地基云雷达与FY-4A卫星云顶高度联合反演方法

基于地基毫米波云雷达与FY-4A卫星对云顶同步观测的特点,分析云雷达垂直顶空观测的云顶高度与FY-4A卫星AGRI载荷通道数据之间关系,提出了地基云雷达与FY-4A卫星云顶高度联合反演方法,实现云雷达安装点周边区域卫星云顶高度的融合反演,并对反演结果进行验证分析。结果表明,AGRI载荷的第11~14通道值与云雷达观测云顶高度呈线性相关,且卫星通道值与云雷达观测云顶高度比值呈现冬季最小、春秋季次之、夏季最大的季节性变化特点;星地融合反演云顶高度与云雷达观测云顶高度相关系数0.84,融合后比融合前均方根误差减小了0.7 km,提高了卫星云顶高度的反演精度。

基于资源三号多光谱影像的云顶高度估计

通常来说,云对于高分辨率光学卫星影像来说是一种无效区域,需要避免成像并消除。然而,对于气象分析来说,云顶高度的估计在大气运动和天气预报等领域都具有十分重要的意义。基于资源三号测绘卫星多光谱影像波段之间的视差,文章提出了一种高精度云顶高度的估计方法。在严格分析云顶高度估计的误差因素即内方位元素误差、外方位元素误差、匹配误差、云移动、DEM误差等影响的基础上,提出了相应的优化与补偿方法。由于内方位元素误差对每列影像的影响相同,提出了基于无云区域估计内方位元素误差的方法;鉴于每行影像的外方位元素误差相同,提出了基于无云区域估计外方位元素误差的方法;考虑到多光谱波段之间相近的成像几何,通过相位相关的方法获取高精度的视差;在假设云静止的条件下,云顶高度估计的理论精度为96 m。通过阿兹劳和乌兹别克斯坦两个地区的多光谱影像进行实验,验证该方法的可行性。该方法还可进一步应用于云的检测。

基于A-Train综合资料的云顶高度反演研究

提出一种适用性较强的云顶高度反演方法。利用2007年低纬地区(15°S^15°N)的A-Train综合资料反演云顶高度。首先以M0DIS通道31和通道32的亮温值为特征参数,基于SVM分类法,将云分为不透明云、半透明云和透明云三类,分类准确率达到90.6%。然后对三类云分别用核回归法反演云顶高度,将其与CloudSat的2B-GEOPROF-LIDAR产品对比,均方根误差分别为0.95、1.17和1.27 km。与未分类的核回归法结果相比,分类后三种云的反演误差都有所减小。最后分析了三个典型个例。该方法可推广至其他含有红外分裂窗通道的卫星上,发挥更多卫星资源的效用。

双星立体观测云顶高度几何反演方法

通过双星立体观测中卫星-球心-投影云-真云的平面和球面三角几何关系推导出真云云顶高度计算公式,利用云顶高度变化和图像匹配的方法,对模拟得到的双星"立体观测图像对"进行云顶高度反演实验。通过对具有台风和冷锋形态分布的卫星红外云图模拟资料进行实验,得出平均垂直高度误差不超过500m的云顶高度,并对图像对比中1个像素偏移导致的云顶高度误差进行了误差分析。

MODIS数据的云顶高度反演

云的辐射特性和它的高度影响到辐射的收支可以导致地球的变暖或变冷,在地球大气能量收支平衡中．云具有特别显著的调节作用,是影响气候变化的一个重要因子。云顶性质包括云顶气压、云顶温度和有效云量或有效比辐射率。很多方法被用来从多光谱资料中估计云参数,而CO2薄片算法(截断法)则是使用被动遥感资料反演云顶性质的重要方法之一。利用15μmCO2吸收带的几个吸收不同的MODIS红外波段,对于大气不同高度层次的不同敏感度,通过从地球大气系统的几个CO2波段同时测量向上红外辐射,以及大气的温度和透射率廓线的基础上,可以推断出云顶气压。这项技术应用于HIRS资料上已经有20年的历史,而EOS系列地球环境卫星的升空,使EOS 上搭载的MODIS探测器成为第一个拥有CO2薄片波段的高空间分辨率探测器。本文依据CO2薄片算法(截断法) 的理论模型结合实例讨论算法的特点及不足,同时分析其误差以利改进。

基于NOAA16-AVHRR数据反演中纬度陆地上空云类型及云顶高度信息

以NOAA16-AVHRR数据为数据源,使用分裂窗技术反演得到云类型信息。根据11μm通道亮温图与分裂窗通道(11μm和12μm通道)之间的亮温差值图构建二维直方图。通过选择合适的直方图阈值,保证了所反演的中纬度陆地上空云类型信息的有效性。根据大气垂直温度数据,分析11μm通道亮温图,获得中纬度陆地上空云顶高度信息。通过相隔大约10 km的两台便携式全自动激光雷达(PAL)系统获得同步云信息数据。将卫星反演结果与PAL的双点观测结果进行比较,其结果显示出很好的一致性。

云顶高度的天基光学遥感及反演方法综述

确定大气中的云参数对于大气物理及气候研究具有重要意义。这些参数一般难以由测量直接得出,而必须基于相关的可测物理量进行反演后才可得出。通过分析云的天基观测方式,发现云的大气路径长度、云顶气温或气压以及云组成的微观特性可用来进行云高遥感与反演。文献调研表明,实际中使用的方法可以分为成像几何关系和通道辐射特性两大类:前者依赖于成像过程中得到精密控制的光源、目标和遥感器的空间方位信息;后者利用定量化的遥感能够准确地获得地物目标的辐射量值信息,如果再结合多光谱或高光谱手段,便能够得出详细丰富的云团信息。同时分别介绍了八种实用化方法。

风云静止卫星双星立体观测云顶高度反演初步研究

推导出利用风云静止卫星双星视云坐标计算云下点坐标和云顶高度的理论算法,对静止双星86.5E/104.5E和86.5E/112E两种组合观测条件下视云位移分布特征以及视云位移与云高关系进行分析计算,在此基础上,提出一种可以实现全区域高精度立体云高反演的非线性视云位移云高反演模型。结果显示,观测数据空间分辨率0.01°条件下,两种双星组合云高分辨率平均值分别为1.28km和0.93km,表明86.5E/112E组合反演精度优于86.5E/104.5E组合。最后,利用FY2D和FY2F双星数据在西北太平洋进行立体云高反演实验,并将反演结果与Cloudsat卫星微波雷达云高测量数据进行对比分析。

云顶高度对紫外辐射反演臭氧总量的影响

云顶高度是紫外后向散射反演臭氧总量算法的重要参数。利用模拟计算,对云顶高度误差引起的与臭氧反演相关的误差,即内插误差,云上臭氧误差以及云下臭氧误差进行了分析比较,结果表明:相对内插误差,云上臭氧误差和云下臭氧误差比较大,且两者不能抵消,反而总是相互叠加在一起。当假设的云顶高度比真实值高,两种误差相加使得反演值比真实值偏高;若假设的云顶高度比真实值低,两种误差相加使得反演值比真实值偏低。在本文假设条件成立的基础上,臭氧反演误差在10%^-20%之间分布。对2003年7月30日低纬地区的EPTOMS(Earth Probe Total Ozone MappingSpectrometer)云天实测资料反演的结果与理论计算的结果相一致。

静止卫星立体观测云顶高度几何算法研究!

由卫星资料反演的云顶高度是天气学、气候学的重要科学资料。以静止气象卫星影像立体像对为数据来源,以云顶高度为研究对象,根据卫星-真云-投影云共线的事实,以及卫星-投影云-真云之间的几何关系,建立云顶高度立体解算模型;并在模型中考虑成像过程中云移动的影响。最终,通过几何关系建立严密云顶高度和云移动速度的线性化联立解算模型,运用最小二乘法解算出云顶高度,为气象预报提供精确、可靠的云参数。

基于卫星红外遥感的云顶高度反演算法综述

针对近年来利用卫星可见和红外波段遥感数据反演云顶高度的算法,对国内外研究进展和存在的问题进行综述。首先,主要介绍以红外窗区和CO_2吸收技术为主的红外波段反演算法;在此基础上,进一步介绍目前相关国家和地区的业务算法,对这些方法在实际应用中的优缺点予以评述,提出针对中国地区云顶高度反演的解决方案。将来,有发展前途的方法为基于红外分裂窗的查算表法,利用静止卫星的分裂窗数据及极轨卫星云廓线雷达数据,建立基于分裂窗亮温差和11μm通道亮温的云顶高度查算表,根据分裂窗亮温差和11μm亮温查表得到云顶高度。

基于红外亮温法的对流云云顶高度反演研究

基于Himawari-8的可见光和红外扫描辐射计(AHI)数据,采用红外亮温法对2019年6~8月目标区域(20°N~30°N,100°E~120°E)的对流云云顶高度进行了计算。首先通过阈值法挑选出对流云区;然后基于红外亮温法,利用Himawari-8的11.2μm通道数据与ERA5再分析资料中的温度气压层数据进行了云顶高度反演;最后将反演云顶高度H与全球降水观测计划(Global Precipitation Measurement,GPM)产品数据进行了对比。结果显示,基于红外亮温法的Himawari-8数据反演对流云云顶高度与GPM产品数据一致,具有很好的相关性。相关系数为0.9,均方根偏差为0.29,平均偏差为0.48,纬向的离散分布优于经向,具有较强的适用性。

基于卫星红外窗区数据的云顶高度反演方法

云顶高度是云最基本且十分重要的参数,同时也是研究空域容量、航线高度配备和天气预测预警等的重要参数。简单描述了基于卫星资料反演云顶高度的主要方法的原理和优缺点,然后介绍了单红外窗区法、太阳光反射率--红外窗区法、H_(2)O-红外窗区法和红外分裂窗查算表算法的原理和优缺点,并对相关卫星的业务算法进行了简要评述。接着对单红外窗区法反演对流云云顶高度进行了检验。结果表明,单红外窗区法反演不透明厚云的精度和相关性都很高。最后分析了影响各方法精度的原因,并对后续云顶高度反演方法进行了展望。

FY-2卫星反演的云顶高度与多普勒雷达回波顶高的关系初探

对主要用FY-2C/D卫星并融合其他观测资料反演的云顶高度与多普勒雷达回波顶高的关系作了初步探讨。通过对20个主要由积层混合云和层状云造成的降水个例总数万个样本的统计分析表明,卫星反演云顶高与SA型号雷达回波顶高存在较好的正相关关系,两者的关系对组合反射率因子的大小不敏感。卫星反演云顶高与小于18 dBz反射率因子对应的回波顶高比与18 dBz回波顶高更接近,这主要是由于FY-2C/D卫星和SA型号雷达探测和反演的原理不同造成,卫星云顶高反映的是积层混合云和层状云顶部云粒子的辐射特性,而回波顶高体现的主要是云中下部较大降水粒子对雷达电磁波的衰减。

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.

基于FY4A⁃AGRI反演东北地区云顶高度

云对全球的能量收支及大气循环系统具有不可替代的调节作用,是影响天气及气候变化的重要因子。云顶高度作为云的重要参数,有助于分析云在大气中的物理机制,对局部地区监测和预报具有实质性作用。基于多通道扫描辐射成像仪(AGRI)数据反演东北地区云顶高度,采用红外分裂窗查算表方法,并对不同季节和不同云类型建立查算表,探讨基于静止卫星反演中高纬度地区云顶高度的可行性。同时,引入主动式高精度仪器正交偏振云-气溶胶偏振雷达(CALIOP),结合11、12μm通道亮温数据搭建云顶高度反演模型。分析结果表明:1)AGRI遥感的云顶高度与CALIPSO搭载的CALIOP云顶高度变化趋势一致,算法计算效率较高;2)从4个季节的统计结果来看,均方根误差(RMSE)上都小于2.3 km,平均偏差在500 m左右,受季节的影响较小,反演结果与CALIOP探测结果具有较高的一致性;3)利用该方法基于AGRI结果精度不亚于官方采用的CO_(2)薄片法,该方法估算的RMSE和相对误差较小,并且该算法的反演模型只提取红外分裂窗区通道数据,无需大气廓线资料进行辅助计算,节省计算资源,提高计算效率。

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。

利用分裂窗直方图法对半透明云云顶高度的反演研究

针对2016年4—9月90°—140°E,15°—55°N区域的半透明云,使用分裂窗直方图法,利用Himawari-8的AHI观测数据进行云顶高度反演。首先使用阈值法筛选出半透明云区;然后基于分裂窗直方图法,利用Himawari-8的10.4μm和12.4μm两个分裂窗通道数据以及ERA-Interim再分析资料中的温度气压层数据和位势高度气压层数据反演云顶高度,并将反演结果与CloudSat的2B-GEOPROF产品数据进行匹配和对比,结果表明:1)分裂窗直方图法对Himawari-8数据反演半透明云云顶高度的结果与CloudSat的数据结果较一致,均方根偏差为1.45 km; 2)海陆类型对反演结果没有明显的影响。所提算法有较强的适用性,可以应用于不同卫星的分裂窗通道数据反演,特别是对中国新一代静止气象卫星风云四号的业务反演有理论参考价值。

卫星资料遥感云顶高度反演方法综述

卫星资料在云顶高度反演中占有重要地位。文章主要从基于成像几何和通道特性两方面介绍了国内外利用卫星资料遥感获得云顶高度的方法和原理,分析了各类方法的优缺点,并探讨国内未来研究的方向。成像几何方法精度高但实现困难;单通道反演方法原理简单,精度较低;多通道反演方法可以综合变分等数学方法,实现了较高精度的云顶高度反演并应用于主流业务卫星。遥感云顶高度精度的提高依赖于辐射传输模式的改进,更多短波通道的应用等。

2000—2018年东亚地区云顶高度的时空变化特征

为了了解区域云顶高度对过去气候变化的响应,基于卫星搭载的MODIS传感器提供的2000年3月至2018年2月MOD03_08_v6.0数据,分析了东亚地区云顶高度2000—2018年的时空变化特征,并探讨其长期变化的原因。研究发现,东亚地区云顶高度呈西南高东北低的特征。云顶高度在东亚地区以0.020 km/a的变率增长,其中大陆东部云顶高度的年际变率为0.035 km/a,东部海域年际变率为0.034 km/a。在东部海域地区云顶高度的变化同海表温度的变化相关性较高,相关系数为0.68,这表明云顶高度的变化受下垫面的影响。在东亚地区30?~40?N区域内,年平均云顶高度的增加较为明显。此外,夏季云顶高度在长江中下游盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地以及四川盆地东北部呈-0.03km/a的减少趋势,这是由于更多低云的形成降低了云顶高度;冬季云顶高度在东亚地区40?N以北呈下降趋势,而在40?N以南呈增加趋势。