多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化系统

基于中尺度数值预报模式WRF和WRFDA同化系统,实现多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化,并对同化产品进行评估和应用。2018年同化试验结果表明:通过质量控制和偏差订正,AMSU-A资料第5~9通道亮温观测增量O-B(观测值O和背景场的正演辐射模拟值B的差值)的标准差有效降低,同化后各通道亮温分析残差O-A(观测值O和分析场的正演辐射模拟值A的差值)的标准差有效降低。同化预报产品被应用在暴雨强对流个例和台风个例中,取得良好效果。

数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展

在数值天气预报变分同化中,利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理,实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献,是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料,中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术,有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料,将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中,实现多光谱资料融合的同化预质量控制,保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理,拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理,将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中,是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。

基于多源卫星资料的重庆巴南区城市热岛效应时空变化特征分析

利用夜间灯光、DEM和Landsat NDVI等多源卫星资料提取巴南区郊区背景,结合MODIS地表温度产品,采用城乡二分法和Mann-Kenddall(M-K)检验定量评估2002—2021年巴南区城市热岛时空变化特征。结果表明:(1)巴南区近20 a来城市热岛效应年变化明显,热岛面积占比随时间呈波动上升的趋势,热岛面积在近20 a增加了31.7%;(2)热岛效应具有明显的季节变化,夏季最强,秋季次之,春季、冬季相对较弱;(3)热岛效应具有明显的空间分布特征,主要影响巴南区西部的龙洲湾、鱼洞、莲花、李家沱街道、界石镇等居民、商业和工业集中区;(4)热岛效应影响范围和强度变化整体相对平稳。该研究结果可为区域城市生态环境、热环境、局地气候等研究和城市气象灾害预报预警提供重要的科学依据。

Aeolus水平径向风速产品资料同化在台风预报中的应用研究

为评价星载激光测风雷达产品资料同化对台风预报的影响,以2020年台风“黑格比”和2019年台风“利奇马”为例,选用Aeolus卫星的水平径向风速产品,开展星载激光测风雷达资料同化及其对台风预报影响研究。首先基于ERA5再分析资料对Aeolus产品进行统计检验和偏差订正,并统计各高度层观测背景差的均方差作为观测误差用于同化试验。然后通过WRFDA(Weather Research and Forecast Model Data Assimilation)模式同化Aeolus产品并利用WRF(Weather Research and Forecast Model)模式开展预报试验。试验结果表明,Aeolus产品精度较高,统计所得各层观测误差在3~5 m s^(-1)范围且随高度的升高而增大,订正后资料满足三维变分同化无偏假设;在台风“黑格比”和“利奇马”期间同化该产品能使模式具备更加合理的环流形势,能够有效提高对台风“黑格比”和“利奇马”路径及强度的预报效果。

飓风中卫星臭氧总柱观测与位涡相关性和在飓风中心定位中的应用

本文使用搭载于极轨气象卫星S-NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)的臭氧成像廓线仪(Ozone Mapping and Profiler Suite,OMPS)观测的臭氧总柱(Total Column Ozone,TCO)资料对大西洋飓风“Maria”(2017)进行研究。针对对流区域TCO与气柱平均位涡(Mean column-integrated Potential Vorticity,MPV)的低相关性构建了分区域线性回归模型,不仅能同时提高大尺度和对流尺度上TCO和MPV的相关性,还能提高对流区域S-NPP OMPS TCO观测资料的利用率(95.5%)。TCO观测资料可以清晰地反映出飓风的顶部结构,据此可得到对流层顶附近的飓风中心位置。卫星总柱臭氧资料对飓风Maria中心定位结果与最佳路径的距离相差58.1 km,略大于使用S-NPP先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS)、MetOp-A微波湿度计(Microwave Humidity Sounder,MHS)和FY-3B微波湿度计(MWHS)亮温观测资料得到的Maria中心定位结果与最佳路径的距离(47.5 km)。臭氧定位结果与垂直风切变(Vertical Wind Shear,VWS)具有一定关系,垂直风切变越强,臭氧资料定位中心偏离最佳路径越大。本研究构建的分区域线性回归模型可作为间接同化卫星TCO资料的观测算子,也可应用到涡旋初始化中,以改进飓风路径和强度预报水平。

不同类型卫星资料循环同化对台风“烟花”(2106)预报改进比较研究

基于WRF模式和GSI同化系统,实现不同类型卫星资料(先进微波探测器A资料AMSU-A、微波湿度探测器资料MHS和高分辨率红外探测器4资料HIRS4)的循环同化应用。针对台风“烟花”(2106),本文开展了控制试验和多组卫星资料的直接同化对比试验,并对预报的台风路径和降水进行检验评估。结果表明:循环同化卫星资料能够改进台风附近的高度场和湿度场;同化不同卫星资料的效果存在较大的差异,同化微波遥感资料对模式预报的改进优于同化红外辐射资料,其中同化微波湿度(MHS)卫星资料试验模拟的台风路径、强度以及降水都与实况更为接近;相比控制试验,直接同化MHS资料试验的48 h和72 h的预报路径误差分别下降约62%和44%,预报24~48 h的大雨和暴雨的TS评分分别提高26%和44%。

大同地区一次短时强降水的多源资料融合分析

利用常规探测资料、卫星云图、多普勒天气雷达等资料,对大同地区一次强对流天气过程进行诊断分析。结果表明,此次强对流天气发生在高空槽东移配合低层切变线的有利背景下,800hPa与700hPa系统陡直,是大同中南部地区对流天气的触发系统,系统后倾是对流程度不强的原因之一。0~6 km属于弱的垂直风切变,是没有产生冰雹的主要原因。卫星云图上对局部出现短时强降水的指示性不好,但叠加地面最大风场后可以判断云系移动方向,对短时强降水有至少2 h时间提前量。多普勒雷达特征:降水期间,主要以层状云为主,中间夹杂着强度>45 dBZ回波;低层平均径向速度辐合促使上升运动增强,是回波迅速增强的主要原因;降水最强阶段,>60 dBZ面积继续增大的同时高度降低,这主要是由降水的拖曳作用造成的,对应在平均径向速度剖面图上,径向速度辐合消失,转为气旋式辐合,加强了动力抬升作用,是降水增强的主要原因。

北黄海QuikSCAT卫星风速与浮标风速的对比分析

对北黄海QuikSCAT散射计矢量风资料与黄海实测浮标站风速资料进行对比分析,结果表明:北黄海QuikSCAT卫星风速和浮标观测风速的大小基本吻合,二者平均偏差是0.26 m/s,相关系数是0.74;风向偏差较大,平均偏差是117.52°。根据卫星风速和浮标风速的对比分析结果,提出了修正方案。修正后的QuikSCAT风向与实测浮标站风向的平均偏差显著提高到20.44°。该修正方案实施简单,修正效果显著,为更准确地使用卫星资料提供了保证。

同化QuikSCAT资料对台风Vongfong(2002)数值模拟的影响

利用四维同化技术和中尺度数值模式MM5相结合对南海台风Vongfong(2002)的登陆过程进行了模拟,分析表明:同化Qu ikScat资料主要能使模拟的台风移动路径与实况更为接近。而台风的强度变化、降水量和降水分布的模拟与对流参数化方案有密切的关系,其中以Betts-M iller湿对流调整型方案最为合适。HFT试验模拟的台风路径、强度变化、暴雨分布和降水强度与实况一致。且试验结果较好地重现了Vongfong的一些异常特征,如路径突然折向北、移速先慢后快、近海强度加强、降雨量大、强暴雨中心落在台风西北侧等。利用非常规资料改善模式初始场,有逼真的物理过程,可以提高对台风登陆过程的预报。

QuikSCAT和ASCAT卫星反演风场在中国南海北部的适用性研究

对QuikSCAT和ASCAT原始轨道10 m反演风场与浮标资料在中国南海北部的统计检验分析结果表明:两套卫星资料在中国南海北部具有较好的适用性,QuickSCAT反演风速偏高0.46 m·s^(-1),ASCAT反演风速在近海偏高0.45 m·s^(-1),在开阔海域偏高0.07 m·s^(-1)。超过半数的QuickSCAT反演风向误差<30°。在近岸海域,ASCAT反演风向误差<30°的超过56%,在开阔海域,误差绝对值<30°的达到64%。小风时卫星反演风速偏大,大风时卫星反演风速明显偏小,且白天的偏差大于夜间;在5~10 m·s^(-1)风速条件下,两者的一致性较好。用WRF模式模拟的近海风能资源存在高估的可能,卫星资料对近海风能资源评估是个有益的补充,本文对卫星反演风场误差的分析结果也可以为卫星反演风场的资料同化提供参考。

基于WRF模式同化QuikSCAT风场资料的初步试验

利用美国最新推出的中尺度区域模式WRF(WeatherandResearchForecastingmodel)和中国数值预报创新基地开发的三维变分同化系统GRAPES(GlobalandRegionalAssimilationandPredictionEnhancedSystem,1.0版本),以2002年台风"黄蜂"为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了散射计风场资料同化对台风"黄蜂"三维结构分析和预报的影响。初步的结果显示,同化散射计风场资料对台风的大风风场分析、台风中心位置和海面气压场等都有明显的正效应,而对于预报场的改进相对有限。

基于卫星遥感资料的海洋表层流场反演与估算

为解决实际海流资料探测困难,难以大范围有效获取的问题,利用2000～2008年卫星高度计资料和QuikSCAT卫星遥感风场资料,开展了全球海表地转流和Ekman流的反演估算;针对不同纬度地区(赤道和赤道以外地区)地转效应和海洋运动差异,引入不同的运动学模型和反演估算方案,反演得到0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品.对比分析表明,卫星资料反演估算的海洋表层流场能较为客观、准确地表现实际海表流场的基本特征,进而为海洋热量和海洋物质输送等研究提供了可用的海流数据信息.

QuikSCAT卫星遥感风场可靠性分析及其揭示的中国近海风速分布

利用2000—2009年美国国家航空航天局(NASA)在中国近海海域(0°～45°N,105°～135°E)的QuikSCAT卫星遥感风场资料与近海测风塔(位于上海近海)、海上石油平台(位于东海和渤海)、岛屿站(南海珊瑚岛和西沙海边观测塔)的实测风场资料进行对比分析,检验了QuikSCAT卫星遥感风场资料在中国近海海域的可靠性。研究结果如下:各站点实测风速与站点位置以及站点附近的QuikSCAT卫星遥感风场资料相关系数均在0.7以上;QuikSCAT卫星遥感风场资料与海上石油平台的风速均方根误差较小(约1.5m/s);其年均值均大于实测值,差值范围是0.1～1.3m/s;其Weibull形状参数K与海上石油平台以及近海测风塔的K值较为接近,表明QuikSCAT卫星遥感风场资料各风速段的频次分布形态与观测站的实测值基本吻合,QuikSCAT卫星遥感风场资料能基本合理地反映出中国近海风速的分布状况。利用QuikSCAT卫星遥感风场资料分析了中国近海及其邻近水域风速的空间分布特征:(1)台湾海峡是中国近海风速最大的区域,从台湾海峡向东北至日本海,往西南至南海北部115°E附近和巴林塘海峡为风速的次大值区;(2)28°N到长江入海口的东海海域年均风速为7.0～7.5m/s,在黄海和渤海为5.5～7.0m/s,在南海北部自东向西由8.5m/s递减为6.0m/s,北部湾最大风速区位于东方附近海域。

应用NOAA气象卫星图象资料估算草场生物量方法的初步研究

新疆幅员辽阔,草场面积】40×10~4km^2,是我国主要畜牧业基地之一。因此测量草场生物量和掌握其动态变化可以为合理规划、利用和改良草场以及发展畜牧业提供科学依据。 测量草场生物量的方法很多。传统的方法是人工割下单位面积的草,称其重量来估算生物量,但此法繁琐费时,而且是一种破坏性的测量方法。

QuikSCAT卫星遥感与MM5模拟海表面风场的综合分析

利用2000—2009年中国近海海域（105~135°E,0°~45°N）Quik SCAT卫星遥感风场资料和2007年MM5模拟风速结果,运用对比验证、经验正交函数（empirical orthogonal functions,EOF）和奇异值分解（singular value decomposition,SVD）方法,分析了Quik SCAT卫星遥感风场资料和MM5数值模拟风速结果的特征。结果表明：两者风速的空间分布形态相似,且风速变化密切相关;QuikSCAT卫星遥感风场的空间分布形态更加接近实测结果,而模拟风速结果的量值更加接近实测结果。采用PS（Pattern-Scaling）方法分别提取了Quik SCAT卫星遥感风场的空间分布形态和模拟结果的量值,得到的风速空间分布形态与Quik SCAT卫星遥感风场一致,且风速量值与模拟风速结果相同。通过初步检验发现,PS方法改善了卫星遥感风速在中国近海海域风速偏大的问题。

基于卫星探测资料的珠江三角洲城市群对降水影响的观测研究

利用卫星观测TRMM降水以及QuikSCAT风场资料,对珠江三角洲地区及临近区域降水的分布特征进行了探讨,结果表明:(1)同一纬度相比,珠江三角洲城市群所处的区域降水明显多于其周边地区,表明了城市化可能会使所处区域的降水增加;(2)珠江三角洲城市群所处区域降水的增加存在明显的季节变化特征,在前汛期城市所处区域的降水增多较其它季节明显;(3)珠江三角洲城市化对降水的影响与风场的分布密切关联,降水增多的区域通常位于城市群所在之处及其下风方向的邻近地区;(4)珠江三角洲城市化使城市群所处区域的降水时次减少,而降水强度则加强;(5)珠江三角洲城市群的天气、气候效应只对对流性降水产生影响,而层状降水的分布则与城市群的位置没有明显关联。

TRMM卫星微波成像仪资料的陆面降水反演

为了探讨微波亮温与降水的关系,用TRMM卫星上微波降水雷达PR、微波辐射计TMI资料和973资料组提供的2002年6～7月120站的每小时自记降水记录,采用逐步回归方法,反演陆面降水。通过资料匹配分析显示,由于时空匹配问题,站点降水与微波辐射计亮温及亮温的组合因子的相关性并不高,明显低于TRMM卫星的测雨雷达PR与微波辐射计亮温及其组合因子的相关程度,因此仅用微波亮温和站点降水难以建立较好的反演算式。结合时空匹配较好的TRMM卫星降水雷达PR、微波辐射计TMI资料,建立新的算式,并且和其它算式进行比较。就反演降水结果而言,新算式比原有算式有一定改善,但对6～10mm/h的降水来说,新算式与原有算式反演结果都较差。

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品 (MOD43B1 ) ,结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料 ,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布 ,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系。首先 ,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证。验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化 ,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好。年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关 ,反照率的高值出现在高海拔山区。冬春季节 ,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区 ;夏秋季节 ,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响 ,沙地和沙漠地带反照率最高。最后 ,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化 ,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化 ,地表反照率在春秋季节较大 ,夏季反照率较小。

牧区积雪监测中卫星资料应用的研究现状

牧区雪灾严重制约着牧区生产力的发展。卫星资料在雪灾监测中,起到控制雪灾和灾前预警的作用。牧区积雪监测中常用卫星资料NOAA/AVHRR在晴空条件下,具有大范围积雪动态变化监测的优势;TM资料则易于区分雪和云,同时适用于小范围积雪动态监测与精确定位;被动微波遥感数据SMMR、SSM/I和AMSR-E在获取雪深及雪层内部稳定方面效果显著;MODIS数据具有数据免费、较高空间分辨率等特点。多种卫星资料还在去云、混合像元处理、积雪深度、积雪面积监测和积雪监测模型建立中起到基础数据的作用,为雪灾的准确监测提供重要依据。