基于REOF的两种卫星降水产品(IMERG和MSWEP)在金沙江流域降水分区尺度精度评估

高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB)进行降水分区,通过贡献率得出8个分区较为适合。然后识别降水的空间分布特征,发现2种降水产品都可以很好地捕捉降水呈现出的从上游到下游逐渐增加的趋势。最后在日尺度、降水发生概率和极端降水探测能力3个方面对降水产品在分区尺度和不分区尺度的性能进行评估。结果表明,在日尺度上,MSWEP的精度在多数降水分区优于IMERG,被推荐5次(1、3、6、7和8区),集中在流域的中游。同时流域尺度也推荐MSWEP。在降水事件发生概率方面,MSWEP能再现不同等级降水强度的概率密度分布,但过高估计0.1~1 mm/d降水事件的发生概率;而IMERG过高估计小于0.1 mm/d降水事件的概率。在极端降水探测能力方面,流域尺度的KGE值都是正值,且IMERG优于MSWEP,但分区尺度上,KGE值在部分降水分区中存在负值,表明IMERG和MSWEP均不能很好地探测出该区的极端降水事件。本研究成果表明降水分区尺度是必需的,能够更加精细地评估降水产品。研究结果可为具有类似气候条件的卫星降水评估提供参考。

基于多套卫星资料的ERA5全球小时降水频率评估

最近发布的新一代全球再分析资料集ERA5,提供了全球小时降水再分析值,为全球小时降水研究提供又一个数据参考。然而,目前针对ERA5小时降水频率的评估工作还较为有限。本研究采用多套全球卫星观测小时降水对ERA5小时降水的频率进行了评估。对比分析发现:尽管ERA5总降水量与卫星资料出现较好的一致性,但ERA5的小时降水频率约为卫星资料的2~3倍,呈现系统性偏高。进一步分析表明,这主要是由于ERA5大大高估了中、低强度降水事件的数量。其中,ERA5对弱降水频率的高估尤为明显,平均可达卫星降水频率的6倍;此外,ERA5对海洋降水频率的高估程度也大于陆地。ERA5小时降水频率的系统性高估问题对相关研究的潜在影响,尚在进一步评估中。

Comparison between ozonesonde measurements and satellite retrievals over Beijing,China

从2013年开始,作者团队使用自主研发电化学原理臭氧探空仪在华北平原北京地区进行每周一次观测.本研究首次使用2013-2019年期间北京地区臭氧探空数据评估Aqua卫星搭载大气红外探测仪(AIRS)和Aura卫星搭载微波临边探测器(MLS)反演垂直臭氧廓线,并对比臭氧探空,AIRS和Aura卫星搭载臭氧监测仪(OMI)臭氧柱总量结果.尽管臭氧探空与卫星反演垂直臭氧廓线在局部高度处差异较大,但整体来说两者较为接近(相对偏差大多<10%).臭氧探空,AIRS和OMI三种仪器测量臭氧柱总量的年变化特征较为一致,其年均臭氧柱总量分别为351.8±18.4 DU,348.8±19.5 DU和336.9±14.2 DU.后续对国内多站点观测数据分析将有助于进一步理解臭氧探空与卫星反演臭氧资料在不同区域的一致性.

黄河源区多源降水数据性能评估

黄河源区地形复杂,测站稀少,精确获取降水信息困难。以黄河源区为研究区域,基于日尺度综合分析4种多源降水数据集:新一代卫星反演降水产品GSMaP-Gauge和IMERG-Final,再分析资料ERA5和多源融合产品MSWEP,研究了这些产品的评价指标随时间和站点空间分布的变化。结果表明:在黄河源区的雨季(5—10月)、中部站点(尤其是久治县、达日县)性能更好。ERA5高估最严重,仅在东南部的少数地区较好;IMERG-Final在降水的空间分布方面表现最好,系统偏差接近零。因其拥有最高的相关系数、最低的误报率和最高的关键成功指数,在黄河源区推荐使用GSMaP-Gauge。相关的评估结果将为黄河源区降水信息的获取和降水数据集的选择提供帮助。

临近空间大气风场温度场卫星遥感技术研究综述

研究临近空间的风场和温度场对大气圈层之间的动量及能量传输、大气成分的输运以及大气环流的非线性突变有重要的科学意义,然而此区域的大气风温数据稀缺是国际亟待解决的难题之一。卫星遥感技术是获取大气风温信息的重要手段,然而受工程难度的限制,目前国际上针对临近空间风温遥感的卫星载荷十分有限。首先,概述了国际上具有代表性的大气风温卫星遥感载荷的发展现状。然后,系统性地综述了针对临近空间区域的近红外、长波红外和中波红外三类典型的风温遥感技术的研究进展;包括各观测目标源的光谱特性、载荷仪器的研制进展、以及风温探测能力;并讨论了各技术方案的优劣性。最后,对多种技术方案进行了对比汇总,为后续临近空间探测技术提供了参考和启示。展望未来临近空间星载风温遥感技术的发展趋势,着眼于风温遥感载荷的空间覆盖能力、时间连续性及探测精度、同时讨论载荷研制的工程难度,为临近空间风温遥感卫星研发和应用提供有效思路。

MSWEP降水产品在尼洋河流域的应用

为探究MSWEP卫星降水产品在缺资料地区的应用,以尼洋河流域为例,通过双线性插值得到流域内4个站点处的卫星降水资料,以站点实测降水资料为参照对MSWEP降水数据进行不同时间尺度的精度评估,并利用平均偏差校正法和基于空间分布模式的校正方法对研究区范围内的所有卫星网格降水数据进行校正处理,最终用实测数据以及原始、校正后的卫星降水数据分别驱动SRM融雪模型,模拟更张站2002~2015年的径流过程。结果表明,校正后的降水数据提高了径流模拟的精度,且基于空间分布模式校正的降水数据取得了更优的径流模拟效果,验证期的确定系数在0.70~0.76之间,径流体积相对误差在1.62%~7.87%之间,可见MSWEP在尼洋河流域具有较高的适用性。研究结果可为与尼洋河流域水文气象条件相近但资料稀缺地区的降水和水文模拟等提供参考。

射频干扰校正对星载微波资料反演降水的影响

针对全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星上搭载的微波成像仪(GPM Microwave Imager,GMI),建立了陆面亮温数据的射频干扰(radio frequency interference,RFI)校正算法,同时提出了适用于GMI的综合指数雨强反演算法,即极化订正温度及散射指数(polarization corrected temperature-scattering index,PCT-SI)综合指数法,估算了2021年第6号强台风“烟花”登陆后,江苏及周边地区的雨强,与同时期双频降水测量雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)的近地面雨强产品进行对比分析,并比较了RFI校正前、后的近地面雨强反演精度。进而用强台风“梅花”和一次江淮气旋检验了该雨强反演算法的精度以及RFI校正算法对提高反演精度的有效性。结果表明,GMI的高频观测与降水强度大小密切相关,利用低频组合拟合89.00 GHz通道亮温获得大气散射指数,散射指数越大,雨强越大;RFI信号对微波资料反演近地面雨强的影响显著,所提出的校正方法可以有效地校正陆面上受RFI污染的GMI观测数据。研究结果有助于揭示微波传感器多通道亮温资料和降水强度之间的相关性,提高微波反演陆面降水的精度,并为陆面降水反演和预报提供参考。

The First Global Map of Atmospheric Ammonia(NH_(3)) as Observed by the HIRAS/FY-3D Satellite

Atmospheric ammonia(NH_(3)) is a chemically active trace gas that plays an important role in the atmospheric environment and climate change. Satellite remote sensing is a powerful technique to monitor NH_(3) concentration based on the absorption lines of NH_(3) in the thermal infrared region. In this study, we establish a retrieval algorithm to derive the NH_(3)column from the Hyperspectral Infrared Atmospheric Sounder(HIRAS) onboard the Chinese Feng Yun(FY)-3D satellite and present the first atmospheric NH_(3) column global map observed by the HIRAS instrument. The HIRAS observations can well capture NH_(3) hotspots around the world, e.g., India, West Africa, and East China, where large NH_(3) emissions exist. The HIRAS NH_(3) columns are also compared to the space-based Infrared Atmospheric Sounding Interferometer(IASI)measurements, and we find that the two instruments observe a consistent NH_(3) global distribution, with correlation coefficient(R) values of 0.28–0.73. Finally, some remaining issues about the HIRAS NH_(3) retrieval are discussed.

FY-4A和GPM卫星降水数据在新安江水库流域的适用性

为对比评估GPM和FY-4A卫星降水数据在新安江水库流域的适用性,利用2012~2022年站点面雨量小时数据、GPM的Late Run日值降水数据和2018~2022年FY-4A卫星AGRIL2级降水数据,选用7个评价指数对降水量误差、降水量时间演变特征、不同等级降水事件探测能力和强降雨过程准确性等多个方面进行了综合评估。结果表明,GPM和FY-4A面雨量与站点面雨量在日尺度和月尺度上一致性较好,2020年开始FY-4A面雨量数据更加精准。GPM和FY-4A面雨量存在不同程度的低估,在4~9月对降水日数的命中率较高。GPM对不同等级降水过程的识别能力、准确率和判断水平均优于FY-4A,但随着降水强度的增加两者差异减小。FY-4A对大雨、暴雨和大暴雨的观测更精准。强降水过程中,FY-4A与站点小时值面雨量一致性较好,能精确反映实际面雨量的时间变化;其面雨量峰值多提前1h,对相邻面降雨量峰值的初次降水峰值存在高估,对二次降水峰值存在低估,可为水库调蓄预报预警提供依据。

中国典型降水产品精度多时间尺度变化及空间分布

为评估中国大陆区域典型长序列、高时间分辨率降水产品(MSWEP,TRMM,CMFD)在不同尺度的精度水平、演变特征和空间差异,基于2117个气象站近5 a的逐小时数据,选取相关系数(Corr)、均方根误差(RMSE)、相对误差中位数(REM)和击中率(POD)4个指标,系统地评估了降水产品在小时、日、旬、月尺度的精度及空间分布特征,建立了相关指标随时间尺度增加而演变的函数模型。结果表明:3组降水产品精度的空间分布总体表现为由西北逐渐向东南区域增加的特征,且POD和REM在各尺度均为MSWEP明显优于CMFD和TRMM,但Corr、RMSE在亚日和旬月尺度精度表现不一致;多尺度变化方面,RMSE和REM呈幂函数变化,而Corr和POD服从修正后的对数Gamma分布函数。研究成果可为降水产品的优选识别、精度提升和深度融合提供依据。

风云四号闪电成像仪在浙东地区探测效果评估

基于全国地基闪电探测数据,对风云四号闪电成像仪(FY-4A LMI)在浙东地区的探测效果进行评估,利用LMI高时空分辨率非模式变量资料提高对流性天气过程的雷电监测、预警准确率和时效性。对浙东地区强对流天气过程闪电探测数据进行对比,并对闪电落点与云顶亮温显著性检验及天气过程进行验证。结果表明:LMI探测到的“事件”产品主要发生在强回波区,回波强度35 dBZ以上,云顶高度8~10 km;探测数量与地基闪电探测数量之比为0.16~0.45,均值0.323;空间分布上,仅考虑闪光落点位置的情况下,同时段LMI高闪密度区更偏东南;LMI对云闪探测效果较好,在时间上云闪提前于地闪45 min以上发生,对初生对流和较弱期对流监测预警具有优势;夜间探测效率明显优于白天,高闪密度区和TBB亮温之间小时变化相关性较好,90%以上闪光信号位于低于230 K(<-40℃)范围内,且通过了基于单总体t值显著性检验。总体来看,LMI在浙东地区探测效率及闪电落点定位略有偏差,但能够弥补雷达观测及地基闪电定位系统在时空分辨率上的局限性,可为雷电监测和预警提供较长的“提前量”(45 min以上),为科学防御雷电等自然灾害提供帮助。

风云四号A星闪电产品在一次强对流天气中的应用

一、引言闪电多发生于旺盛的积雨云中,是对流性天气系统发展到一定阶段的产物之一。研究表明,闪电数据能在强对流天气的短时预报中发挥重要作用,闪电的频数与对流强度都有一定正相关性,并可作为强对流天气的“示踪器”[1-2]。目前获取闪电观测资料的方式有两种:一种是基于辐射地磁场传播理论的地面闪电探测技术;一种是基于光学成像原理的卫星闪电探测技术[3]。本文针对2022年6月12日京津冀的强对流天气过程,将风云四号A星(FY-4A)探测到的闪电和地基闪电探测仪探测到的闪电进行比对和分析,探究星地闪电在京津冀一带强对流天气监测预警中的应用。

FY2卫星反演云特征参数与湖南省降水的相关性

为认识云降水发展演变规律,综合利用FY2卫星反演云参数和探空云分析方法,针对2014—2016年3—9月湖南省云的综合观测资料,统计分析不同云结构特征参数与降水的关系,进而探讨不同降水云系的云参数与雨强的对应关系。结果表明,云光学厚度在10~30时降水概率明显增加。无降水时,云顶低于3 km和高于9 km的样本数最多;有降水时,云顶普遍高于7 km。对流云光学厚度小于10的样本较少,且随云光学厚度增大。云顶高度和云光学厚度的相关性较好,通常云顶越高,云光学厚度越大。

基于高分三号卫星数据对台风“杜苏芮”期间黑龙江水体信息提取与洪涝灾害监测

本文采用高分三号(SAR)卫星数据,通过对雷达卫星双极化方式数据进行预处理,对2023年8月台风“杜苏芮”过境期间,黑龙江省五常市洪涝灾害区域进行监测研究,采用经验阈值分割法及人机交互修正误提图斑,提取洪涝发生区域水域信息,并通过叠加分析方法对水体识别结果进行泛滥水体区域分析计算。结果显示:对于多极化方式的数据,基于双极化后向散射系数及水体的指数,介于直方图双峰之间的阈值可以明显区分水体和非水体,使用经验阈值分割和人机交互修正可以从SAR图像上提取水体信息,进行洪涝灾害期间水体面积监测,通过叠加分析法进行泛滥水体区域分析与面积计算,实现雷达卫星数据在云遮挡情况下的精细化水体识别与分析。

GPM IMERG卫星降水数据在青海的适用性评价

为了探究GPM IMERG卫星降水数据在青海的适用性,本文基于青海31个气象站点2001—2017年获取的降水观测数据,应用相关系数(CC)、均方根误差(RMSE)和相对偏差(RB)对GPM IMERG卫星降水数据在青海的适用性进行了评价。结果表明:(1)在年、月尺度上,GPM IMERG卫星降水数据与实测降水数据拥有较高的一致性(CC_(年)=0.741,CC_(月)=0.768),月尺度的RMSE为30.878 mm,且GPM IMERG降水量总体呈低估现象(RB=-17.77%)。(2)在空间尺度上,GPM IMERG卫星降水数据与单一站点降水数据的精度验证具有明显的空间差异性,GPM IMERG卫星降水数据在青海南部地区的精度明显高于北部地区,但大部分气象站点的GPM IMERG降水量呈低估现象,高估现象主要集中在柴达木盆地。(3)随着海拔高度和局部地势起伏的变化,GPM IMERG卫星降水数据和实测降水数据具有相同的变化趋势;随着海拔梯度的增加,GPM IMERG对降水的监测逐渐由偏低转向偏高。(4)基于K9ppen气候分区进行精度评价的结果表明,GPM IMERG在Bwk(干旱荒漠-寒冷气候)和ET(寒冷苔原气候)气候类型区的精度最高,在Dwc(冬冷干-夏冷气候)气候类型区的精度次之,在Bsk(干旱草原-寒冷气候)和Dwb(冬冷干-夏暖气候)气候类型区的精度最低。

基于毫米波云雷达的FY-4A日间云检测产品准确性验证

云是地气系统中重要的组成部分,准确性是FY-4A云检测产品的重要指标之一。该文利用福建省7部Ka波段毫米波云雷达数据作为地面真值,验证了FY-4A云检测产品的精度。结果表明,福建省一层云占总数的73.56%,双层云占总数的23.06%,三层及以上的云很少;卫星云检测产品的“有云”命中率为95.73%、误判率为45.83%,“晴空”命中率为31.51%、误判率为10.27%,整体准确率为60.93%;FY-4A云检测算法倾向于将像元判断为“云”,使得“有云”误判率较高,准确性云检测产品将大量像元判别为“可能晴空”,造成“晴空”命中率较低。

气象卫星大气导风研究进展和未来展望

本文主要回顾了气象卫星导风的发展历程并对未来发展方向进行了阐述.引言部分首先回顾发展历程并介绍了导风发展史上的一些里程碑事件,分别对中国、美国、欧洲以及日本的气象卫星导风情况进行了简要介绍.第一节详细总结了多种传统气象卫星导风算法的特点和关键技术,介绍了交叉相关法、形态辨认法以及亚像元法.此外,还描述了五种较为常用的高度指定算法,对传统导风追踪算法以及高度指定算法的原理进行了详细地描述.第二节归纳了最近几年基于计算机视觉和机器学习技术发展起来的多种新体制的气象卫星导风产品,分别介绍了光流法、三维导风以及中尺度导风的优势和研究背景.最后,对比了传统与新型气象卫星各种导风算法的优缺点,展望了未来的发展趋势和应用前景.特别是指出光流法导风有着空间分辨率高、三维导风能得到更多层风场的信息、中尺度导风则能对特殊天气如热带气旋实现高时空分辨率的观测的优势,并提出三维导风与中尺度导风的应用研究将是未来重要发展方向.

基于FY-4A QPE的中亚五国降水时空分布特征

FY-4A定量降水估计产品(Quantitative PrecipitationEstimation,QPE)为深入研究中亚五国降水的时空分布特征提供了数据源。本文首先采用全球降水观测(Global PrecipitationMeasurement,GPM)多星集成降水终级产品IMERG-F(Integrated Multi-satellite RetrievalsforGPM Final run)评估FY-4A QPE,然后利用FY-4A QPE分析中亚五国的降水特点及时空分布特征,结果表明:(1)FY-4A QPE能够精细地反映中亚五国降水的空间分布差异,降水估计结果比较合理且与IMERG-F的时序变化具有较好的一致性。(2)中亚五国年平均降水量的空间分布差异大,且与海拔高度有关,高海拔地区的年平均降水量超过500 mm,但面积占比不足10%;低海拔地区的年平均降水量不足350 mm,但面积占比却超过90%。(3)中亚五国降水的空间分布有明显的季节性,夏季降水范围最广,平均降水量超过50 mm;秋季平均降水量最小,绝大部分地区平均降水量不足40 mm。吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦四季降水相对充足,部分区域季节平均降水量超过480 mm;哈萨克斯坦中西部、乌兹别克斯坦中西部和土库曼斯坦北部季节平均降水量不足40 mm。(4)根据月平均降水量超过40 mm区域的聚集度,中亚五国月平均降水的空间分布可以大致分为点状离散分布型、干旱型、半干半湿型和三明治型四种分布形态。(5)中亚五国夏季降水多发区的逐小时平均降水量具有“准三小时”周期性日变化特征,午后至前半夜是降水多发时段之一,降水类型以小雨为主,其次是少量的中雨。

基于深度学习的无资料地区多源降水融合与性能综合评估

为研究卫星-地面站点降水融合校正对遥感降水数据在无资料地区水文应用的意义,构建了考虑时空因素的深度神经网络(CNN-LSTM)融合模型,结合地形因子和气象站点实测资料对渫水流域TRMM 3B42遥感数据进行融合校正,并定量评估校正后的日降水误差。结果表明,经过CNN-LSTM模型校正后的降水数据精度有所提高,其与站点降水资料的相关系数在0.65以上,均方根误差、平均绝对误差、探测率分别比原始TRMM数据精度提升4.01%、8.09%、16.61%,且校正后的数据明显低估了降水;在不同雨强条件下遥感融合校正降水精度表现良好,但对于暴雨事件探测的精度仍有待提高。

基于FuncNN的海河流域GPM降水产品空间降尺度分析

针对星际降水产品低空间分辨率问题,文章以GPM_IMERG产品为降尺度目标,综合地面实测降水量及地形、NDVI和海陆位置数据,构建基于FuncNN算法的海河流域降尺度模型,将海河流域GPM数据提升至500m分辨率。结果表明:经降尺度后,GPM数据优化了空间细节表现力,不牺牲数值捕捉精度,相比于降尺度之前显著改进,GPM数据在海河流域具有可替代性。