长江上游卫星反演与再分析降水数据的适用性评估

为评估不同降水数据在长江上游的适用性,基于气象站点观测数据,采用多种评价指标,定量评估了卫星反演降水数据(IMERG-Final、GSMaP-Gauge)及再分析降水数据(ERA5-Land)在长江上游的应用精度,并分析了各降水数据在不同等级降水的误差结构。结果表明:3套降水数据均能准确捕捉流域降水东高西低的空间格局,与观测降水有着良好的相关性,且2015—2019年表现平稳,有可长期应用的潜力;各降水数据时间分辨率越高,误差相对越大,在流域地形变化剧烈的中部误差更大;对弱降水易错报高估,对强降水的低估随降水强度上升而加剧;两套卫星反演降水数据总体误差较小,适用性良好,IMERG-Final有更好的误差控制能力,GSMaP-Gauge对降水发生的识别更为准确;ERA5-Land明显高估流域降水,尤其在西南部地区。

全球IMERG卫星反演和ERA5陆面再分析降水在四川地区的适用性研究

利用2019—2020年中国气象局地面站降水观测资料,使用相关系数、平均值误差、均方根误差、命中率、空报率以及关键成功指数6种定量评估指标,分析全球新一代降水测量计划IMERG多卫星联合反演和欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析ERA5L降水产品在四川地区的精度和区域适用性。结果表明:两种产品在川西高原东侧存在强降水带,大致呈准南北向分布;在盆地内与台站观测的一致性优于盆地周边山区,ERA5L相比IMERG更能准确捕捉到强降水中心。IMERG和ERA5L降水较台站观测分别偏多15.2%和33.3%。两种产品在川西高原对降水事件捕获能力相对盆地高,误报率低。从不同时间尺度检验上看,两种产品与台站观测的量级和趋势变化一致,相对台站观测以偏高为主。ERA5L相对IMERG而言,与台站观测相关性高,命中率高,CSI评分高,偏差低,但误报率相对高一些。总体上,IMERG和ERA5L降水产品在四川均表现出一定的应用潜力,但在不同降水强度和地形条件下精度差异明显,需要对产品进行订正。

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。

青藏高原雷暴弱降水云微物理特征的卫星反演分析

选取青藏高原3个雷暴弱降水过程,以极轨卫星反演云微物理特征分析方法为主,结合地面实况和探空资料,探讨了云微物理特征及这类雷暴形成的可能原因。结果表明:(1)这类云的云底温度较低,为0℃左右,离地面1~2 km,属冷云底的对流云。与暖云底(云底温度15~20℃)相比,冷云底导致云中的水成物少,释放潜热少,这可能是该区域强对流灾害少的主要原因之一;(2)冰化温度较高(高度低),云粒子在-20^-25℃高度上基本完全冰化,可能与云底粒子有效半径(Re)较大有关;(3)Re=15μm的高度到冰化高度是主要起电层对应的温度,为-10^-25℃,这一层为冰、水共存区;(4)云的主体高度均在0℃层以上,降水以冷云过程为主,冰相参与的增长过程为主要的云雨粒子增长过程。

一次暴雨过程中云微物理特征的卫星反演分析

利用卫星反演技术和云微物理分析方法,以陕北2006年7月2日发生的暴雨过程为例,反演了云顶粒子有效半径(R_e)、云顶温度(T)等云物理特征参数,通过卫星不同时次对暴雨云团的探测资料,分析了暴雨发展过程。暴雨云团表现为多单体特征,发展旺盛期对流单体的数量明显增加、云团尺度大幅增加。根据暴雨云系中的对流云、层云、过冷水云、低云(未被高云遮挡住)4种类型,分别选择了9个代表区,用于分析这次暴雨过程中不同类型云的物理特征和垂直结构。结果表明:此次暴雨云团由多种高度的云组成,低云高度较低,温度较高,云顶在0—-10℃;层云高度略高,T为-10—-20℃,R_e为10—20μm,并含有连片分布的过冷水云(R_e为10μm左右);高度最高的云为对流云,镶嵌在系统性层云中或在其上发展,T最低达到-80℃左右。从云底至0℃层存在一个较厚的凝结增长带,R_e为5—10μm;0—-10℃层存在一个碰并增长带,R_e从13—15μm增长到20—25μm,但其厚度小于凝结增长带;T<-10℃层以上存在一个深厚的冰相增长带,表明在对流云团的发展成熟期,冰相增长过程为优势云物理过程。随着云的逐渐发展,混合相增长带由厚变薄,冰化增长带增厚,晶化温度升高、高度降低,表明在对流云团发展到成熟的过程中,冰化增长带在下传,云中冰化增长过程向下传递明显。

青藏高原地区的总云量——地面观测、卫星反演和同化资料的对比分析

了解云的气候学特征 ,对于深入研究气候变化问题有重要意义 ,而良好的资料质量是其前提和保障。为了充分了解地面观测总云量、卫星反演总云量和资料同化总云量这三种资料在青藏高原地区的共性和差异 ,本文利用 1984— 1990年的青藏高原地面测站的总云量资料、国际卫星云气候学计划中的ISCCP C2总云量资料和NCEP NCAR再分析总云量资料 ,对比分析了三者在青藏高原地区的时空分布关系。分析结果表明 :ISCCP C2总云量与地面观测总云量有较好的相关关系 ,它们在青藏高原地区的空间分布形势相似、年变化和年际变化趋势大致相同 ,在量值上的差异主要源于探测手段的不同 ;NCEP NCAR再分析总云量在青藏高原地区有其固有的缺陷 ,除夏季之外在高原中部地区始终有一个异常的强高值中心 ,由此导致其对时空分布特征和量值的描述与ISCCP C2和地面观测值相差较大 ,因此在有关青藏高原的研究中不宜直接或单独使用NCEP NCAR再分析总云量资料。

卫星反演湿度场及其在暴雨预报中的初步应用分析

文中分别用两套相对湿度初始场方案 ,对 5个暴雨个例进行了预报对比试验 ,探讨了利用GMS- 5卫星图象反演的高分辨率湿度场资料改进初始场 ,以提高暴雨中尺度数值预报水平的可能性。结果表明 :( 1 )引入卫星反演湿度场能较好地反映出实际湿度场的水平中尺度结构 ,尤其是有效地增强了对降水有重要影响的高湿区的分析 ,且与实际探空资料更为接近 ;( 2 )引入卫星反演湿度场资料改进初始场一般会使 2 4 h的降水预报评分有所提高 ,特别是具有使预报前期 ( 0～ 6h)的降水场向观测场逼近的作用 ,但对预报后期 ( 6～ 2 4 h)降水场的影响具有不确定性。

中国大陆卫星反演云参数的评估

该文选取１９８３年７月和１９８４年１月分别代表夏季和冬季，利用中国地面气象月报的云量资料以及多年平均的地面观测云气候资料，与中国大陆地区ＩＳＣＣＰ卫星反演的云量和云状资料进行了对比分析。结果表明：月平均总云量的分布形势，卫星反演与地面观测结果相当一致，相对多云和少云中心位置吻合较好；但两种观测结果的云量值存在差异，卫星反演结果普遍偏低，冬季比夏季更明显，清晨比正午更明显；青藏高原东北部、云贵高原以及天山附近地区偏差较显著。参照大气环流和云天气气候特征，从卫星得到的云状是比较合理的，但干旱沙漠地区高云量估计不足，低云估计偏多。

高分辨率合成孔径雷达卫星反演风场资料在中国近海风能资源评估中的应用研究

由于海上测风非常昂贵,实地测风资料严重不足,而卫星反演海面风场资料可以有效地弥补这一缺陷,对近海风能资源评估具有至关重要的意义。近年来,欧洲太空局2002年3月发射的Envisat卫星搭载合成孔径雷达(SAR)图像产品在欧洲近海风能资源评估中得到了广泛应用。文中探讨了空间分辨率约1 km×1 km的SAR卫星反演海面风场资料应用于杭州湾近海风能资源评估的技术方法,通过杭州湾海域的实测风速与SAR卫星反演海面风速数据的对比分析发现:(1)14个实测站点中13个站的相对误差小于20%,其中7个站的相对误差小于10%,平均标准差为2.29 m/s;(2)以SAR卫星反演风速数据为基础计算的风能参数(形状参数和尺度参数)与实测数据计算结果的一致性较高;(3)将该数据同化进入WRF数值模式中,与控制试验相比,大部分检验站点的风速相关系数明显提高,标准差和相对误差也得到改善。SAR卫星反演风场资料可用于中国的近海风能资源评估。

基于WRF模型与气溶胶光学厚度的PM_(2.5)近地面浓度卫星反演

为了反演高分辨率的PM_(2.5)近地面浓度,利用WRF(中尺度气象模型)模拟的大气相对湿度、风速、边界层高度等气象因子对AOD(气溶胶光学厚度)分别进行订正,以逐步提高AOD与近地面ρ(PM_(2.5))间的相关性;分析不同反演模型的统计学特征,优选反演模型,并利用最优模型反演中国中东部地区2014年年均ρ(PM_(2.5))的空间分布特征.结果表明:AOD经相对湿度订正后,其与近地面ρ(PM_(2.5))的相关性显著提高,相关系数达到0.77;同时引入相对湿度、风速2个气象因子,AOD与近地面ρ(PM_(2.5))的相关系数升至0.79(n=145,P<0.01);同时引入相对湿度、风速和边界层高度3个气象因子,AOD与近地面ρ(PM_(2.5))的相关系数进一步升至0.80(n=145,P<0.01).模型反演表明,研究区域内ρ(PM_(2.5))年均值大于35μg/m3的面积高达334.49×104km2,占研究区域面积的83.2%,并且高污染地区与人口密度高度重合.分析表明,北京、天津、河北、山东及河南等典型重污染省、直辖市分别有96.30%、100%、78.16%、98.86%、100%面积的ρ(PM_(2.5))超标,分别约有99.97%、100%、96.41%、98.88%、100%人口生活在空气质量超标地区.

卫星反演降水资料在青藏高原地区的适用性分析

利用2000—2012年青藏高原附近地区251个台站的降水观测资料评估了CMOR.PH、PERSI—ANN、TRMM3B41RT、TRMM3B42RT和TRMM3B42V7等5种卫星反演降水资料在青藏高原地区的差异性和一致性。结果表明,5种卫星反演降水资料均能较好地表征降水量在青藏高原地区从东南向西北递减和夏季降水多、冬季降水少的特征。通过分析相对误差和空间相关系数表明,5种卫星资料在夏季的反演效果最好、冬季最差,白天好于夜间。相对于其他4种资料,TRMM3B42V7资料与观测值之间的差异最小,除了冬季一段较短时间内空间相关系数较低外,一年之中大部分时段空间相关系数都在0.5以上。CMORPH仅次于TRMM3B42V7,在青藏高原地区的适用性也较好;对不同等级降水频数的反演效果表明,CMORPH和TRMM3B42V7反演的小雨降水频数与台站观测值基本一致,高估了大雨和暴雨的降水频数,而TRMM3B42V7对中雨降水频数的反演较为合理。

不同积云微物理特征的卫星反演分析

利用NOAA卫星多光谱资料反演了云滴有效半径,采用多信息组合的RGB彩色显示方法,分析了云顶微物理特征;运用Rosenfeld的卫星微物理反演分析方法,根据云中物理过程与T-re分布关系,着重分析了不同积云的云物理过程和微物理特征。结果表明:中高纬内陆地区积云底层一般具有较深厚的凝结增长带和较小的云滴有效半径,晶化增长起始温度较低,具有典型的大陆性云物理特征;低纬度海岛与近海地区积云与大陆性积云相比,底层云滴有效半径普遍较大,碰并作用较强,晶化增长起始温度较高,具有大陆性到海洋性过渡的云物理特征;海洋上空积云底层的云滴有效半径最大,晶化增长起始温度高,降水带较深厚,具有海洋性云物理特征。

一种融合卫星反演水汽资料的方法在中尺度数值模式中的应用和数值试验个例

本文探讨了一种将卫星反演的水汽资料计入 MM5中尺度模式的方法 ,并对长江流域暴雨实例进行了模拟试验。在工作中 ,分别比较了将 T6 3同化资料、常规探测资料及卫星与常规资料融合的水汽初场加入到模式 ,做几种不同初场的 12小时降水预报 (每 6小时输出结果一次 ) ,经比较其结果表明 :卫星与常规资料融合后的数值模拟预报 ,一般比单独用 T6 3及常规探测资料作初值进行预报效果要好 。

卫星反演降水产品误差随时空分辨率和雨强的变化特征分析

卫星反演降水产品作为降水资料获取的一种重要途径,其精度往往因时空尺度和雨强的不同而变化。本文以美国CMORPH卫星反演降水产品为研究对象,以2008年～2010年夏季中国东部的降水格点分析场为参考值,以均方根误差RMSE作为误差分析指标,定量化地探究了CMORPH产品的误差随时间分辨率、空间分辨率和雨强的变化规律。结果表明:卫星反演降水产品的误差随空间分辨率和时间分辨率的增大呈现递减的趋势,随雨强的增大而呈现出递增的趋势。进一步的分析发现:空间分辨率对误差的影响规律可以采用y=a*e-b*x函数进行拟合,时间分辨率和雨强对误差的影响规律可以采用y=a*x-b函数进行拟合。在此基础上,构建了CMORPH产品随时空分辨率和雨强等3种因素而变化的误差模型σr=a*e-b*A*T-c*Rd。针对误差模型的适用性分析表明:误差公式在多数研究区均表现出良好的适用性。

人工消(减)雨作业中卫星反演云特征参量变化

利用FY-2C静止卫星资料反演的云物理宏微观特征参数初步分析了北京2008年奥运会开幕式期间地面火箭消(减)雨作业的物理响应。对8月8日夜间作业较集中时段的云顶高度、液水路径和云粒子有效半径三个云参量的变化分析显示,地面大规模火箭作业对减弱或抑制云降水的形成和发展起到了一定作用。火箭作业及其携带入云的碘化银引晶作用,使作业区附近云顶高度明显下降,云体发展受到抑制;液水路径减少很多,表明空中云液水尤其是过冷水被大量转化。此外,过量引晶也促使作业区附近云粒子有效半径明显减小,不利于降水的形成。

黄、东海海洋黄色物质的卫星反演

在对物理特性分析的基础上,建立了黄、东海海域卫星离水辐射率黄色物质反演模式,并利用2003年4月15日SeaWIFS卫星获得的黄、东海海域离水辐射率(Lw)数据反演给出了黄海中部—东海南部(北起33°52′N,南到22°00′N;西起122°36′E,东止125°28′E)海域的黄色物质分布图。结果分析表明,研究区给出的黄、东海海域黄色物质吸收系数在0.003—0.13m 1范围内,与大西洋北海测得的黄色物质吸收系数比较接近,但明显低于波罗的海和地中海,更低于世界各地沿海海湾。平均而言,比在太平洋点测黄色物质吸收系数值高约80%,达0.09m 1左右。在水平分布上,黄海海域的黄色物质吸收系数明显高于东海海域,沿岸水域明显高于远海水域。受长江水系和黄海环流以及沿岸排污等要素的影响,在长江口以外和黄海中、南部水域及其沿岸附近有明显的高吸收系数值聚集区。同时发现,在黄海西部沿岸,由于有较高反射率的高泥沙含量的影响,对该区黄色物质的反演产生了较大的影响,特别在苏北沿岸和长江口水域尤其如此。而在韩国、日本西海岸、浙江及福建沿岸水域则比较正常的给出了黄色物质的分布。

近地面PM_(2.5)浓度卫星反演研究进展

卫星反演近地面PM2.5浓度是大气科学研究的重要领域之一。本文从卫星AOD数据来源、反演算法和建立AOD-PM2.5反演模型等关键技术阐述了近地面PM2.5浓度卫星反演的研究进展以及存在的问题。针对数学统计法、物理订正法和耦合反演法,分别分析了三种方法的优缺点,并重点分析了物理订正法中的湿度订正和垂直订正技术。

数值预报/卫星反演/数据同化循环试验

文中介绍了数值预报／卫星反演／数据同化的循环试验。由于湿度反演方法的改进，使得湿度反演产品的精度有所提高，所以首先进行了湿度廓线参与同化过程的试验。结果表明，反演的水汽产品对台风中心强度有正影响，经过４次同化过程２４ｈ预报模拟的台风加深与实况比较一致。４８ｈ预报台风中心减弱趋势在低层显得不足，但比业务预报有明显改进。２４与４８ｈ预报的总降水量和暴雨中心强度比未加入反演水汽产品的预报有明显增加，且接近实况。

青藏高原地表反射率卫星反演资料的评估

该文重点介绍了ＩＳＣＣＰ资料中的地表可见光反射率资料及ＬｉＺｈａｎｑｉｎｇ等用参数化反演模式从ＥＲＢＥ宽带行星反射率得到的地表反射率资料。我们选择青藏高原及其邻近地区为目标区，结合高原野外地面观测资料对它们进行了比较和评估，分析了误差的可能原因，并提出了反演青藏高原地表反射率时应注意的问题。

数据同化／卫星反演／数值预报相互循环作用系统

介绍数据同化／卫星反演／数值预报相互作用的一种方案，将原来相互独立进行的操作组成为相互作用的循环系统。国家卫星气象中心（ＮＳＭＣ）和国家气象中心（ＮＭＣ）联合开发这个项目，其目的是改善我国卫星探测反演及其在业务数值预报中应用的状况。该文首先介绍相互作用循环系统的基本原理，以及使用的分析／预报模式和卫星反演的方案，然后给出国家卫星气象中心和国家气象中心联合试验的阶段性成果。研究试验表明，相互循环作用方案有可能改善ＮＳＭＣ的卫星资料质量，为ＮＭＣ提供实用的数值预报资料源。