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。     

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%。     

FY-3A MWHS资料偏差订正方法研究

作为中国新一代极轨气象卫星,风云三号A星(FY-3A)大气垂直探测资料在区域数值天气预报中的同化应用至关重要。为实现FY-3A大气湿度垂直探测仪(MWHS)资料的直接同化应用,重点研究MWHS资料偏差订正问题。根据MWHS资料特征,在参考欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TIROS大气垂直探测仪(TOVS)资料偏差订正方案的基础上,建立适用于FY-3A卫星MWHS辐射率资料的偏差订正方案,分析该方案的订正效果。(1) 扫描偏差具有星下点对称性,各通道不同纬度带和扫描角的扫描偏差存在差异,通道1~5的扫描偏差绝对值范围分别为0~1.13 K、0~6.4 K、0~0.76 K、0~0.84 K和0~2.1 K。(2) 偏差订正方法有效,订正后的通道2~4观测残差概率分布呈现均值为0的高斯分布,且通道1和5观测残差更接近均值为0的高斯分布。(3) 偏差订正后观测残差标准差均有所降低,表明偏差订正能够提高MWHS资料对分析场的调整。试验证明FY-3A MWHS资料具有较高的数据质量以及同化应用的潜力;建立的偏差订正方案可为FY-3A MWHS资料直接同化提供条件。      

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

风云三号卫星微波大气温度探测仪资料偏差订正方法研究

为推动中国风云三号卫星(FY-3A/B)资料在区域数值天气预报中的同化研究,重点研究FY-3A的大气温度垂直探测仪(MWTS)资料的偏差订正问题。在欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TOVS辐射偏差订正方案的基础上,结合MWTS资料特征,建立适用于FY-3A卫星MWTS辐射率资料的偏差订正系统,并评价MWTS的偏差订正效果。结果表明:（1） 同纬度带和扫描位置的扫描偏差不同,各通道表现出不同的偏差特征,通道1扫描偏差较大(0~5 K),通道2、3、4较小(0~0.6 K);（2） 扫描偏差订正和气团偏差订正后的观测残差基本符合均值为零的正态分布;（3） 偏差订正后的观测残差标准方差有所降低,这将提高卫星资料对分析场的调整。证明了FY-3A MWTS资料质量较好,具有同化应用的潜力,开发的偏差订正系统可为FY-3A MWTS资料在区域模式中的同化应用提供条件。      

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。     

区域极轨卫星ATOVS辐射偏差订正方法研究

近年来,卫星辐射资料在数值天气预报(NWP)系统中的直接同化研究取得了长足进展.为了利用TIROS业务垂直探测器(ATOVS)的辐射资料,必须对卫星观测辐射值的系统性偏差进行订正.在ECMWF原全球TOVS辐射偏差订正方案基础上,结合ATOVS资料特征和中国的实际情况,建立了适用于区域NOAA-15/16/17极轨气象卫星ATOVS辐射资料的偏差订正方案.该方案偏差订正分两步进行:首先进行扫描偏差订正,然后进行气团偏差订正.扫描偏差是临边测量相对于星下点测量的系统偏差,统计显示该种偏差具有一定的纬度依赖性,所以订正时按每10度的纬度带分别进行订正.气团偏差订正主要就是根据当时的天气条件进行订正,而天气条件一般用预报因子来定量表示.文中从中国国家气象中心T213背景场导出预报因子:(1) 1000-300 hPa的厚度,(2) 200-50 hPa的厚度,(3) 模式地表温度,(4) 总可降水量.模式预报因子的使用从观念上将对观测值的订正变为对计算前向辐射值的订正问题.试验结果表明,订正结果显著.     

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。     

风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

首先统计分析了FY-3A卫星MWHS(Micro Wave Humidity Sounder,微波湿度计)2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球观测亮度温度T_O和背景场(NCEP GFS 6 h预报场)用辐射传输模式(美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本)模拟的亮度温度T_B随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两测存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显。在统计观测增量T_O-T_B随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。     

FY-3C MWHS-Ⅱ辐射亮温在RMAPS-CA中的同化

中亚地区常规气象观测稀疏,同化极轨卫星FY-3C上的微波湿度探测器-Ⅱ(MWHS-Ⅱ)辐射率资料可有效减小该地区数值预报初始场的不确定性。本研究首次在中亚快速更新多尺度资料分析和预报系统RMAPS-CA中同化了FY-3C/MWHS-Ⅱ辐射率,评估了其同化效果。研究发现：（1）单个时次冷启动的同化时间窗口内,仅约有56%的辐射率资料通过了质量控制并被RMAPS-CA同化。（2）偏差订正整体减小了各水汽通道的背景场辐射亮温偏差,最大减幅出现在通道14,达0.5 K。通道14偏差订正前的观测辐射亮温和背景场辐射亮温间存在较大偏差,是其同化应用中需要特别注意的。（3）FY-3C/MWHS-Ⅱ辐射率同化整体提高了RMAPS-CA系统对高空温度、位势高度、高空风速等的中短期预报准确率。同时,使得2米温度和10米风速的预报准确率预报均方根误差分别平均减小了0.2 K和2 m/s。其同化有效降低了小雨预报的漏报率和空报率,小雨预报的TS评分提升了16%。降低了中雨和大雨预报的漏报率,三个量级降水预报的BIAS评分分别提升了18%、38%和36%。     

FY-3C微波成像仪海上大气可降水产品质量检验

中国自主研制的第二代极轨气象卫星的首颗业务星风云三号C星(FY-3C)于2013年9月23日发射升空。微波成像仪(MWRI)作为FY-3C上携带的重要微波载荷之一,能够实现对大气、海洋和陆地的全天时监测。其中,MWRI海上大气可降水量(TPW)产品在数值预报模式以及气候变化研究中具有很重要的应用价值,但是应用效果的好坏往往受产品精度的制约。使用长达4年的卫星观测资料,通过MWRI TPW业务产品和无线电探空及专用传感器微波成像仪(SSMIS) TPW业务产品的比较,对MWRI TPW产品(包括轨道产品、日产品和月产品)的质量进行检验。结果表明,轨道产品和地面实际观测的探空数据的平均相对误差在7%左右,均方根误差为2.6 mm;日产品和SSMIS日产品的均方根误差约为3 mm,和探空日产品的均方根误差小于2.1 mm;月产品和SSMIS月产品的均方根误差小于1.3mm。表明FY-3C MWRI TPW业务产品长期以来一直稳定运行且精度较高,具备实际应用潜力。     

珠江三角洲地区FY-3卫星MERSI影像的大气校正方法研究

利用广东省86个气象站的观测数据为大气校正简化算法(Simplify Method for Atmospheric Correction,SMAC)提供校正参数,对中分辨率光谱成像仪(Medium Resolution Spectral Imager,MERSI)的250 m分辨率数据进行了大气校正处理研究。通过对各波段反射率直方图、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetable Index,NDVI)直方图及气象站反射率的分布特征进行分析,检验SMAC算法进行MERSI数据大气校正的效果。结果表明:大气校正后MERSI各波段反射率区间变宽,站点反射率更接近实际,校正后的NDVI直方图曲线较平滑,NDVI峰值向高值移动,临近日期的NDVI直方图曲线更相近,说明本文采用的大气校正处理方法可得到合理的结果。     

FY-3A卫星微波资料的集合变分混合同化试验

以2012年"北京7.21暴雨"为例,实现了集合变分混合同化方法对FY-3A的微波温度仪和微波湿度仪资料的直接同化,并与三维变分方法进行了比较。结果表明:虽然两种同化方法同化FY-3A微波资料都能改进降水模拟效果,但是与实况相比,集合变分混合同化方法改进效果更为明显,其能有效减少虚假强降水的模拟,改进强降水中心位置的模拟,SAL评分定量检验也同样表明,集合变分混合同化方法对暴雨的模拟效果要优于三维变分同化方法;无论是热力学变量还是动力学变量,集合变分同化得到的初始场均方根误差均显著小于三维变分同化的结果;两种方法同化FY-3A微波资料均能改变初始场中的各种物理量信息,但不同方法得到的同化增量大小和分布却有明显的差异:三维变分同化方法对初始场的调整区域和强度都要大于混合同化方法,且其同化增量表现出均匀和各向同性的分布特点;而利用集合信息的混合同化方法得到的同化增量分布表现为非均匀性和各向异性,具有"流依赖性"的特征,这使得初始场的分布更合理,有利于改善降水的模拟效果。     

基于测风塔观测资料的近地层风速平面订正

利用辽宁和吉林省24座测风塔风速观测资料,应用线性回归方法对高分辨率中尺度模式近地层风速预报产品进行订正。首先通过4组不同的订正实验分析训练样本长度、样本滚动方式等对订正效果的影响,确定单点订正最佳方案,并综合线性方法在东北地区不同下垫面条件下的适用性;然后应用24座测风塔已确定的单点订正关系,尝试区域风速的平面订正,并基于剩余23座测风塔资料对全场订正效果进行评估。结果表明：训练样本的长度对订正效果影响较明显,在东北地区训练样本长度取20 d效果最佳;当训练样本长度取最优天数时,滚动系数的订正效果与固定系数的订正效果基本一致;各种下垫面通过线性订正均能取得较明显提高,其中丘陵地区效果最明显,通过订正均方根误差整体降低1.61 m·s^-1,平原地区为0.95 m·s^-1,沿海地区为0.91 m·s^-1;平面风速订正实验显示,订正关系平面外推可取得明显的订正效果,全场平均绝对误差降低0.20 m·s^-1,该方法可为订正资料匮乏区域的预报提供参考。     

基于FY-3D微波成像仪的中国陆地区域地表温度反演及验证

地表温度是地表与大气热量平衡中的关键参数,在气候、生态、水文等研究领域发挥着重要作用.选取2019年11月-2020年10月风云三号D星(FY-3D)微波成像仪亮温数据,对其进行数据重采样和异常像元剔除等预处理,采用UMT(University of Montana land surface retrieval alg...     

基于FY-3B卫星资料的中国南海海区1—3月海雾时空分布特征研究

为全面了解中国南海海区海雾的分布特征,为南海海雾气象服务提供基础背景资料,利用2011—2016年1—3月FY-3B气象卫星资料的雾监测产品,分析了中国南海海区海雾的时空分布特征。结果表明：中国南海海雾具有特定的区域特征,中国南海海雾多出现在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区,南海南部海域出现海雾概率低;南海出现高频次海雾的时间多发生在2月,1月次之,3月最少。该研究结果可为中国南海海雾研究提供背景资料。     

Impact of assimilating FY-3C MWHS2 data in the RMAPS-ST forecast system on its rainfall forecasts

中层水汽初值的误差是数值预报,尤其是短期预报不确定性的重要来源.星载微波湿度计资料能很好地弥补常规资料的不足,同化微波湿度计资料对改善对流层中高层的水汽初始场精度有着重要意义.本研究基于新一代快速更新多尺度资料分析和预报系统短期数值预报系统(RMAPS-ST),选取2019年6月4-6日中国华中地区降水过程开展了 FY...