Detection of clouds and identification of their parameters from the satellite data in the daytime

A complex method for analysis of measurement data of the AVHRR radiometer of the NOAA satellite is presented, which allows detecting clouds, classifying their types, detecting precipitation zones, and estimating cloud and precipitation parameters in the daytime the year round in the midlatitudes. Tuning and testing of the method (threshold algorithms of classification) are carried out on the synchronous satellite and surface meteorological and radar data archive for central European Russia in 1998–2006. As a result of validation, characteristics are presented of reliability of satellite estimates of cloud amount, top height, maximum liquid water content in the cloud layer, and precipitation rate.     

中国区域云特性分析及在FY-2云检测中的应用

云检测中所使用的云检测阈值正确与否是关系到云检测精度的重要因素。该文利用1983年7月-2007年6月ISCCP数据对覆盖我国及周边区域不同云类云顶温度的年、日变化特征进行分析, 得到云顶温度的分布特征; 对晴空下垫面与最暖云云顶温度差随纬度分布特征、不同区域晴空下垫面及云顶温度与晴空地表温度差日变化特征进行分析, 这些特征及每3 h的晴空下垫面24年平均亮温作为云检测算法的背景场, 用以判识实时动态提取云检测阈值的合理性。个例分析表明:利用多年平均晴空下垫面温度及最暖云云顶温度与晴空下垫面温度之差, 可有效识别云检测阈值的合理性, 合理的阈值有助于提高连续多日被云覆盖及冰雪下垫面条件下的云检测精度。     

Signal simplification and cloud detection with an improved Douglas-Peucker algorithm for single-channel lidar

Single-channel lidar is a widely used system in atmospheric aerosol and cloud detection. However, many difficulties remain in the automatic and accurate identification of cloud from backscatter signals. Popular methods have been proposed, but there is still large uncertainty in cloud detection, especially when the signal-to-noise ratio is low. In this study, a signal simplification approach based on an improved Douglas-Peucker algorithm is proposed. The layer base and top are then selected using the simplified signal and the raw range-corrected signal. Finally, we use a peak-to-base ratio function to distinguish a cloud layer from a non-cloud layer. The detection results of our algorithm are remarkably better than those obtained using the differential zero-crossing method.     

利用气温与云顶亮温差值检测云方法研究

利用2005年7-12月卫星资料、地面观测资料、探空资料和地形资料,统计分析了无云条件下气温与云顶亮温的差值,结果表明：无云情况下气温与云顶亮温差值平均为5.04℃,且具有较大的日变化性。由此提出了按时次分别求取阈值用以检测云。通过个例对比分析,初步得出该方法检测云具有以下特点：可用于全天候云检测;不受地形地貌等因素的影响;该云检测方法应用于反演计算,不仅反演的中、高云区域与实测的比较一致,而且反演的低云区域与实测结果也比较一致。     

高光谱红外云检测方案阈值的客观判定方法

GRAPES3Dvar大气红外高光谱云检测采用McNally andWatts(2003)的晴空通道方案,该方案基于模拟观测与实际观测偏差(B-O)进行检测,其中阈值的选取与预报模式有关。传统对云检测阈值的选取多采用主观判定方法,如图像对比分析等。文章在主观判定的基础上提出两种新的较为客观的阈值判定方法:(1)视场偏差分析:通过分析模拟观测与实际观测之间偏差的垂直分布,观察不同阈值下的云顶高度来评估阈值选取的合理性;(2)云检测指标评分:通过建立一系列云检测指标,对其进行评分来选取最优的阂值。并结合上述三种方法,将其应用于IASI辐射率资料的云检测阈值判定,其中梯度阈值对最后的云检测效果影响不大,保持与欧洲中心相同的值;偏差阈值则采用综合的分析方法进行判定,从而克服了单纯利用云图对比而带来的视觉误差。分析结果表明,偏差阈值取2.0 K、窗区通道梯度阈值取0.4 K,非窗区通道梯度阈值取0.02 K时云检测的效果最好。最后进行的为期1个月的试验显示:通过对比不同云检测偏差阈值的同化效果,选取的云检测闾值是有效的。     

FY 2F卫星和毫米波云雷达云高观测的个例对比分析

风云二号静止卫星上装载有可见光、水汽、中长波红外等探测通道,其中红外通道资料可提供卫星云顶温度数据。基于FY-2F静止卫星云顶温度资料,结合局地实时探空数据对北京南郊和朝阳站点上空云层进行云高反演,并展开与地基毫米波云雷达探测云顶高关系的对比,分析3种不同云厚(薄云、适中、厚云)条件下的云高观测结果。研究结果表明,二者云顶高匹配度受几何云厚的影响,其吻合度呈现出厚云最佳,薄云最差的特征。     

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。     

四川盆地南部一次冬季飞机增雨作业个例分析

本文利用MICAPS资料、自动站资料、卫星反演产品和GRAPES人影模式产品等,采用统计和物理检验相结合的方法,对2015年12月13日一次飞机人工增雨作业进行了分析。结果显示:受高空低槽东移影响,四川南部出现一次降水过程,且云层具备催化潜力;催化作业后,作业效果明显,作业影响区的云系持续发展,云顶高度升高,云顶温度下降,过冷层厚度增加,降水量持续增加,污染物浓度降低,作业影响时效可达3小时;作业对比区的降水不充分,且物理量无明显变化。      

基于星载微波雷达和激光雷达探测的夏季云顶高度及云量差异分析

云是天气与气候变化的重要影响因子,准确估量云顶高度和云量对分析云特性、降水及强天气预报、估算云辐射强迫等都具有重要意义。利用2006-2010年6-8月CloudSat卫星搭载的微波云廓线雷达（CPR,简称微波雷达）和CALIPSO卫星搭载的云-气溶胶偏振激光雷达（CALIOP,简称激光雷达）的探测资料,分析了全球云顶高度及云量的空间分布特征。结果表明,热带地区微波雷达探测云顶高度平均比激光雷达低约4 km,但均超过12 km;副热带洋面云顶高度在4 km以下,且两部雷达探测的云顶高度差异存在地域性。微波雷达对薄云、云砧及云顶高度低于2.5 km的低云存在漏判,对厚云的云顶高度偏低估;微波雷达探测的全球总云量均值为51.1%,比激光雷达少23.3%;两者给出的云量分布也存在显著的海-陆差异,其中洋面云量差异更大,如微波雷达测出局部洋面云量为80%,而激光雷达的探测结果却超过90%。由于激光雷达发射波长短,对云顶微小粒子比较敏感,而微波雷达波长较长,对相对较小粒子的探测存在局限性。因此,激光雷达对云顶高度的探测优于微波雷达。此结果不仅加强了对激光雷达和微波雷达探测原理的认识,而且进一步理解了云的气候特征。     

人工增雨效果物理检验方法的建立及应用

本文针对基于多源探测数据的人工增雨效果物理检验,建立对比区选取的相似性度量系数（APC,Analogy Deviation-Pearson Correlation Coefficient）,建立人工增雨效果物理检验的无量纲化指数PIDI（Physical Inspection Dimensionless Index）方法。结果表明:（1）人工增雨效果物理检验PIDI指数方法,能够实现以相似性度量系数APC最大程度削减增雨作业催化云体及降水的自然变率影响,以无量纲化处理方法综合多种具有量纲差异的云物理探测参数,最终以一个百分数变化率的数值形式综合度量多种云物理参数的整体变化趋势及程度。（2）应用PIDI方法对2014～2019年24架次飞机增雨作业进行增雨效果物理检验。人工增雨催化引起作业后3 h的云顶温度、云粒子有效半径、光学厚度、液水路径、组合反射率、≥30 dBZ回波面积、垂直累积液态含水量7项指标平均变化率3.4%～19.6%。18次作业的小时降水量变化率呈0～58.3%的增雨效果,6次作业的小时降水量变化率呈?37.5%～0的减雨效果。多数增雨作业引起的云物理参数变化明显小于降水变化。（3）具有增雨正效果的18次增雨作业,人工催化引起多数作业的云顶温度、组合反射率、垂直累积液态含水量呈增加趋势,多数作业的云粒子有效半径、光学厚度、液水路径呈减小趋势。（4）利用飞机增雨个例对比PIDI指数方法与K值方法异同。对于降水量变化趋势的检验二者具有一致性。二者差别在于PIDI指数方法能够反映人工催化引起的所有检验指标平均变化率。     

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.     

基于局部阈值插值的地基云自动检测方法

地基云自动化观测是当前气象业务发展的迫切需求.目前的地基云检测算法仍主要是以阈值为基础,针对固定阈值和全局阈值算法在云检测精度方面存在的不足,利用晴朗天空下天空呈蓝色、云呈白色的属件,提出了一种基于局部阈值插值的地基云自动检测方法.该方法在对云图进行重采样后,对云图蓝、红波段进行归一化差值处理,再将处理后的结果图像按空间像素位置自动分成互不重叠、大小相等的均匀子块,对每一子区域采用一定的规则并结合改进的最大类间方差自适应阈值算法计算局部阈值,然后对每一子区域形成的阈值矩阵采用双线性插值算法进行插值处理,形成与原始云图大小相等的阈值曲面,利用此阈值曲面与云图蓝、红波段归一化差值处理结果进行比较,即可完成地基云的自动检测.与固定阈值和全局阈值算法相比,局部阈值插值算法对一些细碎的云和与背景反差不大的云获得了更好的检测效果.定量的评估结果表明,固定阈值方法在正确率和精确度上都要远远低于全局阈值和局部阈值方法,而文中提出的局部阈值算法在正确率和精确度上相比全局阈值算法又有较大提高.     

基于MODIS云宏微观特性的卫星云分类方法

利用MODIS云光学厚度、云粒子有效半径、云顶高度、云相态等产品,以及表征6种云类的云光学厚度、云粒子有效半径、云顶高度、云相态的特征值,采用最小距离分类法和多阈值判识法相结合,对卫星观测像元的云进行分类,包括层云、层积云、积云、积雨云、雨层云、高积云/高层云、卷云以及卷云伴随高积云或高层云的多层云、卷云伴随层云或层积云的多层云、高积云或高层云伴随层积云或层云的多层云10类。2008年、2013年卫星分类结果与地面站云类观测对比,达到60%的一致性;将相同时间的地面小时降水量与分类结果叠加显示,出现降水处多为雨层云或积雨云。     

毫米波雷达与无线电探空对云垂直结构探测的一致性分析

在众多种针对云垂直结构的探测中,毫米波雷达可获取云底、云顶、云厚等完整的云垂直结构信息,并可以连续监测云的垂直剖面变化,是有力的探测手段之一。而无线电探空因其直接的测量优势,能直观、确切地描述大气湿度垂直结构,可将其进一步处理生成云垂直结构信息,并作为一种数据源用于与毫米波雷达云垂直结构探测结果进行比对,以评估毫米波雷达针对云宏观垂直结构的探测性能,为毫米波雷达更好地应用于云探测提供参考。通过获取位于北京南郊观象台的毫米波雷达2014年10月28日至2015年2月17日长达113天连续观测的反射率因子以及探空温、压、湿数据,设计或选取合适的方法对二者进行云边界的计算,并进行云高（包括云底高和云顶高）以及云层数的一致性比对分析。结果认为,除对于高层云的云顶高度毫米波雷达由于探测限制不能探测到10 km以上的云顶,某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较强的一致性。该毫米波雷达具有较为准确并连续刻画10 km以下云垂直结构的能力。     

基于毫米波雷达观测及探空反演的云垂直 结构对比分析

针对北京南郊观象台的Ka波段毫米波雷达以及L波段探空设备的观测原理和特点,提出了适用于各设备的云垂直结构判定方法,并基于二者2016年12月13日至2017年3月13日长达91 d的时空同步观测数据,结合激光云高仪、葵花8卫星、全天空成像仪等多源辅助数据,对探空与毫米波雷达观测结果(包括云底高、云顶高、云层数等)进行了...     

利用Ka波段云雷达对青藏高原三类重要天气系统云宏观参数日变化特征的研究

青藏高原上空云宏观参数的日变化受大尺度环流、当地太阳辐射和地表过程的联合作用,对辐射收支、辐射传输及感热、潜热的分布等有重要影响。由于缺乏持续定量的观测,对各类天气系统云宏观参数日变化特征的了解还十分不足。多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS（Atmospheric Profiling Synthetic Observation System）的Ka波段云雷达是首部在青藏高原实现长期观测云的雷达。本文基于2019年全年APSOS的Ka波段云雷达资料,采用统计和快速傅里叶变换方法研究了西风槽、切变线和低涡三类重要天气系统影响下的有云频率、单层非降水云或者降水云非降水时段的云顶高度、云底高度和云厚日变化的时域和频域特征,得到了统计回归方程。主要结论有:（1）西风槽系统日均有云频率为56.9%,切变线系统为50.8%,低涡系统达73%。（2）尽管西风槽和切变线系统的成因不同,但两类系统云宏观参数的日变化趋势和主要谐波周期相似:日变化趋势基本为单峰单谷型,日出前最低,日落前最高。有云频率表现为日变化和半日变化,单层云云顶高度、云底高度和云厚主要表现为日变化。（3）低涡系统云宏观参数的日变化特征与前两类系统明显不同:日变化趋势表现为多峰多谷型,虽然有云频率和单层云云顶高度、云底高度主要谐波中均以日变化振幅最大,但频谱分布分散,云厚主要变化中振幅最大的是周期为4.8 h的波动。（4）得到了各系统有云频率、单层云云顶高度、云底高度和云厚日变化的统计回归方程。     

FY-3D MERSI-II云顶产品算法及精度检验

云顶温度和云顶高度作为基本的云参数,在云的热辐射强迫估计,航空气象保障,数值天气预报,天气气候研究等方面具有十分重要的意义。FY-3D/MERSI-II云顶温度产品基于云在红外波段的发射率假设,利用两个红外分裂窗通道(11.0 μm、12.0 μm)结合一维变分方法寻找最优云顶温度层,再利用数值天气预报廓线产品插值反演对应的云顶高度和压强。利用AQUA/MODIS所提供的云产品数据对FY-3D/MERSI-II云顶温度、云顶高度、云顶压强产品进行精度检验,结果表明:FY-3D/MERSI-II水云云顶温度精度为-1.2±4.6 K,云顶高度精度为1.4±1.8 km,云顶压强精度为-140.9±114.5 hPa;厚冰云云顶温度精度为7.0±6.0 K,云顶高度精度为-1.0±0.9 km,云顶压强精度为37.1±36.0 hPa;混合云云顶温度精度为1.5±8.5 K,云顶高度精度为0.8±2.2 km,云顶压强精度为-87.4±157.8 hPa,单层卷云和多层云的反演偏差较大。辐射传输模式在云顶性质反演中有十分关键的作用,但目前对冰云特别是卷云的性质认识不足,因此如何精确描述冰晶辐射特性,提高冰云特别是卷云辐射传输的模拟精度将是下一步的工作重点。      

利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益.目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁.文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形.算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差.为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案.该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表.经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径.利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性.     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

气象卫星高空间分辨率数据的云量计算与检验

该文利用国家卫星气象中心1998—2008年NOAA卫星的存档数据,在再定标和精定位等数据再处理基础上,利用自行研发的云检测算法及云量计算方法,生成空间分辨率为0.01°×0.01°、时间尺度为10年的逐日云量数据,并利用ISCCP和地面观测数据对计算得到的云参数进行数据质量评估。评估结果显示:利用NOAA数据的抽样云检测结果与ISCCP-DX数据相比,晴空像元检测率具有0.70左右的一致性;有云像元检测率具有60%左右的一致性。卫星计算的总云量与地面观测总云量间的月平均相关系数大于0.70。