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.

面向资料同化的FY-4A卫星GIIRS探测仪偏差特征分析和偏差订正

干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,简称GIIRS)是国际上第一部对地静止卫星平台上的高光谱红外大气垂直探测仪,能为对流尺度区域模式预报提供所需的高时空和高光谱分辨率的大气状态信息。本文利用高分辨率区域模式WRF及其同化系统WRFDA对GIIRS观测的偏差(观测亮温减去模拟亮温,记为O-B)分布特征进行了全景分析,结果表明:长波通道O-B偏差和标准差普遍小于中波通道,且都存在一段受污染的通道。O-B偏差的日变化和偏差与卫星天顶角的关系相对较弱,而所有筛选通道的偏差都与亮温值及卫星的扫描阵列位置有关,偏差的水平分布主要表现出“阵列偏差”的特征。2020年重新定标后,GIIRS观测数据质量比2019年有明显提高。在此基础上进一步进行了偏差订正试验,试验发现选取扫描阵列作为偏差订正的主要因子,都能有效地改进2019年和2020年筛选出的GIIRS通道的偏差,订正后O-B和O-A的系统性误差(偏差)都变小。该研究结果可为全球/区域模式中同化GIIRS长波及中波通道的辐射资料提供参考。

基于FY-4A卫星探测区域模式背景误差和观测误差估计的长波红外通道选择研究

中国新一代静止气象卫星风云四号A星(FY-4A)上搭载的干涉式大气垂直探测仪GIIRS (Geostationary Interferometric Infrared Sounder)是世界上首台在静止轨道运行的高光谱红外探测仪器,拥有1650个通道,其中长波通道689个,中波通道961个。由于计算机存储能力、数据传输和变分同化时效性等限制,目前很难在业务环境中同化全部通道,并且多通道卫星信息往往存在一定的空间相关和光谱相似,故在实际应用中必须降低高光谱资料的通道维数,去除数据冗余和观测相关性,挑选出对特定目标起主要作用的通道子集,进而利用有限的通道来最大限度地提供观测信息。考虑GRAPES (Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)数值预报系统估计得到的FY-4A观测范围内的背景误差协方差矩阵,并且在GIIRS观测误差后验重估计的基础上,结合通道权重函数峰值和信息熵分步迭代法对其长波通道进行了通道选择研究和试验。结果表明,在给定选择通道个数时,权重函数法和信息熵方法得到的通道组合进行温度和湿度误差分析时误差整体比单一方法小,在给定通道个数(40个)少于单一方案(50个)时,误差分析结果相当。GIIRS最优通道选择的研究为该资料的同化应用建立了基础。

地面-雷达-卫星资料的广西降水临近预报应用效果评估

基于地面实况观测数据、雷达组合反射率、风云四号A星波段数据3种实况观测资料,以2018—2021年广西2850个站点的小时累计雨量为预报对象,采用随机森林算法建立未来1—3h的降水临近预报模型,并分别进行了单类型观测资料预报因子、3种类型观测资料多种组合预报因子输入的预报试验。对各预报试验结果综合采用TS评分、命中率、虚警率和漏报率进行点对点的评估表明,地面资料在1—3h的小雨和中雨量级、1—2h大雨量级的预报能力较好;雷达资料对未来1h暴雨量级的预报较其他两种观测资料优势明显;卫星资料在小雨量级上有一定的预报能力,但其他量级各时效的预报均不理想。3种观测资料在第2—3h的暴雨预报能力都偏低。3类预报资料因子组合预报结果的评估表明,各量级的多数预报时效均能比单类型资料预报取得更高的预报精度,其中大雨量级的预报提高了10%以上,暴雨则提高了25%以上。大雨和暴雨1h TS评分的空间分布情况表明,组合因子高评分区域分布均最广,地面和雷达大雨量级的空间分布相当,雷达的暴雨TS评分在0.2以上空间分布范围较地面和卫星资料广,卫星的TS评分的空间分布显示其预报能力均最弱。

基于FY-4A资料的20210430强对流天气过程分析

受东北冷涡影响,2021年4月30日傍晚起淮安市中北部地区出现最大直径为5 cm左右冰雹、12级雷雨大风等强对流天气。利用MICAPS观测资料、FY-4A卫星多通道扫描成像辐射计AGRI资料分析此次强对流天气的初生及发展过程,结果表明:(1)此次强对流天气过程整层天气系统呈现前倾结构和“上干下湿”的不稳定层结,利于强对流的触发;(2)淮安站上空云顶亮温下降—短暂上升—迅速下降的特征反映了淮安强对流天气是由不同对流云团造成的;(3)在较强对流天气发生前的0~1 h内,FY-4A AGRI卫星资料对云团的初生及发展有一定的短临预警指示作用。

台风中心区域亮温空间扰动特征研究及台风定位应用

台风是一种复杂且灾害性强的天气系统,实现对台风的快速、准确定位能够为台风路径预报和台风风险评估提供重要依据。目前对于有眼台风相关算法较为成熟且精度较高,但对于无眼台风定位算法精度不高。根据风应力散度,旋度与顺风方向海表面温度梯度和侧风方向海表温度梯度的扰动存在明显的正相关关系,提出了一种亮温扰动算法,该方法首先计算远红外亮温梯度的散度、旋度,再使用散度和旋度计算扰动值,通过计算和分析台风中心区域亮温扰动特征得知,台风眼区理论总亮温扰动量为零,可以通过最小扰动值像素位置来进行台风中心定位。研究结果表明,在8个像素的半径范围内利用最小扰动值进行台风定位,定位结果与最优路径数据集比较,平均误差均小于12 km,在3个像素以内,能够准确地定位台风中心,为台风预报和定强提供帮助。

干涉图零光程差位置的确定方法

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨运行以来发现,受噪声、采样误差、条纹计数错误等影响,干涉图零光程点会发生定位偏差.干涉条纹平移引起的相位误差与波数成线性关系,对残余相位进行线性回归分析可以得到零光程差位置的偏移量.利用在轨实测数据,应用残余相位方法,分析了零光程点定位偏差校正前后对相位谱及辐射光谱的影响.该方法已经应用于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪的在轨数据预处理中,并取得了很好的应用效果.

FY-4A AGRI辐射率资料偏差特征分析及订正试验

风云四号A星(Fengyun-4A,简称FY-4A)作为我国最新一代静止气象卫星,各方面技术指标都体现了"高、精、尖"特色,处于国际领先地位。其上搭载的多通道扫描成像辐射计(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,简称AGRI)较上一代静止卫星风云二号的可见光红外自旋扫描辐射仪观测精度更高、扫描时间更短,充分体现AGRI观测资料将有效提高"一带一路"沿线国家和地区的天气预报和灾害预警水平。偏差订正是卫星资料处理的重要环节之一,因此本文通过在WRFDA v3.9.1(Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation v3.9.1)搭建AGRI同化接口,利用RTTOV v11.3辐射传输模式和GFS全球预报系统(Global Forecast System)分析场研究了FY-4A AGRI红外通道8~14晴空辐射率资料的偏差特征并进行偏差订正对比试验,分析了卫星天顶角对AGRI资料偏差订正的影响,为将来实现AGRI红外通道辐射率资料在中尺度模式中的同化应用奠定基础。结果表明:(1)通道8~10及14为正偏差,通道11~13为负偏差。水汽通道9和10偏差及其标准差相对较小,偏差海陆差异不明显。通道11~14探测高度较低,陆地上观测受地表发射率影响大,质量控制时可剔除这些通道陆地上的观测。(2)各通道偏差随卫星天顶角变化的拟合直线斜率都小于0.035,对比试验结果表明偏差与卫星天顶角的关系不明显,预报因子中无需考虑卫星天顶角的作用。(3)通道8及11~14的偏差随着目标亮温的变化比水汽通道9~10明显,偏差有较强的目标亮温依赖特征。(4)根据分析的偏差特征对2018年5月13日18时(协调世界时,下同)至15日18时进行变分偏差订正试验,系统性偏差得到了有效的订正。

基于FY-4A大气温度廓线数据的西北太平洋低云云顶高度反演研究

西北太平洋的低云云顶高度(cloud top height,CTH)是气候研究和气象灾害监测中的重要参数。研究中常用卫星数据获得大范围、连续变化的低云云顶高度,但其与实际的低云云顶高度存在较大的偏差。因此,基于低云云顶一般在低层逆温层底这一观测现象,提出一种利用FY-4A卫星大气垂直廓线数据反演低云云顶高度的方法(称为“逆温法”),并尝试用于西北太平洋低云云顶高度反演研究。利用星载激光雷达CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)探测的低云云顶高度,检验FY-4A卫星的云顶高度产品(CTH_(AGRI))和“逆温法”反演的低云云顶高度结果(CTH_(GIIRS)),表明两者均显著偏低,与CALIPSO探测的云顶高度差分别为-0.49 km和-0.27 km,相较而言,“逆温法”反演的低云云顶高度更接近CALIPSO的探测结果,优于FY-4A卫星的云顶高度产品。

基于GDAL库的LINUX环境下的FY-3D和FY-4A遥感数据处理

基于GDAL库的功能和其开源、可对栅格空间数据操作的特点,将GDAL与C++语言的完美结合,可极大得发挥其在开发遥感图像处理软件中的优势,并可跨平台应用于不同操作系统下的遥感图像数据处理软件系统中。本文介绍了最新一代的气象卫星风云三号D星极轨卫星数据特点及格式和风云四号A星静止卫星数据特点及格式,以及以FY-3D和FY-4A官网发布数据为例,详细讲述了如何利用GDAL库和C++语言,对HDF5和NETCDF格式的遥感数据进行通道合成、植被指数计算等遥感图像处理的实现,为遥感软件的开发提供了参考。

红外傅里叶光谱仪在轨光谱定标算法研究

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光谱定标的关键是确保参考激光频率的稳定性。本研究利用逐线积分辐射传输模式得到参考大气吸收谱线,通过比较探测仪观测光谱与参考光谱的均方根误差来确定激光的有效采样频率,从而实现探测仪的在轨高精度光谱定标。该方法已应用于风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的在轨光谱定标中,具有较高的应用价值。

地表温度日变化模型偏差系数解算的地表温度降尺度

地表温度LST(Land Surface Temperature)是全球气候变化研究的关键参数,遥感是获取全球和区域尺度地表温度的一种切实可行手段,但现有的单一传感器无法提供高时空分辨率的LST数据,限制了遥感地表温度数据的深入广泛应用。现有的降尺度方法难以生成无缝高时空分辨率的地表温度数据,且降尺度效果易受高空间分辨率LST数据缺失及有效时刻分布影响。本文提出了一种基于地表温度日变化模型DTC(DiurnalTemperature Cycle)偏差系数解算的地表温度降尺度方法,采用FY-4A、MODIS和Landsat 8的LST数据生成晴空及多云条件下逐小时100 m的无缝LST数据。方法主要包含4部分:(1)利用空值重建方法获取无缝的FY-4A的LST数据;(2)建立FY-4A LST数据的DTC模型;(3)采用时空融合模型对MODIS的LST数据进行空间降尺度;(4)解算DTC模型偏差系数,获取逐小时100 m分辨率的无缝LST数据。实验结果表明,本文提出的方法具有较高的降尺度精度,可获得晴空及多云条件下无缝高时空地表温度数据,且高空间分辨率的地表温度数据缺失和有效时刻分布对本文方法降尺度结果影响较小。