好;一般地面降水强,光学厚度一定大,若云层光学厚度较小,即便云顶发展得很高,地面几乎无降水或降水较小,但云光学厚度大时,地面降水强度并不一定都大,可能降水粒子数浓度大,地面多降毛毛雨。     

基于深度学习的FY3D/MERSI和EOS/MODIS云检测模型研究

针对FY3D/MERSI和EOS/MODIS的云检测问题,提出了一种基于深度学习技术的全自动云检测算法,首次将深度学习引入到卫星影像云检测领域。本算法使用深度全卷积神经网络(Deep Convolutional Neural Networks)作为核心结构,基于EOS/MODIS基本云检测原理选择合适的通道作为特性向量参数,针对不同的场景进行分类和网络模型的训练,最终得到基于深度学习的云检测模型。经过EOS/MODIS数据和FY3D/MERSI数据的测试,云检测的精度达到98%以上,可以看出基于深度学习的云检测算法能够用于云检测,该算法具有效率高、精度高等特点,云检测效果理想。     

Evaluation of Cloud Top Height Retrievals from China's Next-Generation Geostationary Meteorological Satellite FY-4A

To evaluate the validity of cloud top height(CTH) retrievals from FY-4A, the first of China's next-generation geostationary meteorological satellite series, the retrievals are compared to those from Himawari-8, CloudSat,Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations(CALIPSO), and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) operational products from August to October 2017. Regarding CTHs from CloudSat,CALIPSO, and MODIS as truth, the results show that the performance of FY-4A CTH retrievals is similar to that of Himawari-8. Both FY-4A and Himawari-8 retrieve reasonable CTH values for single-layer clouds, but perform poorly for multi-layer clouds. The mean bias error(MBE) shows that the mean value of FY-4A CTH retrievals is smaller than that of Himawari-8 for single-layer clouds but larger for multi-layer clouds. For ice crystal clouds, both FY-4A and Himawari-8 obtain the underestimated CTHs. However, there is a tendency for FY-4A and Himawari-8 to overestimate the CTH values of CloudSat and CALIPSO mainly for low level liquid water clouds. The temperature inversion near the tops of water clouds may result in an overestimation of CTHs. According to the MBE change with altitude, FY-4A and Himawari-8 overestimate the CTHs mainly for clouds below 3 km, and the overestimation is slightly more apparent in Himawari-8 data than that in FY-4A values. As the cloud optical thickness(COT) increases,the CTH bias of FY-4A CTH retrievals gradually decreases. Two typical cases are analyzed to illustrate the differences between different satellites' CTH retrievals in detail.     

静止和极轨卫星陆表温度产品的改进方法

针对天气、气候和生态环境监测对较高空间分辨率静止气象卫星陆表温度及全天候极轨卫星陆表温度的需求,分别发展静止气象卫星陆表温度空间降尺度和极轨气象卫星陆表温度云下重构算法,并对其进行改进处理。其中,静止气象卫星陆表温度空间降尺度模型充分利用静止气象卫星高时频和多光谱观测的优势,基于同一卫星同一遥感器所观测的陆表温度和相关通道亮度温度的日变化特征建立非线性统计回归模型,同时考虑下垫面类型的影响,方法应用于我国静止气象卫星风云四号A星(Fengyun-4A,FY-4A)先进的静止轨道辐射成像仪(advanced geosynchronous radiation imager,AGRI)陆表温度的降尺度,结果表明,所发展的降尺度模型不仅可以将FY-4AAGRI的陆表温度由4 km降尺度到2 km,而且可以较好保持降尺度前陆表温度精度,降尺度前后陆表温度均方根误差最大为1.35 K。极轨气象卫星陆表温度云下重构则发展了DINEOF模型,并基于土地利用数据(Land-Use,LU)进行结果的二次订正,实现极轨气象卫星陆表温度的全天候获取,方法应用于极轨气象卫星FY-3D中等分辨率光谱成像仪(med...     

FY-3A微波资料偏差订正及台风路径预报应用

我国极轨气象卫星FY-3A大大增强了对地球系统的综合探测能力,而偏差订正对卫星资料的应用非常必要。试验中FY-3A卫星微波资料的偏差订正方案是在Harris等的TOVS辐射资料偏差订正经验方法的基础上结合WRF-3DVAR系统发展的,偏差订正后微波资料各通道拟合结果基本位于主对角线上,大多数卫星观测数据与观测算子利用背景场计算的亮温值分布趋于合理,偏差得到很大程度的降低。偏差订正后,利用数值模式直接同化FY-3A气象卫星微波资料,通过对2008年和2009年的4个台风进行预报评估表明:同化FY-3A气象卫星资料后路径预报能力提高明显,尤其是36 h后路径预报结果;同化FY-3A气象卫星微波资料后台风预报路径误差平均降低20%,而只同化常规资料路径误差仅仅降低了4%。     

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.     

卫星云参数与飞机云物理探测对比研究和飞行方案设计

开展卫星反演云特性参数与飞机观测的对比研究,对于更好地发挥卫星遥感观测在天气、云物理和人工影响天气方面的探测优势具有重要意义。选取2012年9月21日一次层状云降水过程,对比分析FY-2与MODIS反演云参数及飞机观测结果,探索了飞机检验卫星云参数的飞行方案。结果表明:FY-2反演云参数演变趋势与飞机观测结果有较好的一致性;FY-2反演有效粒子半径(Effective Radius,Re)和光学厚度(τ)与MODIS反演的Re和τ间相关性较好,但此个例FY-2反演值普遍小于MODIS反演值;探测区域FY-2反演Re频率分布与飞机观测Re分布有一定差异,FY-2反演Re偏小,MODIS反演Re频率分布与飞机观测结果更为接近;飞机观测计算得到的τ和液水路径值(Liquid WaterPath,LWP)与卫星反演τ和LWP差异较大,FY-2反演值明显偏小。对于Re的检验,飞机最好在Re分布不大均匀的云顶作较长距离平飞观测;对于LWP和τ等垂直积分参量的检验,飞机最好选择在光学厚度较均匀的小区域内螺旋爬升至云顶之上,再自云顶向下至最低高度进行垂直观测。     

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。