同化风云四号A星大气运动矢量产品对台风预报的影响研究

大气运动矢量(AMVs)又称为云导风或云迹风,对全球的数值天气预报有积极的影响。风云四号系列卫星作为中国新一代静止轨道气象卫星,其功能和性能比第一代卫星有大幅提升。为研究风云四号卫星云导风产品同化对台风预报的影响,同时对比新旧两代风云系列静止卫星反演产品之间的差异,分别对风云二号G星和风云四号A星的大气运动矢量反演产品进行数据质量评估和同化预报实验。研究结果表明,风云四号A星的云导风数据质量略优于风云二号G星,同化两颗卫星大气运动矢量产品均对台风预报具有正面的影响,同时同化两颗静止卫星的大气运动矢量产品可以带来更多的积极影响,这一结果对AMVs的后续应用是相当鼓舞人心的。

基于葵花8号资料的风云四号A星海表温度产品交叉验证

风云四号A星是我国新一代静止轨道气象卫星的试验卫星,评估其海表温度产品的精度对海洋相关领域的研究和应用具有重要意义。以葵花8号海表温度产品为基准对2019年8月的风云四号A星海表温度产品进行了精度评价。研究结果表明:风云四号A星海表温度产品与葵花8号海表温度产品的时空分布比较一致,两者之间的平均偏差为0.23 K,平均绝对偏差和均方根误差分别为0.68 K和0.85 K。风云四号A星海表温度产品具有较高的精度,可以服务于气候监测和天气预报等研究领域。

风云四号A星和GOES-13相对论电子观测数据在轨交叉定标及数据融合研究

地球磁层空间的相对论电子通过内部充放电效应,能够导致在轨航天器彻底失效.由于对这种空间粒子的特性和物理机制仍不清楚,磁层空间相对论电子一直是空间环境探测和空间科学研究的重要对象.开展相关磁层空间环境特性的研究和粒子辐射环境建模等,需要同时使用来自不同卫星、不同探测器的观测数据.消除不同探测器之间的系统偏差,实现不同来源数据的融合,是开展相关研究的必要前提.本文对我国最新的地球同步轨道卫星—风云四号A星(FY-4A)和同类轨道的美国GOES-13卫星相对论电子(>2 MeV)观测数据,开展在轨交叉定标及数据融合研究.本文严格筛选出地磁宁静期(Kp<2)的观测数据,以保证研究对象是被地磁场稳定捕获的辐射带粒子.根据辐射带粒子的物理特性,即3个绝热不变量的基础之上,以Liouville定理为依据,在漂移壳Lm坐标下比较两颗卫星观测到的电子通量,得到两颗卫星相对论电子观测之间的系统偏差.依据该结果,进行数据融合处理,结果表明系统偏差得以很好地消除.通过本项研究工作,得到了国际上重要的两个地球同步轨道相对论电子观测系统之间的偏差,并根据该研究成果,成功实现两个探测系统观测数据之间的融合,为后续的理论和应用研究工作打下了坚实的基础,也为地球同步轨道其他能道高能电子观测数据的在轨交叉定标和数据融合提供了参考方法.

气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的?——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

风云四号(FY-4)是中国新一代静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星。多通道扫描成像辐射计作为FY-4上的主要载荷之一,被赞誉为风云四号的"千里眼"。它是迄今为止中国静止轨道卫星最先进的扫描辐射计,这与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。与现在正在运行的风云二号(FY-2)相比,风云四号的红外探测器实现了跨越式的发展:红外通道的数量从4个增加到了8个;探测器的波长已经延伸到了13.8μm;芯片的光敏元数量更是从单元发展到多元线列;每个光敏元尺寸只有56μm×56μm,是迄今为止中国研制的气象卫星中红外探测器光敏元尺寸最小的。这使得风云四号扫描成像辐射计红外探测器的研制遇到了许多前所未有的问题和困难,比如中短波光伏(PV)探测器的光敏面限制问题、水汽光导(PC)探测器的有效视场偏窄问题和长波光导探测器的高性能、高要求问题。本文介绍了中国气象卫星中最小的"千里眼"——风云四号多通道扫描成像辐射计碲镉汞红外探测器芯片的研制过程和关键技术。

天地一体化风云四号A星数据服务系统的设计与实现

风云四号A星数据服务系统是风云四号卫星地面应用系统的重要组成部分,也将是实现气象卫星数据共享服务的基础平台。数据服务系统是一个综合的气象卫星信息服务系统,不仅可以提供数据的检索下载服务,还将为各类用户共享使用卫星数据提供各类辅助手段和信息帮助,满足国内外各类数据服务用户对气象卫星数据和信息以及云图动画的需求。根据风云四号卫星数据和产品的规格,建立稳定、可靠、安全的业务化卫星数据存档管理系统。通过天上卫星数据直接广播、CMACast转播,地面Internet、专线通信等方式,建立天地一体化的、布局全国的风云四号A星数据获取和共享服务体系。

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.

GNSS/PWV与风云四号A星GIIRS水汽廓线融合应用研究

中国新一代地球静止气象卫星风云四号A星(FY-4A)搭载的干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气温湿结构,取得了在静止轨道上探测大气的突破性进展。地基全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是一种连续监测大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)的有效手段,基于2018年6—8月中国地基GNSS站监测的PWV和FY-4A/GIIRS水汽廓线的业务产品以及常规无线电探空资料,开展GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线快速融合应用,以提高卫星资料反演大气水汽廓线的精度。结果表明:与常规无线电探空相比,FY-4A/GIIRS水汽廓线产品在大气低层均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为4.5 g/kg,700 hPa为2.4 g/kg,500 hPa以上因水汽含量较低RSME小于1.5 g/kg。GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线融合后,FY-4A/GIIRS水汽廓线误差整层RMSE减小20%,从近地层到600 hPa RMSE平均减小20%—25%,尤其是850—700 hPa改善最明显,极大改善了卫星水汽反演资料的可用性。对一次多系统影响的暴雨天气过程应用分析表明,GNSS/PWV和FY-4A/GIIRS融合产品可获得高时、空密度的大气水汽廓线,对强降水的临近预报有非常重要的支撑作用。

双镜头镶边处理的“风云四号A星”闪电成像仪在轨几何定标

风云四号A星FY-4A上搭载的新型闪电成像仪LMI能够从静止轨道高度监测和跟踪覆盖东亚大陆大部分地区的闪电活动。LMI使用双镜头设计,在轨成像过程中存在镜头分离误差与内外定向误差,高精度在轨几何定标是确保FY-4A/LMI数据应用的关键所在。使用在轨匹配的控制数据,采用镶边匹配处理技术将FY-4A/LMI内外定标参数与镶边参数一并求解,纠正FY-4A/LMI两个镜头之间指向上的不一致。实验结果表明,相较于直接定位、使用控制点进行分镜头几何定标,FY-4A/LMI使用双镜头镶边匹配处理算法,在轨几何定标的图像定位精度分别从13像元、2像元提升至1.5像元以内,镶边匹配几何定标方法已被广泛应用于FY-4A/LMI图像定位业务化系统的在轨处理。

基于风云四号卫星数据的南海海雾遥感监测

基于中国新一代静止气象卫星FY-4A所携带的辐射成像仪AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)观测数据和地面能见度观测资料,通过不同组合的可见光通道、近红外通道、中远红外通道的数据,开展南海区域海雾遥感监测研究。针对海雾在遥感影像中与下垫面和云的不同特征,通过使用最小二乘法动态拟合选取最优度的方法实现海雾与下垫面的分离,使用云顶高度阈值的方法实现海雾与中高云的分离,使用纹理特征识别和海雾检测指数的方法实现海雾和低云在日间的分离,使用薄低云检测指数的方法实现海雾和低云在夜间的分离,并将海雾判识结果与2018年广东沿海地基观测资料进行对比。结果表明:(1)使用最小二乘法动态拟合选取最优度的方法,对海雾和下垫面的区分有着良好的效果,使用纹理特征识别和海雾检测指数的方法对海雾和低云的区分也有一定的改进作用。(2)该算法对3月份发生的海雾的识别准确率最高,为85.45%,虚警率最低,为20.94%;对5月份发生的海雾识别准确率最低,为58.70%;对1月份发生的海雾虚警率最高,为30.95%。该海雾监测算法平均准确率为76.37%,虚警率约为26.08%。

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。

基于风云四号静止气象卫星的局地对流智能化预警模型及应用

强对流等灾害性天气给人民生活和社会经济发展造成了严重影响,准确理解强对流发生的机理及提高其预报效果仍然是具有挑战性的工作。综合利用我国自主研发的新一代地球静止轨道气象卫星风云四号高时空分辨率观测数据和中国气象局全球数值预报(China Meteorological Administration-Global Forecast System,CMA-GFS)格点化产品,研究局地对流发生前大气环境场的特征和关键影响因子的变化。分析表明:卫星观测得到的云顶冻结信息以及表征大气的不稳定性、水汽含量等数值模式变量是预测局地对流发生的重要因子。利用面积重叠法和光流法对云团进行连续追踪,采用机器学习技术建立了中国区域局地对流发生和强度分级(弱、中、强)预警模型2.0版本(Storm Warning In Pre-convective Environment Version 2.0,SWIPE-V2.0),实现了局地对流的智能化预警。独立检验结果表明:模型对6个不同分区的雨季8 mm/h以下强度降水相关的对流判识准确率在0.5~0.85,对8 mm/h以上强度降水相关的对流判识准确率在0.69~0.91之间,具有较好的提前预警效果和实际应用价值。目前,SWIPE-V2.0已投入实时应用。

改进U-Net的风云四号卫星降水估计算法研究

针对强对流天气条件下利用卫星图像进行降水量估计时精度不高、时空分辨率低的问题,提出了一种改进U-Net的降水量估计算法。将U-Net模型的编码器通过残差模块与解码器相结合,使得模型参数可以共享,避免深层网络模型梯度消失的情况。在此结构基础上引入了空间金字塔模块进行多尺度特征提取,保留更多的图像特征,加强对细小降水云团信息的特征提取能力;引入了注意力机制模块,提取重要降水特征信息。实验结果表明,该算法在命中率、虚警率、相关系数分别为0.84、0.48、0.59;均方根误差、平均绝对误差分别为1.354 mm/h、0.432 mm/h。与PERSIANN-CNN、U-Net算法相比,有效地提升了降水量估计精度。与其他降水产品对比,能更好地识别出降水区。该算法可以实现近实时的降水估计,能够有效地提升降水估计精度,对低时间分辨率的降水估计研究具有一定的价值。

风云气象卫星-4A陆表温度数据在四川省境内的真实性评价

陆表温度数据是地球环境监测的重要指标,是衡量地球表面与大气层之间稳定性的重要参数。基于FY-4A陆表温度产品,结合8个地面站点温度数据、MODIS陆表温度产品的66组数据,探究FY-4A陆表温度产品在四川地区的精度及其影响因素。结果显示:与地面站点温度数据的平均误差、平均绝对误差、均方根误差和相关系数分别为-6.39 K、6.81 K、9.10和0.945,其中地形平缓区优于地形起伏区。FY-4A陆表温度产品与MODIS陆表温度产品的平均误差、平均绝对误差、均方根误差和相关系数分别为-0.585 K、2.625 K、3.49和0.931,其中夜间优于日间,各季节相关性不同,且普遍存在低估现象;在空间差异上整体呈现东部优于西部的特征,成都平原精度高,在四川省西部地形起伏明显地区的精度有所下降。对17种土地利用类型验证结果表明,农田与自然植被类型的陆表温度产品精度明显优于常绿阔叶林类型。

基于深度学习的风云四号卫星图像超分辨率重建

风云四号A卫星(FY-4A)部分通道的图像分辨率较低,影响风云卫星多通道协同监测能力。针对该问题,提出一种改进的超分辨率生成对抗网络(Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks,ESRGAN)算法来实现FY-4A影像的超分辨率重建。该方法基于ESRGAN的生成器架构,利用迁移学习策略,将预训练权重作为模型的初始值,设计了一组包含5层空洞卷积层的残差密集模块(Residual-in-Residual Dense Block,RRDB),并优化了损失函数。结果表明,在4倍影像分辨率重建下,相比于ESRGAN算法,改进的ESRGAN算法在峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)、结构相似性(Structural Similarity,SSIM)、空间相关系数(Correlation Coefficient,CC)上分别提高了0.704、0.029、0.002,均方根误差(Root-Mean-Square Error,RMSE)降低了10%,且重建影像更加清晰自然,纹理更加细致。

风云四号接收天线新技术的研究及应用

风云四号气象卫星是采用三轴稳定的大型遥感平台、装载多台观测仪器的第二代静止气象卫星,其地面接收天线主要任务就是要保证准确捕获卫星,高可靠、高精度地跟踪卫星,为系统上下行信道提供高品质的射频通道。风云四号B星在风云四号A星的基础上增加Ka频段数传。风云四号15米Ka/X/S频段天线是其地面应用系统获取工程数据和测控系统的重要组成部分,用于风云四号B星的Ka频段信号的接收、X频段信号的发射和接收、S频段信号的发射和接收。Ka频段的频率高、波长短、波束窄的特点对地面接收天线带来了更高的要求,为此,文章主要分析研究风云四号地面接收天线新技术及应用。

风云四号卫星双程测距系统精密轨道确定

针对我国新一代静止轨道卫星风云四号高精度轨道计算需求,地面跟踪系统设计了多台站双频双程测距模式。详细给出了信号传播介质改正中的电离层与对流层处理方法,并给出了风云四号卫星动力学轨道确定策略。在非变轨期间,采用动力学定轨方法。轨道确定残差分析,测量噪声均方根优于0.5 m。通过轨道重叠分析,非变轨期间精度优于20 m。动量轮卸载期间,采用估计经验力的方法,其定轨残差优于1 m。对多弧段数据处理表明文中方法满足同步卫星双程测距模式下的高精度轨道跟踪问题。

风云四号科研试验卫星星地一体化测控设计

为满足我国新一代风云四号科研试验卫星多载荷并行工作的业务需求,采用星地一体化理念设计了星地测控系统,介绍了星地测控系统的总体架构,研究了卫星遥测数据格式和遥测参数处理方法,设计了不同类型的遥控数据格式和遥控调度方法,并对星地链路进行了测算,明确了星地测控工作流程。采用星地一体化测控技术,大大提升了业务测控能力。系统投入应用以来,各项功能和性能指标符合设计要求,相比第一代静止轨道气象卫星,遥测参数和指令类型增加8倍,遥控业务量增加近百倍,能有效满足新一代气象卫星高时效性和高可靠性的业务要求。

我国风云四号气象卫星与日本Himawari-8/9卫星比较分析

从观测仪器种类、观测波段设置、观测时空分辨率、仪器灵敏度、仪器定标精度、数据服务能力等六个方面比较和分析了我国风云四号(FY-4)试验星与日本Himawari-8/9卫星的水平和差距。从观测仪器种类方面来看,Himawari-8/9卫星只装载了辐射成像仪(AHI),FY-4试验星除装载一台与AHI性能基本相当的扫描辐射成像仪(AGRI)外,更将首次在静止轨道上同时实现红外干涉式高光谱探测和闪电探测;观测波段设置方面,FY-4试验星搭载的AGRI与Himawari-8/9 AHI基本相当;时空分辨率方面,AHI略优于AGRI;仪器灵敏度方面,AHI和AGRI在发射波段基本一致,AHI在反射波段明显优于AGRI;仪器定标精度方面,AHI和AGRI基本相当;数据服务能力方面,FY-4试验星仍然采用传统的卫星直接广播和借助通信卫星转发两种模式,而Himawari-8/9以互联网云服务为主,可按需灵活调配服务内容和性能且运维成本较低。

光学厚度预报因子对风云四号卫星扫描辐射计红外通道快速正演精度的影响分析

快速辐射传输模式利用光学厚度预报因子与卫星通道光谱特征系数可实现通道透过率的快速计算,并达到与逐线积分模式相当的正演精度.针对FY-4 AGRI的6个红外通道,分别建立了基于RTTOVv7、v8、v9和CRTMv2.1(以下简称四种模式)光学厚度预报因子的快速正演算子,与逐线积分模式的结果对比,分析了四种快速正演算子中均匀混合气体、水汽线吸收和水汽连续吸收预报因子对正演误差的影响.分析表明,四种快速正演模式计算通道亮温与逐线模式结果相比,在温度探测通道的最大标准差要小于0.6K.v9模式在水汽和温度通道的正演误差远小于其他三个模式;四个模式在窗区通道的误差基本相当.v9模式预报因子中,引入实时大气与参考大气的整层离差减小了均匀混合气体光学厚度的正演误差.

风云四号气象卫星成像特性及其应用前景

风云四号是中国新一代静止轨道气象系列卫星,该系列卫星的设计目的是满足中国气象局2020年前后的业务应用和服务需求。风云四号系列的首发星为科研试验星,代号FY-4A,已于2016年12月14日在西昌卫星发射中心成功发射,从FY-4B开始,风云四号系列卫星将提供业务服务。成像仪是风云四号系列卫星的核心载荷之一,其成像性能比目前使用的风云二号系列卫星在时间空间分辨率、光谱通道等方面有显著提升。本文将就该仪器的工作特点、观测模式设置、光谱通道的选取和特点进行介绍,由于FY-4A卫星正在进行为期一年的在轨测试,本文还将展示在轨测试图像。